CN206339595U - 地铁杂散电流综合监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种地铁杂散电流综合监测装置，包括传感节点、汇聚节点、网关服务器以及调度中心；在监测现场布置有若干个可移动的传感节点；每个所述传感节点布置有杂散电流监测终端，所述杂散电流监测终端包括：微处理器、无线节点收发器、参比电极本征电压传感器、埋地结构钢极化电压传感器、钢轨极化电压传感器以及供电电源。优点为：各个杂散电流监测终端之间形成ZigBee无线传感网络，从而简化了布线，避免了线缆接口易出现故障的问题；另外，杂散电流监测终端可灵活移动，方便对不同监测点测量。而监测现场与调度中心之间又通过有线以太网络连接，保证了通讯的可靠性。

Description

地铁杂散电流综合监测装置

技术领域

本实用新型属于杂散电流监测技术领域，具体涉及一种地铁杂散电流综合监测装置。

背景技术

当前城市化规模已经具有相当的规模而且还在不断增大，城市人口密度也越来越高，轨道交通在城市公共交通中起着越来越重要的作用。采用大容量的轨道交通系统是改善城市公共交通状况的有效途径。其中地铁(或轻轨)以其运输容量大，行驶速度快和乘坐安全舒适等优点而在全世界得到迅速的发展。城市轨道(地铁和轻轨)已经成为各国经济发展和改善城市居民生活的重要组成部分。

世界各国地铁和轻轨的牵引方式采用电力牵引，电力牵引有牵引功率大、能源利用率高、经济效益好，不污染环境和不受气候影响等优点。目前电力牵引大多采用直流供电，其直流电压等级分别为600V，750V，1500V和3000V。列车所需的牵引电流由牵引变电所提供，通过接触网向列车送电，然后牵引电流通过列车走行轨返回牵引变电所。于是，牵引变电所正极、接触网、列车、走行轨和牵引变电所负极，这五部分形成了牵引电流的整个回路。由于走行轨很难做到对地完全绝缘，所以，牵引电流并非完全通过走行轨流回牵引变电所，而是有一部分电流由钢轨杂散的流入大地，最终在由大地流回牵引变电所。这些流入大地的部分牵引电流由于其“杂乱无序”的性质而被称为杂散电流(也叫迷流)。

杂散电流的危害，主要包括以下几种：

(1)杂散电流腐蚀造成混凝土结构破坏：

杂散电流通过混凝土时，对混凝土本身并不产生影响，但在杂散电流由混凝土进入钢筋之处时，钢筋呈现阴极。由于阴极析氢作用就会在混凝土内部形成局部压力，使钢筋与混凝土产生剥离。如果有钠或钾的化合物存在，则电流的通过会在钢筋与混凝土的界面处产生可溶的碱式硅酸盐或铝酸盐，使钢筋与混凝土的结合强度显著降低。在电流离开钢筋返回混凝土的部位，钢筋呈阳极并发生电化学腐蚀，形成腐蚀物Fe(0H)2、Fe2O2.2xH2O(红绣)、Fe3O4(黑锈)等。腐蚀物在阳极堆积会以机械作用的方式排挤混凝土而使之开裂。在轨道交通系统投入运营后，要对由杂散电流腐蚀而发生破坏的混凝土结构进行维修和更换将是十分困难的。

(2)杂散电流腐蚀钢轨及其附件：

杂散电流会对轨道交通系统隧道结构件及地下设施产生严重的腐蚀。特别是在列车下部，由于列车处于阳极区，极容易发生电蚀。

(3)杂散电流腐蚀埋地管线：

轨道交通系统内或沿线的埋地管线主要有自来水管线、煤气管线、供电管线、供暖管线、石油管线等。据调查这些管线都不同程度的存在杂散电流腐蚀问题，有些管线甚至在很短的时间内即发生点蚀，深圳的煤气主管道泄露就是由杂散电流引起的。

(4)杂散电流造成人身触电：

轨道交通系统轨道为长轨，是由多节轨道焊接而成，因此轨道接缝电阻值较大，而使轨道与结构件之间的电位差增加，如果轨道接缝处开焊，轨道接缝电阻将会更大，这使轨道与结构件之间的电位差更高。在站台上，当地铁(或轻轨)的车厢与站台之间的电位差很高时，人在上车的时候就会有触电的危险。德国标准VDE0115规定：这个电位不得超过92V。

(5)杂散电流烧毁排流设备

轨道与轨枕之间有绝缘相隔，如果由于某种原因，绝缘物损坏，轨道与排流网短路，这时将有非常大的杂散电流，通过排流网、排流柜，流回牵引变电所，由于排流柜中的核心元件排流二极管的容量有限(一般通流能力不超过200A)，因此过大的杂散电流可能烧毁排流柜，广州地铁曾经有过此类事故。

(6)杂散电流干扰通信：

受电弓(靴)产生的电猝发和浪涌为城市杂波的重要组成部分，对附近的通信设备和精密仪器造成干扰，接触导线还是车辆内高次谐波的发射天线，辐射污染了近距离的电磁环境，VOV和CISPR(国际无线电干扰特委会)都对距离接触导线10m处的无线电干扰场给出了限值，这一点对于市区内的各种电车尤其值得重视。

可见，针对杂散电流的诸多危害，需要对地铁轨道附近的杂散电流进行有效监测。现有技术中，在地铁轨道附近的各个监测位置固定安装监测终端，并且，各个监测终端通过有线线缆连接。该种方式存在的主要问题为：由于地铁轨道附近监测点数量众多，并且，地铁轨道附近干扰物多，所以，存在布线不方便、线缆接头易出现故障等不足。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种地铁杂散电流综合监测装置，可有效解决上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种地铁杂散电流综合监测装置，包括传感节点、汇聚节点、网关服务器以及调度中心；

所述传感节点、所述汇聚节点以及所述网关服务器形成zigbee无线传感网络；所述网关服务器通过以太网与所述调度中心连接；

其中，在监测现场布置有若干个可移动的传感节点；每个所述传感节点布置有杂散电流监测终端，所述杂散电流监测终端包括：微处理器、无线节点收发器、参比电极本征电压传感器、埋地结构钢极化电压传感器、钢轨极化电压传感器以及供电电源；所述微处理器分别与所述无线节点收发器、所述参比电极本征电位传感器、所述埋地结构钢极化电位传感器、所述钢轨极化电位传感器以及所述供电电源连接；

在监测现场布置有若干个所述汇聚节点，每个所述汇聚节点与距离其在预设范围内的若干个传感节点无线连接；所述汇聚节点布置有ZigBee无线网络协调器，所述ZigBee无线网络协调器与各个所述传感节点的无线节点收发器无线连接；

所述网关服务器的一端通过无线网络与各个所述汇聚节点无线连接；所述网关服务器的另一端通过以太网与所述调度中心连接。

优选的，对于所述杂散电流监测终端，还包括RS485接口、存储器、以太网接口、液晶触摸屏、AD转换器以及多通道模拟信号调理电路板；所述微处理器分别与所述RS485接口、所述存储器、所述以太网接口以及所述液晶触摸屏连接；所述微处理器通过所述AD转换器与所述多通道模拟信号调理电路板连接。

优选的，对于所述杂散电流监测终端，其供电电源通过接插件引入到数据采集板中；所述供电电源包括稳压电源电路和电压转换电路；所述稳压电源电路具有3种供电输出端子，分别为正12V输出端子、负12V输出端子和第一5V输出端子和第二5V输出端子；所述第一5V输出端子直接连接到所述AD转换器的用电端；所述第二5V输出端子连接到所述电压转换电路的输入端，所述电压转换电路具有3.3V输出端子；所述电压转换电路的3.3V输出端子直接连接到所述微处理器；

所述稳压电源电路的正12V输出端子和负12V输出端子连接到所述多通道模拟信号调理电路板的正负用电端。

优选的，所述多通道模拟信号调理电路板由若干个独立采样通道组成；每个所述采样通道均包括串联的运算放大器、滤波电路、阻抗隔离电路和信号增益调整电路。

本实用新型提供的地铁杂散电流综合监测装置具有以下优点：

(1)在监测现场，各个杂散电流监测终端之间形成ZigBee无线传感网络，从而简化了布线，避免了线缆接口易出现故障的问题；另外，杂散电流监测终端可灵活移动，方便对不同监测点测量。而监测现场与调度中心之间又通过有线以太网络连接，保证了通讯的可靠性。

(2)杂散电流监测终端可同时采集多个通道数据，采样效率高。

附图说明

图1为本实用新型提供的地铁杂散电流综合监测装置的结构示意图。

图2为本实用新型提供的杂散电流监测终端的结构示意图。

图3为本实用新型提供的S3C6410的原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

结合图1，本实用新型提供一种地铁杂散电流综合监测装置，包括传感节点、汇聚节点、网关服务器以及调度中心；

所述传感节点、所述汇聚节点以及所述网关服务器形成zigbee无线传感网络；所述网关服务器通过以太网与所述调度中心连接；

其中，在监测现场布置有若干个可移动的传感节点；每个所述传感节点布置有杂散电流监测终端，所述杂散电流监测终端包括：微处理器、无线节点收发器、参比电极本征电压传感器、埋地结构钢极化电压传感器、钢轨极化电压传感器以及供电电源；所述微处理器分别与所述无线节点收发器、所述参比电极本征电位传感器、所述埋地结构钢极化电位传感器、所述钢轨极化电位传感器以及所述供电电源连接；

在监测现场布置有若干个所述汇聚节点，每个所述汇聚节点与距离其在预设范围内的若干个传感节点无线连接；所述汇聚节点布置有ZigBee无线网络协调器，所述ZigBee无线网络协调器与各个所述传感节点的无线节点收发器无线连接；

所述网关服务器的一端通过无线网络与各个所述汇聚节点无线连接；所述网关服务器的另一端通过以太网与所述调度中心连接。

由此可见，对于本实用新型提供的地铁杂散电流综合监测装置，在监测现场，各个杂散电流监测终端之间形成ZigBee无线传感网络，从而简化了布线，避免了线缆接口易出现故障的问题；另外，杂散电流监测终端可灵活移动，方便对不同监测点测量。而监测现场与调度中心之间又通过有线以太网络连接，保证了通讯的可靠性。

本实用新型中，杂散电流监测终端为一种嵌入式装置，有效实现参比电极微电压的采集，数据存储，数据显示以及数据传输等功能。

杂散电流监测终端的微处理器优选采用S3C6410，S3C6410为32位ARM11核，主频高达573MHZ，具有4K片内静态RAM和32K片内ROM。由于S3C6410片内空间较小，仅仅满足引导程序的运行和存储，所以采用了外扩RAM和FLASH。S3C6410的结构框图如图3所示：

1)具有多个串行接口，包括4个UART接口，一个IIC总线接口，两个SPI总线接口，一个IIS总线；

2)S3C6410具有多达187个多功能输入\输出IO端口，并支持达127个的外部中断，并且可以控制IO口的睡眠模式状态以降低功耗；

3)包含4个DMA控制器，每个DMA控制器支持8个传输通道，每个通道支持单向的传输；

4)具有一个RTC实时时钟，日误差达到0.1S；

5)包含5个32位定时器，其中4个具有PWM功能；

6)具有一个8通道10位ADC，最高转换速率达到500KSPS，带有片上采样保持功能，支持电源中断模式；

7)带有一个USB HOST接口和一个USB OTG接口，支持主从的USB设备接入；

8)具有一个WDT，可以在程序异常时进行复位。

对于所述杂散电流监测终端，参考图2，还包括RS485接口、存储器、以太网接口、液晶触摸屏、AD转换器以及多通道模拟信号调理电路板；所述微处理器分别与所述RS485接口、所述存储器、所述以太网接口以及所述液晶触摸屏连接；所述微处理器通过所述AD转换器与所述多通道模拟信号调理电路板连接。下面对核心部件详细介绍：

(一)供电电源

供电电源通过接插件引入到数据采集板中；所述供电电源包括稳压电源电路和电压转换电路；所述稳压电源电路用于将外部提供的220V交流电转换为直流电，具有3种供电输出端子，分别为正12V输出端子、负12V输出端子和第一5V输出端子和第二5V输出端子，因此，可提供稳定的+12V、-12V、5V。另外，S3C6410的工作电压为3.3V，而AD转换器的工作电压为5V，且为了防止数字信号对模拟信号的采集产生干扰，所以需要将AD的供电进行隔离。因此，所述第一5V输出端子直接连接到所述AD转换器的用电端；所述第二5V输出端子连接到所述电压转换电路的输入端，所述电压转换电路具有3.3V输出端子；所述电压转换电路的3.3V输出端子直接连接到所述微处理器；使用LM1085电源芯片作为电压转换电路，将5V稳压直流电压转换为3.3V电压，该芯片提供高达3A的输出电流，完全满足了S3C6410及外围电路的工作消耗。

使用B0505LS-1W电源芯片作为模拟电路电源，该芯片可将5V直流电转换为隔离的5V和隔离的模拟地。

所述稳压电源电路的正12V输出端子和负12V输出端子连接到所述多通道模拟信号调理电路板的正负用电端。

(二)数据采集

数据采集模块是数据采集板上的很重要的模块之一，由多通道模拟信号调理电路板和AD转换电路两大部分组成。多通道模拟信号调理电路板主要由运算放大器LM324Am、稳压二极管(10v稳压)和一系列高精度电阻、电容构成。调理电路不但起滤波、阻抗隔离作用而且还有调整信号增益的功能。

Cu/CuS04参比电极本体电位一般只有毫伏数量级，在常温环境下，饱和硫酸铜参比电极的本体电位约为300mV。因此当测量所得的参比电极本体电位超过500mV时，监测系统要发出参比电极失灵故障信息来指示当前的参比电极已失效，需要重新置换。

由于S3C6410内部AD精度过低且输入电压范围较小，所以改用为MAX125，MAX125是一个14位高精度的DAC，具有8通道±5的输入范围和高达8通道12us的转换时间。16个通道一共使用了3片MAX125进行采集。

(三)以太网接口：

为扩充监测终端功能，S3C6410外接以太网控制器和PHY芯片。选用了AX88796C这款集成了MAC控制器和PHY功能的以太网芯片，该芯片具有SPI通信和高性能的非PCI当地总线的通信方式。鉴于以太网的高速率和S3C6410强大的地址、数据总线，采用了高性能的非PCI当地总线与其通信。

(四)RS485接口

地铁杂散电流综合监测装置同时提供RS485通信接口，使用Modbus协议与站所内监控主站进行通信。由于S3C6410未集成有RS485芯片，因此采用了ADM2483芯片来将串口2、3转换为RS485接口，并添加隔离及EMC防护。并通过外围电路实现RS485的半双工机制，即当RS485芯片发送时，禁能接受功能。

(五)触摸屏

S3C6410提供了显示控制器，并提供了多种接口，根据linux操作系统提供的帧缓存机制(FrameBuffer)并结合实际情况选用了RGB接口。触摸板使用IIC接口与S3C6410进行通信。

另外，对于杂散电流监测终端，还可以配置有外界声音检测器，通过外界声音检测器识别列车是否到来，如果是，再激活微处理器和其外围器件；否则，整个装置为休眠状态，进而有效节省电量。

下面介绍下项目背景以及监测流程：

对于实际杂散电流分布的计算是非常复杂和困难的。其复杂性在于这是一个空间时变电磁场的计算问题。想获得精确的杂散电流分布数学表达式需要建立表述电场与磁场关系的麦克斯韦方程，就算进行一定的简化将电磁场问题转换为单一的电场问题，这也是个复杂的三维空间计算。其困难在于地铁杂散电流分布的数学模型不明确。首先，地铁走行轨对大地的过渡电阻是一个不均匀的分布参数，几乎不太可能获得过渡电阻的数学表达式，只能通过现场实测来获得走行轨上某些离散点的对地过渡电阻值。其次，泄漏到大地中的杂散电流在大地中是“杂散”流动的，它们在大地中流动的路径不仅与大地介质的分布电阻有关，而且还与走行轨上的对地电位有密切的关系。对于大地介质的分布电阻，几乎无法精确的测量，更甭提它的精确网络模型了，而且它还与土壤湿度、PH值(酸碱度)、杂散电流的大小等因素有关。由于列车的牵引电流不是恒定不变而是随着列车的运行方式(加速、滑行、制动)的不同而变化着，所以走行轨上的对地电位也是在不断变化的。综上所述，我们不能从理论推导中获得实际杂散电流精确的分布规律。理论计算杂散电流的分布，只是为了在宏观上定性的对杂散电流有个基本了解，为采取的防护方法提供理论依据。

地铁杂散电流难以直接测量，一般都采用间接的方法来反映杂散电流的腐蚀情况。杂散电流腐蚀的危险性指标，是由结构表面向周围电解质泄露的电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定的。而由于杂散电流的密度难以直接测量，只有通过测量结构件的电位极化偏移来进行间接反映。一方面，由于杂散电流对钢轨和埋地结构钢的电化学腐蚀是一个长期积累的过程，而瞬间杂散电流的变化是杂乱无序的，瞬间的测量结果并不能反映杂散电流的腐蚀影响，因此需要对杂散电流进行在线监测。另一方面，智能排流控制器需要与杂散电流在线自动监测装置进行通信来获取被保护埋地金属导体的极化电位。排流控制器根据获得数据来决策是否开启排流功能和动态调整排流量的大小。为此，我们研发并设计了一套地铁杂散电流综合监测装置。

地铁杂散电流综合监测装置主要的功能是采集相对瞬时极化电位，并根据参数计算出本体电位，正向极化平均值。提供给Modbus通信模块和LCD显示模块，并调用linux工具定时进行数据压缩备份，最高1s一个点的存储频率可存储达3个月的压缩数据，方便后台软件进行数据分析。

数据采集模块以1s为周期读取一次所有通道的瞬时相对极化电位(参比电极本体电位与埋地金属的电压差)的AD转换值，并通过系数换算将其转换为实际电压值。

本体电位计算：根据当前RTC时钟提供的时间判定是否处于列车停驶时间段，若处于该时间段则代表此时几乎无杂散电流干扰，该瞬时极化相对电位就是Cu/CuSO4参比电极的本体电位。对该值进行累加求出平均值作为当前的本体电位值，然后对其进行判定，若该值超出了额定的本体电位值(500mv)则置传感器故障。

瞬时极化电位计算：瞬时极化电位值等于当前的本体电位值与AD采集到的瞬时相对极化电位值之差。

正向极化电位平均值：累计30分钟(可调)内的正向瞬时极化电位值，并对其作平均值计算，以反应该时间段内的极化电位趋势。

瞬时极化电位趋势曲线缓存：根据趋势曲线界面的选项选择缓存数据的通道和分辨率，并将对应的瞬时极化电位值存入该显示fifo中。

瞬时极化电位历史数据存储：每次采样计算都将所有通道的数据存入缓存内存块中，每小时将该缓存数据同步到本地文件中，每天0时创建新的历史数据文件，并将前天的历史数据文件进行压缩备份。并按每月30天的周期，清除超过存储期限的历史压缩数据备份文件。

本实用新型提供的地铁杂散电流综合监测装置具有以下优点：

(1)在监测现场，各个杂散电流监测终端之间形成ZigBee无线传感网络，从而简化了布线，避免了线缆接口易出现故障的问题；另外，杂散电流监测终端可灵活移动，方便对不同监测点测量。而监测现场与调度中心之间又通过有线以太网络连接，保证了通讯的可靠性。

(2)杂散电流监测终端可同时采集多个通道数据，采样效率高。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种地铁杂散电流综合监测装置，其特征在于，包括传感节点、汇聚节点、网关服务器以及调度中心；

所述传感节点、所述汇聚节点以及所述网关服务器形成zigbee无线传感网络；所述网关服务器通过以太网与所述调度中心连接；

其中，在监测现场布置有若干个可移动的传感节点；每个所述传感节点布置有杂散电流监测终端，所述杂散电流监测终端包括：微处理器、无线节点收发器、参比电极本征电压传感器、埋地结构钢极化电压传感器、钢轨极化电压传感器以及供电电源；所述微处理器分别与所述无线节点收发器、所述参比电极本征电位传感器、所述埋地结构钢极化电位传感器、所述钢轨极化电位传感器以及所述供电电源连接；

在监测现场布置有若干个所述汇聚节点，每个所述汇聚节点与距离其在预设范围内的若干个传感节点无线连接；所述汇聚节点布置有ZigBee无线网络协调器，所述ZigBee无线网络协调器与各个所述传感节点的无线节点收发器无线连接；

所述网关服务器的一端通过无线网络与各个所述汇聚节点无线连接；所述网关服务器的另一端通过以太网与所述调度中心连接。

2.根据权利要求1所述的地铁杂散电流综合监测装置，其特征在于，对于所述杂散电流监测终端，还包括RS485接口、存储器、以太网接口、液晶触摸屏、AD转换器以及多通道模拟信号调理电路板；所述微处理器分别与所述RS485接口、所述存储器、所述以太网接口以及所述液晶触摸屏连接；所述微处理器通过所述AD转换器与所述多通道模拟信号调理电路板连接。

3.根据权利要求2所述的地铁杂散电流综合监测装置，其特征在于，对于所述杂散电流监测终端，其供电电源通过接插件引入到数据采集板中；所述供电电源包括稳压电源电路和电压转换电路；所述稳压电源电路具有3种供电输出端子，分别为正12V输出端子、负12V输出端子和第一5V输出端子和第二5V输出端子；所述第一5V输出端子直接连接到所述AD转换器的用电端；所述第二5V输出端子连接到所述电压转换电路的输入端，所述电压转换电路具有3.3V输出端子；所述电压转换电路的3.3V输出端子直接连接到所述微处理器；

所述稳压电源电路的正12V输出端子和负12V输出端子连接到所述多通道模拟信号调理电路板的正负用电端。

4.根据权利要求2所述的地铁杂散电流综合监测装置，其特征在于，所述多通道模拟信号调理电路板由若干个独立采样通道组成；每个所述采样通道均包括串联的运算放大器、滤波电路、阻抗隔离电路和信号增益调整电路。