雜散電流一體化智能綜合監(jiān)控分析系統(tǒng)的研究

汪 理，章 達(dá)

(南京地鐵建設(shè)責(zé)任有限公司，南京 210017)

0 引言

在城市交通中，城市軌道交通在改善和提高市民的生活水平方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，同時(shí)，在增強(qiáng)城市綜合承載能力以及構(gòu)建區(qū)域性國(guó)際會(huì)議、國(guó)際中心城市中也具有重大的意義[1-2]。直流供電在地鐵供能、運(yùn)行過(guò)程中具有重要的作用。尤其在不同的負(fù)荷情況下，列車(chē)容易在行走軌道上形成一定的工作電流，該工作電流的電流值通常不同，在一些情況下，形成的不同電流值之間差值較大或者差值不同。在所形成的工作電流中，一部分的工作電流通過(guò)行走軌道返回輸出電源的負(fù)極端部，其中的另一部分電路流入通過(guò)軌道，或者流入通過(guò)與地面絕緣不良的地方，甚至?xí)孤┑降罔F道床附近，或者泄露到地鐵周?chē)寥澜橘|(zhì)中[3-4]。在行走軌道中的一些區(qū)段中，在一些情況下，比如負(fù)荷、環(huán)境影響等各種因素的作用下，還會(huì)出現(xiàn)數(shù)值量不很大的雜散電流，這些雜散電流在環(huán)境因素下，還會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，通過(guò)電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，容易使與鐵道設(shè)備無(wú)關(guān)的金屬在電路回路中的溶液中通過(guò)構(gòu)成回路的方式產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而使得地鐵中的軌道或者影響軌道運(yùn)行的重要部件遭受?chē)?yán)重腐蝕。如果在行走軌道中的重要部件或者金屬管道中發(fā)生腐蝕，則可能出現(xiàn)管道漏洞，從而使管道中的液體、氣體出現(xiàn)泄露，這些現(xiàn)象會(huì)給交通安全造成隱患[5-6]；如果這種泄露比較嚴(yán)重，則很可能會(huì)發(fā)生比較嚴(yán)重的事故，諸如斷裂、沉積、下榻等[7-8]。

基于上述描述，就需要一套監(jiān)測(cè)雜散電流的分析系統(tǒng)。現(xiàn)有的地鐵雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于精度差、難以實(shí)現(xiàn)綜合智能化控制，已經(jīng)不適用目前技術(shù)的發(fā)展，隨著軌道交通行業(yè)日新月異的發(fā)展，新型地鐵雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要隨著進(jìn)步。鐵路行業(yè)以及市民均呼吁要求最大限度地減少雜散電流的泄漏，避免雜散電流對(duì)管道、設(shè)備以及關(guān)鍵、重要結(jié)構(gòu)部件的腐蝕，延長(zhǎng)鐵路硬件設(shè)備的使用周期，尤其是在車(chē)輛密集發(fā)生路段、隧道交通等關(guān)鍵路段[9-10]。針對(duì)上述情況，本研究針對(duì)新型的智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行論述和說(shuō)明。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，本研究設(shè)計(jì)的雜散電流一體化智能綜合監(jiān)測(cè)及防護(hù)系統(tǒng)主要包括智能排流柜、單向?qū)ü瘛?shù)據(jù)采集系統(tǒng)和主站監(jiān)控系統(tǒng)。 更具體地說(shuō)，包括參比電極、采集器、監(jiān)測(cè)裝置、排流柜、單向?qū)ㄑb置、主站后臺(tái)等，該系統(tǒng)能夠?qū)χ绷鳡恳╇娏熊?chē)運(yùn)行時(shí)泄漏到道床、隧道及其周?chē)寥澜橘|(zhì)中的雜散電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)雜散電流情況進(jìn)行智能排流，主站后臺(tái)集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、查詢(xún)、報(bào)警、曲線(xiàn)、報(bào)表打印等功能為一體清晰明了地呈現(xiàn)雜散電流實(shí)時(shí)歷史狀況，單向?qū)ㄑb置防護(hù)如車(chē)輛段、隧道等特殊路段[11-12]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)在層次上包括數(shù)據(jù)采集層、現(xiàn)地層、監(jiān)控層和系統(tǒng)層，能夠同時(shí)采集智能排流柜、智能導(dǎo)通柜、軌電壓限位裝置數(shù)據(jù)，上傳主站系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全線(xiàn)雜散電流，在線(xiàn)分析任何一處排流柜、導(dǎo)通柜、軌電壓限位裝置動(dòng)作時(shí)全線(xiàn)雜散電流變化情況[13]。根據(jù)全線(xiàn)雜散電流控制指標(biāo)，結(jié)合不同設(shè)備狀態(tài)及其與雜散電流系統(tǒng)的耦合情況，對(duì)多元參數(shù)進(jìn)行分析運(yùn)算，給出智能導(dǎo)通柜、排流柜、及鋼軌電位限制裝置優(yōu)化控制方式，以達(dá)到最優(yōu)化的雜散電流治理效果[14-15]。

本研究設(shè)計(jì)的雜散電流監(jiān)測(cè)及防護(hù)系統(tǒng)適用于城軌交通中的地鐵、輕軌等直流牽引供電軌道線(xiàn)路。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)兼具跨平臺(tái)操作功能，能夠支持Linux、Windows、UNIX操作系統(tǒng)，客戶(hù)端采用B/S結(jié)構(gòu)，能夠支持WEB瀏覽、手機(jī)APP功能，數(shù)據(jù)庫(kù)跨平臺(tái)支持傳統(tǒng)商用數(shù)據(jù)庫(kù)(ORACLE、SQL)以及達(dá)夢(mèng)、金倉(cāng)等多種國(guó)產(chǎn)商用數(shù)據(jù)庫(kù)[16-17]，提高國(guó)產(chǎn)化率及系統(tǒng)的易操作性。

該一體化系統(tǒng)可對(duì)導(dǎo)通柜、排流柜、鋼軌電位限位裝置進(jìn)行一體化綜合監(jiān)控，分析鋼軌電位與雜散電流的關(guān)系，并對(duì)導(dǎo)通柜、排流柜、及鋼軌電位限制裝置作智能化設(shè)計(jì)，做到科學(xué)自動(dòng)的智能化排流。智能單向?qū)ü癫捎米钚碌闹绷鏖_(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。該綜合分析系統(tǒng)能夠最大限度的減少了雜散電流的泄漏對(duì)設(shè)備及主體結(jié)構(gòu)的腐蝕和危害，延長(zhǎng)設(shè)備及軌道洞體結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 智能排流柜設(shè)計(jì)

智能排流柜由電壓電流傳感器、開(kāi)關(guān)量輸入電路構(gòu)成輸入檢測(cè)電路，把排流電流及電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)斷路器、熔斷器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)控制部分將輸入量通過(guò)數(shù)碼管、燈以及通訊等方式顯示排流柜狀態(tài)。該排流柜有五路控制回路，每個(gè)排流回路流經(jīng)IGBT、二極管、熔斷器、斷路器、限流電阻流回牽引變電所的負(fù)母排。此外，裝置有自檢和保護(hù)功能、保護(hù)復(fù)歸功能，提高系統(tǒng)的安全可靠性[16-17]。

智能排流柜由電壓電流傳感器、開(kāi)關(guān)量輸入電路構(gòu)成輸入檢測(cè)電路，把排流電流及電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)斷路器、熔斷器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)控制部分將輸入量通過(guò)數(shù)碼管、燈以及通訊等方式顯示排流柜狀態(tài)。裝置有通訊與顯示功能，可以把系統(tǒng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)顯示在排流柜的液晶屏上，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給后臺(tái)。具備遠(yuǎn)方/就地控制功能，可通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇，以便于不同情況下的使用，選擇遠(yuǎn)方后，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)滿(mǎn)足排流條件的排流回路排流[18-19]。裝置有自檢和保護(hù)功能、保護(hù)復(fù)歸功能，提高系統(tǒng)的安全可靠性。可專(zhuān)用于風(fēng)電功能簡(jiǎn)單的場(chǎng)合，也可用于光伏系統(tǒng)，要求靈活配置。要求各項(xiàng)電氣性能、機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性能達(dá)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能適應(yīng)-40 ℃及70 ℃極限溫度。

2.2 單向?qū)ㄑb置

使用新設(shè)計(jì)的單向?qū)ü瘢烧措p向晶閘管控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)有無(wú)車(chē)及電壓狀態(tài)智能導(dǎo)通控制以及決定導(dǎo)通去向，避免長(zhǎng)期接通情況下雜散電流大量流入, 單相導(dǎo)通柜使用具有消弧作用的晶閘管，防止燒壞導(dǎo)軌, 安裝排流柜設(shè)備，具備手動(dòng)和自動(dòng)排流功能，排流柜內(nèi)使用PLC控制，使排流操作更加智能[20-21]。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境采用雙向多個(gè)超聲波模塊監(jiān)測(cè)有無(wú)車(chē)經(jīng)過(guò)，提升檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確性。采用新型綜合監(jiān)控分析系統(tǒng)，支持跨平臺(tái)的操作系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，具備分析、統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢(xún)、曲線(xiàn)等功能,導(dǎo)通柜采用最新的直流開(kāi)關(guān)技術(shù)，確保開(kāi)關(guān)動(dòng)作可靠性。采用錄波分析裝置，對(duì)有車(chē)來(lái)時(shí)刻的列車(chē)軌道電壓用曲線(xiàn)直觀查看。

圖2 導(dǎo)通柜設(shè)計(jì)原理示意圖

單向?qū)ㄑb置采用正反雙向晶閘管，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電壓智能導(dǎo)通決定導(dǎo)通去向，增加使用的靈活性及可靠性。同時(shí)根據(jù)電壓自動(dòng)導(dǎo)通晶閘管起到消弧作用，有效防止燒壞導(dǎo)軌。采用高性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備，基于SOC技術(shù)全智能I/O模件，提高抗干擾能力。防護(hù)系統(tǒng)對(duì)雜散電流泄漏的分析功能，對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)挖掘，綜合分析全線(xiàn)雜散電流的歷史分布情況和變化趨勢(shì)，為運(yùn)行維護(hù)提供參考依據(jù)。全線(xiàn)電氣量可進(jìn)行錄波分析，全面記錄列車(chē)的軌道電壓和雜散電流的變化曲線(xiàn)情況。當(dāng)不需要單向?qū)ɑ騿蜗驅(qū)ɑ芈烦霈F(xiàn)故障時(shí)，可以將隔離開(kāi)關(guān)合閘旁路單向?qū)ɑ芈罚苯舆B接軌道絕緣結(jié)兩側(cè)，不影響列車(chē)的正常運(yùn)行。單向?qū)ㄑb置采用正反雙向晶閘管，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電壓選擇是否導(dǎo)通以及導(dǎo)通去向，增加了使用的靈活性以及可靠性。單向?qū)ㄑb置根據(jù)電壓來(lái)自動(dòng)導(dǎo)通晶閘管消弧，可有效防止燒壞導(dǎo)軌。單向?qū)ㄑb置數(shù)字化智能化，具備與電力監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換功能。

2.3 主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種基于SOA模式的數(shù)據(jù)交互總線(xiàn)，使系統(tǒng)模塊服務(wù)化，擁有較為統(tǒng)一的調(diào)用方式，實(shí)現(xiàn)松耦合、跨語(yǔ)言、跨平臺(tái)，可以與其他異構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接[22-23]。該主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了視頻圖像的模式識(shí)別，通過(guò)解析實(shí)時(shí)視頻信號(hào)，判斷接地開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)分合狀態(tài)，與硬節(jié)點(diǎn)采集信號(hào)進(jìn)行“與”邏輯判斷，提高安全系數(shù)。同時(shí)，該主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵可視化接地開(kāi)關(guān)操作票的在線(xiàn)管理，對(duì)接地操作進(jìn)行在線(xiàn)審校和執(zhí)行，并提供接地操作全過(guò)程仿真演練，提高安全系數(shù)。此外，該系統(tǒng)可以對(duì)全線(xiàn)雜散電流的分布和治理情況進(jìn)行統(tǒng)一展示，統(tǒng)一分析，并實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵全線(xiàn)相關(guān)電氣量的在線(xiàn)錄波分析，記錄列車(chē)通過(guò)時(shí)軌電壓和雜散電流的變化情況，全面掌握地鐵沿線(xiàn)電氣量的變化和分布規(guī)律。

在本技術(shù)設(shè)計(jì)中，排流柜DA-SCDD有手動(dòng)控制及自動(dòng)控制兩種控制排流方式，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換。手動(dòng)控制時(shí)，后臺(tái)主站發(fā)送的遙控命令和監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的控制命令失效，只有排流柜面板的啟動(dòng)停止排流按鈕能夠啟動(dòng)或停止排流。自動(dòng)控制時(shí)，排流柜面板的啟動(dòng)停止排流按鈕失效，可接收后臺(tái)主站發(fā)送的遙控命令和監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的控制命令[24-25]。不管哪種控制方式， IGBT導(dǎo)通關(guān)斷的占空比及周期還是由PLC自動(dòng)控制，啟動(dòng)排流也需要PLC檢查先決條件才可啟動(dòng)。收到啟動(dòng)排流命令后，只要條件滿(mǎn)足即啟動(dòng)排流，直到收到停止排流命令，遙控(調(diào))正確率達(dá)100%。

2.4 數(shù)據(jù)集采設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備是SCADA系統(tǒng)與雜散電流監(jiān)控系統(tǒng)的直接接口，它通過(guò)與各采集裝置的通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通實(shí)時(shí)運(yùn)行信息采集，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供給應(yīng)用服務(wù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并按照應(yīng)用所下達(dá)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)采集器和排流柜的調(diào)控功能[26]。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)源的關(guān)鍵部位，具有高度的可靠性和強(qiáng)大的信息處理能力，其原理示意圖如圖3所示。

圖3 采集器示意圖

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的各種類(lèi)型通訊規(guī)約的通訊(如EC60870-5-104、MODBUS等)。支持全雙工方式通訊，傳輸速率300，600，1 200，2 400，4 800，9 600 bps可選。高速數(shù)字通道的傳輸速率在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上無(wú)限制，主要取決于所購(gòu)置的采集通訊服務(wù)器部件的技術(shù)指標(biāo)，能夠接收處理不同格式的模擬量，數(shù)字量，并處理為系統(tǒng)要求的統(tǒng)一格式。還能夠接收處理終端記錄的SOE事件信息。實(shí)現(xiàn)對(duì)采集裝置的遙控下行信息。采用單通道或雙通道方式收發(fā)同一終端數(shù)據(jù)，雙通道工作時(shí)，可各自使用不同通信模式(數(shù)字或模擬通信)，并能根據(jù)通道狀態(tài)判優(yōu)切換主/備通道，本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還能夠支持一點(diǎn)多址方式通訊，具有與GPS時(shí)鐘接口。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

下面對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行試驗(yàn)，首先搭建硬件平臺(tái)，其由埋地式參比電極、測(cè)量信號(hào)接線(xiàn)盒、數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)測(cè)裝置、排流柜、單向?qū)ㄑb置和主站后臺(tái)等組成。根據(jù)《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》CJJ49的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。采集節(jié)點(diǎn)機(jī)選用高性能工程工作站，從而使數(shù)采子系統(tǒng)可直接構(gòu)筑在統(tǒng)一的應(yīng)用平臺(tái)基礎(chǔ)之上，提高對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的管理水平，加強(qiáng)了對(duì)設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)控能力。全套人機(jī)界面為X窗口/Motif或Windows風(fēng)格，交互方便、友好。試驗(yàn)架構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)架構(gòu)示意圖

在試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)設(shè)有參比電極處的接線(xiàn)盒，均有3對(duì)測(cè)量端子，連接在采集器上，用于測(cè)量參比電極本體電位、排流網(wǎng)極化實(shí)時(shí)電位、極化電位正向/負(fù)向偏移，及軌道實(shí)時(shí)電壓、軌道當(dāng)天最大電壓等數(shù)值。每個(gè)有牽引電源負(fù)母排的站點(diǎn)控制室內(nèi)設(shè)有排流柜，用于手動(dòng)或自動(dòng)排流功能。在車(chē)輛出入線(xiàn)段的絕緣結(jié)處設(shè)有帶消弧功能的單導(dǎo)柜，在通常無(wú)車(chē)時(shí)單導(dǎo)柜的晶閘管斷開(kāi)，切斷場(chǎng)段與正線(xiàn)之間的回路，防止場(chǎng)段的雜散電流流向正線(xiàn)；在有車(chē)出入時(shí)導(dǎo)通晶閘管保證正常行車(chē)電流回路，從減少回路通斷時(shí)間上來(lái)減少場(chǎng)段雜散電流對(duì)正線(xiàn)的干擾。監(jiān)測(cè)裝置收集各個(gè)采集器的數(shù)據(jù)，及排流柜、單導(dǎo)柜的運(yùn)行狀態(tài)和電壓、電流等數(shù)據(jù)，并上傳給監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)接受監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)排流柜、單導(dǎo)柜的控制命令并下發(fā)控制命令，起到監(jiān)測(cè)及控制功能。為便于接線(xiàn)安裝，監(jiān)測(cè)裝置均安裝在排流柜及單導(dǎo)柜柜體中，其帶有觸摸顯示屏，可就地在柜體面板上查看各采集器數(shù)值，或單導(dǎo)柜中各晶閘管等的狀態(tài)。

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)直流牽引供電列車(chē)運(yùn)行時(shí)泄漏到道床、隧道及其周?chē)寥澜橘|(zhì)中的雜散電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。軌道實(shí)時(shí)電壓示意圖如圖5所示。

圖5 軌道實(shí)時(shí)電壓示意圖

通過(guò)上述測(cè)定，電壓值符合《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》CJJ49的規(guī)定的不高于100 V的要求。絕緣節(jié)兩端實(shí)時(shí)電壓如圖6所示。

圖6 絕緣節(jié)兩端實(shí)時(shí)電壓示意圖

通過(guò)上述測(cè)定，絕緣節(jié)兩端實(shí)時(shí)電壓符合《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》CJJ49的規(guī)定的不高于50 V的要求。采集器極化電位如圖7所示。

圖7 采集器極化電位

通過(guò)上述測(cè)定，采集器極化電位壓符合《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》CJJ49的規(guī)定的不高于1 000 V的要求。

通過(guò)上述綜合分析，智能導(dǎo)通柜、排流柜、鋼軌限位裝置在動(dòng)作時(shí)對(duì)全線(xiàn)雜散電流的影響均在一定的范圍內(nèi)。通過(guò)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全線(xiàn)雜散電流控制指標(biāo)，結(jié)合不同設(shè)備狀態(tài)及其與雜散電流系統(tǒng)的耦合情況，上述設(shè)計(jì)方案符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述智能導(dǎo)通柜、排流柜、鋼軌電位限制裝置實(shí)行綜合一體化監(jiān)控，改進(jìn)原有單一設(shè)備監(jiān)測(cè)及控制的算法，結(jié)合不同設(shè)備狀態(tài)與雜散電流系統(tǒng)的相關(guān)聯(lián)性，對(duì)全線(xiàn)所有站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，達(dá)到最佳的雜散電流治理效果，將雜散電流減小到最低限度，有效限制了雜散電流向地鐵外部的擴(kuò)散，降低與消除其不利影響。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，使用新雜散電流防控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后燃?xì)夤緟⒈入姌O極化電位變化整體平穩(wěn)，相對(duì)老系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)燃?xì)夤緮?shù)據(jù)，可以明顯發(fā)現(xiàn)參比電極數(shù)值大幅減小，在3月22日南京地鐵建設(shè)責(zé)任有限公司試驗(yàn)，參比電極半小時(shí)偏移平均值全部都在70 mV以?xún)?nèi)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。