一种地铁钢轨对地局部绝缘损坏点定位方法及系统与流程

1.本发明属于地铁杂散电流腐蚀防护领域，尤其涉及一种地铁钢轨对地局部绝缘损坏点定位方法及系统。


背景技术：

2.现有地铁多采用钢轨进行回流，当轨道与大地之间无法做到完全绝缘，于是就会有部分牵引电流经过钢轨流向大地，这就是杂散电流。地铁杂散电流会对地铁沿线的金属管道、隧道结构钢筋等产生电化学腐蚀。当轨道和大地之间发生了绝缘损坏，产生的杂散电流就会大大增加，造成的危害和损失也会更大。因此确定杂散电流的钢轨对地局部绝缘损坏点可以从根源上大大减少杂散电流的产生，从而有力抑制杂散电流对地铁沿线金属管道和钢筋结构的腐蚀。
3.现有技术中通过测量钢轨对地之间的过渡电阻来表征是否会产生杂散电流。然而通过测量过渡电阻只能反映区段间的钢轨对地之间的绝缘性好坏与否、只能把地铁钢轨对地局部绝缘损坏点定位在数百米乃至上千米范围内的区段内，并不能实时反映地铁轨道局部的对地绝缘性能，即通过测量过渡电阻不能对钢轨对地局部绝缘损坏点进行精确定位、无法实时进行在线测量。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种地铁钢轨对地局部绝缘损坏点定位方法及系统，根据在钢轨对地局部绝缘损坏点处的钢轨电流会发生突变这一物理现象可以实现在线测量数据、对钢轨对地局部绝缘损坏点快速准确实时定位；由此可借助列车对地铁沿线全线快速检测，实现地铁钢轨对地局部绝缘损坏点快速定位。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种地铁钢轨对地局部绝缘损坏点定位方法，包括以下步骤：步骤1：在地铁列车上安装钢轨回流突变信号检测装置和钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置；其中，所述钢轨回流突变信号检测装置包括一用于检测钢轨回流突变信号的磁通门传感器和数据采集处理单元；所述磁通门传感器位于所述地铁列车的底部且横跨所述钢轨；所述数据采集处理单元采集磁通门传感器的输出电压模拟信号并转换为数字信号，之后将输出电压数字信号与预设的阈值进行比较，以判断钢轨回流是否发生突变；所述钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置实施记录列车的运行时间，当钢轨回流发生突变时，钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置接收数据采集处理单元发出的报警信号，之后计算绝缘损坏点与变电所之间距离x；步骤2：列车在距离变电站处开始运行，并将处作为起始点；起始点对应零时刻；在零时刻钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置的计时模块开始计时、钢轨回流突变信号
检测装置的数据采集处理单元开启以采集磁通门传感器的感应电压输出信号；步骤3：数据采集处理单元采集磁通门传感器的输出电压模拟信号并转换为数字信号，之后将输出电压数字信号与预设的阈值进行比较，以判断钢轨回流是否发生突变；若钢轨回流发生突变，则执行步骤4；步骤4：数据采集处理单元发出报警信号至钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置的计时模块，计时模块将接收到定位报警信号对应的时刻值t传输给钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置的定位报警模块，并继续计时；步骤5：获取局部绝缘损坏点p与变电所之间距离x：定位报警模块根据接收到定位报警信号的时刻t、列车运行速度，依据公式对钢轨对地局部绝缘损坏点的位置进行计算；钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置中的显示屏对每次计算出的数值依次进行显示。
5.优选地，所述磁通门传感器包括磁芯单元，所述磁芯单元横跨所述钢轨关于所述钢轨对称设置，所述磁芯单元上设置激励线圈和感应线圈；所述激励线圈反向串联，感应线圈为同向串联；所述磁芯单元包括结构相同的左磁芯和右磁芯；所述左磁芯包括圆柱段、设置于圆柱段两端的圆弧段；所述圆弧段朝向所述钢轨的外侧凸起；其中一所述圆弧段用于将局部绝缘损坏点前侧的磁磁感线引入至圆柱段，另一所述圆弧段用于将局部绝缘损坏点后侧的磁磁感线引入至圆柱段；所述圆柱段平行于所述钢轨并位于所述钢轨的正上方，两处的磁磁感线在所述圆柱段叠加。
6.优选地，步骤3中，若钢轨回流突变信号检测装置输出的感应电压信号大于所述阈值，则钢轨回流发生突变。
7.优选地，步骤3中阈值的设定步骤为：在新建地铁线路中应用钢轨回流突变信号检测装置和钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置，将在新建地铁线路中采集的感应电压信号的最大值作为阈值。
8.优选地，钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置安装于列车司机室。
9.优选地，所述数据采集处理单元包括数据采集模块、数据处理模块和光纤通信模块；所述数据采集模块采集磁通门传感器输出的电压模拟信号；所述数据处理模块将获取的模拟信号转换为数字信号，并将其与数据处理模块预设的阈值进行比较，以判断钢轨回流是否发生突变；所述光纤通信模块用于接收数据处理模块的信号并发出报警信号至钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置。
10.一种地铁钢轨对地局部绝缘损坏点定位系统，包括：钢轨，包括供地铁列车行走的上段、与所述上段连接并与地面接触的下段；钢轨回流突变信号检测装置，包括用于检测钢轨回流突变信号的磁通门传感器和数据采集处理单元；所述磁通门传感器位于地铁列车的底部且横跨所述钢轨；所述数据采集处理单元包括数据采集模块、数据处理模块和第一光纤通信模块；所述数据采集模块采集磁通门传感器输出的电压模拟信号；所述数据处理模块将获取的模拟信号转换为数字信号，并将其与数据处理模块预设的阈值进行比较，以判断钢轨回流是否发生突变；所述第一光纤通信模块用于接收数据处理模块的信号并发出报警信号至钢轨对地局部绝缘损坏点
定位装置；钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置，包括依次信号连接的第二光纤通信模块、计时模块和定位报警模块；所述第二光纤通信模块信号连通所述第一光纤通信模块和计时模块；所述计时模块将接收到定位报警信号对应的时刻值t传输给钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置的定位报警模块，并继续计时；定位报警模块根据接收到定位报警信号的时刻t和列车运行速度，依据公式对钢轨对地局部绝缘损坏点的位置进行计算。
11.与现有技术相比，本发明的优点为：（1）利用安装于列车底部的钢轨回流突变信号检测装置和安装与司机室的钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置，在列车正常运行的情况下即可对地铁钢轨对地局部绝缘损坏点进行定位。具体的，由于局部绝缘损坏点处发生电流流向大地现象，因此局部绝缘损坏点处的前侧区域和后侧区域的电流大小就会不同，根据电生磁原理，在局部绝缘损坏点两侧的电流会产生绕钢轨的大小不同的磁场，若钢轨回流发生突变，则在磁通门传感器的平行于钢轨的磁芯部分中就会有一个磁场强度差，在外加正弦激励信号的作用下，磁通门传感器的感应线圈部分就会输出一个与该磁场强度差成比例的感应电压信号，由此便可检测出钢轨回流突变信号，从而准确定位出钢轨对地局部绝缘损坏点的位置。
12.（2）相对于过渡电阻测量方法而言，可实现钢轨对地之间的绝缘损坏点进行局部定位。
13.（3）可以直接测量钢轨回流突变信号，而不必先测量钢轨回流的大小再确定回流是否发生了突变。
14.（4）能够为后续从源头减少杂散电流提供相对精确的钢轨对地局部绝缘损坏点位置，有效减轻和抑制了杂散电流对埋地金属管道等的电化学腐蚀。
附图说明
15.图1为本发明一实施例的地铁钢轨对地局部绝缘损坏点定位方法示意图；图2为磁通门传感器检测钢轨回流突变的结构示意图；图3为图2后视图；图4为图3中磁通门传感器的构造示意图；图5是利用磁通门传感器检测钢轨回流突变的原理图。
16.其中，1-变电站，2-地铁列车，3-钢轨回流突变信号检测装置，31-激励线圈，32-感应线圈，4-钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置，5-钢轨，51-上段。
具体实施方式
17.下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
18.如图1~5所示，一种地铁钢轨对地局部绝缘损坏点定位方法，基于一定位系统，包
括步骤1~5。
19.定位系统包括钢轨5、钢轨回流突变信号检测装置和钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4。
20.钢轨5，为现有技术，包括供地铁列车行走的上段51、与上段51连接并与地面接触的下段。
21.钢轨回流突变信号检测装置3，包括用于检测钢轨回流突变信号的磁通门传感器和数据采集处理单元；磁通门传感器位于地铁列车的底部且横跨钢轨，从而便于更加精确的检测钢轨回流突变信号。
22.具体的，磁通门传感器包括由坡莫合金制成的磁芯单元，磁芯单元横跨钢轨关于钢轨对称设置，磁芯单元上设置激励线圈31和感应线圈32；激励线圈31反向串联，感应线圈32为同向串联。
23.磁芯单元，如图3~4所示，包括结构相同的左磁芯和右磁芯；左磁芯包括圆柱段、设置于圆柱段两端的圆弧段；圆弧段朝向钢轨的外侧凸起；其中一圆弧段用于将局部绝缘损坏点前侧的磁磁感线引入至圆柱段，另一圆弧段用于将局部绝缘损坏点后侧的磁磁感线引入至圆柱段；圆柱段沿钢轨的长度方向平行于钢轨并位于钢轨的正上方，两处的磁磁感线在圆柱段叠加。在磁通门传感器检测钢轨回流突变信号的过程中，对激励线圈31施加一个角频率为ω的正弦激励信号，则感应线圈32输出的就是钢轨回流突变导致的感应电压信号。其中，图3中，以列车的运行方向为前。
24.数据采集处理单元采集磁通门传感器的输出电压模拟信号并转换为数字信号，之后将输出电压数字信号与预设的阈值进行比较，以判断钢轨回流是否发生突变。具体的，数据采集处理单元包括数据采集模块、数据处理模块和第一光纤通信模块；数据采集模块采集磁通门传感器输出的电压模拟信号；数据处理模块将获取的模拟信号转换为数字信号，并将其与数据处理模块预设的阈值进行比较，以判断钢轨回流是否发生突变；第一光纤通信模块用于接收数据处理模块的信号并发出报警信号至钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4。
25.钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4，安装在列车司机室，实时记录列车的运行时间，当钢轨回流发生突变时，钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4接收数据采集处理单元发出的报警信号，之后计算局部绝缘损坏点与变电所1之间距离x。具体的，钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4包括依次信号连接的第二光纤通信模块、计时模块和定位报警模块；第二光纤通信模块信号连通第一光纤通信模块和计时模块；计时模块将接收到定位报警信号对应的时刻值t传输给钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4的定位报警模块，并继续计时；定位报警模块根据接收到定位报警信号的时刻t和列车运行速度，依据公式对钢轨对地局部绝缘损坏点的位置进行计算。
26.该地铁钢轨对地局部绝缘损坏点定位方法具体如下：步骤1：在地铁列车上安装钢轨回流突变信号检测装置3和钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4。
27.步骤2：令地铁列车2（列车）检测回流轨道（钢轨5）在距离变电站处开始向变电
站1运行，并将处作为起始点并开始计时；起始点对应零时刻；在零时刻钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4的计时模块开始计时、钢轨回流突变信号检测装置3的数据采集模块开启以采集磁通门传感器的感应电压输出信号。
28.如图5所示为磁通门传感器检测钢轨回流突变信号原理图。
29.由于钢轨回流在钢轨对地局部绝缘损坏点会发生突变，即局部绝缘损坏点处发生电流（i3）流向大地现象，故而在钢轨对地局部绝缘损坏点前后两侧的电流大小就会不同。根据电生磁原理，在局部绝缘损坏点两侧的电流会产生绕钢轨的大小不同的磁场，这里假设(反之不影响磁通门传感器的性能)，于是会有。当磁通门传感器位于钢轨对地局部绝缘损坏点上方时，在局部绝缘损坏点两侧的磁感线就会沿着磁阻很小的磁芯通路（左铁芯或右铁芯）。如图5所示，当p点位于钢轨右侧时，p点前侧的磁感线（i2产生的磁感线）由前方的圆弧段进入与钢轨平行的右铁芯的磁芯部分（圆柱段），同时p点后侧的磁感线（i1产生的磁感线）由后方的圆弧段进入与钢轨平行的右铁芯的磁芯部分（圆柱段），之后两处磁感线在与钢轨平行的右铁芯的磁芯部分（圆柱段）相互叠加。在本实施例中，沿列车的运行方向，靠近变电站的方向为前方向。
30.由附图5可知在与钢轨平行的磁芯部分，和方向相反，这里假设和叠加后的磁场强度为。由于局部绝缘损坏点两侧的由钢轨回流产生的磁场强度大小不等，且借助于磁通门传感器使二者在平行于钢轨方向的磁芯内方向相反地相互叠加，于是在磁芯内的待检测环境磁场就是上述二者叠加之后的磁场。故而，若钢轨回流发生突变，则在磁通门传感器的平行于钢轨的磁芯部分中就会有一个磁场强度差，在外加正弦激励信号的作用下，磁通门传感器的感应线圈32部分就会输出一个与该磁场强度差成比例的感应电压信号，由此便可检测出钢轨回流突变信号，从而准确定位出钢轨对地局部绝缘损坏点的位置。当钢轨回流没有发生突变时，由可知与大小相等，则和在与钢轨平行的磁芯部分叠加后的结果为=0，即待测环境磁场强度为0。此时激励线圈31部分施加的角频率为的正弦电压，在一个磁芯产生的磁感应强度,于是在该磁芯上的感应线圈32产生的感应电压为 ；在另一个磁芯产生的磁感应强度；相应的在该磁芯上的感应线圈32产生的感应电压为，于是感应线圈32输出电压为。
31.当钢轨回流发生突变时，不妨假设 , 则有》 ，则和在与钢轨平行的磁芯部分叠加后的结果为不为0，即待测环境磁场强度不为0，该待测环境磁场强度即为待测钢轨回流突变信号。此时激励线圈31部分施加的角频率为的正弦电压在上半部分磁芯产生的磁感应强度,待测环境磁场强度(突变信号)为，则一个磁芯内的总磁感应强度为，于是在该磁芯上的感应线圈32产生的感应电压为。相应地，另一个磁芯内的总磁感应强度为，于是在该磁芯上的感应线圈32产生的感应电压为。故而，当钢轨回流有突变时，磁通门传感器的感应线圈32输出电压为。
32.当激励磁场强度幅值大于磁芯饱和磁场强度时，磁芯的磁导率周期性的处于线性区和非线性区，此时磁导率是一个随磁场强度大小变化而变化的变量。因此当采用角频率为的有极性激励磁场激励磁芯线圈时，可把磁导率看成是一个角频率为2的周期信号，且属于偶函数。利用傅里叶级数对变化的磁导率信号展开则有：，其中为直流分量。
33.于是当钢轨回流发生突变时，磁通门传感器的感应线圈32输出电压为，即磁通门的输出信号是只含有偶次谐波的交流信号，而且与被测量环境磁场 (钢轨回流突变信号)成正比。
34.以上，磁导率；为感应线圈32匝数；为磁芯面积；为被测环境磁场强度，即钢轨回流突变信号；为激励磁场角频率；和分别为钢轨对地局部绝缘损坏点两侧的磁场强度，-即为钢轨回流突变信号；是傅里叶级数开式各谐波分量的幅值；为表示谐波分量，详见高等数学傅里叶级数。
35.步骤3：数据采集处理单元采集磁通门传感器的输出电压模拟信号并转换为数字信号，之后将输出电压数字信号与预设的阈值进行比较，以判断钢轨回流是否发生突变；若钢轨回流发生突变，则执行步骤4。
36.其中，钢轨回流突变信号检测装置3的数据采集模块以一定的频率（如可设置为1000hz）连续采集磁通门传感器的感应线圈32输出的感应电压信号。如果磁通门传感器输出的感应电压信号对应的数字量大于设定的阈值，则说明钢轨回流发生了突变。例如可以设置阈值为1v，若感应线圈32输出的感应电压经过数据采集和处理之后小于1v，则认为钢轨回流没有发生突变，即钢轨没有发生局部绝缘损坏。反之则认为钢轨发生了局部绝缘损坏。
37.阈值的设定步骤为：在新建地铁线路应用该定位方法后（新建地铁线路一般无钢轨对地局部绝缘损坏点），测得钢轨回流突变信号检测装置3的输出值最大为1v，则可以设置阈值为1v。当在其他待测线路上应用该方法检测钢轨对地局部绝缘损坏点时，若钢轨回流突变信号检测装置3的输出值小于1v，则认为钢轨回流没有发生突变，即钢轨没有发生局部绝缘损坏。反之则认为钢轨发生了局部绝缘损坏；感应电压信号数值越大，钢轨对地局部绝缘损坏越严重。
38.假设附图5中列车行驶到了局部绝缘损坏点p，且p点处于钢轨回流突变信号检测装置的磁通门传感器的环形磁芯之间。若阈值设置合理，则此时测得的由钢轨回流突变引起的磁通门输出感应电压就会大于该阈值，后续便可以由局部绝缘损坏点定位装置4确定p点的位置。此处阈值的设定应以工程实践数据为基准来确定，当无工程实践数据可用时，应先以仿真模拟数据为准，并随着检测次数的增加不断向工程实践真实数据调整。若数据处理模块经过判断确定钢轨回流发生突变，则钢轨回流突变信号检测装置3的第一光纤通信模块向钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4的第二光纤通信模块发出定位报警信号。
39.步骤4：钢轨回流突变信号检测装置3的第一光纤通信模块发出报警信号至钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4的第二光纤通信模块、计时模块，计时模块将接收到定位报警信号对应的时刻值t传输给钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4的定位报警模块，并继续计时。即钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4接收到来自钢轨回流突变信号检测装置3的定位报警信号时，计时模块便确定定位装置接收到定位报警信号的时刻t。即若据处理模块确定有突变，则第一光纤模块发出一个光信号（定位报警信号）给第二光纤模块，第二光纤模块将光纤信号转换为一个电压脉冲信号，并将该电压脉冲信号传输给计时模块，计时模块在接收到脉冲信号的那一刻，就立即将对应的时刻信息传输给定位报警模块。
40.步骤5：获取局部绝缘损坏点p与变电所1之间距离x。
41.定位报警模块根据接收到定位报警信号的时刻t、列车运行速度，依据公式对钢轨对地局部绝缘损坏点的位置进行计算；钢轨对地局部绝缘损坏点定位装置4中的显示屏对每次计算出的数值依次进行显示。
42.其中，关于列车运行速度：速度是变量，这里只是一个速度的名称示意。工程上具体实施时，因速度变化无规律，可用累积求和代替积分。列车上都会有速度监测装置，地铁上常用的速度监测装置有脉冲速度传感器和加速度计，可以通过脉冲速度传感器和加
速度计获取列车运行速度。
43.例如，，，则根据上述公式就可以确定钢轨对地局部绝缘损坏点p距离变电所1的距离为x=2500m，如此对局部绝缘损坏点p快速定位之后，就可以在后续对该损坏点采取补救措施，从源头减少杂散电流的泄漏；显示屏对每次计算出的数值依次进行显示，该数值即为各钢轨对地局部绝缘损坏点距离变电所的位置。
44.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。