CN106026037A - 基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护装置及方法，包括可控直流电压源，用于降低电缆外表金属层电位；电压传感器，用于监测地铁轨道与排流网电压；电压控制单元，用于接收电压传感器的电压信号，将其转换为控制信号，对直流电压源的电压进行控制；固着及防震单元，用于整个装置的固定及防震。本发明的杂散电流防护装置，可实现对埋地金属杂散电流的抑制，降低电化学腐蚀对埋地金属的腐蚀，不仅适用于随地铁轨道敷设的电缆外金属层保护，同样适用于其他直流系统附近的埋地金属的保护。

Description

基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高压电缆外表杂散电流防护装置，属于高电压电缆接地领域。

背景技术

随着城市的快速发展以及对景观要求的不断提高，城市地下空间已逐渐成为地上空间的延伸，地下空间资源凸显宝贵。利用市政公用隧道敷设高压电缆在世界范围内已经被广泛采用，随着隧道设计和施工工艺水平的提高，尤其近年来以地铁为代表的城市交通大规模规划建设，利用地铁富余空间敷设高压电缆高压具有广阔的发展前景。

埋地金属管道以及地下高压电缆的附近存在直流供电系统时极易在金属管道和电缆的表层产生杂散电流。随地铁轨道敷设的高压电缆外表为一层导电金属，由于敷设于直流系统附近，电缆外表导电层中也会产生杂散电流。杂散电流进入金属管道的地方带负电，这一区域称为阴极区，处于阴极区的金属层一般不会受到腐蚀。当杂散电流经金属层流出至变电所时，此处金属层道带正电，成为阳极区，金属以离子的形式溶于周围介质中而造成金属体的电化学腐蚀。

在地铁轨道的杂散电流防护方面，国内外开展了大量研究，并有了一些成熟的防护方法，如利用混凝土填充层的钢筋结构形成排流网对杂散电流进行分流，提高走行轨与地之间绝缘以减小杂散电流等。但目前国内外对于随地铁轨道敷设的高压电缆的研究较少，工程实例也非常罕有。因地铁直流驱动系统中的电流而在电缆外表金属层中产生的杂散电流的防护方法研究也基本属于空白。地铁杂散电流对埋地金属层形成电化学腐蚀十分严重，杂散电流腐蚀是外部电源泄漏电流作用的结果。杂散电流数值较大，引发腐蚀的速度较快，经常遭受杂散电流腐蚀的管线几个月便会穿孔。杂散电流腐蚀为电解腐蚀，电位可达数V，电流最大可能上百mA。另外杂散电流干扰腐蚀分布不均匀，会造成较激烈的局部腐蚀。腐蚀速度比自然腐蚀快10～100倍。因此，研究出一种能够防护和减小随地铁隧道共同敷设的高压电缆外表金属层中杂散电流、降低其对电缆外表腐蚀危害的方法具有非常突出的工程应用价值。

发明内容

技术问题：本发明提供一种降低地铁直流驱动系统经地铁地下电阻网络在电缆外表产生的杂散电流大小，降低杂散电流引起的电化学腐蚀对电缆危害的基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护装置，能够确保随地铁轨道敷设的高压电缆的长期安全稳定运行。本发明同时提供一种基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护方法。

技术方案：本发明的基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护装置，包括依次连接的电压传感器、电压控制单元、可控直流电压源，所述电压控制单元包括依次连接的A/D转换模块、控制信号模块，以及与所述A/D转换模块、控制信号模块连接的供电模块，所述A/D转换模块的数字信号输出端与电压传感器的信号输出端连接，所述控制控制模块的控制信号输出端与可控直流电压源连接。

进一步的，本发明装置中，所述可控直流电压源用于连接电缆外表金属层，并施加直流电压使电缆外表金属层电位降低；所述电压传感器，用于监测地铁轨道和电缆外表的电位；所述电压控制单元，用于根据接收的电压传感器的电位信号，对直流电压源的电压进行控制。

进一步的，本发明装置中，所述电压控制单元中，A/D转换模块用于将接收的电压传感器的模拟电位信号转换为数字信号，输入到控制信号模块；所述控制信号模块用以根据地铁轨道和电缆外表的电位差，控制直流电压源输出直流电压；所述供电模块用于分别为A/D转换模块和控制信号模块提供工作电源。

本发明的基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护方法，包括以下步骤：

1）首先将电压传感器与地铁轨道和电缆外表相连接，监测地铁轨道和电缆外表电位；

2）电压传感器将采集到的数据传输到电压控制单元的A/D转换模块，转换为数字信号后发送给控制信号模块；

3）控制信号模块比较地铁轨道电位和电缆外表电位，实时控制直流电压源输出直流电压：若地铁轨道电位低于电缆外表电位，则控制信号模块向可控直流电压源输出一个降压控制信号，否则，控制信号模块不动作；

可控直流电压源根据接收到的降压控制信号向电缆外表施加直流电压，用于降低电缆外表电位。

进一步的，本发明方法中，所述步骤3）中，可控直流电压源以2V为一个档位，每接收到一次降压信号时，就输出比上一次低2V的直流电压输出。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

通过主动降低电缆外表电位，能够有效降低电缆外表金属层流出的阳极杂散电流，降低电化学腐蚀对电缆金属层的损坏；同时，该装置相对于传统的加强绝缘的方法实施更加简单、成本更低且不会受到绝缘老化等因素的影响。采用独特的降低自身电位使自身处于阴极，从而减少从金属层流出的阳极电流，达到保护自身防止电化学腐蚀的效果。采用可控电压源调节电位，根据地铁不同运行工况调整电位，达到最佳防护效果。采用可控电压源降低电缆外表电位，能够根据地铁不同运行情况改变电缆外表电位，可控性更强，对杂散电流的抑制效果更佳。外加电压仅使电缆外表电位降低数个伏特，对电缆本身正常运行没有影响。考虑到之所以在地铁轨道两端处电缆外表导电层有杂散电流流出，原因在于轨道两端处电缆表面的电位高于地铁轨道电位。因此，在控制信号模块中将分别从地铁轨道和电缆外表采集的信号进行比较控制，若轨道电位低于电缆外表电位，则电压控制单元输出一个降压控制信号到可控直流电压源，可控直流电压源与电缆外表相连，用于降低电缆外表电位。电压传感器继续监测地铁轨道和电缆外表电位，并重复上述控制的步骤，对电缆外表电压和地铁轨道形成一个闭环控制，直至电缆外表电压低于地铁轨道电压，此时电缆外表导电层不再有杂散电流流出，从而对电缆起到的良好的保护作用。

现有的城市轨道杂散电流防护技术一般为加强绝缘和设置排流网两种，此两类方法主要针对的是轨道上杂散电流的分布，而对于随地铁轨道共同敷设的电缆表面的杂散电流则缺乏考虑。根据对城市轨道交通及与之共同敷设的电缆的数学仿真分析计算结果，采用增强绝缘的方法高压电缆与大地、地铁轨道及排流网的绝缘增加1倍时，电缆表面杂散电流仅减小25%。增强绝缘的方案施工复杂且成本较高，效果不够显著。

数学仿真计算对安装排列网前后高压电缆表面的杂散电流显示，排流网能显著降低电缆表面的杂散电流，安装排流网后电缆表面杂散电流为安装前的50%左右。但排流网对于杂散电流的抑制作用有一定限制，无法进一步降低杂散电流的大小；且目前的城市轨道交通系统一般均会安装排流网。

本发明的主动降低电缆外表电位的杂散电流防护方法相比于传统的加强绝缘的方法，主动减低电位的防护方法只需要若干直流电压源，实施更加简单、成本更低，且防护效果持续性强，不会受到绝缘下降的影响。之所以在地铁轨道两端处电缆外表导电层有杂散电流流出，原因在于轨道两端处电缆表面的电位高于地铁轨道电位，通过直流电压源主动降低电缆表面电位，可以有效抑制杂散电流的流出。数学仿真计算显示本发明提出的杂散电流防护方法能够将杂散电流降低到原来的10%以下，相比现有技术防护效果更加显著。且该方法施加的外加电压仅使电缆外表电位降低数个伏特，对电缆本身正常运行没有影响。

附图说明

图1为本发明装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

本发明提出的基于主动降低电位的随地铁隧道共同敷设的高压电缆外表杂散电流的防护装置，其结构如图1所示，包括：

可控直流电压源，用于连接于电缆外表金属层，使电缆外表金属层电位降低；

电压传感器，用于监测地铁轨道与排流网电压；

电压控制单元，用于接收电压传感器的电压信号，将其转换为控制信号，对可控直流电压源的电压进行控制；

固着及防震单元，用于整个装置的固定及防震。

上述电压控制单元包括：

A/D转换模块，用于对传感器监测电压进行A/D转换，得到数字信号，输入到控制信号模块；

控制信号模块，根据一定算法，将输入的数字信号转换为所需的调压控制信号输出至可控直流电压源，调节电压源的输出电压；

供电模块，用于分别为A/D转换模块和控制信号模块提供工作电源，所述的供电模块分别与A/D转换模块和控制信号模块相连。

本发明的随地铁隧道共同敷设的电缆外表杂散电流的防护装置，可以对随地铁轨道敷设的电缆外表金属层阳极杂散电流进行抑制，能够有效降低从金属层流出的杂散电流90%以上，有效降低电化学反应对埋地金属的腐蚀。本发明的基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护装置，包括依次连接的电压传感器、电压控制单元、可控直流电压源。首先将电压传感器与地铁轨道和电缆外表相连接，监测地铁轨道和电缆外表电位；电压传感器将采集到的数据传输到电压控制单元的A/D转换模块，转换为数字信号后发送给控制信号模块；控制信号模块比较地铁轨道电位和电缆外表电位，实时控制直流电压源输出直流电压：若地铁轨道电位低于电缆外表电位，则控制信号模块向可控直流电压源输出一个降压控制信号，否则，控制信号模块不动作；可控直流电压源根据接收到的降压控制信号向电缆外表施加直流电压，用于降低电缆外表电位，可控电压源以每2V为一档进行降压调节，从而抑制杂散电流的流出。可控电压系统能够根据地铁不同运行情况对电缆金属层电位进行调节，一方面避免因地铁运行工况的不同造成电缆金属层的电位过高或过低，保护效果不佳；另一方面可有效节约直流电压源的输出，令设备更加经久耐用，可长期免维护运行。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护装置，其特征在于，该保护装置包括依次连接的电压传感器、电压控制单元、可控直流电压源，所述电压控制单元包括依次连接的A/D转换模块、控制信号模块，以及与所述A/D转换模块、控制信号模块连接的供电模块，所述A/D转换模块的数字信号输出端与电压传感器的信号输出端连接，所述控制控制模块的控制信号输出端与可控直流电压源连接。

2.如权利要求1所述的基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护装置，其特征在于，所述可控直流电压源用于连接电缆外表金属层，并施加直流电压使电缆外表金属层电位降低；所述电压传感器，用于监测地铁轨道和电缆外表的电位；所述电压控制单元，用于根据接收的电压传感器的电位信号，对直流电压源的电压进行控制。

3.如权利要求1或2所述的基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护装置，其特征在于，所述电压控制单元中，A/D转换模块用于将接收的电压传感器的模拟电位信号转换为数字信号，输入到控制信号模块；

所述控制信号模块用以根据地铁轨道和电缆外表的电位差，控制直流电压源输出直流电压；

所述供电模块用于分别为A/D转换模块和控制信号模块提供工作电源。

4.一种基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）首先将电压传感器与地铁轨道和电缆外表相连接，监测地铁轨道和电缆外表电位；

2）电压传感器将采集到的数据传输到电压控制单元的A/D转换模块，转换为数字信号后发送给控制信号模块；

3）控制信号模块比较地铁轨道电位和电缆外表电位，实时控制直流电压源输出直流电压：若地铁轨道电位低于电缆外表电位，则控制信号模块向可控直流电压源输出一个降压控制信号，否则，控制信号模块不动作；

可控直流电压源根据接收到的降压控制信号向电缆外表施加直流电压，用于降低电缆外表电位。

5.根据权利要求4所述的基于主动降低电位的电缆外表杂散电流防护方法，其特征在于，所述步骤3）中，可控直流电压源以2V为一个档位，每接收到一次降压信号时，就输出比上一次低2V的直流电压输出。