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1.概述

随着城市化进程的发展，轨道交通的方便、快捷、环保、安全、已经成为大家主要的公共交通工具。轨道交通系统中地铁、轻轨、铁路是以直流、走行轨回流的供电方式电气化牵引动力进行驱动。这种以走行轨为回流通路的直流牵引供电系统，由于走行轨不可能完全绝缘于道床结构，钢轨不可避免地向道床及其他结构泄漏电流，这种电流就是杂散电流，也称为地中迷流。杂散电流对土建结构钢筋、设备金属外壳及其他地下金属管线（比如燃气管线）产生的电化学腐蚀，即杂散电流腐蚀，也叫做迷流腐蚀。杂散电流腐蚀不仅降低了金属结构物的强度，缩短了使用寿命；而且导致区间隧道主体结构混凝土开裂，降低了结构的强度和耐久性，增加了结构的失效概率。加上轨道建筑复杂度高、轨道车辆行驶的速度越来越快，这种破坏就必然威胁轨道交通的安全，也引起了世界轨道交通界的强烈关注。

2.杂散电流形成及金属物腐蚀机理

由地铁杂散流所经过的路径可概括为两个串联的腐蚀电池，即

电池I∶钢轨（阳极区）→道床、土壤、金属管线（阴极区）

电池Ⅱ∶金属管线（阳极区）→土壤、道床、钢轨（阴极区）

1）杂散电流形成机理

理想情况下（如图1中的“→”线所示）直流电经变电所→流入牵引电网→流入电力机车→过铁轨→流回变电所。但在现实生活中由于回流轨与轨枕、地之间存在一定的过渡电阻；在回流轨中电流由高电位流向低电位，回流轨和地之间形成电位差这两样就导致只有大部分电流都流回变电所，而有一小部分流向大地形成了杂散电流。

图1 腐蚀机理图

2）金属物腐蚀机理

走行轨和金属管线均为电子导体，地面为离子导体，电子在A和D点流出，金属导体与地面组成e-i界面为阳极。电流在C点和F点流入，则地面与金属导体组成的i-e界面为阴极。A、B、C和D、E、F分别构成了两个串联的电解电池。

电池Ⅰ：A铁轨（阳极）→B道床、土壤→C金属管线（阴极）

电池Ⅱ：D金属管线（阳极）“→”E土壤、道床→F钢轨（阴极）

当杂散电流由两个阳极区：走行轨（A）和金属管线（D）流出时，都会发生失掉电子的氧化反应，该部位的金属（Fe）就会遭到腐蚀。当金属铁（Fe）周围的介质是酸性电解质，发生的氧化还原反应是析氢腐蚀；当金属铁（Fe）周围的介质是碱性电解质时，发生的氧化还原反应为吸氧腐蚀。对金属腐蚀集中于局部位置，对于有防腐层的，往往集中于防腐层薄弱部位。

3.测量传感装置系统

1）杂散电流测量原理

在实际的测量中埋地金属物的极化电位（埋地金属物与理想大地的电位差）和埋地金属物与参比电极间的电位差有很大关系，由此可见，参比电极的可靠性是影响埋地金属极化电位测量的关键因素。铜/硫酸铜（CUSO₄）参比电极具有电压稳定、耐极化性能好、内阻小等特点，使用它可以提供一个不随电流大小和测试条件变化的电动势基准点。

可采用近参比法测量杂散电流，这样满足更准确的测量埋地金属物的极化电位，尽可能减少土壤介质电阻引起的电压降，将参比电极尽量靠近被测量埋地金属表面，如图2所示。我们用V₁表示参比的本体电位，被测金属物的极化电位为V₂，电位差：V₁₂＝V₁-V₂；所以被测金属物的极化电位V₂＝V₁-V₁₂。为了准确测量V₁，每天晚上待地铁停止运行3h以上进行测试V₁₂（装置测量电压值）。此时杂散电流干扰很低（V₂≈0）；V₁≈V₁₂；测量的V₁值会随着杂散电流大小而进行相对变化。当腐蚀的程度变大时，V₁值也将变大。

图2 杂散电流的测量

图3 装置系统框图

2）装置系统框图及描述（见图3）

图3中的说明：(www.daowen.com)

通信1：用来与后台控制中心进行联系并实时的传送数据；

通信2：通信口，可以用来把定期监测土壤的酸碱度传给装置，然后由装置统一上传后台；

MCU单元：是把采集的数据进行集中处理、远传；

温湿度监测：用来测量环境的温度和湿度，目的是分析温湿度对腐蚀的影响；

杂散电流采集：采集杂散电流；

人机界面：和装置进行操作显示对话。

3）装置功能系统描述

首先对两个外部环境参量进行描述。土壤酸碱度测量目的，是为了测量不同区域地段的土壤酸碱度对不同区域段的埋地金属物腐蚀程度做对比分析，方便尽早地判断本区域段是否进行维修；环境温湿度测量意义在于，温度高、湿度大都会加速杂散电流对埋地金属物的腐蚀。

装置把监测到的环境的温湿度、杂散电流的信号、定期的土壤酸碱度监测信息、统一打包给后台的数据监控中心的软件进行数据分析做出决策进行改善。数据中心的分析软件把不同时间段、不同监测点的杂散电流信号、土壤的酸碱度、环境温湿度信号进行历史曲线的描绘。当土壤的酸碱度高，环境温湿度大时，这些外在的因素必然加速杂散电流对埋地金属物的腐蚀，这样就方便我们能定位出某个区域段杂散电流危害更大，做进一步的改善、维护、更新措施。

4）硬件描述

通信1：采用完全隔离型RS485物理通信链路。它的特点是，传输距离远、抗干扰性墙、技术成熟、多机总线、普遍适用。

通信2：采用RS232/RS485两种可先模式。因为轨道巡检人员定期对检测点的土壤酸碱度进行测量后传送给装置。RS232适合点对点、近距离通信模式；RS485具有通用性强特点，完全能满足客户需求。

MCU单元：采用ST公司CORTEX-M3芯片的处理器。这款处理器处理速度快（等同于ARM7核）、接口丰富、抗干扰性强、可以做到低功耗、集成12BIT的ADC模数转换处理模块。

环境温湿度：采用DALLS的DS18B20一总线数字型温度传感器进行实时温度检测，它的温度测量范围为-40～+150℃；湿度采用HS1101电容式湿度传感器，线性度较高，平均灵敏度（33％～75％RH）ΔC/％RH 0.34 pF/％RH。

人机界面：采用4个按键进行设置查询命令输入；用128×64的点阵型LCD进行参数显示。

杂散电流采集（见图4）：由于信号要被MCU自带的ADC采集，需要把不失真的信号进行放大和缩小以及把负信号偏移为正，所以要把信号进行正向1.5V电压偏移，这样才能使ADC采集到的信号不失真。

图4 杂散电流采集框图

4.适用范围

基于杂散电流监测技术的轨道交通安全监测设备，是一套在线监测设备，不需要维修人员每天的巡检测量，只需要控制中心分析数据。偶尔在定期维护时同时巡查一下。这套设备目前适用于城市地铁，以及城际高铁等高速轨道交通行业。

5.结束语

随着社会发展，城市化的快速建设，快速的轨道交通是城市化建设的纽带，那么轨道交通的安全也越来越重要。杂散电流的监测和防治更加的受到重视，目前杂散电流的监测和防治还没有找到更为有效、简单的方法，就更需要更多的科学家、工程师、技术人员、高科技公司加入这个行业，为轨道交通行业的安全研究提供有效的保障。

（作者：珠海派诺科技股份有限公司 李顺新）