CAN总线技术在轨道交通杂散电流监测中的应用

刘喜峰 许春香

(中州大学工程技术学院,450044,郑州∥第一作者,副教授)

目前国内外城市轨道交通的直流牵引供电系统中,普遍采用走行轨回流的供电方式。列车直流牵引供电系统采用正极接触网,走行轨兼作负回流线。由于走行轨不可能对地完全绝缘,且走行轨存在电压降,因此有少量电流不会沿走行轨而是沿大地回到变电所或根本不回到变电所,从而形成杂散电流[1]。杂散电流对地下隧道主体结构钢筋、埋地金属管线和电缆金属外铠装等金属设施产生电化学腐蚀(pH＜7时的析氢腐蚀,pH＞7时的吸氧腐蚀)。

1 道床杂散电流的分布规律

根据文献[5-6]可知,单边供电状态下,列车处于某一处的杂散电流离散化数学模型为：式中：

is(x)——x处杂散电流,A;

x——距变电站的距离,km;

L——列车距变电站距离,km;

I——列车取流电流,A;

Rg——轨道对地的过渡电阻,Ω◦km;

u(x)——x处的轨道电压,V。

在双边供电的情况下,杂散电流和轨道电位满足同样的分布规律：

1)轨道电位、轨道电流直接影响杂散电流,以双曲线规律分布。

2)轨道电流在列车和变电所区间的中点处为最小,在列车和变电所附近处为最大;杂散电流在列车和变电所中点处为最大,在列车和变电所附近处为最小。

3)变电所附近的轨道电位为最大负值(低于地电位),此处的杂散电流从埋地金属流出,埋地金属为阳极,杂散电流对埋地金属的腐蚀严重。在该处应设置杂散电流检测点及排流点。在列车底部的轨道电位为最大正值,该处杂散电流流入埋地金属,轨道为阳极,杂散电流腐蚀轨道。在列车和变电所中点处,埋地金属电位为零(中性点),电流既不流出也不流入,但是列车是运动的,所以中性点是不固定的。

杂散电流及轨道电位随着列车的运动而发生变化。要了解杂散电流对埋地金属、轨道及主体建筑物钢筋的腐蚀情况,需要对整个线路实时监测杂散电流的大小,需要沿线设置检测点,对数据进行汇总分析。针对杂散电流的特点,可采用CAN总线技术对杂散电流进行在线监测研究。

2 CAN总线技术对杂散电流在线监测的合理性分析

CAN模型结构只有物理层、数据链路层和应用层共3层。其应用层数据可直接取自数据链路层或直接向数据链路层写数据,结构层少,数据结构简单,可组建小范围局域网。这一特点非常适合对轨道交通杂散电流的实时监测。

CAN总线为多主方式工作,网络中任意节点均可在任意时刻主动地向网络中其它节点发送信息而不分主从。这一特点在实时监测到杂散电流超过许可值时,可主动向监控中心发送数据,同时向排流装置发送排流指令,以启动排流装置。

CAN总线技术采用非破坏的总线仲裁技术,当节点同时向总线发送信息出现冲突时,优先级较低的节点会主动退出发送,而最高级的节点不受影响继续发送数据,从而大大节省总线仲裁时间,即使在网络负载很重的情况下,也不会出现网络瘫痪的情况。因此,CAN总线技术可满足杂散电流各监测节点同时申报的有序进行。

CAN总线节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等的数据传送、接收方式。CAN总线的直接通信距离可达10 km,节点数可达110个。其通信介质可以是光纤、同轴电缆或双绞线。这些特点非常适合城市轨道交通的延伸建设,以增加节点数量、节约成本。

城市轨道交通沿线的干扰源多,干扰源的性质多样,但是CAN总线具有很强的抗干扰能力,以保证数据的正确无误。因为CAN总线的报文采用短桢结构,传输时间短,受干扰率低,每桢信息都有CRC(循环冗余校验码校验)及其他纠错措施,故CAN总线节点在错误严重的情况下,具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响。

3 迷流监测CAN总线节点设计

CAN总线控制器选用SJA1000芯片。它可以完成CAN总线通信协议所要求的全部特性,通过简单的总线连接即可完成CAN总线的物理层和数据链路层的所有功能;它能够提供总线仲裁和错误检测功能,并且在检测到错误时能自动重复发送数据,从而减少数据的丢失,确保了系统的可靠性;它通过直接内存映射方式访问CAN总线控制器。

CAN总线收发器采用PCA82C250芯片。它是CAN总线控制器与物理总线之间的接口,提供向总线的差动发送功能和对CAN总线控制器的差动接收功能。在SJA1000与PCA82C250芯片中采用光电耦合器6N137将网络与系统内部隔离,以提高抗干扰能力。

CAN总线节点的主控制芯片采用H T66FB50。该芯片具有8通道12位A/D(模拟/数字)输入,USB接口,256×8EEPROM(电可擦写编程只读存储器),42个I/O(输入/输出)口。

CAN总线节点可以接3～8个采样用传感器(参比电极和监测测试点处),分别对杂散电流收集网、主体结构钢的电位进行测量,以监测杂散电流,上传测量结果,及时启动排流柜排流。杂散电流CAN总线监测系统见图1。

图1 杂散电流CAN总线监测系统结构图

CAN总线节点设计有存储单元,保存24 h内的测量结果。为确保测量数据准确性,每次连续采样9个结果,去掉一个最大值和一个最小值,然后求平均值。该平均值作为本次采样结果而上传,保存。

4 模拟试验

根据文献[7]介绍的方法,实验室模拟地铁运行及建筑环境,构建试验模型(见图2)。在一个塑料或有机玻璃制作的容器内,按照地铁实际的采样结果充填一些腐蚀介质,例如土壤或食盐溶液;将几个阻值相等的电阻串联起来,代替走行轨;同时在每个电阻连接点向下引出一段导线,将导线插入腐蚀介质中,在腐蚀介质里埋入一段导线模拟杂散电流收集网;导线的一端与电源的负极接通,同时在腐蚀介质中埋入一段铁质金属。当给实验电路加上直流电源后,代替走行轨的串联电阻就会有电流流过。这个电流在串联电阻上形成一定的电压降,在该电压的作用下,会形成流过腐蚀介质的模拟杂散电流。该杂散电流的一部分经收集网返回电源,另一部分就会流经埋在其中的铁质金属后返回电源;金属在电流的作用下就产生电腐蚀作用。

图2 实验室模拟装置

在模拟实验装置中设置3组测试点,每组有3个测试点：a1,b1,c1;a2,b2,c2;a3,b3,c3。在a1,a2,a3测试点各接一个参比电极,其他测试点放置相应的测试电极。第一组和第三组测试点设置在靠近电源端和模拟列车端,第二组测试点放置在中间。通过实时监测b对a和c对a的电位差,以对该地铁杂散电流监测系统进行模拟试验。电源电压为15 V,电流为500 mA。

切断电源,测量b和c、a的自然本底电位,采样间隔取10 min,采样5组数据(见表 1所示)。

表1 测试点的本底电位 V

接通电源后,测量b、c对a的极化电位,采样间隔取10 min,采样5组数据(见表2所示)。

数据显示：埋地金属的电化学电池阳极区的极化电位高于本底电位,阴极区的极化电位低于本底电位;在阳极区,埋地金属被腐蚀。随着电源电压的提升,极化电位逐渐提高。根据资料显示,当阳极极化电位高于0.3 V时,金属就不在钝化区而处于腐蚀状态。

模拟实验对CAN总线的数据通信和传输进行了验证。试验结果表明,数据传输准确,系统软件运行可靠,符合设计预期。

表2 测试点的极化电位 V

5 结语

通过实验室的模拟实验,可得出以下结论：

1)地铁周边的埋地金属管线或结构钢筋在地铁列车运行时引起的泄漏电流(杂散电流)作用下,改变了其自身的本底电位,从而导致电化学腐蚀,使得混凝土爆裂,缩短了使用寿命。

2)CAN总线技术应用于轨道交通杂散电流的在线监测是可行的。

3)节点可以组网,也可以独立使用。独立使用时,工作人员可定期读取数据,报送控制中心进行数据分析,以制定控制方案。

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