【摘要】經過對地鐵、輕軌雜散電流監測系統的施工,對其工作原理及調試進行了分析與說明。
　　【關鍵詞】雜散電流，監測系統，原理，調試
　　1.概述
　　在我國城市地鐵直流供電系統中大多采用直流電力牽引的供電方式，一般接觸網（或第三軌）為正極，而走行軌兼作回流線。由于回流線軌存在著電氣阻抗，牽引電流在回流軌中產生壓降，由于鋼軌不可能達到完全對地絕緣,所以回流軌對地存在著電位差，回流線對道床、四周土壤介質、地下建筑物、埋設管線存在著一定的泄漏電流，泄漏電流沿地下建筑物、埋設管線等介質至負回饋點四周重新歸入鋼軌，此泄漏電流即稱迷流，又稱地鐵雜散電流。雜散電流主要是對地鐵四周的埋地金屬管道、電纜金屬鎧裝外皮以及車站和區間隧道主體結構中的鋼筋發生電化學腐蝕，它不僅能縮短金屬管線的使用壽命，而且還會降低地鐵鋼筋混凝土主體結構的強度和耐久性，對已定型的地鐵結構造成嚴重危害，甚至釀成災難性的事故。所以在地鐵和輕軌正常運行時,應加強對雜散電流監測和有效判斷腐蝕狀況。雜散電流監測系統就是對雜散電流的電化學腐蝕進行積極有效的監測。
　　2.雜散電流監測系統的重要參數
　　雜散電流對埋于地下金屬管線和混凝土主體結構中鋼筋的腐蝕在本質上是電化學腐蝕，屬于局部腐蝕，其原理與鋼鐵在大氣條件下或在水溶液及土壤電解質中發生的自然腐蝕一樣，都是具有陽極過程和陰極過程的氧化還原反應。即電極電位較低的金屬鐵失去電子被氧化而變成金屬離子，同時金屬四周介質中電極電位較高的去極化劑，如金屬離子或非金屬離子得到電子被還原。
　　雜散電流的泄漏是造成地鐵系統埋地金屬結構電化學腐蝕的主要原因，在埋地金屬結構的電化學腐蝕檢測參數中，金屬結構對地電位（極化電位）參數是最重要的，因為它既可以反映金屬結構的腐蝕特性，又可以反映雜散電流的干擾特性。軌道電位又是影響極化電位的主要原因,通過測量和分析鋼軌、大地金屬件電位的分布,就可以綜合地分析雜散電流干擾狀態和發生雜散電流腐蝕的狀況。軌地過渡電阻和軌道縱向電阻是影響雜散電流泄漏的重要參數,通常雜散電流的泄漏與軌地過渡電阻成反比,與軌道縱向電阻成正比。因此通過監測地鐵金屬件的極化電位、軌道電位、軌地過渡電阻和軌道縱向電阻,能夠反映雜散電流腐蝕特性以及造成雜散電流泄漏的原因。地鐵雜散電流綜合監測裝置就是完成整個地鐵沿線各個測量點對于上述四個參數的在線實時測量,并把測量得到的結果通過計算機通信網絡傳送到中央控制室微機系統中,整個裝置為在線24小時自動監測，維修人員只要在中央控制室微機系統中就可以觀察到地鐵全線埋地金屬結構的腐蝕情況，顯示或打印數據和趨勢曲線，為維修計劃提供可靠依據。
　　2．1極化電位
　　地鐵結構中金屬件對地電位的測量方法采用圖1所示的近參比法,需要使用長效參比電極作為測量傳感器。
　　
　　圖1近參比法
　　在沒有雜散電流擾動的情況下,測量的電位分布呈現一穩定值,此穩定電位稱之為自然本體電位U0,當存在雜散電流擾動的情況下,測量電位出現偏離自然本體電位U0的情況,所測電位為U1,其偏移值為ΔU。一般情況下,將測量電壓為正的稱為正極性電壓,測量電壓為負稱為負極性電壓。圖2表示測量時可能出現的曲線。在雜散電流流入金屬件的部位,金屬件呈現陰極,此部位的電位會向負向偏離U0,如圖2的(-)區域,金屬該部位不受雜散電流腐蝕。在雜散電流流出金屬件的部位,金屬件呈現陽極,此部位的電位會向正向偏離U0,如圖2的(+)區域,該部位受到雜散電流腐蝕。因為腐蝕是一個長期作用的結果,而瞬間雜散電流的變化是雜亂無序的,測量瞬間金屬件對參比電極的電壓不能直接反映測量點雜散電流的腐蝕情況,所以應該測量計算在一定時間內偏移自然本體電位U0的正向平均值和負向平均值,CJJ49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》規定的測量時間為半小時，其計算公式如下所述：
　　
　　
　　式中：
　　：所有正極性電壓瞬時值和絕對值小于值的負極性電壓各瞬時值之和；
　　：所有正極性電壓瞬時值讀取次數及絕對值小于值的負極性電壓各瞬時值讀取次數之和；
　　：絕對值大于值的負極性電壓各瞬時值之和；
　　：絕對值大于值的負極性電壓的讀取次數；
　　：總的測量次數
　　對于地鐵雜散電流腐蝕的監測，金屬結構對地電位的測量，其監測和計算的參數為：
　　自然本體電位，瞬時電位，正向平均值和負向平均值。
　　自然本體電位是一個非常重要的測量參數，而我們探討的測量方法最終要實現自動在線測量，所以測量裝置本身應該能夠測量，地鐵的運營特點一般是早5時到夜里12時，夜間12點以后列車完全停止運營，此時可以進行自然本體電位的自動測量。

　　圖2地鐵金屬件對地電位的測量曲線
　　2．2軌道電位
　　地鐵雜散電流的泄漏受軌道電位的影響很大,所以軌道電位的監測測量也同樣重要。軌道電位嚴格意義上表示以無限遠大地為基準,而實際測量中是很難實現的,用測量鋼軌對地鐵結構金屬件的電壓來代表軌道電位。軌道電位的瞬時變化很大,實際測量過程中除了測量瞬時軌道電位V1外,還測量計算金屬對地電位平均值的時間內軌道電位的最大值Vmax。
　　2.3軌地過渡電阻和軌道縱向電阻在線測量實現方法
　　圖3為列車運行過程中在線測量軌地過渡電阻和軌道縱向電阻傳感器安裝布局圖。當每天第一列列車運行通過具有測距功能的傳感器1時，本區間的轉接器向具有測量軌道電流和電壓功能的傳感器2及測流傳感器3發布測量命令，此時，傳感器2測量所在安裝點的軌道的
　　電流和電壓，測流傳感器3測量回流點的電流，所有測量信息通過監測系統的通訊網絡傳送到上位計算機內，根據雜散電流分布的解析公式，利用牛頓迭代法計算得到所測供電區間的軌地過渡電阻和軌道縱向電阻。傳感器1和傳感器2屬于改進型傳感器，除了具有普通傳感器的功能外又增加了測量列車距離和測量軌道電流電壓的功能，最終目的是為了完成測量軌地過渡電阻和軌道縱向電阻。
　　
　　圖3測量軌地過渡電阻和軌道縱向電阻傳感器分布圖
　　傳感器1——智能測距傳感器，安裝在列車運行方向離開非整流車站200米以內，列車在此范圍內，處于取流狀態（根據牽引計算）。
　　傳感器2——智能電壓電流測量變送器，測量安裝點位置的軌道電位，軌道電流。
　　傳感器3——智能電流測量變送器，測量變電所位置的軌道回流電流。
　　3．雜散電流監測系統的組成與工作原理
　　系統結構如圖4所示。雜散電流的每個測試點,參考電極和測試端子接至傳感器,將該車站區段內的上下行傳感器通過傳輸電纜連接到車站內的通信轉接器。車站內的通信轉接器通過傳輸電纜接至全線雜散電流綜合測試室內的雜散電流監測裝置,通過微機管理系統對所測量的數據進行處理和打印等作業。

　　圖4系統結構圖
　　傳感器是一個以單片機為核心的數據采集處理系統,可以實時采集處理測量點排流網和結構鋼的自然本體電位U0、瞬時電位U1、正向平均值Ua(+)和負向平均值Ua(-)、軌道瞬時電位V1,測量時間內的最大值Vmax,并把采集運算得到的參數送入指定的內存存儲。由于整個地鐵通信距離較長,為保證傳感器的數據可靠傳送到中央控制室的上位機,轉接器起到了通信傳輸的中繼作用。監測裝置通過轉接器向各個傳感器要求監測數據,同時可以計算各個供電區間的軌地過渡電阻和軌道縱向電阻。上位機與監測裝置連接,把所有監測點監測和計算的有關雜散電流的信息參數以數據庫的形式存入計算機。上位機軟件具有查詢、統計和預測功能,可實時查詢到地鐵沿線雜散電流腐蝕的防護情況。
　　4．雜散電流監測系統的調試
　　4．1傳感器調試
　　傳感器調試包括傳感器測量精度驗證和通訊調試,要求把傳感器測量得到的數值通過通訊線傳送到機房的計算機系統中。傳感器電氣性能試驗接線見圖5。
　　
　　圖5傳感器電氣性能試驗接線圖
　　在產品量程范圍內,均勻調整電壓信號源,使便攜式測量儀表顯示電壓值,與標準電壓表進行比較。由于傳感器與便攜式測量儀是通過串行通訊連接的,故同時檢驗了通訊的各項指標。傳感器的精度在出廠前已經調試完畢,所以在現場與參比電極連接后只需要驗證一下即可。使用專用通訊線,從智能傳感器下端的航空插頭連接到便攜式測量儀表上。操作便攜式測試儀,按傳感器標牌給出的傳感器號選中測量的傳感器進行測試。按照設計安裝圖紙,所測試的傳感器連接的轉接器連接的其它傳感器,在本傳感器上都應該能夠測量到數據,即選擇其它傳感器號,如果通訊線連接正確無誤,則應該能要到同組其它傳感器的數據。靠這種方法一樣可以調試通訊。
　　4．2轉接器調試
　　轉接器的調試只是通訊調試。轉接器上電后,如果電源指示燈亮,運行指示燈一明一暗閃爍,表示轉接器已經正常工作,通過調試明確轉接器能否把傳感器所測量得到的數值通過通訊線傳送到機房的計算機系統中。使用專用的通訊線,從智能轉接器下端的航空插頭連接到便攜式測試儀上。操作便攜式測量儀表,按轉接器標牌給出的轉接器號選中測量的轉接器,測試轉接器。
　　4．3監測裝置調試
　　4．3．1測量精度
　　監測系統的精度測量如圖6所示。每臺傳感器參比電極與結構鋼的測試端所測的信號可在智能監測裝置顯示,通過萬用表在傳感器上測量數據與智能監測裝置所顯示信號進行比較,來確定傳感器的測量精度。系統總共帶有四個智能監測裝置,任何一臺傳感器所測信號值都可以在某一個智能監測裝置中觀測出來。
　　
　　圖6精度測量接線圖

　　4．3．2 通信誤碼率
　　監測系統的通信誤碼率測量如圖7所示。利用在S3和S4通訊傳輸線上分別串聯電阻R1和R2,模擬長線傳輸的線路阻抗,在模擬系統中任選6臺傳感器,再次進行傳感器精度測量,同時驗證了通訊誤碼率。根據要求系統通訊誤碼率0。
　　
　　圖7通信誤碼率測量接線圖
　　4．4上位機調試
　　所有傳感器、轉接器調試完畢,把所有信號引入監測裝置,最終把傳感器的信號引入計算機,再把供貨商提供的安裝光盤在計算機中進行程序安裝,按照微機管理系統操作說明,進行系統操作,整個系統安裝調試完畢。
　　5．結語
　　隨著我國城市地鐵和輕軌交通快速發展，人們越來越重視地鐵防護雜散電流，通過對地鐵雜散電流監測系統的工作原理及調試的說明,可以為地鐵雜散電流監控系統功能更好的實現提供了一定的參考和依據。當然地鐵防護雜散電流是個系統工程，需要多個專業在設計、施工和運營共同配合，才能取得更好的預防效果。
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