城市轨道交通土壤电位监测系统研究及应用

赵莎，刘正亮

（江苏广识电气有限公司，江苏徐州，221008）

目前城市轨道交通线路回流系统分布区域广，难以保证各位置轨地绝缘均处于良好状态，易发生局部绝缘薄弱或者破损，产生杂散电流。多条地铁线路存在杂散电流、钢轨电位过大，杂散电流幅值可达上百安培，容易引起埋地金属管线的电化学腐蚀，而造成杂散电流过大的原因多为局部绝缘损坏。轨道交通中钢轨对地电阻存在薄弱点，杂散电流从薄弱点泄露到土壤中并通过附近的埋地金属管线上流动，造成管地电位的变化，形成地铁直流杂散电流。可以在有燃气管线的地铁车站周边或者车辆段、停车场等绝缘薄弱地点监测土壤环境中的电位梯度，反应杂散电流泄露情况，本文提出用于轨道交通的土壤电位实时监测系统，实时监测泄露杂散电流，当泄露杂散电流超过规定发出报警，确保轨道交通主体结构、埋地管线及人身安全。

1 系统构成

土壤电位监测系统以供电区间为单位，主要包括参比电极、土壤电位采集装置、监测装置，土壤电位采集装置主要包括传感器与光电交换机。参比电极用于测定地下土壤中自然电位及阴极保护电位，土壤电位采集装置中的传感器与参比电极连接，实现土壤电位数据的在线检测，计算杂散电流大小级方向，并将杂散电流与报警值比较，分析杂散电流的影响，土壤电位监测系统可以设置多个杂散电流监测点，传感器与光电交换机以RS485 方式连接，通过光纤环网将监测数据上传至监测装置，监测装置具备显示、大数据存储、历史数据查询、生成报表等数据分析及显示功能，监测装置将供电区间各监测点土壤电位信息上传至上位机。系统结构图如图1 所示。

图1 土壤电位监测系统结构图

2 测量原理

每个传感器连接四个参比电极，两个参比电极为一组，两组参比电极分布在平行和垂直于钢轨的位置，传感器检测两组参比电极的电位差，这两组电位差分别是沿钢轨方向附近土壤电位梯度变化和垂直钢轨方向附近土壤电位梯度变化，两组电位差计算矢量和得到该检测点的土壤电位梯度，进而可以判断土壤中电流大小和方向，测试原理图如图2所示。

图2 土壤电位梯度与杂散电流方向测试原理图

在图中a 点、b 点、c 点、d 点四点个放置一个参比电极，四点对称设置，a 点与c 点间距离与b 点与d 点间距离相等，并且ac 方向与bd 方向垂直，ac 方向或bd 方向两者之一需要与钢轨方向平行，ac 方向和bd 方向上设置的两个参比电极间的最佳距离是5m，其中ac 或bd 应与钢轨平行，电极间距宜为5m。拟选取离钢轨不同距离的点，同时连续在线记录同一直线上两参比电极的电压。检测点的设置受附近环境限制时可以适当的缩短同一方向上两个参比电极间的距离，但是距离不能太小，距离太小会使传感器检测数据变化不明显，因此参比电极间距离应根据检测环境进行调整。同时测得ca 和db 的电压，即电压表A，B 的数值。

建立直角坐标系，将ac 方向设置成纵轴，bd 方向设置成横轴，并将采集的ac 方向电位差与bd 方向电位差记入坐标中，通过矢量合成法计算出模值与方向[2]，然后模值除以参比电极间距得到电位梯度的大小。在测量区段选取多个检测点，各检测点通过上述方法得到检测点土壤电位梯度的大小与方向，综合多个检测点土壤电位梯度的大小与方向推断出杂散电流泄漏源的方向。

GB 50991-2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》中规定土壤电位梯度应低于2.5mv/m。当土壤电位梯度大于0.5mv/m时，确认为有直流干扰，存在杂散腐蚀的可能性。当土壤电位梯度大于2.5mv/m 时，周边管线应采取排流等防干扰腐蚀措施。

3 传感器

传感器实现车辆段、停车场土壤电位数据的在线检测，直观显示杂散电流的变化情况，杂散电流超过设定值立即报警，并记录报警信息，定时上传采集数据及报警信息至上位机，并将采集数据存储值外部存储卡中，方便后期对数据进行分析、对比。传感器包括主控模块、采集模块、通讯模块、存储模块、显示模块、电源模块，传感器结构图如图3 所示。

图3 传感器结构图

3.1 电源模块

电源模块可以向传感器各部分提供能使其稳定运行的电源电压，电源模块包括：电源转换元件、滤波器元件。电源转换元件用于将交流电压信号转化成直流电压信号。滤波器元件连接在所述电源转化元件的输出端，用于对电源转化元件输出的直流电压信号进行滤波处理。

电源模块主要由电源转换元件(U8)、滤波器(T1)等元件组成，在电源转换元件(U8)的输入端加装一个滤波器(T1)后，电源转换元件(U8)输出端的噪声可以大幅度减少，能够显著提高EMC 等级，电源转换元件(U8)将P1 端子接入的交流220V 转换为电阻调节装置需要的直流5V 及直流24V 电源。电源模块电路图如图4 所示。

图4 电源模块电路图

3.2 采集模块

采集模块主要由ADS8689 芯片实现模拟量数据采集，主要由滤波电路与采集电路，电路图如图5 所示。由于有两组参比电极数据需要测量，因此采用两路独立的数据采集模块，每组的两个参比电极接入滤波电路的AGND 与VIN 端，对参比电极电位差信号进行滤波处理，处理后的信号接入ADS8689 芯片的IN 及VGND 两端，经过采集电路将模拟量信号转换成电信号输出，ADS8689 芯片的输出端接入控制模块。

图5 采集模块电路图

3.3 通讯模块

通讯模块通过TD301D485H 芯片实现RS485 串行通讯，TD301D485H 为RS485 隔离收发模块，控制模块的输出逻辑电平接入RS485 隔离收发模块（U19）的3、4 引脚，RS485 隔离收发模块（U19）将逻辑电平转换为RS485 协议的差分电平，实现信号隔离从8、9 引脚输出，通讯模块电路图如图6 所示。RS485 隔离收发模块（U19）的8、9引脚与监测装置485 接口连接，实现数据交互。

图6 通讯模块电路图

3.4 控制模块

控制模块使用STM32F407VG 芯片实现数据信息获取、通讯以及数据存储等功能。采集模块中ADS8689 芯片的输出端接入控制模块，控制模块接收电位信号并进行数据分析与转换得到横向参比电极电位差、纵向参比电极电位差，根据横向参比电极电位差、纵向参比电极电位差通过矢量计算得到杂散电流方向与大小。

3.5 存储模块

存储模块为外部存储元件TF 卡，通过通讯线与控制模块连接，通讯线包括SD3-D0～SD3-D3 数据线、SD3-CMD、SD3-CLK 时钟线，存储模块电路图如图7 所示。控制模块将计算得到的杂散电流方向与大小数据传送给存储模块，存储模块保存数据，方便后期对数据进行分析、对比。

图7 存储模块电路图

3.6 显示模块

显示模块通过串口线TXD、RXD 与控制模块连接，显示模块接收到主控模块的数据后显示杂散电流矢量图，可通过设置查询时间显示这一时间段内的杂散电流历史数据波形，并可显示报警记录信息。通过显示模块可以设置传感器参数，并将设置的参数发送给控制模块。

4 应用

土壤电位监测系统实现土壤电位梯度在线式监测，将该系统设置在轨道交通沿线、周边土壤环境中，利用该系统实现地铁站台周边的杂散电流相关数据的实时检测、存储及软件分析，解决由于测量工作劳动强度较大、测量结果会造成不稳定等多种问题。

每个供电区间设置3 个土壤电位监测点，1 个监测装置，每个土壤电位监测点设置4 个参比电极与土壤电位监测传感器连接，由光电环网交换机组成单环自愈光纤网络。参比电极垂直埋设在靠近钢轨的潮湿土壤中，4 个参比电极每两个为一组，其中一组与钢轨管道平行，用米尺测量两个参比电极埋设的距离，参比电极间距离为5 米，另一组参比电极与上一组参比电极方向垂直，按图8所示方式埋设参比电极。土壤电位采集装置设置在车站出入口周边位置，且安装在参比电极埋设地点附近，监测装置设置在牵引所内，监测装置采用壁挂式安装，将连接各监测点传感器的光纤电缆接入到监测装置中，监测装置与上位机通过光纤环网数据交换。

图8 APU 启动控制规律示意图

图8 参比电极埋设示意图

5 结语

本文提出用于轨道交通的土壤电位实时监测系统，利用该系统实现地铁站台周边的杂散电流相关数据的实时检测、存储及软件分析，当泄露杂散电流超过规定值时发出报警，确保轨道交通主体结构、埋地管线及人身安全，同时解决杂散电流测量工作劳动强度大、测量结果不稳定等多种问题。