地铁直流牵引回流系统综述
摘要：
地铁直流牵引回流系统是由钢轨、回流电缆、轨电位装置、单向导通装置、排流柜以及隧道结构钢筋等组成的。本文将按照常规回流和故障回流两种情况，分析直流牵引回流系统各部分组成和相互之间的配合。
关键词：直流牵引，常规回流，故障回流，迷流，框架
1前言
直流牵引与交流牵引相比具有辐射干扰低、绝缘防护要求等级低、运行方式易调整、供电连续可靠、保护设置相对简单和实现高品质再生制动，以及不存在分相问题等优点，因此，在国内外地铁行业得到广泛应用。直流牵引系统可简单划分为牵引电源、牵引负荷和牵引回流三个子系统。牵引电源部分包括整流变压器(RCT)、整流器(RC)、正极直流母排（B+）和负极直流母排（B-）；牵引负荷主要指电客车；牵引回流系统是由回流钢轨（R）、回流电缆、轨电位限制装置（RVLD）、单向导通装置(DT)、排流柜(DR)以及隧道结构钢筋等组成的，各部分相辅相成，共同构成了牵引电流的回流通路，保证牵引电流常规情况和故障情况下都能顺利回流到电源负极。
2常规回流
常规情况，直流牵引电经整流器输出至
牵引所正极直流母排B+，再经馈线开关和上网刀闸将牵引电输送至接触网；电客车经受电弓从接触网上引入直流牵引供电，经电客车内主逆变器负极流出至电客车的轮对；电客车轮对再将主逆变器负极的电在图1中的A点传至与其直接接触的回流钢轨；由于回流钢轨与道床之间有一层绝缘性能良好的橡胶垫，因此大部分回流都经过钢轨回流Ic流至牵引所附近的B点，只有一小部分回流通过绝缘不良的地方流入道床或隧道结构，这部分电流则形成了地铁杂散电流Is；在B点附近，钢轨回流Ic直接通过回流电缆流回牵引所负极直流母排（B-），杂散电流Is则经过具备单相导通功能的排流柜DR流回牵引所负极直流母排（B-），至此，完成一个完整的牵引回流过程。
3故障回流
3.1回流能力不足情况下的回流
在以下两种情况下会引起牵引回流能力的不足：1）当地铁线路上行车密度超过设计密度；2）回流电缆部分或全部由于某种原因不能导电。此时，大部分牵引电流仍将以常规回流的形式，流回牵引所负极直流母排。但由于回流通路不畅，从电客车轮对流至钢轨上的电荷将不断的累积，从而引起钢轨电位的抬升。当钢轨电位抬升至轨电位限制装置的整定值时，RVLD内的接触器将会闭合将钢轨与变电所内接地网连通，将这部分无法顺利回流的电荷排入地铁接地系统，从而使钢轨电位下降至人体的安全电压以下。这两部分非常规回流最终都将在经杂散电流收集装置由排流柜DR回流至牵引所负极直流母排，形成完整的牵引回流过程。
3.2接触网对地或钢轨短路故障时的回流
当发生接触网对钢轨短路故障时，直流牵引供电的回流路径与本文3.1节中回流能力不足情况下的回流相同，只是回流电流大了数倍。
当发生接触网对地短路故障时，由于道床的电位相对钢轨高出数倍，所以大部分故障电流会经过绝缘薄弱的地方由道床流入钢轨，再按照本文3.1节中回流能力不足情况下的回流方式，回流至牵引所负极直流母排，形成完整的牵引回流过程。
3.3变电所内直流牵引系统短路故障时的回流
牵引变电所内的直流牵引供电设备都设计和安装在同一房间内，所有设备的柜体外壳对地绝缘安装并用电缆连通形成一个保护人员的框架（如图1中虚线框所示），该框架在负极柜内经小电阻与变电所接地系统连接。当发生整流器正极对外壳短路、直流开关电气部分对外壳短路时，所有短路电流都将经过负极柜内的小电阻流入接地系统（框架保护模块通过检测该电流的大小来启动框架保护，以切断故障电源并隔离故障），最后经排流柜DR回流至牵引所负极直流母排，形成完整的牵引回流过程。
4结束语
地铁直流牵引回流系统各部分相辅相成，共同构成了牵引电流的回流通路，以保证牵引电流常规情况和故障情况下都能顺利回流到电源负极。因此，在地铁运营过程中，应该注意以下三点：
1）避免长期通过轨电位限制装置将钢轨和接地系统接通，并以此作为解决车站轨电位限制装置频繁动作的处理方法。虽然该方法可以有效降低钢轨电位，防止电压型框架保护误动作，同时也大量减少运行人员对该装置复归和检查的工作量，但该方法大幅度增大了车站建筑范围内的迷流，对建筑内结构钢筋的电腐蚀危害极大，直接威胁地铁建筑的安全使用寿命。
2）避免长期退出排流柜运行，以保证杂散电流主收集回路的畅通。投入排流柜运行会将原来负极母排的负电位降低至接近零电位,因钢轨纵向电压的钳制作用使得两牵引变电所间钢轨的最高对地电位增加了一倍,两牵引变电所间几乎成为阳极区。简单看杂散电流总量增加了近4倍，使得区间内的钢轨的腐蚀将有所增加，但该方法却为流入道床和隧道结构等处的杂散电流提供了畅通的回流路径，会大大减少杂散电流对地铁结构建筑内钢筋的电腐蚀。综合来看，投入排流柜，更有利于地铁的长期安全。
3）避免将高架段线路上接触轨避雷器的负极直接连接到道床或桥墩上，应与钢轨直接连接。若将避雷器负极连接到道床或桥墩上，在避雷器发生内部短路故障时，故障电流将无法正常回流，该供电分区相对应直流馈线开关的保护可能无法正常动作，将直接影响调度和维修人员对故障的判断或处理。据悉广东某条高架段地铁线路曾多次出现避雷器内部缺陷引起接触轨金属性接地事故，而故障时仅靠近故障点侧直流馈线开关的电流上升率di/dt保护误动作。同时考虑到高架段线路上接触轨的安装高度较低，而且上方安装有绝缘防护罩，从近几年国内的运行经验来看，接触轨极少发生雷击事故，因此将高架段接触轨避雷器的负极与钢轨直接连接，更有利于牵引供电系统的安全运行。
参考文献
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