地铁杂散电流测量方案与数据采集系统的设计

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【摘 要】城市地铁通常为直流牵引供电。由于钢轨并非完全对地绝缘，有一部分牵引电流由钢轨杂散流入大地，形成杂散电流。它造成或者加速了运输系统附近的金属结构的电解腐蚀，这一直是电气化铁路系统关注的主要问题。本文研究杂散电流的分布规律，确定了监测杂散电流腐蚀状态的必要参数及整个监测系统的测量方案。在此基础上，运用单片机设计了数据采集器和数据转接器，并自定义了通信协议。装置采集的数据将上传到系统上层的监测装置和上位机，为排流设施的启动提供必要的参考依据，并存储至数据库以备查询。测试结果表明，本系统符合设计指标，可用于地铁杂散电流监测。

【关键词】杂散电流；腐蚀；数据采集

随着城市轨道交通的发展，——地铁和轻轨已经成为各国经济发展和改善人民生活的一个不可分割的部分。当列车运行在大规模铁路运输系统时所需的电流是非常巨大的，大约有数千安培。虽然走行轨阻抗只有数微欧姆到几十微欧姆，但是走行轨上的电压降却很大，估计达到60～100V左右。依据法拉第电解定律，每安培杂散电流流经地下钢铁类金属设施时，一年可使之腐蚀9.1kg。见下图：

杂散电流腐蚀一般具有以下特点：

Ⅰ腐蚀剧烈。

Ⅱ腐蚀集中于局部位置。

Ⅲ有防腐层时，往往集中于防腐层的缺陷部位。

实际中，整个地铁线路由多个变电所提供电压，每个供电区间至少是双边供电。鉴于地质条件不同和各种因素的不确定性现采取理想的假定条件来推导确定轨道的电位与电流以及杂散电流的分布情况，假定以下几条规则：

①走行轨的纵向电阻是均匀分布的。

②轨道对地的过渡电阻和土壤电阻是均匀分布的。

③馈电线路的阻抗r忽略不计。

设Rg为轨道对地的过渡电阻，Ω·km；R为走行轨的电阻，Ω/km；u（x）为走行轨在x处的电压，V；i（x）为走行轨在x处的电流，A；is（x）为在x处的杂散电流，A；x为距变电所的距离，km；L为列车距变电所的距离，km；I为列车取流电流，A。

杂散电流泄漏到土壤中时，由于电流通道截面大，可以认为土壤的纵向电阻为零。可得：

埋地金属管道对地电位是反映金属电化学腐蚀的重要参数，在实际中定义为金属管道金属表面与电解质之间用与同一电解质接触的参比电极测得的电位差。工程中我们需要监测的数据有埋地金属结构的极化电位、参比电极的本体电位。通常，在地铁停运时测得参比电极的自然本体电位，运行时测得参比电极-金属结构的电位差，可得出埋地金属结构的极化电位值。与此同时，因为腐蚀是一个长期作用的结果，瞬间杂散电流的变化杂乱无序，所以应该测量计算一定时间内的金属结构对参比电极的电压偏移自然本体电位的平均值，规程规定的测量时间为半小时，计算公式如下：

综上，地铁杂散电流监测系统需要监测的数据有：结构钢极化电位（mV级的信号）、参比电极自然本体电位、监测点的轨道电位（范围-100～100V）。整个系统采用集中式采集模式，由上位机、监测装置、转接器和数据采集器组成。

（1）数据采集器（传感器）在取样模拟信号后，经数据转换变成数字信号，由通讯接口输出。

《CJJ49-92地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》规定：极化电压30分钟内的正向偏移平均值不得超过0.5V；参比电极的本体电位，0.4～0.6V；轨道——结构钢之间的电压不得超过92V。

由于两路输入电压信号范围差别较大，则系统对两路信号进行了预处理后再进行AD转化，具体如下所示：

（2）数据转接器主要用于系统中数据采集器与监测装置间信号的传输转换。在通信过程中，转接器处于多机主从状态中，要么做主机，要么做从机，硬件据此设计了通信缓冲门。

数据转接器与采集器之间，数据转接器做主机，采集器做从机，进行多机通信，1个数据转接器接8个数据采集器；数据转接器与监测装置之间，监测装置在需要和数据转接器通信时，先发中断脉冲，中断脉冲接入INT0，数据转接器进入中断处理程序完成缓冲门的切换，之后监测装置就作主机，数据转接器作从机，进行多机通信。

杂散电流的存在造成对地铁周围的埋地金属管线、电缆金属以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，不仅会缩短金属管线的使用寿命，还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，甚至酿成灾难性的事故。我国目前正在掀起建设地铁的高潮，在地铁正常运行时加强监测和有效判断杂散电流的腐蚀状况是非常必要的。

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