城市軌道交通土壤電位監測系統研究及應用

趙莎，劉正亮

（江蘇廣識電氣有限公司，江蘇徐州，221008）

目前城市軌道交通線路回流系統分布區域廣，難以保證各位置軌地絕緣均處于良好狀態，易發生局部絕緣薄弱或者破損，產生雜散電流。多條地鐵線路存在雜散電流、鋼軌電位過大，雜散電流幅值可達上百安培，容易引起埋地金屬管線的電化學腐蝕，而造成雜散電流過大的原因多為局部絕緣損壞。軌道交通中鋼軌對地電阻存在薄弱點，雜散電流從薄弱點泄露到土壤中并通過附近的埋地金屬管線上流動，造成管地電位的變化，形成地鐵直流雜散電流。可以在有燃氣管線的地鐵車站周邊或者車輛段、停車場等絕緣薄弱地點監測土壤環境中的電位梯度，反應雜散電流泄露情況，本文提出用于軌道交通的土壤電位實時監測系統，實時監測泄露雜散電流，當泄露雜散電流超過規定發出報警，確保軌道交通主體結構、埋地管線及人身安全。

1 系統構成

土壤電位監測系統以供電區間為單位，主要包括參比電極、土壤電位采集裝置、監測裝置，土壤電位采集裝置主要包括傳感器與光電交換機。參比電極用于測定地下土壤中自然電位及陰極保護電位，土壤電位采集裝置中的傳感器與參比電極連接，實現土壤電位數據的在線檢測，計算雜散電流大小級方向，并將雜散電流與報警值比較，分析雜散電流的影響，土壤電位監測系統可以設置多個雜散電流監測點，傳感器與光電交換機以RS485 方式連接，通過光纖環網將監測數據上傳至監測裝置，監測裝置具備顯示、大數據存儲、歷史數據查詢、生成報表等數據分析及顯示功能，監測裝置將供電區間各監測點土壤電位信息上傳至上位機。系統結構圖如圖1 所示。

圖1 土壤電位監測系統結構圖

2 測量原理

每個傳感器連接四個參比電極，兩個參比電極為一組，兩組參比電極分布在平行和垂直于鋼軌的位置，傳感器檢測兩組參比電極的電位差，這兩組電位差分別是沿鋼軌方向附近土壤電位梯度變化和垂直鋼軌方向附近土壤電位梯度變化，兩組電位差計算矢量和得到該檢測點的土壤電位梯度，進而可以判斷土壤中電流大小和方向，測試原理圖如圖2所示。

圖2 土壤電位梯度與雜散電流方向測試原理圖

在圖中a 點、b 點、c 點、d 點四點個放置一個參比電極，四點對稱設置，a 點與c 點間距離與b 點與d 點間距離相等，并且ac 方向與bd 方向垂直，ac 方向或bd 方向兩者之一需要與鋼軌方向平行，ac 方向和bd 方向上設置的兩個參比電極間的最佳距離是5m，其中ac 或bd 應與鋼軌平行，電極間距宜為5m。擬選取離鋼軌不同距離的點，同時連續在線記錄同一直線上兩參比電極的電壓。檢測點的設置受附近環境限制時可以適當的縮短同一方向上兩個參比電極間的距離，但是距離不能太小，距離太小會使傳感器檢測數據變化不明顯，因此參比電極間距離應根據檢測環境進行調整。同時測得ca 和db 的電壓，即電壓表A，B 的數值。

建立直角坐標系，將ac 方向設置成縱軸，bd 方向設置成橫軸，并將采集的ac 方向電位差與bd 方向電位差記入坐標中，通過矢量合成法計算出模值與方向[2]，然后模值除以參比電極間距得到電位梯度的大小。在測量區段選取多個檢測點，各檢測點通過上述方法得到檢測點土壤電位梯度的大小與方向，綜合多個檢測點土壤電位梯度的大小與方向推斷出雜散電流泄漏源的方向。

GB 50991-2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》中規定土壤電位梯度應低于2.5mv/m。當土壤電位梯度大于0.5mv/m時，確認為有直流干擾，存在雜散腐蝕的可能性。當土壤電位梯度大于2.5mv/m 時，周邊管線應采取排流等防干擾腐蝕措施。

3 傳感器

傳感器實現車輛段、停車場土壤電位數據的在線檢測，直觀顯示雜散電流的變化情況，雜散電流超過設定值立即報警，并記錄報警信息，定時上傳采集數據及報警信息至上位機，并將采集數據存儲值外部存儲卡中，方便后期對數據進行分析、對比。傳感器包括主控模塊、采集模塊、通訊模塊、存儲模塊、顯示模塊、電源模塊，傳感器結構圖如圖3 所示。

圖3 傳感器結構圖

3.1 電源模塊

電源模塊可以向傳感器各部分提供能使其穩定運行的電源電壓，電源模塊包括：電源轉換元件、濾波器元件。電源轉換元件用于將交流電壓信號轉化成直流電壓信號。濾波器元件連接在所述電源轉化元件的輸出端，用于對電源轉化元件輸出的直流電壓信號進行濾波處理。

電源模塊主要由電源轉換元件(U8)、濾波器(T1)等元件組成，在電源轉換元件(U8)的輸入端加裝一個濾波器(T1)后，電源轉換元件(U8)輸出端的噪聲可以大幅度減少，能夠顯著提高EMC 等級，電源轉換元件(U8)將P1 端子接入的交流220V 轉換為電阻調節裝置需要的直流5V 及直流24V 電源。電源模塊電路圖如圖4 所示。

圖4 電源模塊電路圖

3.2 采集模塊

采集模塊主要由ADS8689 芯片實現模擬量數據采集，主要由濾波電路與采集電路，電路圖如圖5 所示。由于有兩組參比電極數據需要測量，因此采用兩路獨立的數據采集模塊，每組的兩個參比電極接入濾波電路的AGND 與VIN 端，對參比電極電位差信號進行濾波處理，處理后的信號接入ADS8689 芯片的IN 及VGND 兩端，經過采集電路將模擬量信號轉換成電信號輸出，ADS8689 芯片的輸出端接入控制模塊。

圖5 采集模塊電路圖

3.3 通訊模塊

通訊模塊通過TD301D485H 芯片實現RS485 串行通訊，TD301D485H 為RS485 隔離收發模塊，控制模塊的輸出邏輯電平接入RS485 隔離收發模塊（U19）的3、4 引腳，RS485 隔離收發模塊（U19）將邏輯電平轉換為RS485 協議的差分電平，實現信號隔離從8、9 引腳輸出，通訊模塊電路圖如圖6 所示。RS485 隔離收發模塊（U19）的8、9引腳與監測裝置485 接口連接，實現數據交互。

圖6 通訊模塊電路圖

3.4 控制模塊

控制模塊使用STM32F407VG 芯片實現數據信息獲取、通訊以及數據存儲等功能。采集模塊中ADS8689 芯片的輸出端接入控制模塊，控制模塊接收電位信號并進行數據分析與轉換得到橫向參比電極電位差、縱向參比電極電位差，根據橫向參比電極電位差、縱向參比電極電位差通過矢量計算得到雜散電流方向與大小。

3.5 存儲模塊

存儲模塊為外部存儲元件TF 卡，通過通訊線與控制模塊連接，通訊線包括SD3-D0～SD3-D3 數據線、SD3-CMD、SD3-CLK 時鐘線，存儲模塊電路圖如圖7 所示。控制模塊將計算得到的雜散電流方向與大小數據傳送給存儲模塊，存儲模塊保存數據，方便后期對數據進行分析、對比。

圖7 存儲模塊電路圖

3.6 顯示模塊

顯示模塊通過串口線TXD、RXD 與控制模塊連接，顯示模塊接收到主控模塊的數據后顯示雜散電流矢量圖，可通過設置查詢時間顯示這一時間段內的雜散電流歷史數據波形，并可顯示報警記錄信息。通過顯示模塊可以設置傳感器參數，并將設置的參數發送給控制模塊。

4 應用

土壤電位監測系統實現土壤電位梯度在線式監測，將該系統設置在軌道交通沿線、周邊土壤環境中，利用該系統實現地鐵站臺周邊的雜散電流相關數據的實時檢測、存儲及軟件分析，解決由于測量工作勞動強度較大、測量結果會造成不穩定等多種問題。

每個供電區間設置3 個土壤電位監測點，1 個監測裝置，每個土壤電位監測點設置4 個參比電極與土壤電位監測傳感器連接，由光電環網交換機組成單環自愈光纖網絡。參比電極垂直埋設在靠近鋼軌的潮濕土壤中，4 個參比電極每兩個為一組，其中一組與鋼軌管道平行，用米尺測量兩個參比電極埋設的距離，參比電極間距離為5 米，另一組參比電極與上一組參比電極方向垂直，按圖8所示方式埋設參比電極。土壤電位采集裝置設置在車站出入口周邊位置，且安裝在參比電極埋設地點附近，監測裝置設置在牽引所內，監測裝置采用壁掛式安裝，將連接各監測點傳感器的光纖電纜接入到監測裝置中，監測裝置與上位機通過光纖環網數據交換。

圖8 APU 啟動控制規律示意圖

圖8 參比電極埋設示意圖

5 結語

本文提出用于軌道交通的土壤電位實時監測系統，利用該系統實現地鐵站臺周邊的雜散電流相關數據的實時檢測、存儲及軟件分析，當泄露雜散電流超過規定值時發出報警，確保軌道交通主體結構、埋地管線及人身安全，同時解決雜散電流測量工作勞動強度大、測量結果不穩定等多種問題。