12.6.1 回流回路和接地裝置的設計

12.6.1.1 概述

交流電氣化鐵道的供電系統對回流系統也有影響。在簡單的回流線系統中，如圖12.1所示，采用走行軌作回流回路，30%～40%的回流流經土壤。如圖12.1b) 所示，可以采用在支柱上安裝回流線的方法將這部分電流減少至15%～20%。

如圖12.1d)所示，在自耦變壓器系統供電時，架空接觸網和帶電回流線間的傳輸電壓更高。帶電回流線就是人們常說的正饋線。每隔10～20km安裝一臺自耦變壓器，將傳輸電壓轉換為接觸線電壓。相鄰的兩臺自耦變壓器相當于常規供電系統供電區段兩端的兩個變電所。與吸流變壓器供電系統相似，在饋電線和回流線中的電流幾近相等。它們都減少了流經走行軌和大地的回流。

圖12.1c) 中所示的吸流變壓器系統，將變比為1：1的變壓器，每隔3～5km接入架空接觸線。其二次繞組通過吸上線從走行軌將回流吸入絕緣的架空回流線中。返回變電所回流大小接近于接觸線的電流。在大部分區段流經走行軌和大地的電流很校

與直流電氣化鐵道線路相反，交流電氣化鐵道中的回流回路是連到接地系統上的。其接地系統包括大面積的接地體，如建筑基儲橋梁和高架橋基儲隧道鋼筋及沿線路的接觸線支柱的樁基礎！這些系統之間通過回流線互相連接形成了鐵路系統的接地，并與下列接地相連

—中醫保護接地;

—低壓保護接地;

—通信和信號接地;

—雷電保護設備的接地。

在交流牽引系統中，由于與線路的感性耦合和阻性耦合，大地也成為牽引回流路徑的一部分。部分鋼軌回流流過與之相連的接地系統和土壤，導致非鐵路裝置受鐵路系統的影響面增大。流經大地的電流越強，鐵路附近的其他裝置，如管道、電纜和設備等受感性耦合和阻性耦合影響的危險就越大。為了解決這個問題，人們已經開發和應用了各種不同的方法以減少經大地流回變電所的電流及其相關的影響。

12.6.1.2 經過鋼軌和埋設回流地線的電流

第12.4.3節解釋了怎樣通過安裝帶狀接地體來大幅度地降低系統 (有負載電流經過)中的軌電位。　表12.5的數據也證實了上述結論。這種帶狀接地體也適用于電位控制。在每條線路地下1m處各埋設一條獨立的接地帶。通常這些接地帶由鍍鋅鋼材構成，最小鋅層厚度為70μm。接地體截面為30×4mm2鋼材，這些接地帶都由鍍鋅鋼制成，最少有70μm厚的鍍鋅層，截面為30×4mm2或50mm2鍍錫銅纜線。

由于安裝在地下和受到其所采用的截面的限制，接地帶只是稍微促進了回流的導通。以德國鐵路的架空接觸網為例進行了計算，以便與沒有裝接地帶的線路進行對比：

如果安裝了接地帶，則：

—架空接觸線阻抗的絕對值減少了約2%～3%;

—位于距線路中心線3.5m、且高于軌面0.1m處的導電部件中的感應縱向電壓 (感應縱電動勢) 減少了大約7%;

—鋼軌對大地電壓減少了大約53%。

安裝了接地帶后，在鐵路線周圍的區域中，電磁場的形狀和場強幾乎沒有什么變化。因此接地帶的主要優點是降低了鋼軌對大地電壓。

12.6.1.3 并行回流線

在架空牽引供電系統中，減少流經線路和大地的回流部分最簡單有效的辦法就是在架空接觸網和輔助供電線附近安裝并行的回流線。并行回流線與牽引供電線有近距離的感性耦合，它有著以下可測量到的效果：

—如圖12.32所示，安裝并行回流線可以很大程度上減少流經軌道和大地的回流。

—鋼軌對大地電壓，也就是軌電位，也可顯著降低。計算結果顯示，與沒有安裝回流線的系統相比，軌電位可減少50%～55%。[12.41] 中報告，裝上回流線后再測量，數值降低53%。

圖12.32 在單位長度有效電導為2S/km的雙線鐵路系統中，回流牽引電流在各回流路徑中的分布

-- —沒裝回流線;

—— —裝了Al 240型回流線

—與鐵路線并行安裝的導線中產生的感應縱向電壓(感應縱電動勢) 也減少了將近一半。對于Re250型德國鐵路標準接觸網，如果裝了回流線，可發現位于距線路中心3.5m處的導線中感應縱向電壓比沒裝回流線的架空接觸系統中的對應電壓低了45%。距馬德里—塞利維亞鐵路11m處的并行導線上，測到的每km和每kA牽引電流的感應電壓為43V(見第12.6.5節和 [12.42])，該鐵路是由50Hz單相交流系統供電的。為便于比較，對一個沒裝并行回流線的系統進行了計算，結果顯示，感應電壓為70V/ (km·kA)。換句話說，安裝回流線減少了將近39%的感應電壓。在 [12.41] 中顯示，裝了回流線的系統中干擾電壓降低了幾乎45%。從圖12.33中可推算出回流線的安裝使得感應縱向電壓 (感應縱電動勢) 減少了35%～40%。

圖12.33 與鐵路線并行安裝的回流線上，單位長度的感應縱向電壓 (感應縱電動勢) 和牽引電流的比，σE=100Ωm

-- —沒裝回流線;

——裝了Al 240型回流線

—鐵路線附近的磁場也得到很大的削弱。[12.41] 顯示，裝了回流線以后，在與軌面等高、距Re200型接觸網12m處的磁場強度為9A/m，而沒裝回流線的系統中，對應的磁場強度為18A/m。距離為12m時，[12.43]中報告的磁場強度值： 有回流線時為10A/m，沒回流線時為19A/m。在圖13.17中也可看到裝了回流線后磁場強度的減弱。

—單位長度阻抗也減小了。[12.41] 中論述到，在一個交流15kV、16.7Hz的線路中，單位長度阻抗相對于沒裝回流線時減小了9%。同時，單位長度電阻增加了8%還多，而單位長度電抗減少了18%多。因此，相位角從56°變到了48°。

圖12.32所示為牽引電流在鋼軌和大地中的回流分布。如果沿線路安裝了與接觸網等高且與大地等電位的回流線，則通常流經大地的電流幾乎有一半經回流線流回變電所，如圖12.1 b) 所示。　表10.10和表10.11中的值也顯示并行回流線將流經大地的回流部分減少了大約一半。