基于雜散電流監測技術的軌道交通安全監測設備

文│ 珠海派諾科技股份有限公司 李順新

1 概述

隨著城市化進程的發展，軌道交通方便、快捷、環保、安全，已經成為大家主要的公共交通工具。軌道交通系統中地鐵、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行驅動。

這種以走行軌為回流通路的直流牽引供電系統，由于走行軌不可能完全絕緣于道床結構，鋼軌不可避免地向道床及其他結構泄漏電流，這種電流就是雜散電流，也稱為地中迷流。雜散電流對土建結構鋼筋、設備金屬外殼及其他地下金屬管線（比如燃氣管線）產生電化學腐蝕，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構物的強度，縮短了使用壽命；而且導致區間隧道主體結構混凝土開裂，降低了結構的強度和耐久性，增加了結構的失效概率。加上軌道建筑復雜度高、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烈關注。

2 雜散電流形成及金屬物腐蝕機理

由地鐵雜散流所經過的路徑可概括為兩個串聯的腐蝕電池，即

電池I：鋼軌（陽極區）→道床、土壤、金屬管線（陰極區）。

電池Ⅱ：金屬管線（陽極區）→土壤、道床、鋼軌（陰極區）

2.1 雜散電流形成機理

如圖1所示，理想情況下（機車牽引動力流向）直流電經變電所→流入牽引電網→流入電力機車→過鐵軌→流回變電所。在現實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 金屬物腐蝕機理

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

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）。

當雜散電流由兩個陽極區：走行軌（A）和金屬管線（D）流出時，都會發生失掉電子的氧化反應，該部位的金屬（Fe）就會遭到腐蝕。當金屬鐵（Fe）周圍的介質是酸性電解質，發生的氧化還原反應是析氫腐蝕；當金屬鐵（Fe）周圍的介質是堿性電解質時，發生的氧化還原反應為吸氧腐蝕。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

3.1 雜散電流測量原理

在實際的測量中，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鍵因素。銅/硫酸銅參比電極具有電壓穩定、耐極化性能好、內阻小等特點，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點。

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行3小時以上進行測試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行相對變化。當腐蝕的程度變大時，V1值也將變大。

3.2 裝置系統框圖及描述（如圖3所示）

◆ 通信1：我們用來后臺控制中心進行聯系并實時的傳送數據；

◆ 通信2：通信口，我們可以用來把定期監測土壤的酸堿度傳給裝置，然后由裝置統一上傳后臺；

◆ MCU單元：是把采集的數據進行集中處理、遠傳；

◆ 溫濕度監測：用來測量環境的溫度和濕度，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；

◆ 人機界面：和裝置進行操作顯示對話。

3.3 裝置功能系統描述

首先對兩個外部環境參量進行描述。土壤酸堿度測量的目的是測量不同區域地段的土壤酸堿度與不同區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域地段是否進行維修；環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。

裝置把監測到的環境的溫濕度、雜散電流的信號、定期的土壤酸堿度監測信息，統一打包給后臺的數據監控中心的軟件進行數據分析做出決策進行改善。數據中心的分析軟件把不同時間段、不同監測點的雜散電流信號、土壤的酸堿度、環境溫濕度信號進行歷史曲線的描繪。當土壤的酸堿度高，環境溫濕度大時，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域段雜散電流危害更大，做進一步的改善、維護、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。它的特點是：傳輸距離遠、抗干擾性強、技術成熟、多機總線、普遍適用；

◆ 通信2：我們采用RS232/RS485兩種可行模式。因為軌道巡檢人員定期對檢測點的土壤酸堿度進行測量后傳送給裝置。RS232適合點對點、近距離通信模式，RS485通用性強特點，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、可以做到低功耗、集成12Bit的ADC模數轉換處理模塊；

◆ 環境溫濕度：我們采用DALLS的DS18B20一線總線數字型溫度傳感器進行實時溫度檢測，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；

◆ 人機界面：我們采用4個按鍵進行設置查詢命令輸入，用128×64的點陣型LCD進行參數顯示；

◆ 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行放大和縮小以及把負信號偏移為正，所以我們要把信號進行正向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

基于雜散電流監測技術的軌道交通安全監測設備，是一套在線監測設備，不需要維修人員每天的巡檢測量，只需要控制中心分析數據。偶爾在定期維護時巡查一下。這套設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。

5 結束語

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

1 北京市地下鐵道科學技術研究所.地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程（CJJ49-02）.中國計劃出版社，1993

2 邸榮光.地鐵迷流監控系統研究.華東交通大學學報，2005.4：33-35

3 李威.地鐵雜散電流的監測與防治.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測系統設計.西南交通大學，2007