12.5.1 回流回路和接地裝置的設計

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鋼軌回流回路和接地裝置的設計。基于12.2和12.3中所給的信息，本條主要針對系統的配置，及它們的設計和實施，根據標準EN 50 122-1 [12.1] 和EN 50 122-1 [12.13] 的規定，回流回路和結構接地要嚴格分開。這些概念有效性已經在重載鐵路運輸系統的實際運營中得到驗證。

直流供電系統包括中壓側和高壓側的三相交流供電網、牽引供電系統和專用設備和建筑物的輔助低壓供電。關于牽引回路，接地和導接已經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。實際應用需要的是能簡單地、經濟地進行整體配置的協調方案。

歐洲標準EN 50 122-1和EN 50 122-2調整了所提出的整套問題并調整了以下事項的規定：

—結構;

—三相高壓供電;

—直流牽引供電系統;

—信號通信設備;

—建筑物中的低壓供電。

這些標準構成了以下所述的系統配置的基礎！圖12.20以隧道系統為例，表示了回流回路和接地導接的主要元件。回流流經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換到電解質的地方就會產生雜散電流腐蝕。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生雜散電流腐蝕的區域。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)。在圖12.20中，結構接地，也就是隧道接地，沒有與回流回路相連，它被作為所有設備元件的保護接地，如三相高壓和中壓設備以及信號通信設備。

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—通信信號系統的接地; 4—雷電保護接地;

+++—可能發生雜散電流腐蝕的區域; △—鋼軌的絕緣布置

12.5.2 人身安全

根據 [12.1]，為保證人身安全，三相供電系統故障和鋼軌上的電位所產生的接觸電壓不應超過規定的允許值。在三相交流系統的接地故障中，故障電流通過接地系統流向大地，并在接地裝置和大地之間產生電壓。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 [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。

設計直流電氣化鐵道系統時，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供電來實現的。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區域中，必須提供防雷電保護方案。非直接接觸保護與流經線路鋼軌的回流問題有關。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的安全，一般推薦采用將這一區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。

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先于雜散電流腐蝕保護的原則為基礎的。這些標準規定： 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支持結構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，以及接觸網系統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

鋼軌鋪設在軌枕上，軌枕下面是道碴，底碴，絕緣層，最后是地面。混凝土板是軌枕和道碴的一種替代方案。鋼軌對地的高電阻只在以下情況出現： 新線路鋪設在絕緣良好的道碴上、而且土壤是干燥的沙質土壤。在霜霧天氣也同樣適用。但是，多數情況下，由于軌對地電阻的存在，一部分回流流過大地，土壤充當電解質的角色。因此，在直流電氣化鐵道系統附近，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，就要發生電化學腐蝕。在這些情況下，會有兩種過程同時發生，下面將以鐵為例進行解釋。這兩個過程為

—陽極反應

Fe→Fe+++2e

—陰極反應

當pH值大于7時，1/2O2+H2O+2e→2OH-

當pH值小于7時，2H++2e→H2

在陽極反應中，陽極電流Ia從金屬流向電解質。在陰極反應中，陰極電流Ik從電解質流向金屬。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里的情況