技术领域
[0001] 本装置属于地铁杂散电流监测技术领领域。
背景技术
[0002] 目前，我国城市轨道交通发展迅速，运营范围不断扩大，运营里程不断增加，越来越多地分担了人们日常出行的交通压
力。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。目前世界上100多个大、中城市内拥有近6000Km的地铁和轻轨线路，在我国未来的几年时间内将有20个城市计划修建20条以上的地铁及城市轨道交通线路，总里程将达到800多公里。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。
[0003] 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。直流600V制式多见于二战前英、美等国家修建的一些城市轨道交通系统，后期建成的各国城市轨道交通系统大多采用直流750V或直流1500V制式。例如北京早期地铁牵引采用750V直流供电系统，上海地铁多条线路均采用1500V直流供电。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”的性质而被我们称为杂散电流(也叫迷流)。杂散电流本身是没有什么好惧怕的，杂散电流最终还是会流回走行轨并返回牵引变电所，但是杂散电流会引起金属电化学
腐蚀，这才是问题的核心。
[0004] 杂散电流的危害：
[0005] 1、杂散电流腐蚀造成
混凝土结构破坏：
[0006] 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。
[0007] 2、杂散电流腐蚀钢轨及其附件：
[0008] 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。
[0009] 3、杂散电流腐蚀埋地管线：
[0010] 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。
[0011] 4、杂散电流造成人身触电：
[0012] 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。
[0013] 5、杂散电流烧毁排流设备：
[0014] 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。
[0015] 6、杂散电流干扰通信：
[0016] 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。
发明内容
[0017] 本实用新型是为了实现对地铁杂散电流监测，从而提供一种地铁杂散电流监测装置。
[0018] 地铁杂散电流监测装置，它包括S3C6410处理器10、杂散电流智能
传感器11、以太网
接口12、RS485总线13、RS232接口14、电源
电路15、RAM16和FLASH17；
[0019] 所述杂散电流智能传感器11用于采集地铁杂散电流；所述杂散电流智能传感器11的
信号输出端通过RS485总线13与S3C6410处理器10的杂散电流采集信号输入端连接；
[0020] 所述以太网接口12的数据端与S3C6410处理器10的以太网数据端连接；
[0021] 所述RS232接口14的RS232数据端与S3C6410处理器10的RS232数据端连接；
[0022] 所述电源电路15的电源端与S3C6410处理器10的电源端连接；
[0023] 所述RAM16的RAM端与S3C6410处理器10的RAM端连接；
[0024] 所述FLASH17的FLASH端与S3C6410处理器10的FLASH端连接。
[0025] 本实用新型实现了对地铁杂散电流监测，杂散电流监测装置通过RS485并使用标准Modbus协议与外部杂散电流智能传感器进行通讯，能够采集现多个智能传感器的数据，组网灵活、布线简单，方便对不同点进行测量。
附图说明
[0026] 图1是本实用新型的结构示意图；
[0027] 图2是本实用新型的分布式杂散电流监测原理示意图；
[0028] 图3是SS3C6410处理器的控制原理示意图
[0029] 图4是供电电源电路结构示意图；
[0030] 图5是隔离电源电路结构示意图；
[0031] 图6是5V转换为3.3V电源电路结构示意图；
[0032] 图7是以太网接口电路结构示意图；
[0033] 图8是以太网外围电路结构示意图；
[0034] 图9：RS485外围电路结构示意图。
具体实施方式
[0035] 具体实施方式一、地铁杂散电流监测装置，它包括S3C6410处理器10、杂散电流智能传感器11、以太网接口12、RS485总线13、RS232接口14电源电路15、RAM16和FLASH；
[0036] 所述杂散电流智能传感器11用于采集地铁杂散电流；所述杂散电流智能传感器11的信号输出端通过RS485总线13与S3C6410处理器10的杂散电流采集信号输入端连接；
[0037] 所述以太网接口12的数据端与S3C6410处理器10的以太网数据端连接；
[0038] 所述RS232接口14的RS232数据端与S3C6410处理器10的RS232数据端连接；
[0039] 所述电源电路15的电源端与S3C6410处理器10的电源端连接；
[0040] 所述RAM16的RAM端与S3C6410处理器10的RAM端连接；
[0041] 所述FLASH的FLASH端与S3C6410处理器10的FLASH端连接。
[0042] 具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的地铁杂散电流监测装置的区别在于，FLASH为NAND FLASH17。
[0043] 具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的地铁杂散电流监测装置的区别在于，以太网接口12包括以太网光口和以太网电口。
[0044] 具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的地铁杂散电流监测装置的区别在于，所述杂散电流智能传感器11的数量为M个，M为正整数，所述M个杂散电流智能传感器11布设在地铁的不同
位置，均用于采集地铁杂散电流。
[0045] 具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的地铁杂散电流监测装置的区别在于，它还包括
触摸屏19，所述触摸屏19的按键信号输出端与S3C6410处理器10的按键信号输入端连接。
[0046] 具体实施方式六、结合图4说明本具体实施方式。本具体实施方式与具体实施方式一所述的地铁杂散电流监测装置的区别在于，电源电路15包括AC电源输入接口、DC电源输入接口、过流保护电路、过压保护电路、差模电压滤波电路、差模电流滤波电路、共模电流滤波电路、共模电压滤波电路、防反二极管、DC-DC电源模
块、一号电源输出接口、一号电源输出接口、AC-DC电源模块、第一电源输出接口、第二电源输出接口和后级用电电路56；
[0047] 所述AC电源输入接口41的AC电源信号输出端与过流保护电路43的AC电源信号输入端连接；所述DC电源输入接口42的DC电源信号输出端与过流保护电路43的DC电源信号输入端连接；所述过流保护电路43的DC电源信号输出端与过压保护电路44的电源信号输入端连接；所述过压保护电路44的电源信号输出端与差模电流滤波电路46的电源信号输入端连接；所述过压保护电路44的电源信号输出端与差模电压滤波电路45的电源信号输入端连接；所述差模电压滤波电路45的电源信号输出端与差模电流滤波电路46的电源信号输入端连接；所述差模电流滤波电路46电源信号输出端与共模电流滤波电路47；
[0048] 所述共模电流滤波电路47的电源信号输出端与共模电压滤波电路48的电源信号输入端连接；
[0049] 所述共模电压滤波电路48的电源信号输出端同时与防反二极管49的一端和AC-DC电源模块53的电源信号输入端连接；所述防反二极管49的另一端同时连接DC-DC电源模块50的电源输入端和一号电源输出接口51的电源输入端；
[0050] 所述DC-DC电源模块50的电源信号输出端与二号电源输出接口52的电源信号输入端连接；
[0051] 所述AC-DC电源模块53的第一电源输出端分别与第一电源输出接口54的电源信号输入端和第二电源输出接口55的电源信号输入端连接；
[0052] 所述二号电源输出接口52的电源信号输出端和AC-DC电源模块53的电源信号输出端而别与后级用电电路56的两个电源信号输入端连接。
[0053] 具体实施方式七、结合图5说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式六所述的地铁杂散电流监测装置的区别在于，它还包括隔离电路，所述隔离电路
串联在电源电路15和S3C6410处理器10之间；
[0054] 所述隔离电路包括3位AC电源芯片J1、压敏电阻RV1、压敏电阻RV2、压敏电阻RV3、电阻F1、电阻F2、
变压器CM1、电容CX1、电容CY1、电容CY2、电感LDM1、芯片DC1和芯片AC1、二极管D3、D4；
[0055] 3位AC电源芯片J1的2脚同时与压敏电阻RV2的一端、压敏电阻RV1的一端、电容CX1的一端、变压器CM1副边的一端连接；
[0056] 所述3位AC电源芯片J1的1脚同时与电阻F2的一端、压敏电阻RV2的另一端、压敏电阻RV3的另一端连接；
[0057] 所述电感LDM1的另一端同时与变压器CM1副边的另一端、电容CY1的一端和电容CY2的一端连接；
[0058] 所述电容CY2的另一端与变压器CM1原边的一端连接；
[0059] 芯片DC1的1脚同时接二极管D4的阳极和电源地；
[0060] 芯片DC1的2脚同时接二极管D3的阴极；
[0061] 芯片AC1的1脚和4脚接电源地。
[0062] 地铁杂散电流综合监测装置是一种分布式的杂散电流在线监测系统，应用于地铁或轻轨牵引供电系统中，用来实时监测地铁杂散电流及其相关物理量。通过RS485与安装在
导轨旁的杂散电流智能传感器进行通讯。智能传感器采集现场的无列车运行时的参比
电极本体电位，列车运行时的结构钢电位和列车运行时的排流网电位，并能根据这些采集值计算出相应的极化电位及平均值等，监测装置则负责抄录智能传感器的计算结果，从而判断排流与否的条件，与排流柜
控制器进行通信，驱动排流柜IGBT导通与关断，从而达到排流的目的；同时，监测装置还会与主站进行通讯，将数据上传主站，供工作人员查看，对数据进行分析。监测装置提供多种通讯接口，能够灵活的与其他设备进行数据交互，根据现场情况灵活调整，杂散电流监测系统原理如图1所示。具体功能如下：
[0063] 每间隔1小时存储一次每个
采样周期的极化值到数据文件，使用linux的压缩工具可以存储至少3个月的历史数据，配合分析
软件可以得到该时间段的各类数据，以便研究杂散电流腐蚀趋势，制定相应的排流措施。
[0064]
人机交互功能，使用8寸TFT
液晶触摸屏显示实时的埋地金属极化电位、设定时间段内的正向极化平均值，当天的参比电极本体电位值和可选择通道、分辨时间的实时极化电位曲线。
[0065] 具有RS485接口支持通信协议，能够将各类数据传输到调度中心。
[0066] 具有以太网接口，兼容光纤以太网接口，能够通过传输协议将历史数据传输到电脑并可使用分析软件对其进行分析。
[0067] 地铁杂散电流监控装置基于三星6410嵌入式装置，利用其强大的功能实现数据的采集，数据存储，数据显示以及数据传输等功能。该装置具有灵活的通讯接口，通过RS485并使用标准Modbus协议与外部杂散电流智能传感器进行通讯，可以在该485总线上挂接多个杂散电流智能传感器，采用轮询的方式进行数据的抄录，即采集杂散电流智能传感器的数值。同时，杂散电流监测装置通过以太网与主站连接，采用104规约进行通信，将监测装置的数据上传给主站，供工作人员查阅、分析。104本身是国际电工委员会(IEC)为了满足101远动通信协议用于以太网实现而制定的。采用104规约既能满足继电保护故障信息和SCADA监控信息的传输要求，又有标准规约的好的兼容性。这种通讯规约，较传统的通信方式更加可靠，更加标准化，更能贴合基于以太网的站内局域网的发展趋势，方便传输与管理，并且容易实现IEC61850规约的转换。以太网部分同时集成了两路光口，可以用于光线组网，为实际应应用场所提供多种组网方式。RS232用于6410与液晶屏的通讯，杂散电流监测装置通过RS232将需要显示的内容传输至液晶屏，供工作人员查看，系统
框图如图2所示。
[0068] 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。
[0069] 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；
[0070] 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；
[0071] 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；
[0072] 4)具有一个RTC
实时时钟，日误差达到0.1S；
[0073] 5)包含5个32位
定时器，其中4个具有PWM功能；
[0074] 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；
[0075] 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；
[0076] 8)具有一个WDT，可以在程序异常时进行复位。
[0077] 所采用的电路具体结构如下：
[0078] (一)电源电路
[0079] 本监测装置的供电可根据需要选择85-264VAC，100-370VDC供电或者24VDC供电。三种供电方式均需要电源EMC防护电路，并由对应的电源模块进行电压变换，从而获得装置所需要的直接工作电压，供电框图如图4所示，图中实线部分为85-264VAC、100-370VDC供电部分，虚线为24VDC供电部分，阴影部分为三种供电方式共用部分。本装置所设计的电路比传统的电路具有更加可靠的抗干扰性以及更灵活供电方式，具有多重电压电流保护，能够有效滤除线路中的差、共模等干扰量，保证装置的可靠稳定运行，85-264VAC和100-370VDC两种电源可以直接换用，使用24VDC电源时仅需焊接上防反二极管并更换电源模块即可，本装置能够有效避免因没有适合的电源而导致装置无法工作的情况，电路原理图如图5所示。
[0080] S3C6410的工作电压为3.3VDC，通讯电路的工作电压为5VDC。由于通讯电路需要接受外部信号，这样极易引入干扰量，造成通讯电路甚至是CPU核心电路的毁坏，所以为了防止外部干扰影响设备的正常工作，本装置将通讯电路电源进行隔离处理，为通讯电路提供独立的电源。隔离电源电路框图如图6所示。隔离电路核心器件为隔离电源模块，通过隔离电源模块将系统的5VDC电源转换为隔离5V电源，同时为隔离后的电源进行有效滤波，此方案能够有效防止干扰量通过装置地回路进入装置，造成核心电路的损坏，导致装置工作异常，引发事故。隔离电源的电路图如图7所示。
[0081] 装置所需的3.3VDC的工作电压由LM1085电源芯片将5VDC电压转换而来，该芯片提供高达3A的输出电流，能够满足了S3C6410及外围电路的工作消耗，电路图如图8所示。
[0082] (二)以太网电路
[0083] 地铁杂散电流监测装置通过以太网与后台软件进行通信，但是S3C6410未提供以太网控制器，所以需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。
[0084] 与传统的工业以太网设计相比较，本装置更加灵活的将以太网的光口和电口进行兼容设计，即同一以太网既可以采用电口通讯方式，又可以采用光纤通讯方式，另外，
信号传输过程中还做了静电防护处理，并经过隔离变压器传输至以太网外部接口，隔离变压器隔离后端的信号线同时接入到电转光芯片，以太网光纤转换芯片采用KSZ8863MLL/FLL/RLL，经过该芯片的处理，输出到光纤模块接口，以供使用。以太网电路框图如图9所示。
[0085] (三)RS485电路
[0086] 地铁杂散电流综合监测装置同时提供RS485
通信接口使用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MAX485芯片来将串口转换为RS485接口，并添加磁耦隔离及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。
[0087] (四)触摸屏电路
[0088] 杂散电流监测装置配备了可触摸操作的液晶屏模块，比传统的按键操作更加灵活方便，显示的内容更加丰富，液晶屏尺寸高达8寸，具有良好的视觉体验和操作手感。液晶屏的接口简单，可以通过RS232或者RS485与核心板进行通信，安装简单，维护方便。由于S3C6410未集成有MAX232芯片，所以要外加MAX232电路。
