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IEC 62128：铁路设施——电气安全、接地与回流电路
IEC 62128铁路接地杂散电流牵引安全
IEC 62128 是固定铁路设施中电气安全、接地和回流电路的领先国际标准。该标准分为三个部分——电击防护（第1部分）、杂散电流防护（第2部分）以及交流和直流系统的相互作用（第3部分）——为确保电气化铁路附近乘客、工作人员和公众的安全提供了完整的工程框架，同时也保护了铁路基础设施和邻近第三方资产免受电解腐蚀。
工程洞察： IEC 62128 解决的最具挑战性的设计问题是牵引回流要求（低阻抗路径以最小化电压降）与杂散电流抑制（高阻抗路径以防止泄漏到大地）之间的固有冲突。解决这一冲突需要仔细优化钢轨对地电阻——直流系统通常以 2-10 Ω·km 为目标——并结合既能让牵引电流通过又能阻断信号轨道电路频率的阻抗连接。
1. 电击防护（第1部分）
2023年更新的 IEC 62128-1 规定了在交流和直流牵引系统中保护人员免受电击的要求。它根据故障持续时间确定了允许的接触电压和跨步电压限值，并规定了整个铁路设施的接地架构。
1.1 接触电压与跨步电压限值
该标准根据 IEC 60479-1 心室颤动曲线，定义了作为故障清除时间函数的最大允许接触电压（UTp）和跨步电压（USp）。对于故障清除时间在 0.1 秒内的 50/60 Hz 交流系统，允许接触电压为 650 V，而直流系统为 700 V。对于较长的故障持续时间（最多几秒），这些限值显著下降到交流 75 V 和直流 90 V，反映了长时间暴露带来的生理风险增加。
1.2 接地架构
该标准定义了铁路设施的四种接地原则：直接接地（类似 TN）、非绝缘回流、二极管接地和不接地（类似 IT）。选择取决于牵引系统类型（交流 vs. 直流）、信号系统兼容性以及周围环境对杂散电流的敏感度。对于使用混凝土嵌入式轨道板的现代直流地铁系统，控制钢轨对地电压阈值为通常 +50 V/-100 V 的二极管接地是最常见的配置。
2. 杂散电流防护（第2部分）
| 防护措施 | 技术实现 | 典型设计目标 | 验证方法 |
|---|---|---|---|
| 钢轨对地电阻 | 绝缘钢轨扣件、弹性垫板、道床垫 | > 2 Ω·km（直流），> 0.5 Ω·km（交流） | 直流绝缘电阻测量 |
| 杂散电流收集 | 结构钢筋连接成收集网 | < 5% 回流电流泄漏 | 使用极化电池进行电流映射 |
| 回流导体交叉连接 | 每 300-500 m 定期交叉连接 | 任意点钢轨电位 < 100 V | 纵向电压降测量 |
| 负回流电缆 | 与运行钢轨并联的铜电缆 | ≥ 钢轨截面积等效的 50% | 电流分配比测量 |
| 极化排流 | 50-100 V 阈值二极管接地装置 | 阈值 ±50 V 至 ±100 V | 导通电压验证 |
| 腐蚀监测 | 永久安装的参比电极 | 结构对电解质电位 > -850 mV（Cu/CuSO4） | 每 6 个月半电池电位测量 |
关键设计参数： 杂散电流腐蚀遵循法拉第定律：1 A 的直流泄漏电流持续流动一年会电解溶解约 9.1 kg 钢材或 10.4 kg 铜材。典型的杂散电流泄漏为 5 A/km 的地铁系统每年每公里轨道会溶解 45 kg 钢材——如果不加以缓解，可能在十年内危及埋地管道和结构钢筋。
3. 交直流系统相互作用（第3部分）
IEC 62128-3 解决了交流与直流牵引系统共用走廊或接地基础设施时发生的复杂相互作用——这在 25 kV 交流干线列车与 750 V/1.5 kV 直流地铁列车近距离运行的多系统火车站和车辆段越来越常见。
3.1 谐波与暂态耦合
该标准识别了三种主要耦合机制：通过共享接地导体的传导耦合、通过平行轨道排列的感应耦合以及车站环境中的电容耦合。对于每种机制，IEC 62128-3 规定了最大允许干扰水平和缓解要求，包括间距、屏蔽导线布置和牵引变电站谐波滤波器设计。
3.2 混合接地系统设计
第3部分的一个关键贡献是关于混合接地系统的指南，该系统必须同时满足交流和直流安装的要求。这包括直流阻断装置（如 E-Booster 或极化电池）的规格，这些装置防止直流杂散电流通过交流接地导体流动，同时仍为交流故障电流提供低阻抗路径。该标准要求此类装置具有完全预期故障电流的额定值，并包括旁路导通监测。
创新方法： 现代”E-Booster”系统——主动管理钢轨电位的电压控制开关装置——正被采用作为传统二极管接地的替代方案。通过动态调整钢轨对地连接阻抗，它们可以在正常运行中将钢轨电位维持在 ±30 V 以内，同时在故障期间提供低阻抗路径，与固定阈值二极管方案相比大大减少了杂散电流泄漏。
4. 工程应用与合规性
IEC 62128 对于采用 IEC 标准的所有新建铁路电气化项目是强制性的，并在全球地铁、轻轨和干线铁路项目的采购规范中广泛引用：
- 城市地铁系统（600 V DC、750 V DC、1.5 kV DC）
- 轻轨和有轨电车网络（600-750 V DC）
- 干线铁路（25 kV AC、15 kV AC、3 kV DC）
- 同时具有交流和直流牵引的混合交通走廊
- 具有多种牵引系统的火车站和车辆段
合规说明： IEC 62128:2023（第1部分）对在潮湿条件下工作的维护人员引入了更严格的接触电压限值——将故障持续时间超过 0.2 秒的允许接触电压从 75 V 降低到 50 V。现有设施有 5 年的过渡期来改造保护性连接和绝缘措施。
5. 常见问题
问：IEC 62128 和 EN 50122 有什么区别？
答：EN 50122 是欧洲标准，在技术上与 IEC 62128 完全相同。这两个标准通过 IEC-CENELEC 法兰克福协议保持并行维护。自 2023 年起，EN 50122 直接引用 IEC 62128，大多数欧洲国家不再有额外的国家偏差。
答：EN 50122 是欧洲标准，在技术上与 IEC 62128 完全相同。这两个标准通过 IEC-CENELEC 法兰克福协议保持并行维护。自 2023 年起，EN 50122 直接引用 IEC 62128，大多数欧洲国家不再有额外的国家偏差。
问：钢轨对地电阻在实践中如何测量？
答：标准规定了直流绝缘电阻测量方法，使用高压绝缘测试仪（500 V 或 1000 V）连接在运行钢轨和参考接地电极之间。测量在干燥条件下进行，并校正到标准温度 20°C。对于连续监测，一些系统采用永久安装的钢轨电位监测装置，从测量的电压和电流计算泄漏电阻。
答：标准规定了直流绝缘电阻测量方法，使用高压绝缘测试仪（500 V 或 1000 V）连接在运行钢轨和参考接地电极之间。测量在干燥条件下进行，并校正到标准温度 20°C。对于连续监测，一些系统采用永久安装的钢轨电位监测装置，从测量的电压和电流计算泄漏电阻。
问：什么是极化电池，它是如何工作的？
答：极化电池（也称为排流电池或火花间隙）是一种由浸入电解质中的堆叠锌板或铜板组成的装置，连接在回流电路与大地之间。它对小的直流电压呈现高阻抗（防止杂散电流流动），但在较高电压（通常 50-100 V）下击穿，为故障电流和雷电浪涌提供低阻抗路径。现代单元使用固态晶闸管等效器件。
答：极化电池（也称为排流电池或火花间隙）是一种由浸入电解质中的堆叠锌板或铜板组成的装置，连接在回流电路与大地之间。它对小的直流电压呈现高阻抗（防止杂散电流流动），但在较高电压（通常 50-100 V）下击穿，为故障电流和雷电浪涌提供低阻抗路径。现代单元使用固态晶闸管等效器件。
问：IEC 62128 能否应用于非铁路直流系统？
答：虽然专为铁路制定，但第2部分中的杂散电流防护原理适用于任何具有大地回流的直流配电系统——包括直流微电网、电解厂和管道的阴极保护系统。第1部分中的接触电压要求来自通用的 IEC 60479-1 电击生理数据，可引用用于任何可能存在人员接触的低压直流装置。
答：虽然专为铁路制定，但第2部分中的杂散电流防护原理适用于任何具有大地回流的直流配电系统——包括直流微电网、电解厂和管道的阴极保护系统。第1部分中的接触电压要求来自通用的 IEC 60479-1 电击生理数据，可引用用于任何可能存在人员接触的低压直流装置。
