便携式杂散电流测试装置的设计.doc

1、摘 要最近几年，随着经济的快速发展，电气化铁路交通及埋地油气管道数量迅速增长，导致杂散电流干扰源越来越多，危害也越来越严重。杂散电流腐蚀可以诱发管道穿孔等事故，不但给人们的生活带来极大的不便，也会对环境造成污染。因此，对杂散电流采取积极有效的检测和防治措施，具有深远的研究价值和重大的实践意义。本文详细介绍了杂散电流的相关内容，具体包括：杂散电流的形成以及推导公式，杂散电流的腐蚀危害，并且建立了“走行轨埋地管线大地”结构的杂散电流分布模型，并且利用Matlab软件进行了仿真，而且针对此种模型下，影响杂散电流的各项因素进行了分析。本文中便携式杂散电流测试装置的设计思路是参照管/地电位测试法来进行设

2、计的。根据功能需求，本文采用的是C8051F340单片机为主要核心元件。整个硬件电路设计包括数据采集模块、数据存储模块、人机接口模块、声光报警模块以及电源模块组成。本文设计的便携式杂散电流测试装置具有使用方便、操作简单的特点。关键词：杂散电流；管地电位；测试AbstractWith the rapid development of our countrys economy in recent years, rapid growth in the number of electrified railway and oil gas pipeline causes more and more str

3、ay current interference source and increases serious harm. For example, stray current corrosion may cause pipe perforation accidents which not only bring great inconvenience into peoples lives but also cause serious pollution of the environment. Therefore, to take positive and effective detection an

4、d prevention measures of the stray current has far-reaching research value and great practical significance.This paper introduces the related content of stray current， including: stray current and the formula, corrosion of stray current, and the establishment of the stray current distribution model

5、of orbit Earth structure, and simulated by using Matlab software, and according to this model, the influence of stray current the analysis.Design of portable stray current testing device in this paper refers to the P / S potential test method to carry on the design. According to the function require

6、ment, this paper uses C8051F340 microcontroller as the core element. The whole hardware circuit design includes data acquisition module, data storage module, man-machine interface module, alarm module and power module. To achieve the data waveform display, data display, in addition to the SD card as

7、 data storage devices. Portable stray current testing device designed in this paper has the characteristics of convenient use, simple operation.Keywords: stray current; P/S potential; test目 录1 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 本文研究的主要内容32 直流牵引供电系统与杂散电流的理论研究52.1 直流牵引供电系统的组成52.2 杂散电流的形成及推导公式62.2.1 杂散电流的

8、形成62.2.2 杂散电流的推导公式62.3 杂散电流的产生原因82.4 杂散电流的腐蚀危害82.4.1 对走行轨及其配件的腐蚀82.4.2 对钢筋混凝土构件的腐蚀82.4.3 对埋地金属管线的腐蚀92.4.4 杂散电流烧坏排流设备92.4.5 对人身安全构成威胁93 杂散电流分布模型及防护措施综述103.1 构建“走行轨-埋地管线-大地”结构的杂散电流分布模型103.2 对“走行轨埋地管线大地”结构的杂散电流分布模型进行仿真分析133.3 对影响杂散电流的各项因素的分析143.3.1 走行轨的纵向电阻143.3.2 走行轨相对埋地管线的过渡电阻163.3.3 牵引变电所向机车提供的电流163

9、.3.4 牵引变电所离机车的距离183.3.5 埋地管线的纵向电阻193.4 杂散电流的防护措施综述203.4.1 直流杂散电流的判定203.4.2 交流杂散电流的判定213.4.3 杂散电流的防护措施214 硬件电路设计224.1 功能需求分析224.1.1 管/地电位测试法224.1.2 参比电极224.1.3 主要技术指标224.2 总体设计功能234.2.1 主控方案设计234.2.2 数据存储方案设计234.2.3 键盘方案设计234.3 结构设计244.4 硬件电路设计254.4.1 C8051F340单片机简介与特性254.4.2 C8051F340的外围电路264.4.3 人机

10、接口电路(键盘和显示模块)274.4.4 数据存储模块电路284.4.5 数据采集模块电路294.4.6 电源模块电路334.4.7 声光报警模块电路345 软件流程设计和抗干扰设计355.1 软件流程设计355.1.1 系统设置模块365.1.2 电位测量模块365.1.3 自动采集模块375.2 抗干扰设计395.2.1 干扰的基本要素395.2.2 抗干扰设计的主要方法395.2.3 切断干扰的传播途径395.2.4 提高敏感元器件的抗干扰性能406 总结41参考文献42翻译部分44英文原文44中文译文52致 谢591 绪论1.1 课题的背景及意义最近几年，随着经济的快速发展，城市的不断

11、扩张，城市人口不断增长，随之带来的交通问题日趋严重，政府为缓解紧张的交通压力，大力投入对城市轨道交通的建设。便捷、高效的城市轨道交通也成为人们出行的首选，在给人们带来方便的同时，也存在一定的不安全因素，杂散电流就是其中不可忽视的问题之一。电气化铁路交通及埋地油气管道数量迅速增长，导致杂散电流干扰源越来越多，危害也越来越严重。杂散电流腐蚀可以诱发管道穿孔等事故，不但给人们的生活带来极大的不便，也会对环境造成污染。因此，对杂散电流采取积极有效的检测和防治措施，具有深远的研究价值和重大的实践意义。在城市轨道交通中，牵引供电系统一般采用直流式。目前，我国国内使用的牵引供电电压主要有两种DC 1500V

12、和DC 750V1。牵引供电系统是通过整流变压器降压和整流器将来自于主变电所或相邻变电所的35KV交流电源整流后构成等效24脉波1500V直流，通过直流快速开关装置向电动列车输送优质电能。牵引整流变电所经由与之正极相连的接触轨或架空接触网，向电动列车输送电能，然后经过列车，以走行轨作为直流电流的回流通路，最终在牵引整流变电所附近，将走行轨与牵引整流变电所负极相连，使馈出的直流电流返回牵引整流变电所。在供电系统的实际运营过程中，就会产生杂散电流。这是由于走行轨与大地之间的绝缘不良或不是完全绝缘，流经走行轨的电流不能全部经由走行轨流回牵引变电所的负极，有一部分电流会泄漏进入大地，然后再流回变电所，

13、这部分泄漏到道床及周围土壤介质中去的电流就是杂散电流，也称作迷流1。在自然条件下，土壤是一种电解质环境，含有大量的水分及盐分，即使没有杂散电流作用，埋地管道也会受到缓慢的电化学腐蚀，但其对管道的损害极小，腐蚀电压仅为毫伏级。但是当有杂散电流流过管道时，铁轨作为电流的流出极，相对于管道电位较高，即形成所谓的阳极区，在阳极区会发生杂散电流的腐蚀现象，而管道则为电流的流入极，电位低，形成所谓的阴极区，则不会发生腐蚀现象。在阳极与阴极之间有可能产生高达十伏左右的电位差，从而加剧了管道的腐蚀程度。如下图1-1所示 管道与地面电位变化示意图图1-1所示 管道与地面电位变化示意图杂散电流是一种有害的电流，并

14、且流向是无规律地，广泛地存在于地铁、轻轨、矿井等各种电气场合。杂散电流对走行轨交通中所使用的各种电气设备、设施的正常运行均会造成影响，对附近的金属管线设施、道床的结构钢也会造成不同程度的腐蚀，会导致交通设施的使用寿命降低，造成严重的经济损失甚至人员伤亡。杂散电流具有腐蚀强度大的特点。据统计，80%以上管线腐蚀穿孔事故的直接原因就是杂散电流。据实测结果表明，北京地铁中的列车在启动和运行时流入地下的杂散电流值一般要大于100A；而深圳地铁供电系统采用的额定电压是DC1500V，其额定牵引电流最高可达3000A，按5%计算，流入地下的杂散电流值最高可达150A。在这种情况下，89mm的钢管，23个月

15、就会发生穿孔现象。另外，杂散电流的影响范围很大，多则可有几公里甚至几十公里远。所以，杂散电流所造成的腐蚀危害相当严重。为更好地降低杂散电流带来的危害，减少损失，对杂散电流的相关参数进行实时监测尤其重要，为提高城市轨道交通的可靠、安全性起到了重要作用。因此，杂散电流的检测与防治具有比较重要的现实意义。1.2 国内外研究现状对于杂散电流的危害，国外较早就有了足够的认识，并且从对杂散电流的监测有了较高的重视，欧美、日本、德国等国外的专家对此高度重视这个问题，投入了大量的人力、物力和财力，加大对杂散电流的研究，并且取得了较为可观的成果。而我国本身经济发展起步晚，城市轨道交通的迅猛发展直到二十世纪九十年代，所以对杂散电流的研究也较国外发达国家晚，但现如今，我国大多数的在建的大型地铁项目都有杂散电流的监测系统，对杂散电流的建模研究也进行了实验验证。当前，在国际上一般采用VDE0115标准、EN50122-2、EN50162欧洲标准及(VDV)501/2德国标准，适合用在直流电力牵引和走行轨回流方式的地铁系统中的设计、施