地鐵雜散電流測量方案與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

戰(zhàn)強(qiáng)　陳凌凌

【摘 要】城市地鐵通常為直流牽引供電。由于鋼軌并非完全對(duì)地絕緣，有一部分牽引電流由鋼軌雜散流入大地，形成雜散電流。它造成或者加速了運(yùn)輸系統(tǒng)附近的金屬結(jié)構(gòu)的電解腐蝕，這一直是電氣化鐵路系統(tǒng)關(guān)注的主要問題。本文研究雜散電流的分布規(guī)律，確定了監(jiān)測雜散電流腐蝕狀態(tài)的必要參數(shù)及整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的測量方案。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用單片機(jī)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器，并自定義了通信協(xié)議。裝置采集的數(shù)據(jù)將上傳到系統(tǒng)上層的監(jiān)測裝置和上位機(jī)，為排流設(shè)施的啟動(dòng)提供必要的參考依據(jù)，并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫以備查詢。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，可用于地鐵雜散電流監(jiān)測。

【關(guān)鍵詞】雜散電流；腐蝕；數(shù)據(jù)采集

隨著城市軌道交通的發(fā)展，——地鐵和輕軌已經(jīng)成為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改善人民生活的一個(gè)不可分割的部分。當(dāng)列車運(yùn)行在大規(guī)模鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)時(shí)所需的電流是非常巨大的，大約有數(shù)千安培。雖然走行軌阻抗只有數(shù)微歐姆到幾十微歐姆，但是走行軌上的電壓降卻很大，估計(jì)達(dá)到60～100V左右。依據(jù)法拉第電解定律，每安培雜散電流流經(jīng)地下鋼鐵類金屬設(shè)施時(shí)，一年可使之腐蝕9.1kg。見下圖：

雜散電流腐蝕一般具有以下特點(diǎn)：

Ⅰ腐蝕劇烈。

Ⅱ腐蝕集中于局部位置。

Ⅲ有防腐層時(shí)，往往集中于防腐層的缺陷部位。

實(shí)際中，整個(gè)地鐵線路由多個(gè)變電所提供電壓，每個(gè)供電區(qū)間至少是雙邊供電。鑒于地質(zhì)條件不同和各種因素的不確定性現(xiàn)采取理想的假定條件來推導(dǎo)確定軌道的電位與電流以及雜散電流的分布情況，假定以下幾條規(guī)則：

①走行軌的縱向電阻是均勻分布的。

②軌道對(duì)地的過渡電阻和土壤電阻是均勻分布的。

③饋電線路的阻抗r忽略不計(jì)。

設(shè)Rg為軌道對(duì)地的過渡電阻，Ω·km；R為走行軌的電阻，Ω/km；u（x）為走行軌在x處的電壓，V；i（x）為走行軌在x處的電流，A；is（x）為在x處的雜散電流，A；x為距變電所的距離，km；L為列車距變電所的距離，km；I為列車取流電流，A。

雜散電流泄漏到土壤中時(shí)，由于電流通道截面大，可以認(rèn)為土壤的縱向電阻為零?？傻茫?/p>

埋地金屬管道對(duì)地電位是反映金屬電化學(xué)腐蝕的重要參數(shù)，在實(shí)際中定義為金屬管道金屬表面與電解質(zhì)之間用與同一電解質(zhì)接觸的參比電極測得的電位差。工程中我們需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)有埋地金屬結(jié)構(gòu)的極化電位、參比電極的本體電位。通常，在地鐵停運(yùn)時(shí)測得參比電極的自然本體電位，運(yùn)行時(shí)測得參比電極-金屬結(jié)構(gòu)的電位差，可得出埋地金屬結(jié)構(gòu)的極化電位值。與此同時(shí)，因?yàn)楦g是一個(gè)長期作用的結(jié)果，瞬間雜散電流的變化雜亂無序，所以應(yīng)該測量計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)對(duì)參比電極的電壓偏移自然本體電位的平均值，規(guī)程規(guī)定的測量時(shí)間為半小時(shí)，計(jì)算公式如下：

綜上，地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)有：結(jié)構(gòu)鋼極化電位（mV級(jí)的信號(hào)）、參比電極自然本體電位、監(jiān)測點(diǎn)的軌道電位（范圍-100～100V）。整個(gè)系統(tǒng)采用集中式采集模式，由上位機(jī)、監(jiān)測裝置、轉(zhuǎn)接器和數(shù)據(jù)采集器組成。

（1）數(shù)據(jù)采集器（傳感器）在取樣模擬信號(hào)后，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，由通訊接口輸出。

《CJJ49-92地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：極化電壓30分鐘內(nèi)的正向偏移平均值不得超過0.5V；參比電極的本體電位，0.4～0.6V；軌道——結(jié)構(gòu)鋼之間的電壓不得超過92V。

由于兩路輸入電壓信號(hào)范圍差別較大，則系統(tǒng)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行了預(yù)處理后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化，具體如下所示：

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器主要用于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器與監(jiān)測裝置間信號(hào)的傳輸轉(zhuǎn)換。在通信過程中，轉(zhuǎn)接器處于多機(jī)主從狀態(tài)中，要么做主機(jī)，要么做從機(jī)，硬件據(jù)此設(shè)計(jì)了通信緩沖門。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器與采集器之間，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器做主機(jī)，采集器做從機(jī)，進(jìn)行多機(jī)通信，1個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器接8個(gè)數(shù)據(jù)采集器；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器與監(jiān)測裝置之間，監(jiān)測裝置在需要和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器通信時(shí)，先發(fā)中斷脈沖，中斷脈沖接入INT0，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器進(jìn)入中斷處理程序完成緩沖門的切換，之后監(jiān)測裝置就作主機(jī)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器作從機(jī)，進(jìn)行多機(jī)通信。

雜散電流的存在造成對(duì)地鐵周圍的埋地金屬管線、電纜金屬以及車站和區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕，不僅會(huì)縮短金屬管線的使用壽命，還會(huì)降低地鐵鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，甚至釀成災(zāi)難性的事故。我國目前正在掀起建設(shè)地鐵的高潮，在地鐵正常運(yùn)行時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測和有效判斷雜散電流的腐蝕狀況是非常必要的。

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