基于杂散电流监测技术的轨道交通安全监测设备

2012-09-20珠海派诺科技股份有限公司李顺新

智能建筑与智慧城市 2012年12期

文│ 珠海派诺科技股份有限公司李顺新

1 概述

随着城市化进程的发展，轨道交通方便、快捷、环保、安全，已经成为大家主要的公共交通工具。轨道交通系统中地铁、轻轨、铁路是以直流、走行轨回流的供电方式的电气化牵引动力进行驱动。

这种以走行轨为回流通路的直流牵引供电系统，由于走行轨不可能完全绝缘于道床结构，钢轨不可避免地向道床及其他结构泄漏电流，这种电流就是杂散电流，也称为地中迷流。杂散电流对土建结构钢筋、设备金属外壳及其他地下金属管线（比如燃气管线）产生电化学腐蚀，即杂散电流腐蚀，也叫做迷流腐蚀。杂散电流腐蚀不仅降低了金属结构物的强度，缩短了使用寿命；而且导致区间隧道主体结构混凝土开裂，降低了结构的强度和耐久性，增加了结构的失效概率。加上轨道建筑复杂度高、轨道车辆行驶的速度越来越快，这种破坏就必然威胁轨道交通的安全，也引起了世界轨道交通界的强烈关注。

2 杂散电流形成及金属物腐蚀机理

由地铁杂散流所经过的路径可概括为两个串联的腐蚀电池，即

电池I：钢轨（阳极区）→道床、土壤、金属管线（阴极区）。

电池Ⅱ：金属管线（阳极区）→土壤、道床、钢轨（阴极区）

2.1 杂散电流形成机理

如图1所示，理想情况下（机车牵引动力流向）直流电经变电所→流入牵引电网→流入电力机车→过铁轨→流回变电所。在现实生活中由于回流轨与轨枕、地之间存在一定的过渡电阻；在回流轨中电流由高电位流向低电位，回流轨和地之间形成电位差这两样就导致只有大部分电流都流回变电所，而有一部分流向大地形成杂散电流。

图1

2.2 金属物腐蚀机理

走行轨和金属管线均为电子导体，地面为离子导体，电子在A和D点流出，金属导体与地面组成e i界面为阳极。电流在C点和F点流入，则地面与金属导体组成的i e界面为阴极。A、B、C和D、E、F分别构成了两个串联的电解电池。

电池Ⅰ：A 铁轨（阳极）→B道床、土壤→C金属管线（阴极）。

电池Ⅱ：D金属管线（阳极）→E土壤、道床→F钢轨（阴极）。

当杂散电流由两个阳极区：走行轨（A）和金属管线（D）流出时，都会发生失掉电子的氧化反应，该部位的金属（Fe）就会遭到腐蚀。当金属铁（Fe）周围的介质是酸性电解质，发生的氧化还原反应是析氢腐蚀；当金属铁（Fe）周围的介质是碱性电解质时，发生的氧化还原反应为吸氧腐蚀。对金属腐蚀集中于局部位置，对于有防腐层的，往往集中于防腐层薄弱部位。

3 测量传感装置系统

3.1 杂散电流测量原理

在实际的测量中，埋地金属物的极化电位（埋地金属物与理想大地的电位差）和埋地金属物与参比电极间的电位差有很大联系，由此可见，参比电极的可靠性是影响埋地金属极化电位测量的关键因素。铜/硫酸铜参比电极具有电压稳定、耐极化性能好、内阻小等特点，使用它可以提供一个不随电流大小和测试条件变化的电势基准点。

我们采用近参比法测量杂散电流，这样满足更精确埋地金属物极化电位的测量，尽可能减少土壤介质电阻引起的电压降，将参比电极尽量靠近被测量埋地金属表面（如图2所示）。我们用V1表示参比的本体电位，被测金属物的极化电位为V2，电势差：V12=V1-V2。所以被测金属物的极化单位V2=V1-V12。为了精确测量V1，每天晚上待地铁停止运行3小时以上进行测试V12（装置测量电压值）。此时杂散电流干扰很低（V2≈ 0），V1≈ V12；测量的 V1值会随着杂散电流大小而进行相对变化。当腐蚀的程度变大时，V1值也将变大。

3.2 装置系统框图及描述（如图3所示）

◆ 通信1：我们用来后台控制中心进行联系并实时的传送数据；

◆ 通信2：通信口，我们可以用来把定期监测土壤的酸碱度传给装置，然后由装置统一上传后台；

◆ MCU单元：是把采集的数据进行集中处理、远传；

◆ 温湿度监测：用来测量环境的温度和湿度，目的是分析温湿度对腐蚀的影响；

◆ 杂散电流采集：采集杂散电流；

◆ 人机界面：和装置进行操作显示对话。

3.3 装置功能系统描述

首先对两个外部环境参量进行描述。土壤酸碱度测量的目的是测量不同区域地段的土壤酸碱度与不同区域段的埋地金属物腐蚀程度做对比分析，方便尽早的判断本区域地段是否进行维修；环境温湿度测量意义在于，温度高、湿度大都会加速杂散电流对埋地金属物的腐蚀。

装置把监测到的环境的温湿度、杂散电流的信号、定期的土壤酸碱度监测信息，统一打包给后台的数据监控中心的软件进行数据分析做出决策进行改善。数据中心的分析软件把不同时间段、不同监测点的杂散电流信号、土壤的酸碱度、环境温湿度信号进行历史曲线的描绘。当土壤的酸碱度高，环境温湿度大时，这些外在的因素必然加速杂散电流对埋地金属物的腐蚀，这样就方便我们定位出某个区域段杂散电流危害更大，做进一步的改善、维护、更新措施。