CAN總線技術在軌道交通雜散電流監測中的應用

劉喜峰 許春香

(中州大學工程技術學院,450044,鄭州∥第一作者,副教授)

目前國內外城市軌道交通的直流牽引供電系統中,普遍采用走行軌回流的供電方式。列車直流牽引供電系統采用正極接觸網,走行軌兼作負回流線。由于走行軌不可能對地完全絕緣,且走行軌存在電壓降,因此有少量電流不會沿走行軌而是沿大地回到變電所或根本不回到變電所,從而形成雜散電流[1]。雜散電流對地下隧道主體結構鋼筋、埋地金屬管線和電纜金屬外鎧裝等金屬設施產生電化學腐蝕(pH＜7時的析氫腐蝕,pH＞7時的吸氧腐蝕)。

1 道床雜散電流的分布規律

根據文獻[5-6]可知,單邊供電狀態下,列車處于某一處的雜散電流離散化數學模型為：式中：

is(x)——x處雜散電流,A;

x——距變電站的距離,km;

L——列車距變電站距離,km;

I——列車取流電流,A;

Rg——軌道對地的過渡電阻,Ω?km;

u(x)——x處的軌道電壓,V。

在雙邊供電的情況下,雜散電流和軌道電位滿足同樣的分布規律：

1)軌道電位、軌道電流直接影響雜散電流,以雙曲線規律分布。

2)軌道電流在列車和變電所區間的中點處為最小,在列車和變電所附近處為最大;雜散電流在列車和變電所中點處為最大,在列車和變電所附近處為最小。

3)變電所附近的軌道電位為最大負值(低于地電位),此處的雜散電流從埋地金屬流出,埋地金屬為陽極,雜散電流對埋地金屬的腐蝕嚴重。在該處應設置雜散電流檢測點及排流點。在列車底部的軌道電位為最大正值,該處雜散電流流入埋地金屬,軌道為陽極,雜散電流腐蝕軌道。在列車和變電所中點處,埋地金屬電位為零(中性點),電流既不流出也不流入,但是列車是運動的,所以中性點是不固定的。

雜散電流及軌道電位隨著列車的運動而發生變化。要了解雜散電流對埋地金屬、軌道及主體建筑物鋼筋的腐蝕情況,需要對整個線路實時監測雜散電流的大小,需要沿線設置檢測點,對數據進行匯總分析。針對雜散電流的特點,可采用CAN總線技術對雜散電流進行在線監測研究。

2 CAN總線技術對雜散電流在線監測的合理性分析

CAN模型結構只有物理層、數據鏈路層和應用層共3層。其應用層數據可直接取自數據鏈路層或直接向數據鏈路層寫數據,結構層少,數據結構簡單,可組建小范圍局域網。這一特點非常適合對軌道交通雜散電流的實時監測。

CAN總線為多主方式工作,網絡中任意節點均可在任意時刻主動地向網絡中其它節點發送信息而不分主從。這一特點在實時監測到雜散電流超過許可值時,可主動向監控中心發送數據,同時向排流裝置發送排流指令,以啟動排流裝置。

CAN總線技術采用非破壞的總線仲裁技術,當節點同時向總線發送信息出現沖突時,優先級較低的節點會主動退出發送,而最高級的節點不受影響繼續發送數據,從而大大節省總線仲裁時間,即使在網絡負載很重的情況下,也不會出現網絡癱瘓的情況。因此,CAN總線技術可滿足雜散電流各監測節點同時申報的有序進行。

CAN總線節點只需通過對報文的標識符濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等的數據傳送、接收方式。CAN總線的直接通信距離可達10 km,節點數可達110個。其通信介質可以是光纖、同軸電纜或雙絞線。這些特點非常適合城市軌道交通的延伸建設,以增加節點數量、節約成本。

城市軌道交通沿線的干擾源多,干擾源的性質多樣,但是CAN總線具有很強的抗干擾能力,以保證數據的正確無誤。因為CAN總線的報文采用短楨結構,傳輸時間短,受干擾率低,每楨信息都有CRC(循環冗余校驗碼校驗)及其他糾錯措施,故CAN總線節點在錯誤嚴重的情況下,具有自動關閉輸出功能,以使總線上其他節點的操作不受影響。

3 迷流監測CAN總線節點設計

CAN總線控制器選用SJA1000芯片。它可以完成CAN總線通信協議所要求的全部特性,通過簡單的總線連接即可完成CAN總線的物理層和數據鏈路層的所有功能;它能夠提供總線仲裁和錯誤檢測功能,并且在檢測到錯誤時能自動重復發送數據,從而減少數據的丟失,確保了系統的可靠性;它通過直接內存映射方式訪問CAN總線控制器。

CAN總線收發器采用PCA82C250芯片。它是CAN總線控制器與物理總線之間的接口,提供向總線的差動發送功能和對CAN總線控制器的差動接收功能。在SJA1000與PCA82C250芯片中采用光電耦合器6N137將網絡與系統內部隔離,以提高抗干擾能力。

CAN總線節點的主控制芯片采用H T66FB50。該芯片具有8通道12位A/D(模擬/數字)輸入,USB接口,256×8EEPROM(電可擦寫編程只讀存儲器),42個I/O(輸入/輸出)口。

CAN總線節點可以接3～8個采樣用傳感器(參比電極和監測測試點處),分別對雜散電流收集網、主體結構鋼的電位進行測量,以監測雜散電流,上傳測量結果,及時啟動排流柜排流。雜散電流CAN總線監測系統見圖1。

圖1 雜散電流CAN總線監測系統結構圖

CAN總線節點設計有存儲單元,保存24 h內的測量結果。為確保測量數據準確性,每次連續采樣9個結果,去掉一個最大值和一個最小值,然后求平均值。該平均值作為本次采樣結果而上傳,保存。

4 模擬試驗

根據文獻[7]介紹的方法,實驗室模擬地鐵運行及建筑環境,構建試驗模型(見圖2)。在一個塑料或有機玻璃制作的容器內,按照地鐵實際的采樣結果充填一些腐蝕介質,例如土壤或食鹽溶液;將幾個阻值相等的電阻串聯起來,代替走行軌;同時在每個電阻連接點向下引出一段導線,將導線插入腐蝕介質中,在腐蝕介質里埋入一段導線模擬雜散電流收集網;導線的一端與電源的負極接通,同時在腐蝕介質中埋入一段鐵質金屬。當給實驗電路加上直流電源后,代替走行軌的串聯電阻就會有電流流過。這個電流在串聯電阻上形成一定的電壓降,在該電壓的作用下,會形成流過腐蝕介質的模擬雜散電流。該雜散電流的一部分經收集網返回電源,另一部分就會流經埋在其中的鐵質金屬后返回電源;金屬在電流的作用下就產生電腐蝕作用。

圖2 實驗室模擬裝置

在模擬實驗裝置中設置3組測試點,每組有3個測試點：a1,b1,c1;a2,b2,c2;a3,b3,c3。在a1,a2,a3測試點各接一個參比電極,其他測試點放置相應的測試電極。第一組和第三組測試點設置在靠近電源端和模擬列車端,第二組測試點放置在中間。通過實時監測b對a和c對a的電位差,以對該地鐵雜散電流監測系統進行模擬試驗。電源電壓為15 V,電流為500 mA。

切斷電源,測量b和c、a的自然本底電位,采樣間隔取10 min,采樣5組數據(見表 1所示)。

表1 測試點的本底電位 V

接通電源后,測量b、c對a的極化電位,采樣間隔取10 min,采樣5組數據(見表2所示)。

數據顯示：埋地金屬的電化學電池陽極區的極化電位高于本底電位,陰極區的極化電位低于本底電位;在陽極區,埋地金屬被腐蝕。隨著電源電壓的提升,極化電位逐漸提高。根據資料顯示,當陽極極化電位高于0.3 V時,金屬就不在鈍化區而處于腐蝕狀態。

模擬實驗對CAN總線的數據通信和傳輸進行了驗證。試驗結果表明,數據傳輸準確,系統軟件運行可靠,符合設計預期。

表2 測試點的極化電位 V

5 結語

通過實驗室的模擬實驗,可得出以下結論：

1)地鐵周邊的埋地金屬管線或結構鋼筋在地鐵列車運行時引起的泄漏電流(雜散電流)作用下,改變了其自身的本底電位,從而導致電化學腐蝕,使得混凝土爆裂,縮短了使用壽命。

2)CAN總線技術應用于軌道交通雜散電流的在線監測是可行的。

3)節點可以組網,也可以獨立使用。獨立使用時,工作人員可定期讀取數據,報送控制中心進行數據分析,以制定控制方案。

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