南京地铁杂散电流监测改造方案

南京地铁杂散电流监测改造方案一、概述在城市地铁及轻轨等直流电气运输系统中，利用钢轨作为返回线，由于钢轨不可能达到完全对地绝缘，总有一部分电流漏入大地而形成杂散电流。这种杂散电流可对地铁隧道中的结构钢筋产生电蚀，破坏了结构钢的强度，降低了其使用寿命，杂散电流所造成的腐蚀危害将是十分严重的。由于地铁是一种复杂的地下工程，其结构在施工完成后已定型，经过若干年运营后，要对主体结构因杂散电流腐蚀而进行更换和翻新则是十分艰难的。所以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，在有杂散电流腐蚀趋势发生时，应该采取积极有效的防治方法进行防护，防止造成灾难性的后果。杂散电流腐蚀本质上属于电化学腐蚀，杂散电流的泄漏是造成地铁系统埋地金属结构电化学腐蚀的主要原因，在埋地金属结构的电化学腐蚀检测参数中，金属结构对地电位（极化电位）参数是最重要的，因为它既可以反映金属结构的腐蚀特性，又可以反映杂散电流的干扰特性。而轨道电位又是影响金属结构对地电位的主要原因，通过测量和分析钢轨、大地金属结构电位的分布，就可以综合地分析杂散电流干扰状态和发生杂散电流腐蚀的状况。而轨地过渡电阻和轨道纵向电阻是影响杂散电流泄漏的重要参数，通常杂散电流的泄漏与轨地过渡电阻成反比，与轨道纵向电阻成正比。因此通过监测埋地金属结构的极化电位、轨道电位、轨地过渡电阻和轨道纵向电阻，能够反映杂散电流腐蚀特性以及造成杂散电流泄漏的原因。地铁杂散电流综合监测装置就是完成整个地铁沿线各个测量点4个参数的在线实时测量，并把测量得到的结果通过计算机通信网络传送到中央控制室微机系统中，整个装置为在线24小时自动监测，维修人员只要在中央控制室微机系统中就可以观察到地铁全线埋地金属结构的腐蚀情况，显示或打印数据和趋势曲线，为维修计划提供可靠依据。中国矿业大学以李威教授（博导）为首的研究团队，长期从事地铁杂散电流腐蚀监测与防护措施的研究，从地铁杂散电流的泄漏机理，杂散电流在线监测方法和装置，排流保护机理和装置以及单向导通装置等方面进行了全面的研究，取得了丰富的理论和应用成果，出版了地铁杂散电流腐蚀监测和防护技术专著，发表学术论文20余篇，获得7项国家专利。徐州中国矿业大学生产的ZSN型地铁杂散电流监测系统已在广州地铁一号线、广州地铁二号线和大连快轨三号线等现场投入使用。广州地铁一号线杂散电流监测系统已经使用了将近6年，从各个地方的系统运行情况来看，系统运行可靠，测量准确。另外在完成广州地铁总公司委托的科研项目“广州地铁隧道结构钢筋电腐蚀防护研究整体道床钢筋网收集杂散电流机理研究及实验分析”过程中，根据杂散电流监测系统监测的数据，提出了采用“人工神经网络预测模型”来预测地铁杂散电流的腐蚀情况，已经取得了初步的成果，同时开展了“地铁杂散电流监测中IR降误差的消除方法”以及“地铁杂散电流腐蚀的模糊综合评价”的研究，为综合有效的监测和预测地铁杂散电流的腐蚀打下了很好的基础，目前我们在地铁杂散电流腐蚀监测方面已获得和申请的专利有：一种地铁过渡电阻在线检测装置 专利号：ZL 01 2 37315.X地铁杂散电流腐蚀在线监测装置 专利号：ZL 03 2 21117.1地铁列车到位检测装置 专利号：ZL 03 2 20403.5二、技术条件1 工作环境杂散电流监测系统可以在以下工作环境使用1.1 环境温度不高于60，不低于-151.2 相对湿度可达95（25），有抗凝露措施1.3 海拔高度不超过2000米1.4 大气压力：86106 kpa1.5 地震烈度：8度1.6 系统可以在以下振动环境下正常工作振动：f10Hz时，振幅为0.3mm；10Hz f 150Hz时，加速度为1m/s21.7 有防雷击措施，可在雷暴环境下正常工作2 采用标准杂散电流监测系统及其有关设备满足以下标准CJJ49-92 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程GB4942.2-85 低压电器外壳防护等级GB2423-81 电工电子产品基本环境试验规程3 系统测试原理及构成31埋地金属结构的极化电位的测试原理。地铁系统中埋地金属结构对地电位的测量方法采用图1所示的近参比法，需要使用长效参比电极作为测量传感器。图1 近参比法在没有杂散电流扰动的情况下，测量的电位分布呈现一稳定值，此稳定电位我们称之为自然本体电位，当存在杂散电流扰动的情况下，测量电位出现偏离自然本体电位的情况，所测电位为，其偏移值为。一般情况下，我们将测量电压为正的称为正极性电压，测量电压为负称为负极性电压。图2表示测量时可能出现的曲线。图2 埋地金属结构对地电位的测量曲线埋地金属结构受杂散电流干扰的影响，其对地电位，也就是相对于参比电极的电压会偏离自然本体电位。在杂散电流流入金属结构的部位，金属结构呈现阴极，此部位的电位会向负向偏离，如图2的区域，金属该部位不受杂散电流腐蚀。在杂散电流流出金属结构的部位，金属结构呈现阳极，此部位的电位会向正向偏离，如图2的区域，金属该部位受到杂散电流腐蚀影响。因为腐蚀是一个长期作用的结果，而瞬间杂散电流的变化是杂乱无序的，测量瞬间金属结构对参比电极的电压不能直接反映测量点杂散电流的腐蚀情况，所以应该测量计算在一定时间内偏移自然本体电位的正向平均值和负向平均值，CJJ4992地铁杂散电流腐蚀防护技术规程规定的测量时间为半小时，其计算公式如下所述： 式中：所有正极性电压瞬时值和绝对值小于值的负极性电压各瞬时值之和；：所有正极性电压瞬时值读取次数及绝对值小于值的负极性电压各瞬时值读取次数之和；：绝对值大于值的负极性电压各瞬时值之和；：绝对值大于值的负极性电压的读取次数；：总的测量次数对于地铁杂散电流腐蚀的监测，金属结构对地电位的测量，其监测和计算的参数为：自然本体电位，瞬时电位，正向平均值和负向平均值。自然本体电位是一个非常重要的测量参数，而我们探讨的测量方法最终要实现自动在线测量，所以测量装置本身应该能够测量，地铁的运营特点一般是早5时到夜里12时，夜间12点以后列车完全停止运营，此时可以进行自然本体电位的自动测量。3.2 杂散电流监测系统的组成及功能3.2.1杂散电流监测系统的组成该系统主要由通信传输线、智能传感器DZC-2、智能转接器DZQ-3型以及上位机监测系统构成，如图3所示。3.2.2杂散电流监测系统的功能1、智能传感器的功能是实现对各路信号的采集，自动存储所监测的数据，同时可将测试信息传送给智能转接器，并可接受由以智能转接器发送的信息；2、智能转接器主要对一定区段内的所有监测点的信息进行收集，将所收集的信息实时通过地铁内部局域网传输到杂散电流监测系统的上位机，并且可将上位机发送的信息传输到智能传感器DZC-2。3、上位机监测系统主要实现对现场路信号采集装置所采集信号的实时在线采集、存储、显示、查询以及输出打印等功能。图3 系统原理图智能传感器是一个以单片机为核心的数据采集处理系统，可以实时采集处理测量点排流网和结构钢的自然本体电位，瞬时电位，正向平均值和负向平均值，并把采集运算得到的参数送入指定的内存存储起来。由于整个地铁线路全线距离较远，通信距离比较长，为保证传感器的数据可靠传送到的上位机，智能转接器起到了通信传输的中继作用。上位机系统通过局域网向各个传感器要监测数据。上位机把所有监测点监测和计算的有关杂散电流的信息参数以数据库的形式存入计算机，上位机软件具有查询、统计和预测功能，在上位机上可以实时查询到地铁沿线杂散电流腐蚀的防护情况。4 各项系统设备技术性能及结构要求4.1 超五类网线超五类网线用于连接智能传感器与智能通信转接器，完成数据传输的通路。沿杂散电流信号收集箱到各个站的网络交换机房敷设在电缆支架上。4.2 传感器为满足杂散电流监测遥测的需要，需要把参比电极与结构钢的模拟信号转换为一定编码的数字信号进行远程传输，传感器主要完成这项工作。DZC-2型智能传感器正是为完成此项任务而设计的，传感器是由单片机为核心的智能数据采集系统，通过A/D转换器把两路模拟信号数字化送入单片机，每两秒钟采样一次，按相应的数学模型计算公式，半小时进行平均值运算，最终结果为极化电压的半小时平均值。计算得到的数字信号采用总线式485标准通讯，通过智能信号转接器和局域网传送到上位机系统，完成杂散电流的远程在线监测。智能传感器主要技术指标4.2.1 容量 输入 24路模拟量输入 输出 1路串行输出4.2.2 与系统连接方式 总线式4.2.3 传输方式 基带半双工4.2.4 传输速率 300bit/s4.2.5 传输线线型 2芯屏蔽线4.2.6 传输距离 2km4.2.7 输入阻抗 20M4.2.8 供电电压： 220V10%AC，功率8W4.2.9 模拟输入信号： 参比电极-结构钢 -2V+2V DC4.2.10 测量精度： 1%4.2.11 环境温度： -25854.2.12 安装地点： 户内安装4.2.14 相对温度： 95%4.2.15 防护等级： IP304.3 通信转接器通信转接器主要完成与上位机之间的信号转换，安装在各地铁车站信号端子收集箱附近。主要技术指标：4.3.1 容量 一个通讯转接器可以连接1个传感器4.3.2 与系统连接方式 总线式4.3.3 传输方式 基带半双工 网络传输4.3.4 传输速率 300bit/s4.3.5 传输线线型 2芯屏蔽线与传感器连接 超五类网线4.3.6 供电电压： 220V10%AC，功率8W4.3.7 通讯误码率： 04.3.8 环境温度： -25854.3.9 相对温度： 95%4.3.10 防护等级： IP304.3.11 安装地点： 户内安装4.4 微机管理系统微机管理系统由微机（工控机）、UPS和管理软件组成。该系统通过微机通讯转接器，实时的将智能传感器监测的极化电位、轨道电压、本体电位数据以及传感器状态，经监测装置自动采集并形成数据库存储在电脑硬盘内，同时可以对所采集的数据进行统计和分析。实时查询地铁沿线杂散电流的腐蚀情况，并分析其腐蚀的趋势。并能对过渡电阻和纵向电阻进行自动测试，还可将数据通过地铁内部通信网络（局域网或电话线）传输到供电车间。4.4.1 微机采用国际知名品牌台式机（参考：IBM或HP），字长不低于32位的工业控制计算机，CPU主频不低于PM2.4G Hz或AMD3000+，高速缓冲Cache不低于512K，内存容量不低于512MB，硬盘容量不低于80GB；配置一个17LCD液晶显示器（国际知名品牌），分辨率不低于12801024，显示颜色32位真彩，显卡内存不低于32MB；配置一个COMBO或DVDRW（国际知名品牌），标准键盘和光电鼠标，至少2个USB2.2接口。微机管理系统的上位机软件采用Windows2000中文平台。供货时提供合同价格的最新机型。4.4.2 UPS 500W，后备式，山特4.4.3 微机管理软件 微机管理软件由徐州中国矿业大学科技发展总公司编制而成，拥有独立的知识产权。软件采用高级语言开发，程序采用汉字化界面菜单，在屏幕上可以显示各种信息，数据库格式采用标准Excel和Access数据库格式，可以与微机内安装的办公软件（Office 2000）兼容，软件具有图形显示功能，软件可以升级。本系统的软件部分的功能是：杂散电流监测和远程通讯。杂散电流监测用于监测各个传感器所监测的极化电位、本体电位数据以及传感器状态，对数据的统计分析和查询等。本系统软件具有良好的人机会话功能，并且有联机帮助功能，无需专门培训，即可进行独立操作，具体的详细说明见使用手册.Doc：系统的软件部分使用手册（用Microsoft OFFICE 2000的Word编写）。查询测点一天测量值本查询项目是查询某一测点某一天的测量数据，测量数据包括杂散电流和本体电位，查询结果分别以表格和曲线的形式显示。同时可以将查询的数据和曲线打印出来。 查询一天各测点极值本查询项目是查询某一天各测点的测量数据最大值，测量数据包括杂散电流和本体电位，查询结果分别以表格和曲线的形式显示。同时可以将查询的数据和曲线打印出来。 查询一月各测点极值本查询项目是查询某一月各测点的测量数据最大值，测量数据包括杂散电流和本体电位，查询结果分别以表格和曲线的形式显示。同时可以将查询的数据和曲线打印出来。 查询测点一月每日极值本查询项目是查询某一测点某月每天的测量数据最大值，测量数据包括杂散电流和本体电位，查询结果分别以表格和曲线的形式显示。同时可以将查询的数据和曲线打印出来。 查阅参数表本查询项目是查询系统中各传感器的位置、编号、名称和状态等。 查询故障表本查询项目是查询某一天的发生故障的传感器，查询结果列出所有当天的故障传感器及相关信息，为传感器故障的排除提供依据。4.4.4 供电电压： 220V10%AC5 设备工艺5.1 传感器、转接器由若干不同功能的线路板组成，生产线路板时按同等工艺进行生产和调试，同等功能的线路板完全可以互换。5.2 外壳制造的公差尺寸，线路板固定的螺钉孔尺寸的公差适合设备的安装和线路板的更换，所有加工尺寸标注在加工图中。5.3 设备外壳、线路板、软件编程的工艺以及加工的风格和方式，在生产过程是一致的，设备外壳采用亚光工艺加式方式，颜色在设计联络中确定。6 设备材料6.1 所有壳体材料是新生产的优等产品，使用寿命长，并且在规定的工作条件下免维护。6.2 所有材料都是低