CN102175597A - 地铁杂散电流腐蚀在线监测***的在线监测方法 - Google Patents

Abstract

地铁杂散电流腐蚀在线监测***的在线监测方法属于地铁金属结构防护的范畴。杂散电流腐蚀在线监测***由信息采集终端、信息通讯传输***和信息处理终端构成，信息采集终端与信息通讯传输***是通过现场总线的方式相连接，信息通讯传输***与信息处理终端是通过网络接口、USB或串口相连接；杂散电流腐蚀在线监测方法包括埋地金属结构极化电位、轨道电压、混凝土电阻率和轨道纵向电阻及轨地过渡电阻各参数的监测方法。该监测***可以在线测量和分析钢轨、大地金属结构电位的分布，将杂散电流腐蚀线监测方法和监测***有效地结合在一起，该发明具有监测参数全面，监测***实时性强、信息传输稳定可靠的特点，可以广泛地运用在地铁杂散电流腐蚀监测与防护***之中。

Description

地铁杂散电流腐蚀在线监测***的在线监测方法

技术领域

本发明涉及地铁杂散电流腐蚀的监测和防护领域，尤其涉及一种在线监测地铁杂散电流腐蚀状况和腐蚀影响因素的方法以及***的实现，主要运用于地铁、轻轨方面。

背景技术

地铁或轻轨***的供电通常采用直流供电，利用钢轨作为返回线，若钢轨对地的绝缘下降，则流过钢轨的电流非常容易泄漏到大地，从而形成杂散电流，杂散电流会引起附近的埋地金属结构物，如自来水管、煤气管、电缆和钢筋混凝土金属结构的腐蚀，造成严重的后果，所以应该尽量减少杂散电流腐蚀。在地铁建设初期，由于绝缘等各项防护措施比较好，杂散电流腐蚀情况不会太严重，但随着时间的推移，地铁隧道内潮湿等恶劣环境的影响，杂散电流腐蚀情况会越来越严重，因此监测杂散电流引起金属腐蚀情况，是地铁建设中必须考虑的问题。目前地铁杂散电流腐蚀的是通过测量金属结构或管线的极化电位、钢轨的轨道电位综合分析得到。通常地铁杂散电流腐蚀的监测，多采用临时携带仪表、现场布线的测量方法。该方法主要有以下弊端：

1、杂散电流对隧道主体结构钢及金属管线的腐蚀主要是电化学反应长期作用产生的结果。而现场临时布线测量，不能反映地铁全部运行时间的杂散电流腐蚀情况，测量结果有一定的随机性，可信度不高；

2、由于是局部测量，测量结果不能反映整个地铁线路杂散电流分布情况；

3、现场测量的工作条件及隧道空间限制，给测量带来不便和危险；

4、造成杂散电流分布过大和腐蚀加剧的原因不容易判别。

发明内容

技术问题：本发明目的是提供一种在地铁正常运营时，地铁杂散电流腐蚀在线监测***的在线监测方法，可以实时监测地铁隧道的埋地金属结构杂散电流腐蚀状况和腐蚀影响因素，为地铁运行维护人员提供依据，保证地铁***的安全运营。

技术方案：本发明的技术方案是：该监测方法基于一个在线监测***，该在线监测***顺序连接有信息采集终端、信息通讯传输***和信息处理终端；其中信息采集终端包括极化电位信号采集、轨道电压信号采集、混凝土电阻率信号采集、轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号采集以及信号分析处理***；信息通讯传输***是由现场总线或者现场总线与地铁***局域网组成；信息处理终端包括计算机、打印输出设备和移动存储设备；

其中信息采集终端与信息处理终端通过信息通讯传输***相连，信息采集终端与信息通讯传输***通过现场总线的方式相连接，信息处理终端与信息通讯传输***通过网络接口、USB或串口相连接；

选取埋地金属结构极化电位、轨道电压、混凝土电阻率以及轨道纵向电阻和轨地过渡电阻作为监测参数，由信息采集终端完成对各参数的在线测量，测量后的数据通过信息通讯传输***传给信息处理终端，信息处理终端实时接收由信息通讯传输***传来的信息并将接收到的信息录入相关数据库，并对录入数据库的数据根据要求进行分类处理，提供地铁金属结构腐蚀相关数据的统计、查询、图表显示及打印输出；该信息处理终端根据需要将信息通过信息通讯传输***传输给信息采集终端。

所述极化电位信号采集包括极化电位信号的提取以及极化电位信号采集；其中极化电位信号采样是测试埋地金属结构引出端子与埋设在该引出端子附近的参比电极引出端子之间的电位差，极化电位信号采集装置用于实现极化电位的在线测量。

所述的轨道电压信号采集包括轨道电压信号的采样以及轨道电压信号采集，其中轨道电压信号采样是测试轨道与其附近埋地金属结构引出端子之间的电位差，轨道电压信号采集装置用于实现轨道电压信号的在线测量。

所述的混凝土电阻率信号采集包括测试混凝土电阻率信号的采样以及混凝土电阻率信号采集，其中混凝土电阻率信号采样是按照Wenner四极法原理布置的信号采集装置进行信号提取，混凝土电阻率信号采集装置用于实现混凝土电阻率的在线测量。

轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号采集包括轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号的采样以及轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号采集；轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号采集是根据地铁杂散电流分布的理论公式，在列车和变电所距离L的区间内，任一点x的轨道电压和电流分别为

$u\left(x\right)=\sqrt{{\mathrm{RR}}_g}I\frac{\mathrm{sh\α}(x-\frac{L}{2})}{\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\α}}{2}L}$

$i\left(x\right)=I\frac{\mathrm{sh\α}(x-\frac{L}{2})}{\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\α}}{2}L}$

$\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{R}{\mathrm{Rg}}}$

其中，Rg为轨道轨地过渡电阻，R为轨道纵向电阻，a为比例系数，其值为

I为回流点测得的总电流，L为到位传感器到回流点的距离，当已知测量点距离x＝l₁的情况下，即监测点距变电所的距离为l₁，监测点的轨道电位u(x)和轨道电流i(x)是可以测量的，在轨道沿线布置测量列车到位的传感器，列车通过到位传感器可测得距离L，求解方程组即可得到R和Rg。

有益效果：本发明的有益效果是，本***完全抛弃了传统杂散电流腐蚀监测所采用的测试方法不需要使用人工测量各个测试点的数据，***基于通讯网络的原则进行设计，组网简单方便。现场安装好测试设备，通讯网络连通后整个测试过程、数据记录、存储、分析处理以及显示打印输出等功能完全由监测***完成，操作方便。

附图说明

图1是本发明的***构成方框示意图；

图2是本发明的信息采集终端构成方框示意图；

图3是本发明的采集***的组网***图；

图4是本发明的信息传输流程图；

图5是本发明应用方法的实施流程方框图。

具体实施方式

图1中，信息采集终端、信息通讯传输***通过现场总线方式连接，信息通讯传输***与信息处理终端通过USB、网络接口或串口方式进行信息传递。

图2中，信息采集终端包括智能传感器的需要采集的信号，采集信号有极化电位信号、轨道电位信号、测试轨道纵向电阻和轨地过渡电阻的信号以及测试混凝土电阻率的信号。所有信号的引出端子分别与智能传感的相应信号接线端子相连。

图3中，信息采集终端与信息通讯传输***通过通讯线相连，信息通讯传输***通过现场总线与信息采集终端相连，信息采集终端的数量根据现场情况确定。

图4中，信息处理终端向信息通讯传输***发送信息，信息通讯传输***接收到信息进行判断，如果是要求信息通讯传输***将信息传输给信息处理终端，则信息通讯传输***将相关信息传输给信息处理终端；如果是要求信息通讯***将信息传输给信息采集采集终端，则将相关信息传输给信息采集终端。当信息采集终端接收到信息通讯传输***传输来的信息时作出判断，如果是要求信息采集终端将信息传输给信息通讯传输***，则将相关信息进行传输，如果是要求信息采集终端执行某一指令，则信息采集终端作出相应的处理。

提供一种在线监测地铁杂散电流的分布和腐蚀情况的方法，在线测量和分析钢轨、大地金属结构电位的分布，可以综合地分析杂散电流干扰状态和发生杂散电流腐蚀的状况。地铁埋地金属结构对地电位的测量需要使用长效参比电极作为测量传感器。在没有杂散电流扰动的情况下，测量自然本体电位U₀，当存在杂散电流扰动的情况时，测量电位出现偏离自然本体电位U₀的情况，所测电位为U₁，其偏移值为ΔU。因为腐蚀是一个长期作用的结果，而瞬间杂散电流的变化是杂乱无序的，故此测量瞬间金属结构对参比电极的电压不能直接反映测量点杂散电流的腐蚀情况，所以应该测量计算在一定时间内偏移自然本体电位U₀的正向平均值Ua(+)和负向平均值Ua(-)，测量计算时间一般为30分钟。而地铁***杂散电流的泄漏受轨道电位的影响很大，因此还应该对轨道电位进行测量监测，其中采用钢轨对埋地金属结构的电压来代表轨道电位。轨道电位的瞬时变化很大，实际测量过程中除了测量瞬时轨道电位外，在测量计算金属对地电位平均值的时间内轨道电位的最大值V_max。

其中所述的自然本体电位U₀，瞬时电位U₁，正向平均值Ua(+)和负向平均值Ua(-)，轨道瞬时电位V₁，测量时间内的最大值V_max的在线测量计算。是在地铁建设初期选择好测量点，此测量点在整体道床上埋入一个长效参比电极，用于测量排流网与整体道床参比电极的电压；在隧道的侧壁也埋入一个长效参比电极，用于测量结构钢与侧壁参比电极的电压。轨道电位是测量轨道与侧壁结构钢之间的电压。安装具有测量计算功能的智能监测装置，对以上参数进行测量计算，该智能监测装置具有标准计算机通讯接口，可以在地铁隧道沿线布局成监测网络，最终所有监测数据在中央控制室显示。

本发明的技术方案是提供一种轨道轨地过渡电阻和纵向电阻的在线监测方法，根据地铁杂散电流分布的理论公式，在列车和变电所距离L的区间内，任一点x的轨道电压和电流分别为：

$u\left(x\right)=\sqrt{{\mathrm{RR}}_g}I\frac{\mathrm{sh\α}(x-\frac{L}{2})}{\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\α}}{2}L}$

$i\left(x\right)=I\frac{\mathrm{sh\α}(x-\frac{L}{2})}{\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\α}}{2}L}$

$\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{R}{\mathrm{Rg}}}$

其中，Rg为轨道轨地过渡电阻，R为轨道纵向电阻，I为回流点测得的总电流，L为到位传感器到回流点的距离。当已知测量点距离x＝l₁的情况下，即监测点距变电所的距离为l₁，监测点的轨道电位u(x)和轨道电流i(x)是可以测量的，在轨道沿线布置测量列车到位的传感器，列车通过到位传感器可测的距离L，解方程组即可得到R和Rg。

本发明的技术方案提供一种混凝土电阻率的在线监测方法，根据Wenner四极法原理埋设测试所用的四个电极，相邻两个电极等距离排列在一条直线上，假设相邻两个电极间的距离为S，则电极埋设处混凝土电阻率为：

其中V和I是可以通过测量得到其大小。

本发明的技术方案提供一种地铁杂散电流腐蚀监测***，该***包括信息采集终端、信息通讯传输***以及信息处理终端。信息采集终端和信息通讯传输***通过现场总线连接进行信息交换，信息通讯传输***与信息处理终端通过信息传输线进行信息交换。

其中所述的信息处理终端包括计算机、打印输出设备和移动存储设备，其间通过数据传输线连接；该信息处理终端与信息通讯传输***之间通过USB、串口或网络接口方式连接进行信息传输。该信息处理终端能够实时接收信息通讯传输***传来的信息并将接收到信息录入相关数据库，对录入数据库的数据根据要求进行分类处理，可提供地铁杂散电流腐蚀相关数据的统计、查询、图表显示及打印输出；该信息处理终端根据需要可将信息传输给信息通讯传输***。

其中所述的信息通讯传输***由现场总线或现场总线和地铁***局域网组成，现场总线方式包括RS485、CAN网或RS422方式。

其中所述的信息采集终端包括极化电位信号采集、轨道电压信号采集、混凝土电阻率信号采集、轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号采集以及信号分析处理***。

其中所述的极化电位信号采集包括极化电位信号的采样以及极化电位信号采集装置。其中极化电位信号采样是测试埋地金属结构引出端子与埋设在埋地金属结构引出端子附近的参比电极引出端子之间的电位差。

其中所述的轨道电压信号采集包括轨道电压信号的采样以及轨道电压信号采集装置。其中轨道电压信号采样是测试轨道与其附近埋地金属结构引出端子之间的电位差。

其中所述的混凝土电阻率信号采集其特征是：混凝土电阻率信号采集包括测试混凝土电阻率信号的采样以及混凝土电阻率信号采集装置。其中混凝土电阻率信号采样是按照Wenner四极法原理布置的信号采集装置进行信号提取。

其中所述的轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号采集包括轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号的采样以及轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号采集装置。轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号是是根据地铁杂散电流分布的理论公式所需测试的信号进行取样。

本发明的技术方案还提供了一种地铁杂散电流腐蚀在线监测的一种应用方法，

(1)在地铁沿线的整体道床和隧道侧壁按一定间距埋设参比电极，在埋设参比电极的附近的埋地金属上焊接信号引出端子，该信号引出端子与参比电极的信号引出端子之间的信号作为测量极化电位用；

(2)在埋设参比电极的附近的钢轨上焊接信号引出端，此信号引出端与埋地金属信号引出端子用作测量轨道电位用；

(3)在埋设参比电极的附近按照Wenner四极法要求埋设混凝土电阻测试用的电极，引出四个信号测试端子；

(4)在埋设参比电极的附近钢轨上引出轨道纵向电阻和轨地过渡电阻测试用的信号端子。

(5)将所有信号的引出端子与信息采集终端中相应的信号采集装置输入信号接线端子相连。

(6)将信息采集终端与信息通讯传输***通过现场总线的方法进行连接，信息通讯传输***与信息处理终端之间通过通讯线进行连接。

(7)各个测试点的有效信号均保存在信息处理终端的计算机中，通过信息处理终端可以对每个测试点的信息进行统计、查询、打印输出。

实施例子

信息通讯传输***选用RS485总线方式，信息通讯传输***与信息采集终端采用RS232串口通讯方式。如图5所示，信息通讯传输***包括通讯转换器和信号转接器，信息处理终端与通讯转换器之间采用RS232串口通讯，信号转接器与通讯转换器之间采集RS485通讯方式，信号转转接器与信息采集终端采用RS485通讯方式。每个信号转接所带信息采集终端一般不超过32个。

Claims (5)

1.一种地铁杂散电流腐蚀在线监测***的在线监测方法，其特征是：该监测方法基于一个在线监测***，该在线监测***顺序连接有信息采集终端、信息通讯传输***和信息处理终端；其中信息采集终端包括极化电位信号采集、轨道电压信号采集、混凝土电阻率信号采集、轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号采集以及信号分析处理***；信息通讯传输***是由现场总线或者现场总线与地铁***局域网组成；信息处理终端包括计算机、打印输出设备和移动存储设备；

其中信息采集终端与信息处理终端通过信息通讯传输***相连，信息采集终端与信息通讯传输***通过现场总线的方式相连接，信息处理终端与信息通讯传输***通过网络接口、USB或串口相连接；

选取埋地金属结构极化电位、轨道电压、混凝土电阻率以及轨道纵向电阻和轨地过渡电阻作为监测参数，由信息采集终端完成对各参数的在线测量，测量后的数据通过信息通讯传输***传给信息处理终端，信息处理终端实时接收由信息通讯传输***传来的信息并将接收到的信息录入相关数据库，并对录入数据库的数据根据要求进行分类处理，提供地铁金属结构腐蚀相关数据的统计、查询、图表显示及打印输出；该信息处理终端根据需要将信息通过信息通讯传输***传输给信息采集终端。

2.按照权利要求1所述的地铁杂散电流腐蚀在线监测***的在线监测方法，其特征是所述极化电位信号采集包括极化电位信号的提取以及极化电位信号采集；其中极化电位信号采样是测试埋地金属结构引出端子与埋设在该引出端子附近的参比电极引出端子之间的电位差，极化电位信号采集装置用于实现极化电位的在线测量。

3.按照权利要求1所述的地铁杂散电流腐蚀在线监测***的在线监测方法，其特征是所述的轨道电压信号采集包括轨道电压信号的采样以及轨道电压信号采集，其中轨道电压信号采样是测试轨道与其附近埋地金属结构引出端子之间的电位差，轨道电压信号采集装置用于实现轨道电压信号的在线测量。

4.按照权利要求1所述的地铁杂散电流腐蚀在线监测***的在线监测方法，其特征是所述的混凝土电阻率信号采集包括测试混凝土电阻率信号的采样以及混凝土电阻率信号采集，其中混凝土电阻率信号采样是按照Wenner四极法原理布置的信号采集装置进行信号提取，混凝土电阻率信号采集装置用于实现混凝土电阻率的在线测量。

5.按照权利要求1所述的地铁杂散电流腐蚀在线监测***的在线监测方法，其特征是：轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号采集包括轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号的采样以及轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号采集；轨道纵向电阻和轨地过渡电阻信号采集是根据地铁杂散电流分布的理论公式，在列车和变电所距离L的区间内，任一点x的轨道电压和电流分别为

$u\left(x\right)=\sqrt{{\mathrm{RR}}_g}I\frac{\mathrm{sh\α}(x-\frac{L}{2})}{\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\α}}{2}L}$

$i\left(x\right)=I\frac{\mathrm{sh\α}(x-\frac{L}{2})}{\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\α}}{2}L}$

$\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{R}{\mathrm{Rg}}}$

其中，Rg为轨道轨地过渡电阻，R为轨道纵向电阻，a为比例系数，其值为

I为回流点测得的总电流，L为到位传感器到回流点的距离，当已知测量点距离x＝l₁的情况下，即监测点距变电所的距离为l₁，监测点的轨道电位u(x)和轨道电流i(x)是可以测量的，在轨道沿线布置测量列车到位的传感器，列车通过到位传感器可测得距离L，求解方程组即可得到R和Rg。

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