城市軌道交通土壤電位監(jiān)測系統(tǒng)研究及應(yīng)用

趙莎，劉正亮

（江蘇廣識電氣有限公司，江蘇徐州，221008）

目前城市軌道交通線路回流系統(tǒng)分布區(qū)域廣，難以保證各位置軌地絕緣均處于良好狀態(tài)，易發(fā)生局部絕緣薄弱或者破損，產(chǎn)生雜散電流。多條地鐵線路存在雜散電流、鋼軌電位過大，雜散電流幅值可達(dá)上百安培，容易引起埋地金屬管線的電化學(xué)腐蝕，而造成雜散電流過大的原因多為局部絕緣損壞。軌道交通中鋼軌對地電阻存在薄弱點，雜散電流從薄弱點泄露到土壤中并通過附近的埋地金屬管線上流動，造成管地電位的變化，形成地鐵直流雜散電流?？梢栽谟腥?xì)夤芫€的地鐵車站周邊或者車輛段、停車場等絕緣薄弱地點監(jiān)測土壤環(huán)境中的電位梯度，反應(yīng)雜散電流泄露情況，本文提出用于軌道交通的土壤電位實時監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測泄露雜散電流，當(dāng)泄露雜散電流超過規(guī)定發(fā)出報警，確保軌道交通主體結(jié)構(gòu)、埋地管線及人身安全。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

土壤電位監(jiān)測系統(tǒng)以供電區(qū)間為單位，主要包括參比電極、土壤電位采集裝置、監(jiān)測裝置，土壤電位采集裝置主要包括傳感器與光電交換機。參比電極用于測定地下土壤中自然電位及陰極保護(hù)電位，土壤電位采集裝置中的傳感器與參比電極連接，實現(xiàn)土壤電位數(shù)據(jù)的在線檢測，計算雜散電流大小級方向，并將雜散電流與報警值比較，分析雜散電流的影響，土壤電位監(jiān)測系統(tǒng)可以設(shè)置多個雜散電流監(jiān)測點，傳感器與光電交換機以RS485 方式連接，通過光纖環(huán)網(wǎng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測裝置，監(jiān)測裝置具備顯示、大數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢、生成報表等數(shù)據(jù)分析及顯示功能，監(jiān)測裝置將供電區(qū)間各監(jiān)測點土壤電位信息上傳至上位機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 土壤電位監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 測量原理

每個傳感器連接四個參比電極，兩個參比電極為一組，兩組參比電極分布在平行和垂直于鋼軌的位置，傳感器檢測兩組參比電極的電位差，這兩組電位差分別是沿鋼軌方向附近土壤電位梯度變化和垂直鋼軌方向附近土壤電位梯度變化，兩組電位差計算矢量和得到該檢測點的土壤電位梯度，進(jìn)而可以判斷土壤中電流大小和方向，測試原理圖如圖2所示。

圖2 土壤電位梯度與雜散電流方向測試原理圖

在圖中a 點、b 點、c 點、d 點四點個放置一個參比電極，四點對稱設(shè)置，a 點與c 點間距離與b 點與d 點間距離相等，并且ac 方向與bd 方向垂直，ac 方向或bd 方向兩者之一需要與鋼軌方向平行，ac 方向和bd 方向上設(shè)置的兩個參比電極間的最佳距離是5m，其中ac 或bd 應(yīng)與鋼軌平行，電極間距宜為5m。擬選取離鋼軌不同距離的點，同時連續(xù)在線記錄同一直線上兩參比電極的電壓。檢測點的設(shè)置受附近環(huán)境限制時可以適當(dāng)?shù)目s短同一方向上兩個參比電極間的距離，但是距離不能太小，距離太小會使傳感器檢測數(shù)據(jù)變化不明顯，因此參比電極間距離應(yīng)根據(jù)檢測環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。同時測得ca 和db 的電壓，即電壓表A，B 的數(shù)值。

建立直角坐標(biāo)系，將ac 方向設(shè)置成縱軸，bd 方向設(shè)置成橫軸，并將采集的ac 方向電位差與bd 方向電位差記入坐標(biāo)中，通過矢量合成法計算出模值與方向[2]，然后模值除以參比電極間距得到電位梯度的大小。在測量區(qū)段選取多個檢測點，各檢測點通過上述方法得到檢測點土壤電位梯度的大小與方向，綜合多個檢測點土壤電位梯度的大小與方向推斷出雜散電流泄漏源的方向。

GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定土壤電位梯度應(yīng)低于2.5mv/m。當(dāng)土壤電位梯度大于0.5mv/m時，確認(rèn)為有直流干擾，存在雜散腐蝕的可能性。當(dāng)土壤電位梯度大于2.5mv/m 時，周邊管線應(yīng)采取排流等防干擾腐蝕措施。

3 傳感器

傳感器實現(xiàn)車輛段、停車場土壤電位數(shù)據(jù)的在線檢測，直觀顯示雜散電流的變化情況，雜散電流超過設(shè)定值立即報警，并記錄報警信息，定時上傳采集數(shù)據(jù)及報警信息至上位機，并將采集數(shù)據(jù)存儲值外部存儲卡中，方便后期對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對比。傳感器包括主控模塊、采集模塊、通訊模塊、存儲模塊、顯示模塊、電源模塊，傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.1 電源模塊

電源模塊可以向傳感器各部分提供能使其穩(wěn)定運行的電源電壓，電源模塊包括：電源轉(zhuǎn)換元件、濾波器元件。電源轉(zhuǎn)換元件用于將交流電壓信號轉(zhuǎn)化成直流電壓信號。濾波器元件連接在所述電源轉(zhuǎn)化元件的輸出端，用于對電源轉(zhuǎn)化元件輸出的直流電壓信號進(jìn)行濾波處理。

電源模塊主要由電源轉(zhuǎn)換元件(U8)、濾波器(T1)等元件組成，在電源轉(zhuǎn)換元件(U8)的輸入端加裝一個濾波器(T1)后，電源轉(zhuǎn)換元件(U8)輸出端的噪聲可以大幅度減少，能夠顯著提高EMC 等級，電源轉(zhuǎn)換元件(U8)將P1 端子接入的交流220V 轉(zhuǎn)換為電阻調(diào)節(jié)裝置需要的直流5V 及直流24V 電源。電源模塊電路圖如圖4 所示。

圖4 電源模塊電路圖

3.2 采集模塊

采集模塊主要由ADS8689 芯片實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)采集，主要由濾波電路與采集電路，電路圖如圖5 所示。由于有兩組參比電極數(shù)據(jù)需要測量，因此采用兩路獨立的數(shù)據(jù)采集模塊，每組的兩個參比電極接入濾波電路的AGND 與VIN 端，對參比電極電位差信號進(jìn)行濾波處理，處理后的信號接入ADS8689 芯片的IN 及VGND 兩端，經(jīng)過采集電路將模擬量信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出，ADS8689 芯片的輸出端接入控制模塊。

圖5 采集模塊電路圖

3.3 通訊模塊

通訊模塊通過TD301D485H 芯片實現(xiàn)RS485 串行通訊，TD301D485H 為RS485 隔離收發(fā)模塊，控制模塊的輸出邏輯電平接入RS485 隔離收發(fā)模塊（U19）的3、4 引腳，RS485 隔離收發(fā)模塊（U19）將邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS485 協(xié)議的差分電平，實現(xiàn)信號隔離從8、9 引腳輸出，通訊模塊電路圖如圖6 所示。RS485 隔離收發(fā)模塊（U19）的8、9引腳與監(jiān)測裝置485 接口連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖6 通訊模塊電路圖

3.4 控制模塊

控制模塊使用STM32F407VG 芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息獲取、通訊以及數(shù)據(jù)存儲等功能。采集模塊中ADS8689 芯片的輸出端接入控制模塊，控制模塊接收電位信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與轉(zhuǎn)換得到橫向參比電極電位差、縱向參比電極電位差，根據(jù)橫向參比電極電位差、縱向參比電極電位差通過矢量計算得到雜散電流方向與大小。

3.5 存儲模塊

存儲模塊為外部存儲元件TF 卡，通過通訊線與控制模塊連接，通訊線包括SD3-D0～SD3-D3 數(shù)據(jù)線、SD3-CMD、SD3-CLK 時鐘線，存儲模塊電路圖如圖7 所示。控制模塊將計算得到的雜散電流方向與大小數(shù)據(jù)傳送給存儲模塊，存儲模塊保存數(shù)據(jù)，方便后期對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對比。

圖7 存儲模塊電路圖

3.6 顯示模塊

顯示模塊通過串口線TXD、RXD 與控制模塊連接，顯示模塊接收到主控模塊的數(shù)據(jù)后顯示雜散電流矢量圖，可通過設(shè)置查詢時間顯示這一時間段內(nèi)的雜散電流歷史數(shù)據(jù)波形，并可顯示報警記錄信息。通過顯示模塊可以設(shè)置傳感器參數(shù)，并將設(shè)置的參數(shù)發(fā)送給控制模塊。

4 應(yīng)用

土壤電位監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)土壤電位梯度在線式監(jiān)測，將該系統(tǒng)設(shè)置在軌道交通沿線、周邊土壤環(huán)境中，利用該系統(tǒng)實現(xiàn)地鐵站臺周邊的雜散電流相關(guān)數(shù)據(jù)的實時檢測、存儲及軟件分析，解決由于測量工作勞動強度較大、測量結(jié)果會造成不穩(wěn)定等多種問題。

每個供電區(qū)間設(shè)置3 個土壤電位監(jiān)測點，1 個監(jiān)測裝置，每個土壤電位監(jiān)測點設(shè)置4 個參比電極與土壤電位監(jiān)測傳感器連接，由光電環(huán)網(wǎng)交換機組成單環(huán)自愈光纖網(wǎng)絡(luò)。參比電極垂直埋設(shè)在靠近鋼軌的潮濕土壤中，4 個參比電極每兩個為一組，其中一組與鋼軌管道平行，用米尺測量兩個參比電極埋設(shè)的距離，參比電極間距離為5 米，另一組參比電極與上一組參比電極方向垂直，按圖8所示方式埋設(shè)參比電極。土壤電位采集裝置設(shè)置在車站出入口周邊位置，且安裝在參比電極埋設(shè)地點附近，監(jiān)測裝置設(shè)置在牽引所內(nèi)，監(jiān)測裝置采用壁掛式安裝，將連接各監(jiān)測點傳感器的光纖電纜接入到監(jiān)測裝置中，監(jiān)測裝置與上位機通過光纖環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。

圖8 APU 啟動控制規(guī)律示意圖

圖8 參比電極埋設(shè)示意圖

5 結(jié)語

本文提出用于軌道交通的土壤電位實時監(jiān)測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實現(xiàn)地鐵站臺周邊的雜散電流相關(guān)數(shù)據(jù)的實時檢測、存儲及軟件分析，當(dāng)泄露雜散電流超過規(guī)定值時發(fā)出報警，確保軌道交通主體結(jié)構(gòu)、埋地管線及人身安全，同時解決雜散電流測量工作勞動強度大、測量結(jié)果不穩(wěn)定等多種問題。