專利名稱：雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軌道交通技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置和方法。
背景技術(shù)：
在城市軌道交通直流電氣化軌道運(yùn)輸系統(tǒng)中，以軌道作為回流體，由于軌道不可能對地完全絕緣，而且回流電路存在電壓降，因而導(dǎo)致一部分負(fù)荷電流從軌道流到軌枕、道床及地下鋼軌金屬設(shè)施中去，這部分電流就是雜散電流(參見附圖1)。雜散電流的存在，對輕軌或地鐵周圍土壤中埋設(shè)的通訊電纜、區(qū)間隧道中的鋼管、鋼筋等金屬管線產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，破壞其強(qiáng)度，降低其壽命。同時，雜散電流也會造成人身觸電。在站臺上，地鐵乘客手腳之間的電位差為Δ V，當(dāng)電位差很高時，雜散電流腐蝕機(jī)理與鋼鐵在空氣條件下或在在水溶液及土壤電解質(zhì)中發(fā)生的自然腐蝕一樣，都具有陽極過程和陰極過程的氧化還原反應(yīng)。 要對雜散電流腐蝕損壞的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修和更換是十分困難的，它直接影響了軌道交通建設(shè)百年大計(jì)的實(shí)現(xiàn)。因此，積極開展軌道交通雜散電流的自動監(jiān)測防護(hù)研究，對城市軌道交通的安全可靠和持久運(yùn)行具有重要意義。由于軌道交通中，直流電源、導(dǎo)線、車身以及鐵軌形成了完整的供電回路，但是有一部分電流由于鐵軌缺少絕緣措施，因而導(dǎo)致一部分負(fù)荷電流從軌道流到軌枕、道床、通信電纜及地下鋼管鋼筋設(shè)施中去，這就形成了雜散電流的回路，這部分電流會腐蝕地下管道， 因此，需要有一種排流方案用于減小、消除雜散電流，故提供的排流方向與雜散電流方向相反，才可達(dá)到排流效果。(參見圖2)
目前，存在的軌道交通雜散電流自動監(jiān)測防護(hù)系統(tǒng)是由各個分區(qū)監(jiān)測的主站收集、存儲電流，最終由監(jiān)測中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判斷，最終排流。這需要投入大量的人力和物力進(jìn)行監(jiān)控操作。目前雖然也存在一種雜散電流檢測儀，在地面就可快速評估管道中的雜散電流，對雜散電流進(jìn)行監(jiān)測，其采集的數(shù)據(jù)可存儲在大容量的U盤上，但是，其無法精確地定位雜散電流的匯集流入點(diǎn)及流出點(diǎn)。因此，需要設(shè)計(jì)一種雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置來解決上述問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置，不僅可以免去龐大的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省人力和物力，而且也能豐富已有檢測儀的功能，從而可以在無人操作的條件下進(jìn)行在線監(jiān)測、防護(hù)和報(bào)警；本發(fā)明的第二個目的是，提供所述裝置使用的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
一種雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置，其特征在于，包括箱體和線路板；所述箱體包括電源燈、 報(bào)警燈和顯示屏；在所述箱體內(nèi)部設(shè)有線路板；所述線路板包括傳感器測量電路、單片機(jī)工作電路、液晶顯示電路、報(bào)警電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、放大電路和排流電路；所述傳感器測量電路分別與外部埋設(shè)的金屬桿和所述單片機(jī)工作電路電連接，所述傳感器測量電路包括霍爾電流傳感器和串聯(lián)電阻，用于將外部收集的雜散電流信號通過所述霍爾電流傳感器和串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號；所述單片機(jī)工作電路分別與所述傳感器測量電路、所述液晶顯示電路、所述報(bào)警電路和所述D/A轉(zhuǎn)換電路電連接，所述單片機(jī)工作電路包括單片機(jī)、 A/D轉(zhuǎn)換模塊和I/O接口，其中，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將所述模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號，所述單片機(jī)用于判斷分析處理所述數(shù)字信號是否在所述單片機(jī)內(nèi)置程序的范圍之內(nèi)，所述I/O接口用于傳輸報(bào)警信號至所述報(bào)警電路；所述D/A轉(zhuǎn)換電路分別與所述單片機(jī)工作電路和所述放大電路電連接，用于將所述數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；所述放大電路分別與所述D/A轉(zhuǎn)換電路和所述排流電路電連接，所述放大電路包括晶體三極管和內(nèi)阻穩(wěn)定回路，其中，所述晶體三極管用于將所述模擬電壓信號進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大處理， 得到放大的電壓信號，所述內(nèi)阻穩(wěn)定回路用于將所述放大的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號；所述排流電路分別與所述放大電路和外接埋設(shè)的金屬桿電連接。進(jìn)一步，所述顯示屏安裝在所述箱體的表面，用于顯示收到的所述數(shù)字電壓信號的電壓值。進(jìn)一步，所述報(bào)警電路與所述報(bào)警燈連接，用于將收到所述報(bào)警信號傳送至報(bào)警燈，以便及時提醒用戶。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
一種雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置的方法，采用所述雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置，其特征在于，包括如下步驟
(1)采集雜散電流數(shù)據(jù)，通過所述傳感器測量電路來采集雜散電流；
(2)轉(zhuǎn)換為電壓量，通過所述傳感器測量電路的霍爾電流傳感器和串聯(lián)電阻，將采集的雜散電流轉(zhuǎn)換為電壓信號；
(3)判斷分析，通過單片機(jī)內(nèi)置程序設(shè)定幾段電壓范圍檔進(jìn)行判斷分析，并作出相應(yīng)處
理；
①過小的雜散電流可以忽略，單片機(jī)不采取排流，進(jìn)行相應(yīng)液晶顯示；
②一般的雜散電流，單片機(jī)按照所處的電壓范圍檔，進(jìn)行相應(yīng)排流和液晶顯示；
③過大的雜散電流，采樣數(shù)值超過單片機(jī)內(nèi)置程序的電壓范圍檔，液晶顯示設(shè)定電壓范圍檔的最大值；報(bào)警，通過所述報(bào)警燈，通知相關(guān)人員采取必要措施；最大限度的排流， 通過所述單片機(jī)內(nèi)置程序和排流電路進(jìn)行最大限度的排流操作；
(4)液晶顯示，在所述顯示屏上顯示當(dāng)前所處理的雜散電流的范圍檔的電壓數(shù)值；
(5)轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號；
(6)放大并排流，通過放大電路將模擬電壓信號放大處理，將所述模擬電壓信號轉(zhuǎn)為電流信號，并利用排流回路完成排流操作。本發(fā)明的積極效果是
(1)免去了龐大的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了人力和物力，也豐富了已有檢測儀的功能；
(2)實(shí)現(xiàn)了在無人操作的情況下完成在線監(jiān)測與防護(hù)，并兼?zhèn)溆袌?bào)警的功能。
圖1為雜散電流產(chǎn)生示意圖； 圖2為雜散電流排流方法示意圖；圖3為本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置的箱體的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置的線路板的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置的原理框圖； 圖6為本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置的安裝示意圖； 圖7為本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置的工作示意圖； 圖8為本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)方法的步驟框圖； 圖中的標(biāo)號分別為
10、軌道；20、排流網(wǎng)；30、雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置；
31、箱體；32、線路板；
311、電源燈；312、報(bào)警燈；313、顯示屏；
321、霍爾電流傳感器；322、排流線；
1、傳感器測量電路；2、單片機(jī)工作電路；
3、液晶顯示電路；4、報(bào)警電路；
5、D/A轉(zhuǎn)換電路；6、放大電路；7、排流電路；8、雜散電流。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置和方法的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)說明。參見圖3 5，本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置30，包括箱體31和線路板32，所述箱體31包括電源燈311、報(bào)警燈312和顯示屏313 ；在所述箱體31內(nèi)部設(shè)有線路板32 ；所述線路板32包括傳感器測量電路1、單片機(jī)工作電路2、液晶顯示電路3、報(bào)警電路4、D/A轉(zhuǎn)換電路5、放大電路6和排流電路7 ；所述傳感器測量電路1分別與外部埋設(shè)的金屬桿和所述單片機(jī)工作電路2電連接，所述傳感器測量電路1包括霍爾電流傳感器和串聯(lián)電阻，用于將外部收集的雜散電流信號通過所述霍爾電流傳感器和串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號； 所述單片機(jī)工作電路2分別與所述傳感器測量電路1、所述液晶顯示電路3、所述報(bào)警電路 4和所述D/A轉(zhuǎn)換電路5電連接，所述單片機(jī)工作電路2包括單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊和I/O 接口，其中，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號，所述單片機(jī)用于判斷分析處理所述數(shù)字電壓信號是否在所述單片機(jī)內(nèi)置程序的范圍之內(nèi)，所述I/O接口用于傳輸報(bào)警信號至所述報(bào)警電路；所述D/A轉(zhuǎn)換電路5分別與所述單片機(jī)工作電路2和所述放大電路6電連接，用于將所述數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；所述放大電路6分別與所述D/A轉(zhuǎn)換電路5和所述排流電路7電連接，所述放大電路6包括晶體三極管和內(nèi)阻穩(wěn)定回路，其中，所述晶體三極管用于將所述模擬電壓信號進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大處理，得到放大的電壓信號，所述內(nèi)阻穩(wěn)定回路用于將所述放大的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號；所述排流電路7分別與所述放大電路6和外接埋設(shè)的金屬桿電連接。此外，所述顯示屏313安裝在所述箱體31的表面，用于顯示收到的所述數(shù)字電壓信號的電壓值。所述報(bào)警電路4與所述報(bào)警燈312連接，用于將收到所述報(bào)警信號傳送至報(bào)警燈312，以便及時提醒用戶，加強(qiáng)保護(hù)措施，或者及時檢修。參見圖6 (本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置的安裝示意圖)，所述雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置30與外部的排流網(wǎng)20電連接，所述排流網(wǎng)20設(shè)置在外部的軌道10的正下方。由于軌道10不可能對地完全絕緣，而且軌道作為回流體，會造成回流電路的電壓降，因而導(dǎo)致雜散電流從軌道流到軌枕、道床及地下鋼軌金屬設(shè)施中去。通過所述排流網(wǎng)20的設(shè)置， 在必要時進(jìn)行排流，以減少所述雜散電流造成的危害。參見圖7(本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置的工作示意圖)，所述傳感器測量電路1 的霍爾電流傳感器321與地下埋設(shè)的金屬桿相連，通過所述霍爾電流傳感器321收集雜散電流，測得雜散電流大小，由于軌道雜散電流通常在100A左右，電流比較大，而傳統(tǒng)的電流互感器測量誤差較大，且使用時二次側(cè)不允許開路，故本發(fā)明采用所述霍爾電流傳感器，它比目前常采用的電流互感器更能有效地精準(zhǔn)地測量較大的雜散電流。所述霍爾電流傳感器將收集的雜散電流轉(zhuǎn)為模擬電壓信號。所述模擬電壓信號通過所述串聯(lián)電阻可使電壓降低，以保證輸入所述單片機(jī)工作電路2的電壓為低電壓，不容易造成對單片機(jī)元器件的損壞。所述低電壓通過所述單片機(jī)工作電路2的A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號。所述單片機(jī)對所述數(shù)字電壓信號進(jìn)行分析判斷，由于所述單片機(jī)內(nèi)置程序設(shè)定了幾段范圍，根據(jù)所述數(shù)字電壓信號所在的范圍，所述單片機(jī)做不同的操作，這樣可以避免資源浪費(fèi)，不同大小的雜散電流得到相應(yīng)處理，免得造成很小的雜散電流還要提供很大的排流，甚至引起的反作用。當(dāng)所測得電壓信號在所述單片機(jī)內(nèi)置程序的范圍之內(nèi)，傳送數(shù)字電壓信號至與所述單片機(jī)工作電路2電連接的D/A轉(zhuǎn)換電路5 ；當(dāng)所測得所述數(shù)字電壓信號在所述單片機(jī)內(nèi)置程序的最大范圍之外，選用最大范圍中的最大值為數(shù)字電壓信號，并觸發(fā)所述報(bào)警電路4，所述報(bào)警電路4與外部的報(bào)警燈312電連接，以便通知值班人員，需加強(qiáng)保護(hù)措施，或者及時檢修，因?yàn)殡s散電流可能對人體或設(shè)備造成損害。報(bào)警是采用間歇式，可手動停止。 同時，所述單片機(jī)觸發(fā)進(jìn)行最大限度地排流操作。從所述單片機(jī)工作電路2輸出的數(shù)字電壓信號，經(jīng)過所述D/A轉(zhuǎn)換電路5轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號。接著，所述模擬電壓信號通過所述放大電路6的晶體三極管進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大處理，得到放大的電壓信號，再通過所述內(nèi)阻穩(wěn)定回路，將所述放大的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，所述電流信號通過排流線322 (排流線322與所述排流電路7連接)流向外部埋設(shè)的金屬桿，從而形成一個排流回路，以此降低了雜散電流腐蝕損壞，保護(hù)了軌道交通的安全。整套裝置采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，節(jié)省了大量的人力和物力，同時及監(jiān)測防護(hù)于一身，實(shí)現(xiàn)了測控一體化。參見圖8 (本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)方法的步驟框圖)。本發(fā)明雜散電流監(jiān)測防護(hù)的方法，包括以下步驟
(1)采集雜散電流數(shù)據(jù)，通過所述傳感器測量電路來采集雜散電流；
(2)轉(zhuǎn)換為電壓量，通過所述傳感器測量電路的霍爾電流傳感器和串聯(lián)電阻，將采集的雜散電流轉(zhuǎn)換為電壓信號；
(3)判斷分析，通過單片機(jī)內(nèi)置程序進(jìn)行判斷分析，由于所述單片機(jī)內(nèi)置程序設(shè)定了幾段電壓范圍檔，根據(jù)所述電壓信號所處的電壓范圍檔，所述單片機(jī)做不同的操作(同樣，也可以將電壓信號傳給與單片機(jī)功能類似的中心控制器，中心控制器根據(jù)事先預(yù)設(shè)好的安全范圍值進(jìn)行判斷分析)；
①過小的雜散電流可以忽略，單片機(jī)不采取排流，進(jìn)行相應(yīng)液晶顯示；
②一般的雜散電流，單片機(jī)按照所處的電壓范圍檔，進(jìn)行相應(yīng)排流和液晶顯示；
③過大的雜散電流，采樣數(shù)值超過單片機(jī)內(nèi)置程序的電壓范圍檔，液晶顯示設(shè)定電壓范圍檔的最大值；報(bào)警，通過所述報(bào)警燈，通知相關(guān)人員采取必要措施；最大限度的排流，通過所述單片機(jī)內(nèi)置程序和排流電路進(jìn)行最大限度的排流操作；
(4)液晶顯示，在所述顯示屏上顯示當(dāng)前所處理的雜散電流的范圍檔的電壓數(shù)值(注 過小的雜散電流，液晶顯示為0V)；
(5)轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號；
(6)放大并排流，通過放大電路的晶體三極管將模擬電壓信號進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大處理，并利用所述內(nèi)阻穩(wěn)定回路，將所述放大的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，所述電流信號通過排流線流向外部埋設(shè)的金屬桿，從而形成排流回路，完成排流操作。所述雜散電流監(jiān)測防護(hù)方法可以設(shè)計(jì)成為一種裝置，也可以設(shè)計(jì)成為一個控制系統(tǒng)，其監(jiān)測中心可以放置在軌道交通的調(diào)度中心，實(shí)行分區(qū)監(jiān)測。在軌道線路延伸的同時可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，并可有效利用已有監(jiān)測系統(tǒng)資源，避免通信線路的重復(fù)投資。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置，其特征在于，包括箱體和線路板；所述箱體包括電源燈、報(bào)警燈和顯示屏；在所述箱體內(nèi)部設(shè)有線路板；所述線路板包括傳感器測量電路、單片機(jī)工作電路、液晶顯示電路、報(bào)警電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、放大電路和排流電路；所述傳感器測量電路分別與外部埋設(shè)的金屬桿和所述單片機(jī)工作電路電連接，所述傳感器測量電路包括霍爾電流傳感器和串聯(lián)電阻；所述單片機(jī)工作電路分別與所述傳感器測量電路、所述液晶顯示電路、所述報(bào)警電路和所述D/A轉(zhuǎn)換電路電連接，所述單片機(jī)工作電路包括單片機(jī)、 A/D轉(zhuǎn)換模塊和I/O接口 ；所述D/A轉(zhuǎn)換電路分別與所述單片機(jī)工作電路和所述放大電路電連接；所述放大電路分別與所述D/A轉(zhuǎn)換電路和所述排流電路電連接，所述放大電路包括晶體三極管和內(nèi)阻穩(wěn)定回路；所述排流電路分別與所述放大電路和外接埋設(shè)的金屬桿電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置，其特征在于，所述顯示屏安裝在所述箱體的表面。
3.如權(quán)利要求1所述的雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置，其特征在于，所述報(bào)警電路與所述報(bào)警燈連接。
4.一種雜散電流監(jiān)測防護(hù)的方法，采用權(quán)利要求1所述的雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置，其特征在于，包括如下步驟(1)采集雜散電流數(shù)據(jù)，通過所述傳感器測量電路來采集雜散電流；(2)轉(zhuǎn)換為電壓量，通過所述傳感器測量電路的霍爾電流傳感器和串聯(lián)電阻，將采集的雜散電流轉(zhuǎn)換為電壓信號；(3)判斷分析，通過單片機(jī)內(nèi)置程序設(shè)定幾段電壓范圍檔進(jìn)行判斷分析，并作出相應(yīng)處理；過小的雜散電流可以忽略，單片機(jī)不采取排流，進(jìn)行相應(yīng)液晶顯示；一般的雜散電流，單片機(jī)按照所處的電壓范圍檔，進(jìn)行相應(yīng)排流和液晶顯示；過大的雜散電流，采樣數(shù)值超過單片機(jī)內(nèi)置程序的電壓范圍檔，液晶顯示設(shè)定電壓范圍檔的最大值；報(bào)警，通過所述報(bào)警燈，通知相關(guān)人員采取必要措施；最大限度的排流，通過所述單片機(jī)內(nèi)置程序和排流電路進(jìn)行最大限度的排流操作；(4)液晶顯示，在所述顯示屏上顯示當(dāng)前所處理的雜散電流的范圍檔的電壓數(shù)值；(5)轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號；(6)放大并排流，通過放大電路將模擬電壓信號放大處理，將所述模擬電壓信號轉(zhuǎn)為電流信號，并利用排流回路完成排流操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及軌道交通技術(shù)領(lǐng)域，是雜散電流監(jiān)測防護(hù)裝置和方法，本發(fā)明的防護(hù)裝置包括箱體和線路板，箱體包括電源燈、報(bào)警燈和顯示屏；在箱體內(nèi)部設(shè)有線路板；線路板包括傳感器測量電路、單片機(jī)工作電路、液晶顯示電路、報(bào)警電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、放大電路和排流電路。所述裝置采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，節(jié)省了大量的人力和物力，同時集監(jiān)測防護(hù)于一身，實(shí)現(xiàn)了測控一體化。本發(fā)明的防護(hù)方法利用實(shí)時在線監(jiān)測雜散電流所得的數(shù)據(jù)，為自動排流提供啟動策略，避免強(qiáng)制排流造成的危害，同時，采用分區(qū)監(jiān)測防護(hù)的原則，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，并可有效利用已有的監(jiān)控系統(tǒng)資源，避免通信線路的重復(fù)投資。
文檔編號G01R19/25GK102508018SQ20111035448
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者姜馮, 楊雅婷, 桑海波, 王致杰, 蘇寶潔, 詹敏 申請人:上海電機(jī)學(xué)院