12.5.1 回流回路和接地裝置的設(shè)計

防雜散電流的安全保護措施很大程度上決定了直流供電系統(tǒng)鋼軌回流回路和接地裝置的設(shè)計?；?2.2和12.3中所給的信息，本條主要針對系統(tǒng)的配置，及它們的設(shè)計和實施，根據(jù)標準EN 50 122-1 [12.1] 和EN 50 122-1 [12.13] 的規(guī)定，回流回路和結(jié)構(gòu)接地要嚴格分開。這些概念有效性已經(jīng)在重載鐵路運輸系統(tǒng)的實際運營中得到驗證。

直流供電系統(tǒng)包括中壓側(cè)和高壓側(cè)的三相交流供電網(wǎng)、牽引供電系統(tǒng)和專用設(shè)備和建筑物的輔助低壓供電。關(guān)于牽引回路，接地和導接已經(jīng)存在幾種不同的配置，并建議提供新的裝置。它們須滿足人身安全的要求 [12.1，12.10，12.11，12.28]，也須滿足雜散電流保護的要求，見 [12.2]，[12.13]，[12.14]，[12.15]，[12.29]，[12.30]。另外，它們還必須能夠保證電氣設(shè)備的保護和雷電保護 [12.31、12.32、12.33]。當人身安全措施與雜散電流保護措施相沖突時，必須先考慮人身安全。實際應(yīng)用需要的是能簡單地、經(jīng)濟地進行整體配置的協(xié)調(diào)方案。

歐洲標準EN 50 122-1和EN 50 122-2調(diào)整了所提出的整套問題并調(diào)整了以下事項的規(guī)定：

—結(jié)構(gòu);

—三相高壓供電;

—直流牽引供電系統(tǒng);

—信號通信設(shè)備;

—建筑物中的低壓供電。

這些標準構(gòu)成了以下所述的系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)！圖12.20以隧道系統(tǒng)為例，表示了回流回路和接地導接的主要元件?；亓髁鹘?jīng)走行軌和絕緣回流電纜到供電整流器。因此走行軌和回流電纜形成了回流回路。但是，由于沿線路的不同鋼軌電壓以及絕緣的實際值，電流可能從走行軌漏泄到土壤并流到與土壤相接觸的金屬導體中。在電流從金屬導電體轉(zhuǎn)換到電解質(zhì)的地方就會產(chǎn)生雜散電流腐蝕。圖12.20所示為在一車輛由一個變電所供電的情況下可能產(chǎn)生雜散電流腐蝕的區(qū)域。金屬的腐蝕程度取決于電流、金屬類型和暴露時間 (見第12.5.3節(jié))。在圖12.20中，結(jié)構(gòu)接地，也就是隧道接地，沒有與回流回路相連，它被作為所有設(shè)備元件的保護接地，如三相高壓和中壓設(shè)備以及信號通信設(shè)備。

圖12.20 直流電氣化鐵道的回路和接地

1—高中壓保護接地; 2—低壓保護接地; 3—通信信號系統(tǒng)的接地; 4—雷電保護接地;

+++—可能發(fā)生雜散電流腐蝕的區(qū)域; △—鋼軌的絕緣布置

12.5.2 人身安全

根據(jù) [12.1]，為保證人身安全，三相供電系統(tǒng)故障和鋼軌上的電位所產(chǎn)生的接觸電壓不應(yīng)超過規(guī)定的允許值。在三相交流系統(tǒng)的接地故障中，故障電流通過接地系統(tǒng)流向大地，并在接地裝置和大地之間產(chǎn)生電壓。那么對地電阻則決定了對地電壓和接觸電壓。

直流牽引電流和短路電流在鋼軌上形成了縱向的電壓降。在某些情況下，軌電位能達到電壓降的值。根據(jù) [12.1]，表4和表5，軌電位不能超過允許接觸電壓，參見圖12.2。

設(shè)計直流電氣化鐵道系統(tǒng)時，要計算運行情況下和短路情況下的軌電位。在很多情況下，必須保證當一個變電所故障時，系統(tǒng)仍能正常運行，而此時的牽引供電是通過相鄰變電所的越區(qū)供電來實現(xiàn)的。而在這種情況下，軌電位將限制變電所之間的最大距離。

為保證人身安全，在電氣化鐵道架空接觸網(wǎng)區(qū)域中，必須提供防雷電保護方案。非直接接觸保護與流經(jīng)線路鋼軌的回流問題有關(guān)。非直接接觸是指人體與暴露在外的正常情況不帶電、而在故障情況下帶電的導電部件相接觸。

為了保證在電氣故障下人員和系統(tǒng)的安全，一般推薦采用將這一區(qū)域所有導電體都直接連接到走行軌的方法。但是，為了防止或者至少中和雜散電流的腐蝕，沒有對地絕緣的導電金屬零件不能直接連接到走行軌上。為此，必須安裝限壓裝置，它們形成了到走行軌的短路電流路徑，如回流回路，并限制了在故障時可能會形成的電位差。這些裝置，也被稱之為電壓保安器，它們被安裝在導體和鋼軌之間。正常情況下處于斷開狀態(tài)。

標準EN 50 122-1[12.1] 和EN 50 122-1 [12.13] 是以保護人體不受電擊優(yōu)先于雜散電流腐蝕保護的原則為基礎(chǔ)的。這些標準規(guī)定： 回流導體和沒有對地絕緣的導電裝置之間的電阻必須盡可能高。因此，與大地接觸的架空接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)必須通過電壓保安器(短路時作用) 與回流回路相連，例如與鋼軌相連。不過對于額定電壓高達1500V的情況，以及接觸網(wǎng)系統(tǒng)雙重絕緣或加強絕緣的情況，就不必裝電壓保安器。

12.5.3 雜散電流保護

12.5.3.1 雜散電流腐蝕的一般信息

鋼軌鋪設(shè)在軌枕上，軌枕下面是道碴，底碴，絕緣層，最后是地面?；炷涟迨擒壵砗偷啦甑囊环N替代方案。鋼軌對地的高電阻只在以下情況出現(xiàn)： 新線路鋪設(shè)在絕緣良好的道碴上、而且土壤是干燥的沙質(zhì)土壤。在霜霧天氣也同樣適用。但是，多數(shù)情況下，由于軌對地電阻的存在，一部分回流流過大地，土壤充當電解質(zhì)的角色。因此，在直流電氣化鐵道系統(tǒng)附近，從鋼軌流出的電流會引起金屬管道和其它地下裝置的雜散電流腐蝕。

在電解質(zhì)里的每一金屬物體，都承受著滲透壓和溶解壓。通常情況下兩者保持平衡。如果這種平衡被電流 (如從鋼軌流向大地的電流) 打破，就要發(fā)生電化學腐蝕。在這些情況下，會有兩種過程同時發(fā)生，下面將以鐵為例進行解釋。這兩個過程為

—陽極反應(yīng)

Fe→Fe+++2e

—陰極反應(yīng)

當pH值大于7時，1/2O2+H2O+2e→2OH-

當pH值小于7時，2H++2e→H2

在陽極反應(yīng)中，陽極電流Ia從金屬流向電解質(zhì)。在陰極反應(yīng)中，陰極電流Ik從電解質(zhì)流向金屬。當沒有外部電流作用時，下面平衡等式適用于均勻的金屬表面在均勻的電解質(zhì)里的情況