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太原理工大学硕士研究生学位论文 杂散电流的防治与检测方法研究 摘要 随着社会的不断进步，城市的交通运输也迅速发展起来，城铁，地铁， 轻轨等交通运输工具在各大城市已经走进了人们的生活，随之而来的杂散 电流问题也引起了社会的广泛关注。 杂散电流由管道流向土壤使管体遭受腐蚀，据统计，1 安培直流杂散 电流在一根钢管上流进流出，一年内将导致大约1 0 公斤金属的蚀失。目前， 对深圳地铁的实测结果表明，地铁采用额定电压为d c l 5 0 0 v 的直流供电系统， 额定牵引电流可高达3 0 0 0 a ，按5 计算，流入地下的杂散电流值可达1 5 0 a 。如此大的杂散电流对周围的管线设施和建筑基础结构的使用寿命产生了 严重威胁。由于构成管道的金属中含有杂质( 主要是碳) ，两种不同的导体 在土壤中的电解质作用下形成一个个微小的原电池。在杂散电流和原电池 的共同作用下，阳极电流集中于管道表面某些点上，在这些点处形成微小 的凹坑。随着时间的推移，这些凹坑不断变深，当发展成贯穿性小孔时， 管道就会发生泄漏，缩短管道的使用寿命“3 。如果不及时防护会给国民经济 造成巨大的损失，甚至危及运行安全。综上所述，研究杂散电流的检测与 防治有重要的意义! 。 本文首先阐述了杂散电流的定义，引起杂散电流的原因以及杂散电流 的危害，总结了国内外对杂散电流的防治方法。提出了杂散电流的研究方 案，在实验室进行杂散电流检测的模拟研究的基础上，自行设计了一套模 拟装置，来模拟地铁杂散电流的分布情况。最后，详细介绍了自行设计的 太原理工大学硕士研究生学位论文 杂散电流检测系统。 论文包括系统分析、系统结构设计、系统软硬件部分实现、系统调 试几部分。对系统开发中的每一部分进行了说明，并且重点介绍了杂散电 流检测系统的硬件部分的实现。 本文与以往相关设计最大的不同点就是，自主设计了一套以c p l d 和 单片机为核心的硬件检测系统，此系统可以实现数据的采集，处理，存储， 并且可以和上位机进行通信。 关键词：杂散电流，检测系统，硬件，地铁 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c h o np r e v e n t i o na n d d e t e c t i o no fs t r a yc u r r e n t a b s t r a c t a l o n gw i t hs o c i e t y su n c e a s i n gp r o g r e s s ，t h ec i t yt r a n s p o r t a t i o na l s or a p i d l yd e v e l o p s ， t h es u b w a ya n do t h e rt r a n s p o r t a t i o nt o o l sa l r e a d ye n t e r e di ne a c hb i gc i t yp e o p l e sl i f e ，t h e f o l l o w i n gs t r a yc u r r e n t sq u e s t i o nh a sa l s oa r o u s e ds o c i e t y sw i d e s p r e a di n t e r e s t 。 s t r a yc u r r e n tf l o w sf r o mt h ep i p e l i n et os o i lt om a k et h et u b eb o d ys u f f e rc o r r o s i o n 1 a m p e r ed i r e c t c u r r e n ts t r a yc u r r e n tf l o w st h r o u g ho n es t e e lt u b e ，w i l ll e a dt oe c l i p s e a p p r o x i m a t e l y10k i l o g r a m so f m e t a lf o r1y e a r s t r a yc u r r e n tc a nm a k eab l a s t i n gc a ph a p p e n e x p l o d i n ge a r l i e ro n ，s t r a yc u r r e n ti sa b l et oa r o u s eag a se x p l o s i o n s o ，r e s e a r c h i n go ns t r a y c u r r e n ti sv e r ym e a n i n g f u l t h i sa r t i c l ef i r s te l a b o r a t e dt h es t r a yc u r r e n t sd e f i n i t i o n ，t h er e a s o no fc a u s i n gt h es t r a y c u r r e n t sa sw e l l 踮t h es t r a yc u r r e n t s h a r m a n ds u m m a r i z e dd o m e s t i ca n df o r e i g np r e v e n t i n g a n dc o n t r o l l i n gm e t h o dt ot h es t r a yc u r r e n t s t h e n , p r o p o s e dr e s e a r c hp l a no nt h es t r a y c u r r e n t s ，n a m e l yc o n d u c t st h es t r a yc u r r e n t se x a m i n a t i o ns i m u l a t o rs t u d yi nt h el a b o r a t o r y , d e s i g nas e to fd e v i c et os i m u l a t et h ed i s t r i b u t i o no f t h es u b w a ys t r a yc u r r e n t s f i n a l l y , i n t r o d u c e dt h es t r a yc u r r e n t se x a m i n a t i o ns y s t e m i nd e t a i l t h i st e x ti so r g a n i z e da c c o r d i n gt ot h e s t e p o ft h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e m , i n c l u d i n gs y s t e ma n a l y s i s 、s y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g n 、s y s t e mi m p l e m e n t a t i o na n d s y s t e mt e s t i tg i v e sad e t a i la n a l y s i so fe a c hu n i t ，e s p e c i a l l ya n a l y z e st h ei m p l e m e n t a t i o n m e t h o do f s y s t e m sh a r d w a r e d e s i g n i n gas e to f h a r d w a r ee x a m i n a t i o n ss y s t e mi n d e p e n d e n t l yi st h eb i g g e s td i f f e r e n t s p o t sb e t w e e nt h i sa r t i c l ea n do t h e rc o r r e l a t i o np a p e r , t h i ss y s t e mm a yg a t h e rp r o c e s s ， m e m o r yd a t aa n dm a yc a r r yo nt h ec o r r e s p o n d e n c ew i t hc o m p u t e r i i i 太原理t 大学硕十研究生学位论文 k e y w o r d s ：s t r a yc u r r e n t ，d e t e c t i o ns y s t e m ，h a r d w a r e ，m e t r o 太原理工大学硕士研究生学位论文 表4 1 编码表4 8 表6 1 不存在杂散电流时，每个电阻的实测电流值6 3 表6 - 2 存在杂散电流时，每个电阻的实测电流值6 4 表6 3 不存在杂散电流时，每个电阻的实测电流值6 4 表6 - 4 杂散电流值6 4 图2 1 地铁直流供电系统，杂散电流产生机理5 图2 2 直流动力地铁系统的馈电回路6 图2 3 说明直流动力地铁系统中杂散电流产生的简化电路6 图2 - 4 地铁杂散电流腐蚀机理图1 0 图2 5 直接排流法1 2 图2 - 6 选择排流法1 3 图2 7 强制排流法1 3 图2 8 杂散电流收集网1 5 图2 - 9 变压器中性点接地后各相对地电压1 6 图2 1 0 明挖法，矿山法结构钢筋焊接通用图1 8 图2 1 1 明挖法隧道连接端子和测量端子引出图1 9 图2 1 2 矿山法隧道连接端子和测量端子引出图2 0 图3 1 实验室模拟装置3 0 图3 2 实验室模拟装置3 1 图3 - 3 实验室模拟装置等效电路3 2 图4 - l 杂散电流检测系统硬件结构原理框图3 3 图4 2 系统模拟部分硬件原理框图3 5 图4 3h c n r 2 0 0 光电耦合器的内部结构3 6 图“h c n r 2 0 0 的典型连接电路3 6 图4 5a d 8 0 5 1 内部连线图3 8 图4 6 检测试验板数字部分原理框图3 8 图4 - 7a d g 6 0 8 功能框图3 9 图4 8 单片机c 8 0 5 1 f 1 2 0 内部结构图3 9 图4 9c 8 0 5 1 f 1 2 0 原理框图4 1 图4 - 1 0a d 7 8 9 2 功能框图4 2 v i i i 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 图4 1 lf i f o 功能框图4 3 图4 1 2k 9 k 8 g 0 8 u o m 功能框图4 4 图4 1 3c y 7 c 6 8 0 1 3 功能框图4 4 图4 1 4e p m 7 1 2 8 s t i 1 0 0 功能框图4 5 图4 1 5 模拟部分工作原理图4 6 图4 一1 6 数字部分工作原理图4 8 图4 1 7 控制时序图4 9 图4 1 8 程序流程图5 1 图4 一1 9 程序仿真图5 3 图5 1 系统软件结构框图5 7 图5 2 电流自动监测系统参数设置图5 8 图5 3 数据采集模块及运行界面5 9 图5 4 数据处理模块及显示界面6 0 图5 5 数据打印模块及运行界面6 0 i x 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文储签名：盈! 垒e t l l 月：幽：1 2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签 名：二；l 兰兰聋 日期： 导师签名： 一a - r 。f 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 杂散电流介绍 第一章绪论 杂散电流又叫迷走电流。它的定义是：“e l e c t r i c a lc u r r e n tt h r o u g hap a t ho t h e r t h a nt h ei n t e n d e dp a t h ”。这个定义比较客观生动的阐述了杂散电流的特点。可以这 样理解：只要是没有按照期望的路径流动的电流，都可以叫它杂散电流。例如在轨道交 通运输系统中，在理想状态下，由牵引变电站送出的电流经过架空线进入列车，然后由 铁轨回到变电站，可以形成一个封闭的回路。但是，在实际运行过程中若铁轨之间联结 不好，接头处电阻过大，或者轨道与地面绝缘不良等因素都会造成电流的泄漏，这些泄 漏的电流就是杂散电流。 杂散电流会加速金属的腐蚀。例如在轨道交通传输系统中，当在铁轨附近埋有自来 水管，煤气管，输油管线等其他结构物时，都容易引起这些金属管路的腐蚀。金属遭受 腐蚀损失的数量和从金属释放出杂散电流的数量成比例。用法拉第定律可以得到物体由 杂散电流腐蚀而失去的金属的重量。 ：t m ， ( 卜1 ) f h w 为金属溶解的克数；m 是金属的原子量；n 是金属离子的电荷( 腐蚀作用中金属 的原子价) ；f 是法拉第常数( 9 6 ，5 0 0 库仑) ；i ：为腐蚀电流( 安培) “1 。 1 2 目前杂散电流的防治方法 杂散电流的影响目前已引起了国内外的重视，欧美各国、日本的铁路通讯和电力部 门的研究所及高等院校内均设置了专门机构从事这方面的研究。 国内外采取的措施有：排流保护法，走行轨降阻与杂散电流收集法，管道外涂层法 等。 ( 1 ) 排流保护法 排流保护法主要是保护金属导体而采取的防护措施，其基本原理是将被保护的金属 导体对走行轨的阳极区用导线连接起来，从而相当于将金属导体与走行轨短路，使被保 护的管道变为阴极性的，从而防止金属发生阳极腐蚀。( 排流保护法主要包括：“直接排 太原理工大学硕士研究生学位论文 流法”是将被保护金属导体与靠近变电所附近的回流走行轨直接用导线连接；。选择排 流法”就是在“直接排流法”的连接线上设置单向导电的整流器，只允许被保护导体的 杂散电流流向走行轨；当被保护金属的导体处于杂散电流交替干扰区时，采用直接或选 择排流法都不能将干扰电流排回走行轨时就需要采用“强制排流法”。此外还有“牺牲 阳极保护法”，这种方法需要定期在被保护金属区埋设电极电位更低的辅助阳极( 如金属 m g 等) 。 ( 2 ) 走行轨降阻与杂散电流收集法 降低走行轨的阻抗和提高轨、地之间的绝缘性能可减少由走行轨泄漏的杂散电流数 量。除枕木穿孔固定用的钢筋外，在枕木以下的混凝土整体道床内，应设置迷流收集钢 筋网，目的在于收集由走行轨泄漏出的杂散电流，并由此将杂散电流排流回到供电所的 负极。 ( 3 ) 管道外涂层法 埋地钢质管道的外腐蚀主要是电化学腐蚀，采用外涂层的方法可减少或阻断腐蚀电 流，减缓腐蚀的发生。目前，国内外用于埋地管道的外防腐层主要有六种，即：石油沥 青、聚乙烯胶带、聚乙烯夹克、熔结环氧粉末、煤焦油瓷漆、环氧煤沥青。这六种防腐 层在我国己有相应的国标和行业标准。 广州地铁一号线在杂散电流防护设计中首先是采用加大钢轨泄漏绝缘电阻，防止 泄漏；其次针对广州地铁土建结构设施的情况，形成整体杂散迷流通道，进行排流。 1 3 课题来源与主要研究内容 前面几种对杂散电流腐蚀的防护方法，都是在杂散电流已产生，单纯对被保护物施 加的被动的防护措施，不能完全杜绝杂散电流的产生，因此这些措施在地铁运营一段时 期会逐步失效。如何采取积极主动的防护措施，从根源上来减少杂散电流的产生，目前 仍然是一个值得深入研究的课题。 本课题受启发于“煤矿井下电机车牵引网络中杂散电流的防治方法和检测系统” 项目的研究，结合国内大力发展地铁、轨道交通杂散电流检测系统国产化的需要，论文 主要研究的是地铁杂散电流的检测与防治，研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 对地铁杂散电流进行分析研究。 本部分内容包括分析杂散电流产生的原因，杂散电流的腐蚀机理以及腐蚀状况， 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 杂散电流的防治与预防方法和国内外相关产品与技术的发展动态。 ( 2 ) 提出实验室地铁杂散电流模拟装置的设计方案。 根据真实环境下地铁杂散电流产生的原因，通过比较分析，研究出对地铁杂散电 流进行模拟的原理。并开发一套杂散电流检测装置，来完成实验室模拟杂散电流的采集， 处理，显示等功能。 1 4 选题的意义 杂散电流由管道流向土壤使管体遭受腐蚀。对于现有的阴极保护控制系统，杂散电 流具有破坏性的作用，并可能带来危险。1 安培直流杂散电流在一根钢管上流进流出， 一年内将导致大约1 0 公斤金属的蚀失在煤矿井下，杂散电流还可以使雷管发生先期 爆炸。由于杂散电流的存在，地面有一定的电位差，若雷管的俩个管脚同时接触地面时， 就会有电流流过，当其电流大于雷管的起爆电流时，就会使雷管引爆。杂散电流还会引 起瓦斯爆炸，由于杂散电流的存在，金属碰撞管道时，会产生电火花，当杂散电流值超 过其引爆安培数量级时，瓦斯就会爆炸。 我们总结出直流杂散电流对埋地金属管道腐蚀的特点： ( 1 ) 腐蚀强度大，危害大 埋地金属燃气管道在没有杂散电流时，只有自然腐蚀，大部分为原电池型，驱动电 位差只有几百毫伏，腐蚀电流只有几十毫安；而杂散电流干扰腐蚀时，是电解电池原 理，电位可达几伏，电流最大可能上百安。 ( 2 ) 范围广，随机性强 杂散电流干扰腐蚀范围大，特别是地铁的杂散电流几乎影响整个城区的地下金属管 网；轨道与地的绝缘电阻，管道的防腐绝缘层电阻，土壤电阻率，电流大小等都是变化 的，因此杂散电流流向也是随机的，给防护带来了一定难度f 3 】。 综上所述，研究杂散电流的检测与防治有重要的意义。 1 5 本课题的主体设计思想 地铁运行轨道采用钢轨铺设而成，我国国家铁路的钢轨主要有5 0 ，6 0 k g m 几种钢 轨类型，北京地铁采用的是5 0 k g m 的钢轨，每段钢轨接头采用对接方式，钢轨道床之 间采用绝缘扣件隔离。走行轨与道床之间的绝缘扣件单个绝缘电阻在新安装时可达到 3 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 1 0 9 以上，由于绝缘扣件数量众多( 几万个) ，在整个走行区间形成密集分布的过渡电阻。 另外，道床( 或排流网) 与主体结构钢筋由混凝土结构组成过渡电阻。在地铁运行时，走 行轨流过几千安培的电流，在走行轨自身电阻上形成了对地的一个电位分布，构成了杂 散电流的驱动源，通过过渡电阻，杂散电流向道床、主体结构钢筋泄漏。 由于地下铁道的特殊环境，理论上和实际中部无法在现场进行实验，因此这类课题 的研究和实验，多数情况下往往要在实验室里进行，通过模拟地铁运行装置进行实验， 取得重要的实验参数和结论。故本设计在实验室搭建模拟地铁运行装置( 在第三章内容 有详细介绍) ，并且自行研发一套检测设备，检测设备以单片机为核心，除了对数据进 行处理之外还可以对数据进行存储，并且通过u s b 接口将数据传入上位机进行分析处 理。 大致的工作流程如下：首先，模拟试验装置的8 路模拟电压值经过通道选择开关 进入a d 转换芯片，转换后的数据送入单片机进行处理，经过单片机处理的数据存入 f l a s h 进行保存，保存在存储器里的数据，可以通过u s b 线送入上位机进行分析。为 了保证数据传输的速度与单片机处理数据的速度匹配，本设计中，首先将经过a d 转 换后的1 2 位的数字量到c p l d ，通过c p l d 的时序控制，把数据写到f i f o 里面，然 后再送入单片机进行处理，最后经过单片机写入f l a s h 存储器。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 杂散电流的定义 第二章杂散电流的基础研究 随着社会的不断进步，城市的交通运输也迅速发展起来，城铁，地铁，轻轨等交通 运输工具在各大城市已经走进了人们的生活，随之而来的杂散电流问题也引起了社会的 广泛关注。 当直流大电流沿地面敷设的轨道流动时，直流电流除了在轨道中流动外，还会从轨 道泄漏到大地，在大地中的各种金属物体上流动，然后再回到电源系统。这部分泄漏出 来的电流称为杂散电流，在地铁工程中又称为迷流。直流动力地铁系统的馈电回路如图 2 - 1 所示：变电站把交流电变换为直流电，经由馈电线向电力机车输送电流，并由返回 线返回。返回线由钢轨及与之相连的导线构成。由于返回线具有电阻并承载电流。因此 在返回线上产生电压降，使钢轨具有对大地的电压( 简称钢轨电压) 。钢轨与地之间并非 绝对绝缘，而是有一定的对地电阻。钢轨电压与对地电阻的存在必然导致对大地的漏泄 电流，即杂散电流。 机车父一。 一 走 亍轨 1 0 年 ( 3 ) 电极极化性在极化电流密度5 u a 的情况下，电位变化3 0 m y ( 4 ) 电极外壳陶瓷外壳，抗压强度1 0 m p a ( 5 ) 外形尺寸5 lm n l x1 5 6 m m ( 6 ) 安装方式可以水平或垂直埋置在混凝上中。 3 1 2 传感器 传感器一般应以单片机为核心，主要负责数据处理和通信功能，其作用就是将参比 电极的模拟信号转换为数字信号，然后进行远程信号传输。传感器输出的数字信号宜采 用总线式r s 4 8 5 标准通讯接口，通过智能数据转接器传送到智能监测装置，最终送入微 机管理系统，完成杂散电流的远程在线监测。传感器采集数据精度、最大转换时间应足 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 以监测到地铁动车组运行时测量电位信g 快速的变化。 3 1 3 通信电缆 通信电缆用于连接传感器与数据转接器、数据转接器与智能监测装置，沿区问敷设 在电缆支架上，通信电缆采用屏蔽控制电缆。 3 1 4 数据转接器 数据转接器一般以1 6 位微处理器为核心，以c a n 总线方式与智能监测装置相连，其 作用是为保证各个传感器采集的数据信号可靠、准确、完整地输入到智能监测装置。数 据转接器在c a n 总线地址分配上采用连续编号的方式：具有自诊断、断电保护、复位以 及故障报警等功能，而且当数据转接器意外掉电时，数据不会丢失。其主要技术指标为： ( 1 ) 转接器容量可同时连接最多l l o 个传感器。 ( 2 ) 与系统连接方式c a n 和串行总线方式。 ( 3 ) 信号传输方式基带半双工。 ( 4 ) 传输速率不小于2 4 0 0 b i t s 。 ( 5 ) 最大传输距离与传感器间不小于2 0k m ，与智能监测装置间不小于3 0k m 。 ( 6 ) 信号通信方式c a n 通信方式。 ( 7 ) 供电电压2 2 0v 士l o a c 。 ( 8 ) 环境温度1 5 c + 5 0 。 ( 9 ) 相对湿度日平均不大于9 5 ，月平均不大于9 0 。 ( 1 0 ) 防护等级1 p 5 4 。 ( 1 1 ) 安装地点室外。 3 1 5 智能监测装置 智能检测装置的功能就是实时地监测数据转接器上传的电位能将这些信，实时地传 送给监测中心计算机系统。该装置应能快速地计算上传的数据，将处理结果以串行总线 方式送至检测中心主机，一般应计算出以下参数：( 1 ) 钢轨对结构钢筋的电位；( 2 ) 结 构钢筋对参比电极的电位；( 3 ) 钢轨对结构钢筋的电位最大值；( 4 ) 结构钢筋对参比电 极的自然木体电位；( 5 ) 每半小时结构钢筋对参比电极电压平均值等。除了以上计算功 能外，还需具有以下功能：自检复位功能、白检报警功能、越限报警功能( 测量值超越 上、下限时报警) 、通信故障报警功能、控制功能( 当极化电压超过或接近规定数值时发 出命令启动排流柜进行排流。其主要的技术指标为： 太原理工火学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 容量可同时连接最多1 1 0 个数据转接器。 ( 2 ) 与系统连接方式c a n 和串行总线方式。 ( 3 ) 信号传输方式基带半双工。 ( 4 ) 传输速率不小于2 4 0 0b i t s 。 ( 5 ) 最大传输距离与数据转接器间不小少3 0 k m ，与检测中心主机间不小于5m 。 ( 6 ) 信号通信方式串行通信接口。 ( 7 ) 供电电压2 2 0v 士1 0 a c 。 ( 8 ) 环境温度一1 5 - - + 5 0 。 ( 9 ) 相对湿度日平均不大于9 5 ，月平均不大于9 0 。 ( 1 0 ) 防护等级1 p 5 4 。 ( 1 1 ) 安装地点室内。 3 1 6 微机管理系统 系统软件 微机管理系统软件的主要功能有：数据通讯、采集、分析、显示、保存、事件记录、 数据库操作以及打印等。 ( 1 ) 数据通信：实时读取智能监测装置上传的数据信急。 ( 2 ) 数据采集：检测系统是2 4h 不间断实时采集现场数据，但用户可随时选择某个站 所暂停数据采集和记录。 ( 3 ) 数据分析：对上传的数据信h ，进行分析如最大、最小值等。作出电位趋势分析 图。 ( 4 ) 数据显示：可通过功能按钮显示这些量：钢轨对结构钢筋的实时电位、结构钢筋 对参比电极的实时电位、钢轨对结构钢筋的电位最大、最小值、结构钢筋对参 比电极的自然木体电位、每半小时结构钢筋对参比电极电压平均值等能以曲线 方式显示指定时间段内的参数量。 ( 5 ) 数据保存：可以对数据查询得到的报表保存为文木文件型式方便数据共享。 ( 6 ) 事件记录：对结构钢筋极化电位超标、钢轨电压超标、木体电位变化超标等情 况以及装置自检、报警、通信故障均写入事件记录库。 ( 7 ) 数据库操作：包括数据分段查询( 如分年、月、日或指定时间) ，事件查看，数据 备份，数据录入或删除等。 太原理一i ：大学硕士研究生学位论文 ( 8 ) 打印：对数据库操作和数掘显示得到的图表结果进行打印。 3 1 7 监测系统功能 ( 1 ) j 下常运行状态的监视 监测系统能2 4h 不间断实时监测钢轨对结构钢筋电压，实时监测结构钢筋对参比 电极的电压及每半小时结构钢筋极化电压的平均值等。 ( 2 ) 报警提示 监测系统有警报功能警报提示将包括画面显示、文本信息和音响报警，提供警 报确认和存贮手段。 ( 3 ) 显示处理方式 在c r t 所显示的主画而上实时显示钢轨对结构钢筋电压、结构钢筋对参比电极的电 压等测量值；检测系统设置专用图表画而用来显示监视参数：钢轨对结构钢筋电压及其 分布曲线、结构钢筋对参比电极的电压分布曲线、每半小时结构钢筋极化电压的平均值 分布曲线。通过系统监视调度管理人员可以及时地了解当前结构钢筋极化电压分布情况 以及分布趋势。便于运营管理部门及时采取预防措施，减少杂散电流的腐蚀。 3 1 8 运行数据的打印功能 监测系统实时打印系统发生的各种事件打印记录的内容包括：事件发生的时间、站 名、对象、故障或状态内容等。根据需要系统打印可分为定时打印日报、月报。调度管 理员还可以进行操作启动人工召唤打印和事件打印。 ( 1 ) 定时打印：系统定时启动调度管理员所需的各种报表或曲线图。从记录、日报表、 月报表、年报表等。调度员可任意设定打印时间； ( 2 ) 人工召唤打印：调度管理员通过人机界而召唤启动打印机己存的报表记录； ( 3 ) 事件启动打印：系统自动将事件结果输出，包括越限记录、报警记录等。 3 1 9 系统自检功能 监测系统应具有容错能力、在线自检功能，能报警提示维护人员等多项功能。 监测系统基本技术指标及环境条件： ( 1 ) 监测系统基木技术指标： 杂散电流监测系统设计，系统监测技术指标如下： 模拟量测量误差o 5 。 信急传输速度 ，2 4 0 0 b i t s 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 画而调用响应时间ls 。 事件记录分辨率5 0 m s 在信噪比为1 7d b 时误码率不大于1 0 5d b 。 监测系统装置绝缘和耐压水平以及高频适应能力能满足g b t1 3 7 3 0 9 2 及 i e c 有关标准的要求。 ( 2 ) 环境条件： 设计的杂散电流监测系统应适应的环境条件要求如下： 环境温度：1 5 - - + 5 0 。 相对湿度：日平均不大于9 5 ，月平均不大于9 0 ； 饱和蒸汽压：日平均不大于2 2 x 1 03 m p a ，月平均不大1 8 1 0 一m p a 有凝 露。 海拔高度： 一 2 0 0 0 m 。 地震烈度：8 度。 周围介质：不允许含有破坏绝缘的腐蚀性气体。 振动：可适应有剧烈振动和冲击的场合。f 1 0 h z 时，振幅为0 3 m m ，1 0 h z f 1 5 0 h z 时，加速度为0 1 9 。 以上内容是基于杂散电流检测系统的理论性研究，由于本论文是基于杂散电流检测 的理论性研究，所以在实验室搭建模拟装置，进行杂散电流的实时检测实验【刀 3 2 实验室模拟装置 地铁运行轨道采用钢轨铺设而成，我国国家铁路的钢轨主要有5 0 ，6 0 k g m 几种钢 轨类型，北京地铁采用的是5 0 k g m 的钢轨，每段钢轨接头采用对接方式，钢轨道床之间 采用绝缘扣件隔离。走行轨与道床之间的绝缘扣件单个绝缘电阻在新安装时可达n l o g 以上，由于绝缘扣件数量众多( 几万个) ，在整个走行区间形成密集分布的过渡电阻。另 外，道床( 或排流网) 与主体结构钢筋由混凝土结构组成过渡电阻。在地铁运行时，走行 轨流过几千安培的电流，在走行轨自身电阻上形成了对地的一个电位分布，构成了杂散 电流的驱动源，通过过渡电阻，杂散电流向道床、主体结构钢筋泄漏。 由于地下铁道的特殊环境，理论上和实际中都无法在现场进行实验，因此这类课 题的研究和实验，多数情况下往往要在实验室里进行，通过模拟地铁运行装置进行实验， 2 9 太原理：r 人学硕士研究生学位论文 取得重要的实验参数和结论。 3 2 1 实验室模拟装置的建立 下图是典型的实验室模拟地铁杂敞电流的产生和对地下金属腐蚀作用的实验装 置，即在一个塑料或有机玻璃制作的容器内，按照地铁实际的采样结果充填一些腐蚀介 质( 例如土壤或水) ，将一段电阻丝平铺在土壤表面，在土壤里埋入一段金属物件( 一般为 铁) 。当给实验电路加上一定数量的直流电源电压后，除了有流过电阻丝的电流以外， 还有通过电阻丝与腐蚀介质之白j 的无数个接触电阻形成的流过腐蚀介质的杂散电流，该 电流的一部分就会流经埋在介质里的金属，金屈在电流的作用下就会发生电化学腐蚀。 通过实时检测电源电压、总电流与杂散电流的大小，同时分析埋在介质里的金属腐蚀的 情况，就可以得到电流泄漏及金属腐蚀的规律性的结论。因为金属电腐蚀的结果需要经 历一个比较长的时间( 可以为几百小时甚至上千小时以上) ，所以如何长时间连续实时检 测并且记录下数据是实验成功的关键，也是科学地分析杂散电流电腐蚀过程的重要依 据。 图3 - 1 实验室模拟装置 f i g u r e3 - ll a b o r a t o r ys i m u l a t i o ni n s t a l l m e n t 3 2 2 实验室模拟装置的理论研究 对采用何种介质，作为实验用杂散电流存在环境，我们在此作如下讨论： 土壤的导电性主要与土壤电阻率有关，而土壤电阻率还将受到土壤的含水量、含盐 量、土壤质地及环境温度的影响。土壤的含盐量增加，使作为电介质的土壤导电性增强， 电阻率下降。采用食盐，对于不同的土壤其效果也不同，如砂质粘土用食盐处理后，土 壤电阻率可减d q 3 - 1 2 ，砂土的电阻率减d 、3 5 3 4 ，砂的电阻率减：b 7 9 7 8 ；对于多 太原理工人学硕十研究生学位论文 岩土壤，用l 食盐溶液浸渍后，其导电率可增加7 0 。土壤中水含黾对七壤电阻率影响 也很大，土壤湿度是决定土壤导电情况的另一个重要标志，较为干燥的土壤的导电性很 差，通常需要很长时间才能形成宏电池环境，产生我们实验条件下可观测的杂散电流。 所以采用干燥土壤的可能性不大，如实验要采用土壤，则必须增加其含水量。 采用土壤作为实验室杂散电流泄漏的环境，必须要加大其湿度，甚至在实验效果不 理想时，加入盐，这样才能创造较好的杂散电流泄漏环境。但是加入盐水的土壤有板结， 盐分沉淀等问题，在实验室反复实验的条件下，保持土壤的湿度，和盐分在土壤介质中 的均匀存在很大的难度，这样就给实验条件的还原和实验的可重复带来了困难，所以土 壤介质在本实验中不宜采用。 取而代之的是用一定浓度的盐溶液作为介质，模拟杂散电流的存在环境。实验中用 万用表对不同浓度的盐溶液n a c l 溶液进行了粗测，发现水介质电阻与溶液浓度、探头深 度、水的流动速度有着密切关系，简单的说，溶液浓度越大，探头接触面积的分米长度 的溶液电阻越小：探头深度越深，其电阻越小。盐水要尽量保持静止稳定，以排除因流 动产生的影响【8 】。 利用盐溶液( 浓度1 ) 作为模拟装置的杂散电流存在环境，克服了利用土壤盐分和湿 度条件难以还原的缺点，使实验可以反复进行，实际实验中也取得了良好的实验效果。 3 2 3 实验室模拟装置的简化模型 图3 - 2 实验室模拟装置 f i g u r e3 - 2 m o d u l e o f l a b o r a t o r ys i m u l a t i o ni n s t a l l m e n t 实验中为了计算方便，采用8 个串联电阻代替电阻丝作为模拟轨道电阻，由于不能把 电阻放在水中，所以在电阻之间焊接一铜丝伸出作为泄漏电阻，可以通过此铜丝与水接 3 1 太原理工人学硕士研究生学位论文 触。 实验室模拟地铁走行轨的情况，对地铁轨道和过渡电阻情况进行了简化，并作以下 假设，即： ( 1 ) 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也是均匀分布的； ( 3 ) 馈电线路的阻抗可以忽略不计。 那么实验室的轨地电路模型可以如图3 3 所示。 e 图3 - 3 实验室模拟装置等效电路 f i g u r e3 - 3e q u i v a l e n tc i r c u i to fl a b o r a t o r ys i m u l a t i o ni n s t a l l m e n t 上图是实验室模拟装置的等效电路，其中的r i r 8 为模拟轨道串联的分段电阻( 5 0 q ) ，r l a r 8 a 分别是r 1 r 8 右端与地的接触电阻，r i 2 r 1 8 分别是r l a r 8 a 下端在地中 形成的多个杂散电流等效电阻，依此类推。由于地中的杂散电流的通路是没有规律的， 我们只能采集暴露在地面上的r 1 r 8 上流过的电流。由于杂散电流是杂乱无章的，在 r i r 8 各个电阻上流过的电流大小不会相同，当我们通过实验利用稳压电源提供直流电 压来确定总电路电流、r i r 8 上流过的电流以及通过这些电流值计算杂散电流时，采用 多点电流同时监测的形式。 通过用测量电路测量模拟装置r 1 r 8 ，各个电阻上流过的电流造成的电压，经过自 行设计的硬件检测板，进行数据的采集和处理，将采集处理的数据送到f l a s h 里保存， 最后通过高速u s b 线送入计算机进行必要的数据处理，从而实现杂散电流的实时监控。 3 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第四章杂散电流检测系统的硬件结构 4 1 功能介绍 此检测系统的硬件结构主要用来完成实验室模拟装置杂散电流的检测，包括杂散电 流的采集，处理以及和上位机之间的通信。本系统主要采用单片机为核心元件，对杂散 电流进行采集，使用f l a s h 对数据进行保存，并通过u s b 接口与上位机通信，实现杂散 电流的智能化控制。 具体功能分析如下： ( 1 ) 能够自动采集各电阻上的电压值并可以进行长时间的连续采集。 ( 2 ) 能够实时显示所检测的各段杂散电流的大小及变化趋势。 ( 3 ) 有一定的数据处理能力。包括数据的计算、保存以及采集条件的控制等方面 的能力。 4 1 1 系统原理 图4 - 1 杂散电流检测系统硬件结构原理框图 f i g u r e4 - 1h a r d w a r es t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo fs t r a yc u r r e n te x a m i n a t i o ns y s t e m 上图为杂散电流检测系统的原理方框图。图中，1 2 v 直流电源负责给实验室模拟 装置中的模拟轨道电阻供电，以产生电压信号，5 v 直流电源负责给检测电路提供5 v 直 流电压，使其能正常工作。检测电路是自己设计并焊接的电路板，它主要负责得到实验 3 3 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 室模拟装置中模拟轨道电阻上的电压信号，并对此信号进行隔离放大，然后将电压信号 经过a d 转换，通过c p l d 以及f i f o 送入单片机进行处理，把最后处理的结果送入 f l a s h 存储器进行储存，最后，通过u s b 芯片把数据传入到上位机进行显示。在这个系 统中，单片机是整个系统的核一i i , ，负责控制数据的采集和数据处理等工作。 4 1 2 现有资源介绍： ( 1 ) 二踪示波器 上海新建仪器设备有限公司生产的x j 4 6 3 1 型二踪示波器是一种便携式通用型示 波器，它具有二个独x r y 通道可同时测量二个信号。y 放大器频道宽度为0 2 0 m h z ， 偏转因数2 m v d i v ( 扩展1 0 ，最高灵敏度2 0 0 u v ) 。扫描时基系统扫速为1 0 s o 5 u s d i v ( 扩展x1 0 a - i 达5 0 n s d i v ) 。 在此用于电路板调试使用。 ( 2 ) 1 2 v 直流稳压电源 粤威实业有限公司生产的专用稳压直流裂$ y w - 1 2 4 w ，可以输出1 2 v 的稳定的直 流电压，最大允许电流为4 0 0 m a 。 可以用来给试验模拟装置提供电源。 ( 3 ) 数字万用表 杭州胜利机电设备有限公司生产的v c 9 8 0 7 a + 型数字万用表，4 位半。精度上足 可以满足需要。 用于电路板的电压，电流等调试测量工作 ( 4 ) p c 机 实验室所配联想电脑一台，基本配置就可以满足要求。 ( 5 ) 检测系统试验板 自己动手制作，用于数据的采集及处理工作。 4 2 检测试验板各部分功能介绍 4 2 1 检测试验板模拟部分原理框图 3 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 电流前 八 光耦隔 八 电流后 置放大 离置放大 vy 图4 - 2 系统模拟部分硬件原理框图 f i g u r e4 - 2 $ c h e m a t i cb l o c kd i a g r a mo fa n a l o g 上图中放大器使用的是a n a l o gd e v i c e s 公司生产a d 8 0 5 1 ，光耦隔离使用的是 h c n r 2 0 0 ，h c n r 2 0 0 是一种高线性度模拟光电耦合器，它的典型外围配置中需要前后 置放大器，下面分别进行详细介绍。 4 2 2 模拟部分相关芯片介绍 ( 1 ) h c n i 匕0 0 光电耦合器介绍 在工业自动化检测、计算机数据采集系统、测量仪表等诸多工业测量中，需要 解决的一个共性问题就是工业现场模拟信号采集过程中的抗干扰问题。因为在进行 现场测量时，这些干扰信号叠加在有用的被测信号上会使测量的准确度降低。另一 方面，测量系统与被测信号“共地”引入的干扰也会造成测量系统的不稳定，从而 影响微机系统的正常工作。在测试系统中，为了减少干扰对测试电路的影响，确保 测量结果的准确性，往往将被测电路与测试电路在电气上进行隔离，这就需要光电 耦合器。同时，当存在多路信号时，由于信号不“共地”，就会存在电平平移问题， 也可以用光电耦合器进行电平平移。普通光电耦合器具有非线性电流传输特性，这 对于数字量和开关量的传输不成问题，但对于模拟量的传输精度则很差。本系统为 了解决抗干扰问题和电平平移问题，选用t h p 公司生产的一种高线性度模拟光电耦 合器h c n r 2 0 0 ，它具有很高的线性度和灵敏度，可在检测系统中精确地传送电压信 号。 技术指标 h c n r 2 0 0 光电耦合器是一种由三个光电元件组成的器件，主要技术指标如下： 具有士5 的传输增益误差和士0 0 5 的线性误差； 具有d ci m h z 的带宽； 绝缘电阻高达1 0 ”q ，输入与输出回路之间的分布电容为0 4 p f ： 3 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 耐压能力为一分钟5 0 0 0 v ，最大绝缘工作电压为1 4 1 4 v ； 最大输入电流：4 0 m