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专利名称：杂散电流监测防护装置和方法
技术领域：
本发明涉及轨道交通技术领域，具体地说，是一种杂散电流监测防护装置和方法。
背景技术：
在城市轨道交通直流电气化轨道运输系统中，以轨道作为回流体，由于轨道不可能对地完全绝缘，而且回流电路存在电压降，因而导致一部分负荷电流从轨道流到轨枕、道床及地下钢轨金属设施中去，这部分电流就是杂散电流(参见附图1)。杂散电流的存在，对轻轨或地铁周围土壤中埋设的通讯电缆、区间隧道中的钢管、钢筋等金属管线产生电化学腐蚀，破坏其强度，降低其寿命。同时，杂散电流也会造成人身触电。在站台上，地铁乘客手脚之间的电位差为Δ V，当电位差很高时，杂散电流腐蚀机理与钢铁在空气条件下或在在水溶液及土壤电解质中发生的自然腐蚀一样，都具有阳极过程和阴极过程的氧化还原反应。 要对杂散电流腐蚀损坏的混凝土结构进行维修和更换是十分困难的，它直接影响了轨道交通建设百年大计的实现。因此，积极开展轨道交通杂散电流的自动监测防护研究，对城市轨道交通的安全可靠和持久运行具有重要意义。由于轨道交通中，直流电源、导线、车身以及铁轨形成了完整的供电回路，但是有一部分电流由于铁轨缺少绝缘措施，因而导致一部分负荷电流从轨道流到轨枕、道床、通信电缆及地下钢管钢筋设施中去，这就形成了杂散电流的回路，这部分电流会腐蚀地下管道， 因此，需要有一种排流方案用于减小、消除杂散电流，故提供的排流方向与杂散电流方向相反，才可达到排流效果。(参见图2)
目前，存在的轨道交通杂散电流自动监测防护系统是由各个分区监测的主站收集、存储电流，最终由监测中心进行数据分析、判断，最终排流。这需要投入大量的人力和物力进行监控操作。目前虽然也存在一种杂散电流检测仪，在地面就可快速评估管道中的杂散电流，对杂散电流进行监测，其采集的数据可存储在大容量的U盘上，但是，其无法精确地定位杂散电流的汇集流入点及流出点。因此，需要设计一种杂散电流监测防护装置来解决上述问题。

发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种杂散电流监测防护装置，不仅可以免去庞大的监测网络，节省人力和物力，而且也能丰富已有检测仪的功能，从而可以在无人操作的条件下进行在线监测、防护和报警；本发明的第二个目的是，提供所述装置使用的方法。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为
一种杂散电流监测防护装置，其特征在于，包括箱体和线路板；所述箱体包括电源灯、 报警灯和显示屏；在所述箱体内部设有线路板；所述线路板包括传感器测量电路、单片机工作电路、液晶显示电路、报警电路、D/A转换电路、放大电路和排流电路；所述传感器测量电路分别与外部埋设的金属杆和所述单片机工作电路电连接，所述传感器测量电路包括霍尔电流传感器和串联电阻，用于将外部收集的杂散电流信号通过所述霍尔电流传感器和串联电阻转变为模拟电压信号；所述单片机工作电路分别与所述传感器测量电路、所述液晶显示电路、所述报警电路和所述D/A转换电路电连接，所述单片机工作电路包括单片机、 A/D转换�？楹虸/O接口，其中，所述A/D转换模块用于将所述模拟电压信号转换成数字电压信号，所述单片机用于判断分析处理所述数字信号是否在所述单片机内置程序的范围之内，所述I/O接口用于传输报警信号至所述报警电路；所述D/A转换电路分别与所述单片机工作电路和所述放大电路电连接，用于将所述数字电压信号转换成模拟电压信号；所述放大电路分别与所述D/A转换电路和所述排流电路电连接，所述放大电路包括晶体三极管和内阻稳定回路，其中，所述晶体三极管用于将所述模拟电压信号进行相应倍数的放大处理， 得到放大的电压信号，所述内阻稳定回路用于将所述放大的电压信号转换为电流信号；所述排流电路分别与所述放大电路和外接埋设的金属杆电连接。进一步，所述显示屏安装在所述箱体的表面，用于显示收到的所述数字电压信号的电压值。进一步，所述报警电路与所述报警灯连接，用于将收到所述报警信号传送至报警灯，以便及时提醒用户。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为
一种杂散电流监测防护装置的方法，采用所述杂散电流监测防护装置，其特征在于，包括如下步骤
(1)采集杂散电流数据，通过所述传感器测量电路来采集杂散电流；
(2)转换为电压量，通过所述传感器测量电路的霍尔电流传感器和串联电阻，将采集的杂散电流转换为电压信号；
(3)判断分析，通过单片机内置程序设定几段电压范围档进行判断分析，并作出相应处
理；
①过小的杂散电流可以忽略，单片机不采取排流，进行相应液晶显示；
②一般的杂散电流，单片机按照所处的电压范围档，进行相应排流和液晶显示；
③过大的杂散电流，采样数值超过单片机内置程序的电压范围档，液晶显示设定电压范围档的最大值；报警，通过所述报警灯，通知相关人员采取必要措施；最大限度的排流， 通过所述单片机内置程序和排流电路进行最大限度的排流操作；
(4)液晶显示，在所述显示屏上显示当前所处理的杂散电流的范围档的电压数值；
(5)转换为模拟信号，通过D/A转换电路将数字电压信号转换为模拟电压信号；
(6)放大并排流，通过放大电路将模拟电压信号放大处理，将所述模拟电压信号转为电流信号，并利用排流回路完成排流操作。本发明的积极效果是
(1)免去了庞大的监测网络，节省了人力和物力，也丰富了已有检测仪的功能；
(2)实现了在无人操作的情况下完成在线监测与防护，并兼备有报警的功能。


图1为杂散电流产生示意图； 图2为杂散电流排流方法示意图；图3为本发明杂散电流监测防护装置的箱体的结构示意图； 图4为本发明杂散电流监测防护装置的线路板的结构示意图； 图5为本发明杂散电流监测防护装置的原理框图； 图6为本发明杂散电流监测防护装置的安装示意图； 图7为本发明杂散电流监测防护装置的工作示意图； 图8为本发明杂散电流监测防护方法的步骤框图； 图中的标号分别为
10、轨道；20、排流网；30、杂散电流监测防护装置；
31、箱体；32、线路板；
311、电源灯；312、报警灯；313、显示屏；
321、霍尔电流传感器；322、排流线；
1、传感器测量电路；2、单片机工作电路；
3、液晶显示电路；4、报警电路；
5、D/A转换电路；6、放大电路；7、排流电路；8、杂散电流。
具体实施例方式下面结合附图对本发明杂散电流监测防护装置和方法的具体实施方式
做详细说明。参见图3 5，本发明杂散电流监测防护装置30，包括箱体31和线路板32，所述箱体31包括电源灯311、报警灯312和显示屏313 ；在所述箱体31内部设有线路板32 ；所述线路板32包括传感器测量电路1、单片机工作电路2、液晶显示电路3、报警电路4、D/A转换电路5、放大电路6和排流电路7 ；所述传感器测量电路1分别与外部埋设的金属杆和所述单片机工作电路2电连接，所述传感器测量电路1包括霍尔电流传感器和串联电阻，用于将外部收集的杂散电流信号通过所述霍尔电流传感器和串联电阻转变为模拟电压信号； 所述单片机工作电路2分别与所述传感器测量电路1、所述液晶显示电路3、所述报警电路 4和所述D/A转换电路5电连接，所述单片机工作电路2包括单片机、A/D转换�？楹虸/O 接口，其中，所述A/D转换�？橛糜诮Ｄ獾缪剐藕抛怀墒值缪剐藕牛龅テ糜谂卸戏治龃硭鍪值缪剐藕攀欠裨谒龅テ谥贸绦虻姆段е冢鯥/O接口用于传输报警信号至所述报警电路；所述D/A转换电路5分别与所述单片机工作电路2和所述放大电路6电连接，用于将所述数字电压信号转换成模拟电压信号；所述放大电路6分别与所述D/A转换电路5和所述排流电路7电连接，所述放大电路6包括晶体三极管和内阻稳定回路，其中，所述晶体三极管用于将所述模拟电压信号进行相应倍数的放大处理，得到放大的电压信号，所述内阻稳定回路用于将所述放大的电压信号转换为电流信号；所述排流电路7分别与所述放大电路6和外接埋设的金属杆电连接。此外，所述显示屏313安装在所述箱体31的表面，用于显示收到的所述数字电压信号的电压值。所述报警电路4与所述报警灯312连接，用于将收到所述报警信号传送至报警灯312，以便及时提醒用户，加强保护措施，或者及时检修。参见图6 (本发明杂散电流监测防护装置的安装示意图)，所述杂散电流监测防护装置30与外部的排流网20电连接，所述排流网20设置在外部的轨道10的正下方。由于轨道10不可能对地完全绝缘，而且轨道作为回流体，会造成回流电路的电压降，因而导致杂散电流从轨道流到轨枕、道床及地下钢轨金属设施中去。通过所述排流网20的设置， 在必要时进行排流，以减少所述杂散电流造成的�：�。参见图7(本发明杂散电流监测防护装置的工作示意图)，所述传感器测量电路1 的霍尔电流传感器321与地下埋设的金属杆相连，通过所述霍尔电流传感器321收集杂散电流，测得杂散电流大�。捎诠斓涝由⒌缌魍ǔＴ�100A左右，电流比较大，而传统的电流互感器测量误差较大，且使用时二次侧不允许开路，故本发明采用所述霍尔电流传感器，它比目前常采用的电流互感器更能有效地精准地测量较大的杂散电流。所述霍尔电流传感器将收集的杂散电流转为模拟电压信号。所述模拟电压信号通过所述串联电阻可使电压降低，以保证输入所述单片机工作电路2的电压为低电压，不容易造成对单片机元器件的损坏。所述低电压通过所述单片机工作电路2的A/D转换�？椋晃值缪剐藕�。所述单片机对所述数字电压信号进行分析判断，由于所述单片机内置程序设定了几段范围，根据所述数字电压信号所在的范围，所述单片机做不同的操作，这样可以避免资源浪费，不同大小的杂散电流得到相应处理，免得造成很小的杂散电流还要提供很大的排流，甚至引起的反作用。当所测得电压信号在所述单片机内置程序的范围之内，传送数字电压信号至与所述单片机工作电路2电连接的D/A转换电路5 ；当所测得所述数字电压信号在所述单片机内置程序的最大范围之外，选用最大范围中的最大值为数字电压信号，并触发所述报警电路4，所述报警电路4与外部的报警灯312电连接，以便通知值班人员，需加强保护措施，或者及时检修，因为杂散电流可能对人体或设备造成损害。报警是采用间歇式，可手动停止。 同时，所述单片机触发进行最大限度地排流操作。从所述单片机工作电路2输出的数字电压信号，经过所述D/A转换电路5转变为模拟电压信号。接着，所述模拟电压信号通过所述放大电路6的晶体三极管进行相应倍数的放大处理，得到放大的电压信号，再通过所述内阻稳定回路，将所述放大的电压信号转换为电流信号，所述电流信号通过排流线322 (排流线322与所述排流电路7连接)流向外部埋设的金属杆，从而形成一个排流回路，以此降低了杂散电流腐蚀损坏，保护了轨道交通的安全。整套装置采用闭环控制系统，节省了大量的人力和物力，同时及监测防护于一身，实现了测控一体化。参见图8 (本发明杂散电流监测防护方法的步骤框图)。本发明杂散电流监测防护的方法，包括以下步骤
(1)采集杂散电流数据，通过所述传感器测量电路来采集杂散电流；
(2)转换为电压量，通过所述传感器测量电路的霍尔电流传感器和串联电阻，将采集的杂散电流转换为电压信号；
(3)判断分析，通过单片机内置程序进行判断分析，由于所述单片机内置程序设定了几段电压范围档，根据所述电压信号所处的电压范围档，所述单片机做不同的操作(同样，也可以将电压信号传给与单片机功能类似的中心控制器，中心控制器根据事先预设好的安全范围值进行判断分析)；
①过小的杂散电流可以忽略，单片机不采取排流，进行相应液晶显示；
②一般的杂散电流，单片机按照所处的电压范围档，进行相应排流和液晶显示；
③过大的杂散电流，采样数值超过单片机内置程序的电压范围档，液晶显示设定电压范围档的最大值；报警，通过所述报警灯，通知相关人员采取必要措施；最大限度的排流，通过所述单片机内置程序和排流电路进行最大限度的排流操作；
(4)液晶显示，在所述显示屏上显示当前所处理的杂散电流的范围档的电压数值(注 过小的杂散电流，液晶显示为0V)；
(5)转换为模拟信号，通过D/A转换电路将数字电压信号转换为模拟电压信号；
(6)放大并排流，通过放大电路的晶体三极管将模拟电压信号进行相应倍数的放大处理，并利用所述内阻稳定回路，将所述放大的电压信号转换为电流信号，所述电流信号通过排流线流向外部埋设的金属杆，从而形成排流回路，完成排流操作。所述杂散电流监测防护方法可以设计成为一种装置，也可以设计成为一个控制系统，其监测中心可以放置在轨道交通的调度中心，实行分区监测。在轨道线路延伸的同时可以实现系统扩展，并可有效利用已有监测系统资源，避免通信线路的重复投资。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种杂散电流监测防护装置，其特征在于，包括箱体和线路板；所述箱体包括电源灯、报警灯和显示屏；在所述箱体内部设有线路板；所述线路板包括传感器测量电路、单片机工作电路、液晶显示电路、报警电路、D/A转换电路、放大电路和排流电路；所述传感器测量电路分别与外部埋设的金属杆和所述单片机工作电路电连接，所述传感器测量电路包括霍尔电流传感器和串联电阻；所述单片机工作电路分别与所述传感器测量电路、所述液晶显示电路、所述报警电路和所述D/A转换电路电连接，所述单片机工作电路包括单片机、 A/D转换模块和I/O接口 ；所述D/A转换电路分别与所述单片机工作电路和所述放大电路电连接；所述放大电路分别与所述D/A转换电路和所述排流电路电连接，所述放大电路包括晶体三极管和内阻稳定回路；所述排流电路分别与所述放大电路和外接埋设的金属杆电连接。
2.如权利要求1所述的杂散电流监测防护装置，其特征在于，所述显示屏安装在所述箱体的表面。
3.如权利要求1所述的杂散电流监测防护装置，其特征在于，所述报警电路与所述报警灯连接。
4.一种杂散电流监测防护的方法，采用权利要求1所述的杂散电流监测防护装置，其特征在于，包括如下步骤(1)采集杂散电流数据，通过所述传感器测量电路来采集杂散电流；(2)转换为电压量，通过所述传感器测量电路的霍尔电流传感器和串联电阻，将采集的杂散电流转换为电压信号；(3)判断分析，通过单片机内置程序设定几段电压范围档进行判断分析，并作出相应处理；过小的杂散电流可以忽略，单片机不采取排流，进行相应液晶显示；一般的杂散电流，单片机按照所处的电压范围档，进行相应排流和液晶显示；过大的杂散电流，采样数值超过单片机内置程序的电压范围档，液晶显示设定电压范围档的最大值；报警，通过所述报警灯，通知相关人员采取必要措施；最大限度的排流，通过所述单片机内置程序和排流电路进行最大限度的排流操作；(4)液晶显示，在所述显示屏上显示当前所处理的杂散电流的范围档的电压数值；(5)转换为模拟信号，通过D/A转换电路将数字电压信号转换为模拟电压信号；(6)放大并排流，通过放大电路将模拟电压信号放大处理，将所述模拟电压信号转为电流信号，并利用排流回路完成排流操作。
全文摘要
本发明涉及轨道交通技术领域，是杂散电流监测防护装置和方法，本发明的防护装置包括箱体和线路板，箱体包括电源灯、报警灯和显示屏；在箱体内部设有线路板；线路板包括传感器测量电路、单片机工作电路、液晶显示电路、报警电路、D/A转换电路、放大电路和排流电路。所述装置采用闭环控制系统，节省了大量的人力和物力，同时集监测防护于一身，实现了测控一体化。本发明的防护方法利用实时在线监测杂散电流所得的数据，为自动排流提供启动策略，避免强制排流造成的�：Γ保捎梅智嗖夥阑さ脑颍梢允迪窒低忱┱梗⒖捎行Ю靡延械募嗫叵低匙试矗苊馔ㄐ畔呗返闹馗赐蹲�。
文档编号G01R19/25GK102508018SQ20111035448
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者姜冯, 杨雅婷, 桑海波, 王致杰, 苏宝洁, 詹敏 申请人:上海电机学院