地铁杂散电流监测系统的工作原理及调试

　　【摘要】经过对地铁、轻轨杂散电流监测系统的施工,对其工作原理及调试进行了分析与说明。
　　【关键词】杂散电流，监测系统，原理，调试
　　1.概述
　　在我国城市地铁直流供电系统中大多采用直流电力牵引的供电方式，一般接触网（或第三轨）为正极，而走行轨兼作回流线。由于回流线轨存在着电气阻抗，牵引电流在回流轨中产生压降，由于钢轨不可能达到完全对地绝缘,所以回流轨对地存在着电位差，回流线对道床、四周土壤介质、地下建筑物、埋设管线存在着一定的泄漏电流，泄漏电流沿地下建筑物、埋设管线等介质至负回馈点四周重新归入钢轨，此泄漏电流即称迷流，又称地铁杂散电流。杂散电流主要是对地铁四周的埋地金属管道、电缆金属铠装外皮以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，它不仅能缩短金属管线的使用寿命，而且还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，对已定型的地铁结构造成严重危害，甚至酿成灾难性的事故。所以在地铁和轻轨正常运行时,应加强对杂散电流监测和有效判断腐蚀状况。杂散电流监测系统就是对杂散电流的电化学腐蚀进行积极有效的监测。
　　2.杂散电流监测系统的重要参数
　　杂散电流对埋于地下金属管线和混凝土主体结构中钢筋的腐蚀在本质上是电化学腐蚀，属于局部腐蚀，其原理与钢铁在大气条件下或在水溶液及土壤电解质中发生的自然腐蚀一样，都是具有阳极过程和阴极过程的氧化还原反应。即电极电位较低的金属铁失去电子被氧化而变成金属离子，同时金属四周介质中电极电位较高的去极化剂，如金属离子或非金属离子得到电子被还原。
　　杂散电流的泄漏是造成地铁系统埋地金属结构电化学腐蚀的主要原因，在埋地金属结构的电化学腐蚀检测参数中，金属结构对地电位（极化电位）参数是最重要的，因为它既可以反映金属结构的腐蚀特性，又可以反映杂散电流的干扰特性。轨道电位又是影响极化电位的主要原因,通过测量和分析钢轨、大地金属件电位的分布,就可以综合地分析杂散电流干扰状态和发生杂散电流腐蚀的状况。轨地过渡电阻和轨道纵向电阻是影响杂散电流泄漏的重要参数,通常杂散电流的泄漏与轨地过渡电阻成反比,与轨道纵向电阻成正比。因此通过监测地铁金属件的极化电位、轨道电位、轨地过渡电阻和轨道纵向电阻,能够反映杂散电流腐蚀特性以及造成杂散电流泄漏的原因。地铁杂散电流综合监测装置就是完成整个地铁沿线各个测量点对于上述四个参数的在线实时测量,并把测量得到的结果通过计算机通信网络传送到中央控制室微机系统中,整个装置为在线24小时自动监测，维修人员只要在中央控制室微机系统中就可以观察到地铁全线埋地金属结构的腐蚀情况，显示或打印数据和趋势曲线，为维修计划提供可靠依据。
　　2．1极化电位
　　地铁结构中金属件对地电位的测量方法采用图1所示的近参比法,需要使用长效参比电极作为测量传感器。
　　
　　图1近参比法
　　在没有杂散电流扰动的情况下,测量的电位分布呈现一稳定值,此稳定电位称之为自然本体电位U0,当存在杂散电流扰动的情况下,测量电位出现偏离自然本体电位U0的情况,所测电位为U1,其偏移值为ΔU。一般情况下,将测量电压为正的称为正极性电压,测量电压为负称为负极性电压。图2表示测量时可能出现的曲线。在杂散电流流入金属件的部位,金属件呈现阴极,此部位的电位会向负向偏离U0,如图2的(-)区域,金属该部位不受杂散电流腐蚀。在杂散电流流出金属件的部位,金属件呈现阳极,此部位的电位会向正向偏离U0,如图2的(+)区域,该部位受到杂散电流腐蚀。因为腐蚀是一个长期作用的结果,而瞬间杂散电流的变化是杂乱无序的,测量瞬间金属件对参比电极的电压不能直接反映测量点杂散电流的腐蚀情况,所以应该测量计算在一定时间内偏移自然本体电位U0的正向平均值和负向平均值,CJJ49—92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》规定的测量时间为半小时，其计算公式如下所述：
　　
　　
　　式中：
　　：所有正极性电压瞬时值和绝对值小于值的负极性电压各瞬时值之和；
　　：所有正极性电压瞬时值读取次数及绝对值小于值的负极性电压各瞬时值读取次数之和；
　　：绝对值大于值的负极性电压各瞬时值之和；
　　：绝对值大于值的负极性电压的读取次数；
　　：总的测量次数
　　对于地铁杂散电流腐蚀的监测，金属结构对地电位的测量，其监测和计算的参数为：
　　自然本体电位，瞬时电位，正向平均值和负向平均值。
　　自然本体电位是一个非常重要的测量参数，而我们探讨的测量方法最终要实现自动在线测量，所以测量装置本身应该能够测量，地铁的运营特点一般是早5时到夜里12时，夜间12点以后列车完全停止运营，此时可以进行自然本体电位的自动测量。

　　图2地铁金属件对地电位的测量曲线
　　2．2轨道电位
　　地铁杂散电流的泄漏受轨道电位的影响很大,所以轨道电位的监测测量也同样重要。轨道电位严格意义上表示以无限远大地为基准,而实际测量中是很难实现的,用测量钢轨对地铁结构金属件的电压来代表轨道电位。轨道电位的瞬时变化很大,实际测量过程中除了测量瞬时轨道电位V1外,还测量计算金属对地电位平均值的时间内轨道电位的最大值Vmax。
　　2.3轨地过渡电阻和轨道纵向电阻在线测量实现方法
　　图3为列车运行过程中在线测量轨地过渡电阻和轨道纵向电阻传感器安装布局图。当每天第一列列车运行通过具有测距功能的传感器1时，本区间的转接器向具有测量轨道电流和电压功能的传感器2及测流传感器3发布测量命令，此时，传感器2测量所在安装点的轨道的
　　电流和电压，测流传感器3测量回流点的电流，所有测量信息通过监测系统的通讯网络传送到上位计算机内，根据杂散电流分布的解析公式，利用牛顿迭代法计算得到所测供电区间的轨地过渡电阻和轨道纵向电阻。传感器1和传感器2属于改进型传感器，除了具有普通传感器的功能外又增加了测量列车距离和测量轨道电流电压的功能，最终目的是为了完成测量轨地过渡电阻和轨道纵向电阻。
　　
　　图3测量轨地过渡电阻和轨道纵向电阻传感器分布图
　　传感器1——智能测距传感器，安装在列车运行方向离开非整流车站200米以内，列车在此范围内，处于取流状态（根据牵引计算）。
　　传感器2——智能电压电流测量变送器，测量安装点位置的轨道电位，轨道电流。
　　传感器3——智能电流测量变送器，测量变电所位置的轨道回流电流。
　　3．杂散电流监测系统的组成与工作原理
　　系统结构如图4所示。杂散电流的每个测试点,参考电极和测试端子接至传感器,将该车站区段内的上下行传感器通过传输电缆连接到车站内的通信转接器。车站内的通信转接器通过传输电缆接至全线杂散电流综合测试室内的杂散电流监测装置,通过微机管理系统对所测量的数据进行处理和打印等作业。

　　图4系统结构图
　　传感器是一个以单片机为核心的数据采集处理系统,可以实时采集处理测量点排流网和结构钢的自然本体电位U0、瞬时电位U1、正向平均值Ua(+)和负向平均值Ua(-)、轨道瞬时电位V1,测量时间内的最大值Vmax,并把采集运算得到的参数送入指定的内存存储。由于整个地铁通信距离较长,为保证传感器的数据可靠传送到中央控制室的上位机,转接器起到了通信传输的中继作用。监测装置通过转接器向各个传感器要求监测数据,同时可以计算各个供电区间的轨地过渡电阻和轨道纵向电阻。上位机与监测装置连接,把所有监测点监测和计算的有关杂散电流的信息参数以数据库的形式存入计算机。上位机软件具有查询、统计和预测功能,可实时查询到地铁沿线杂散电流腐蚀的防护情况。
　　4．杂散电流监测系统的调试
　　4．1传感器调试
　　传感器调试包括传感器测量精度验证和通讯调试,要求把传感器测量得到的数值通过通讯线传送到机房的计算机系统中。传感器电气性能试验接线见图5。
　　
　　图5传感器电气性能试验接线图
　　在产品量程范围内,均匀调整电压信号源,使便携式测量仪表显示电压值,与标准电压表进行比较。由于传感器与便携式测量仪是通过串行通讯连接的,故同时检验了通讯的各项指标。传感器的精度在出厂前已经调试完毕,所以在现场与参比电极连接后只需要验证一下即可。使用专用通讯线,从智能传感器下端的航空插头连接到便携式测量仪表上。操作便携式测试仪,按传感器标牌给出的传感器号选中测量的传感器进行测试。按照设计安装图纸,所测试的传感器连接的转接器连接的其它传感器,在本传感器上都应该能够测量到数据,即选择其它传感器号,如果通讯线连接正确无误,则应该能要到同组其它传感器的数据。靠这种方法一样可以调试通讯。
　　4．2转接器调试
　　转接器的调试只是通讯调试。转接器上电后,如果电源指示灯亮,运行指示灯一明一暗闪烁,表示转接器已经正常工作,通过调试明确转接器能否把传感器所测量得到的数值通过通讯线传送到机房的计算机系统中。使用专用的通讯线,从智能转接器下端的航空插头连接到便携式测试仪上。操作便携式测量仪表,按转接器标牌给出的转接器号选中测量的转接器,测试转接器。
　　4．3监测装置调试
　　4．3．1测量精度
　　监测系统的精度测量如图6所示。每台传感器参比电极与结构钢的测试端所测的信号可在智能监测装置显示,通过万用表在传感器上测量数据与智能监测装置所显示信号进行比较,来确定传感器的测量精度。系统总共带有四个智能监测装置,任何一台传感器所测信号值都可以在某一个智能监测装置中观测出来。
　　
　　图6精度测量接线图

　　4．3．2 通信误码率
　　监测系统的通信误码率测量如图7所示。利用在S3和S4通讯传输线上分别串联电阻R1和R2,模拟长线传输的线路阻抗,在模拟系统中任选6台传感器,再次进行传感器精度测量,同时验证了通讯误码率。根据要求系统通讯误码率0。
　　
　　图7通信误码率测量接线图
　　4．4上位机调试
　　所有传感器、转接器调试完毕,把所有信号引入监测装置,最终把传感器的信号引入计算机,再把供货商提供的安装光盘在计算机中进行程序安装,按照微机管理系统操作说明,进行系统操作,整个系统安装调试完毕。
　　5．结语
　　随着我国城市地铁和轻轨交通快速发展，人们越来越重视地铁防护杂散电流，通过对地铁杂散电流监测系统的工作原理及调试的说明,可以为地铁杂散电流监控系统功能更好的实现提供了一定的参考和依据。当然地铁防护杂散电流是个系统工程，需要多个专业在设计、施工和运营共同配合，才能取得更好的预防效果。
　　参考文献：
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