随着城市轨道交通的快速发展，对直流牵引供电系统的安全可靠性要求越来越高，直流牵引回流系统作为直流牵引供电系统的重要组成部分，日益受到重视。直流牵引回流系统由钢轨、回流电缆、钢轨电位限制装置、单向导通装置、排流柜以及道床、隧道结构钢筋等环节组成，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。对于直流牵引回流系统的接地类型、轨地绝缘分析、杂散电流防护、钢轨电位限制等相关问题的研究具有十分重要的意义。本文简要介绍了直流牵引供电系统的原理和结构，分析了直流牵引回流系统各部分的工作原理和功能，根据地铁牵引回流系统的动态特性，设计了基于极性排流的自动排流柜，提出了多点监测数据综合评价自动排流柜是否投入方法，根据杂散电流的分布规律确定了监测点设置原则和不同区域的标准比较阀值，利用基于GOWA算子的直觉模糊控制算法，将多个监测点的极化电位正向偏移平均值和设置阀值进行了模糊处理和多属性决策，根据对比结果判断排流柜是否需要进行排流或调整。提出了基于多点监测数据动态排流的方法，将排流量控制等效为占空比调整，构造了基于BP神经网络的自动排流柜占空比调整预测模型，通过现场实测数据对模型进行了训练，并结合实际工程进行了排流控制，结果表明该预测模型可以有效的实现排流优化控制。回流系统参数测试是目前现场普遍感觉较困难的工作，针对现有轨地绝缘参数测试方法进行了分析和试验，提出了一种简便可行的过渡电阻在线测试方法。根据回流系统轨地绝缘损坏时的特征提出了基于信息熵理论的监测参数特征提取方法，试验结果表明该算法可以快速、准确的将绝缘损坏区域定位在监测点之间。并进行了将基于行波法的故障测距方法应用于回流系统轨地绝缘损坏定位的可行性分析与仿真实验。通过对直接接地、悬浮接地和二极管接地三种不同方式对回流系统钢轨电位、杂散电流和系统外泄电流影响的比较，总结了二极管接地系统具有接触电压较小，能够有效地减小系统外泄杂散电流，并且提高了系统短路保护的灵敏性。直流牵引回流系统的钢轨电位过高造成相应的保护装置频繁动作，大大增加了杂散电流腐蚀的危害，提出了调整机车停站时间、减小多机车启动重合度抑制钢轨电位方法，仿真结果表明可有效降低钢轨电位，并通过对钢轨电位限制装置动作限值的分析，讨论了与相关系统设备之间的优化配合。