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地铁杂散电流监测系统方案

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2020年4月19日
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1 概述
地铁杂散电流监测系统由：传感器、转接器、监测装置和上位机组成。传感器负责采集和上传数据；转接器负责传感器与监测装置之间的数据转接；监测装置负责对上传数据的存储、分析、计算和显示，在数据超标时进行报警并控制排流柜排流，同时监测装置还负责与控制中心的上位机以太网通信；上位机对整个系统设备进行完整描述，配置系统的运行参数，处理系统整个运行信息的记录，并进行分析、查询、打印等。系统构成如图1-1所示。

图1-1 系统构成
2 主要规格和技术参数
2.1 系统电压： 220V
2.2 系统最高工作电压： 220V
2.3 额定电流： 1A
2.4 功率： < 20W
2.5 模拟输入信号：
参比电极——道床结构钢筋： -2V——+2V DC
参比电极——主体结构钢筋： -2V——+2V DC
钢轨—结构钢： -100~+100V
2.6 测量精度： ≤±0.5%
2.7 信号通信方式： CAN总线、485总线、以太网
2.8 传输速率： 5000bit／s（CAN）、 4800bit／s（RS-485）、以太网（10M）
2.9 最大传输距离： 2km（CAN）
2.10 数据存储容量： ≥640Kbyte (监测装置可满足存储一个月采样数据的要求)
2.11 防护等级： IP54（传感器和转接器）、IP30（监测装置）
2.12 接线端子： 通信线为屏蔽双绞线
2.13 重量： < 5 kg
2.14 外形尺寸 2430mm×3220mm×930mm（传感器、转接器）
2610mm×1790mm×970mm（监测装置）
3 结构简介和工作原理
3.1 结构简介
3.1.1 传感器与转接器被安装在专门设计的金属箱中，金属箱上面可被打开，便于PCB板的安装、检修与接线。传感器和转接器被安置在地铁沿线。
3.1.2 监测装置也被安装在金属箱中，该金属箱又被固定在排流柜的门上，金属箱的正表面装有LCD、LED和按键，用于数据显示和控制。
3.1.3 传感器有三个信号输入端，分别接排流网、参比电极和牵引轨。
3.1.4 金属箱由钢板组成，箱体边缘光滑，所有钢板经电镀锌处理。所有的金属箱设有接地用端子，与设备安装基础接地极相连。
3.2 工作原理
地铁杂散电流本身难以测量，一般采用间接方法来确定杂散电流的大小。杂散电流流过埋地金属而使其发生腐蚀时，埋地金属的电位将产生变化，这种由于电流流动而引起金属电极电位偏离初始值的现象，称为金属发生极化现象。在实际工程中，一般经过对隧道、高架桥和道床的混凝土中的结构钢极化电压的测量实现对杂散电流的间接监测。监测原理如图3-1。

图3-1 地铁杂散电流监测原理图
在图3-1所示的地铁杂散电流监测方法中，由于杂散电流的极化作用，使得接地零电位产生偏移，因此不能以大地作为电压基准点对结构钢极化电压进行测量。一般采用由Cu/CuSO4或Mo/MoO3等材料制作的参比电极做为测量结构钢极化电压的电压基准点。这种电极具有电压稳定、耐极化性能好、使用寿命长和内阻小等优点，完全符合阴极保护工程中对参比电极的要求。
传感器将各测量信号经过放大、AD转换等变换电路，由模拟量转换为数字量，MCU经过采集的数字量进行相应计算，将结果发送给转接器，由转接器最终将结果经过通信网络上传监测装置。
为保证数据的远距离传输，地铁杂散电流监测系统采用分级组网的通信方式，转接器能够很好地满足此通信要求。转接器与传感器组成一级现场总线通信网络（子网），与监测装置组成另一级现场总线通信网络，保证二级网络的分段隔离。当计算机或监测装置发出命令后，数据转接器收到命令下传到传感器；同时将传感器上传数据发送给计算机或监测装置。
监测装置安装在地铁车站的监测室内。除进行命令发送和数据接收外，还对相关数据进行计算、处理、显示。其软件子程序主要包括：LCD显示子程序、键盘处理子程序、数据处理子程序、通信子程序、日历时钟子程序等。LCD为汉字显示，设计有丰富的汉字显示信息，其显示设计为菜单形式，并在各级主菜单下设相应的子菜单，便于用户使用；配合人机接口键盘，可经过整定查询显示不同传感器、供电区段的杂散电流监测数据信息。监测装置根据监测到的极化电压数据控制排流柜进行排流与否。
4 产品实物图

上位机系统

上位机系统主界面

传感器

传感器现场安装图

排流柜及监测装置