基于雜散電流監(jiān)測技術(shù)的軌道交通安全監(jiān)測設(shè)備

文│ 珠海派諾科技股份有限公司 李順新

1 概述

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，軌道交通方便、快捷、環(huán)保、安全，已經(jīng)成為大家主要的公共交通工具。軌道交通系統(tǒng)中地鐵、輕軌、鐵路是以直流、走行軌回流的供電方式的電氣化牽引動力進(jìn)行驅(qū)動。

這種以走行軌為回流通路的直流牽引供電系統(tǒng)，由于走行軌不可能完全絕緣于道床結(jié)構(gòu)，鋼軌不可避免地向道床及其他結(jié)構(gòu)泄漏電流，這種電流就是雜散電流，也稱為地中迷流。雜散電流對土建結(jié)構(gòu)鋼筋、設(shè)備金屬外殼及其他地下金屬管線（比如燃?xì)夤芫€）產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，即雜散電流腐蝕，也叫做迷流腐蝕。雜散電流腐蝕不僅降低了金屬結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度，縮短了使用壽命；而且導(dǎo)致區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土開裂，降低了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，增加了結(jié)構(gòu)的失效概率。加上軌道建筑復(fù)雜度高、軌道車輛行駛的速度越來越快，這種破壞就必然威脅軌道交通的安全，也引起了世界軌道交通界的強(qiáng)烈關(guān)注。

2 雜散電流形成及金屬物腐蝕機(jī)理

由地鐵雜散流所經(jīng)過的路徑可概括為兩個串聯(lián)的腐蝕電池，即

電池I：鋼軌（陽極區(qū)）→道床、土壤、金屬管線（陰極區(qū)）。

電池Ⅱ：金屬管線（陽極區(qū)）→土壤、道床、鋼軌（陰極區(qū)）

2.1 雜散電流形成機(jī)理

如圖1所示，理想情況下（機(jī)車牽引動力流向）直流電經(jīng)變電所→流入牽引電網(wǎng)→流入電力機(jī)車→過鐵軌→流回變電所。在現(xiàn)實(shí)生活中由于回流軌與軌枕、地之間存在一定的過渡電阻；在回流軌中電流由高電位流向低電位，回流軌和地之間形成電位差這兩樣就導(dǎo)致只有大部分電流都流回變電所，而有一部分流向大地形成雜散電流。

圖1

2.2 金屬物腐蝕機(jī)理

走行軌和金屬管線均為電子導(dǎo)體，地面為離子導(dǎo)體，電子在A和D點(diǎn)流出，金屬導(dǎo)體與地面組成e i界面為陽極。電流在C點(diǎn)和F點(diǎn)流入，則地面與金屬導(dǎo)體組成的i e界面為陰極。A、B、C和D、E、F分別構(gòu)成了兩個串聯(lián)的電解電池。

電池Ⅰ：A 鐵軌（陽極）→B道床、土壤→C金屬管線（陰極）。

電池Ⅱ：D金屬管線（陽極）→E土壤、道床→F鋼軌（陰極）。

當(dāng)雜散電流由兩個陽極區(qū)：走行軌（A）和金屬管線（D）流出時，都會發(fā)生失掉電子的氧化反應(yīng)，該部位的金屬（Fe）就會遭到腐蝕。當(dāng)金屬鐵（Fe）周圍的介質(zhì)是酸性電解質(zhì)，發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是析氫腐蝕；當(dāng)金屬鐵（Fe）周圍的介質(zhì)是堿性電解質(zhì)時，發(fā)生的氧化還原反應(yīng)為吸氧腐蝕。對金屬腐蝕集中于局部位置，對于有防腐層的，往往集中于防腐層薄弱部位。

3 測量傳感裝置系統(tǒng)

3.1 雜散電流測量原理

在實(shí)際的測量中，埋地金屬物的極化電位（埋地金屬物與理想大地的電位差）和埋地金屬物與參比電極間的電位差有很大聯(lián)系，由此可見，參比電極的可靠性是影響埋地金屬極化電位測量的關(guān)鍵因素。銅/硫酸銅參比電極具有電壓穩(wěn)定、耐極化性能好、內(nèi)阻小等特點(diǎn)，使用它可以提供一個不隨電流大小和測試條件變化的電勢基準(zhǔn)點(diǎn)。

我們采用近參比法測量雜散電流，這樣滿足更精確埋地金屬物極化電位的測量，盡可能減少土壤介質(zhì)電阻引起的電壓降，將參比電極盡量靠近被測量埋地金屬表面（如圖2所示）。我們用V1表示參比的本體電位，被測金屬物的極化電位為V2，電勢差：V12=V1-V2。所以被測金屬物的極化單位V2=V1-V12。為了精確測量V1，每天晚上待地鐵停止運(yùn)行3小時以上進(jìn)行測試V12（裝置測量電壓值）。此時雜散電流干擾很低（V2≈ 0），V1≈ V12；測量的 V1值會隨著雜散電流大小而進(jìn)行相對變化。當(dāng)腐蝕的程度變大時，V1值也將變大。

3.2 裝置系統(tǒng)框圖及描述（如圖3所示）

◆ 通信1：我們用來后臺控制中心進(jìn)行聯(lián)系并實(shí)時的傳送數(shù)據(jù)；

◆ 通信2：通信口，我們可以用來把定期監(jiān)測土壤的酸堿度傳給裝置，然后由裝置統(tǒng)一上傳后臺；

◆ MCU單元：是把采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理、遠(yuǎn)傳；

◆ 溫濕度監(jiān)測：用來測量環(huán)境的溫度和濕度，目的是分析溫濕度對腐蝕的影響；

◆ 雜散電流采集：采集雜散電流；

◆ 人機(jī)界面：和裝置進(jìn)行操作顯示對話。

3.3 裝置功能系統(tǒng)描述

首先對兩個外部環(huán)境參量進(jìn)行描述。土壤酸堿度測量的目的是測量不同區(qū)域地段的土壤酸堿度與不同區(qū)域段的埋地金屬物腐蝕程度做對比分析，方便盡早的判斷本區(qū)域地段是否進(jìn)行維修；環(huán)境溫濕度測量意義在于，溫度高、濕度大都會加速雜散電流對埋地金屬物的腐蝕。

裝置把監(jiān)測到的環(huán)境的溫濕度、雜散電流的信號、定期的土壤酸堿度監(jiān)測信息，統(tǒng)一打包給后臺的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析做出決策進(jìn)行改善。數(shù)據(jù)中心的分析軟件把不同時間段、不同監(jiān)測點(diǎn)的雜散電流信號、土壤的酸堿度、環(huán)境溫濕度信號進(jìn)行歷史曲線的描繪。當(dāng)土壤的酸堿度高，環(huán)境溫濕度大時，這些外在的因素必然加速雜散電流對埋地金屬物的腐蝕，這樣就方便我們定位出某個區(qū)域段雜散電流危害更大，做進(jìn)一步的改善、維護(hù)、更新措施。

3.4 硬件描述

◆ 通信1：我們采用完全隔離型RS485物理通信鏈路。它的特點(diǎn)是：傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)、技術(shù)成熟、多機(jī)總線、普遍適用；

◆ 通信2：我們采用RS232/RS485兩種可行模式。因?yàn)檐壍姥矙z人員定期對檢測點(diǎn)的土壤酸堿度進(jìn)行測量后傳送給裝置。RS232適合點(diǎn)對點(diǎn)、近距離通信模式，RS485通用性強(qiáng)特點(diǎn)，滿足客戶需求；

◆ MCU單元：我們采用ST公司的CORTEX-M3 芯片處理。這款處理器處理速度快（等同于ARM7核）、接口豐富、抗干擾性強(qiáng)、可以做到低功耗、集成12Bit的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換處理模塊；

◆ 環(huán)境溫濕度：我們采用DALLS的DS18B20一線總線數(shù)字型溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時溫度檢測，它的溫度測量范圍是：-40～150℃。濕度采用HS1101電容式濕度傳感器，線性度較高。平均靈敏度（33%～75%RH）△C/%RH＝ 0.34 pF/%RH；

◆ 人機(jī)界面：我們采用4個按鍵進(jìn)行設(shè)置查詢命令輸入，用128×64的點(diǎn)陣型LCD進(jìn)行參數(shù)顯示；

◆ 雜散電流采集（如圖4所示）：由于信號要被MCU自帶的ADC采集，需要把型號不失真地進(jìn)行放大和縮小以及把負(fù)信號偏移為正，所以我們要把信號進(jìn)行正向1.5V電壓偏移，這樣才能使ADC采集到的信號不失真。

4 適用范圍

基于雜散電流監(jiān)測技術(shù)的軌道交通安全監(jiān)測設(shè)備，是一套在線監(jiān)測設(shè)備，不需要維修人員每天的巡檢測量，只需要控制中心分析數(shù)據(jù)。偶爾在定期維護(hù)時巡查一下。這套設(shè)備目前適用于城市地鐵以及城際高鐵等高速軌道交通行業(yè)。

5 結(jié)束語

隨著社會發(fā)展，城市化的快速建設(shè)，快速的軌道交通是城市化建設(shè)的紐帶，那么軌道交通的安全也就越來越重要。雜散電流的監(jiān)測和防治應(yīng)更加受到重視，目前雜散電流的監(jiān)測和防治還沒有找到更為有效、簡單的方法，需要更多的科學(xué)家、工程師、技術(shù)人員、高科技公司加入這個行業(yè)，為軌道交通行業(yè)的安全研究提供有效的保障。

1 北京市地下鐵道科學(xué)技術(shù)研究所.地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程（CJJ49-02）.中國計(jì)劃出版社，1993

2 邸榮光.地鐵迷流監(jiān)控系統(tǒng)研究.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.4：33-35

3 李威.地鐵雜散電流的監(jiān)測與防治.城市軌道交通研究，2003.4：48-52

4 王華榮.城市軌道交通雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì).西南交通大學(xué)，2007