基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護裝置及方法，包括可控直流電壓源，用于降低電纜外表金屬層電位；電壓傳感器，用于監測地鐵軌道與排流網電壓；電壓控制單元，用于接收電壓傳感器的電壓信號，將其轉換為控制信號，對直流電壓源的電壓進行控制；固著及防震單元，用于整個裝置的固定及防震。本發明的雜散電流防護裝置，可實現對埋地金屬雜散電流的抑制，降低電化學腐蝕對埋地金屬的腐蝕，不僅適用于隨地鐵軌道敷設的電纜外金屬層保護，同樣適用于其他直流系統附近的埋地金屬的保護。
【專利說明】基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護裝置及方法
[0001]
技術領域
[0002]本發明涉及一種高壓電纜外表雜散電流防護裝置，屬于高電壓電纜接地領域。
[0003]
【背景技術】
[0004]隨著城市的快速發展以及對景觀要求的不斷提高，城市地下空間已逐漸成為地上空間的延伸，地下空間資源凸顯寶貴。利用市政公用隧道敷設高壓電纜在世界范圍內已經被廣泛采用，隨著隧道設計和施工工藝水平的提高，尤其近年來以地鐵為代表的城市交通大規模規劃建設，利用地鐵富余空間敷設高壓電纜高壓具有廣闊的發展前景。
[0005]埋地金屬管道以及地下高壓電纜的附近存在直流供電系統時極易在金屬管道和電纜的表層產生雜散電流。隨地鐵軌道敷設的高壓電纜外表為一層導電金屬，由于敷設于直流系統附近，電纜外表導電層中也會產生雜散電流。雜散電流進入金屬管道的地方帶負電，這一區域稱為陰極區，處于陰極區的金屬層一般不會受到腐蝕。當雜散電流經金屬層流出至變電所時，此處金屬層道帶正電，成為陽極區，金屬以離子的形式溶于周圍介質中而造成金屬體的電化學腐蝕。
[0006]在地鐵軌道的雜散電流防護方面，國內外開展了大量研究，并有了一些成熟的防護方法，如利用混凝土填充層的鋼筋結構形成排流網對雜散電流進行分流，提高走行軌與地之間絕緣以減小雜散電流等。但目前國內外對于隨地鐵軌道敷設的高壓電纜的研究較少，工程實例也非常罕有。因地鐵直流驅動系統中的電流而在電纜外表金屬層中產生的雜散電流的防護方法研究也基本屬于空白。地鐵雜散電流對埋地金屬層形成電化學腐蝕十分嚴重，雜散電流腐蝕是外部電源泄漏電流作用的結果。雜散電流數值較大，引發腐蝕的速度較快，經常遭受雜散電流腐蝕的管線幾個月便會穿孔。雜散電流腐蝕為電解腐蝕，電位可達數V，電流最大可能上百mA。另外雜散電流干擾腐蝕分布不均勻，會造成較激烈的局部腐蝕。腐蝕速度比自然腐蝕快10?100倍。因此，研究出一種能夠防護和減小隨地鐵隧道共同敷設的高壓電纜外表金屬層中雜散電流、降低其對電纜外表腐蝕危害的方法具有非常突出的工程應用價值。
[0007]
【發明內容】
[0008]技術問題:本發明提供一種降低地鐵直流驅動系統經地鐵地下電阻網絡在電纜外表產生的雜散電流大小，降低雜散電流引起的電化學腐蝕對電纜危害的基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護裝置，能夠確保隨地鐵軌道敷設的高壓電纜的長期安全穩定運行。本發明同時提供一種基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護方法。
技術方案:本發明的基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護裝置，包括依次連接的電壓傳感器、電壓控制單元、可控直流電壓源，所述電壓控制單元包括依次連接的A/D轉換模塊、控制信號模塊，以及與所述A/D轉換模塊、控制信號模塊連接的供電模塊，所述A/D轉換模塊的數字信號輸出端與電壓傳感器的信號輸出端連接，所述控制控制模塊的控制信號輸出端與可控直流電壓源連接。
[0009]進一步的，本發明裝置中，所述可控直流電壓源用于連接電纜外表金屬層，并施加直流電壓使電纜外表金屬層電位降低;所述電壓傳感器，用于監測地鐵軌道和電纜外表的電位;所述電壓控制單元，用于根據接收的電壓傳感器的電位信號，對直流電壓源的電壓進行控制。
[0010]進一步的，本發明裝置中，所述電壓控制單元中，A/D轉換模塊用于將接收的電壓傳感器的模擬電位信號轉換為數字信號，輸入到控制信號模塊;所述控制信號模塊用以根據地鐵軌道和電纜外表的電位差，控制直流電壓源輸出直流電壓;所述供電模塊用于分別為A/D轉換模塊和控制信號模塊提供工作電源。
[0011]本發明的基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護方法，包括以下步驟:
1)首先將電壓傳感器與地鐵軌道和電纜外表相連接，監測地鐵軌道和電纜外表電位；
2)電壓傳感器將采集到的數據傳輸到電壓控制單元的A/D轉換模塊，轉換為數字信號后發送給控制信號模塊；
3)控制信號模塊比較地鐵軌道電位和電纜外表電位，實時控制直流電壓源輸出直流電壓:若地鐵軌道電位低于電纜外表電位，則控制信號模塊向可控直流電壓源輸出一個降壓控制信號，否則，控制信號模塊不動作；
可控直流電壓源根據接收到的降壓控制信號向電纜外表施加直流電壓，用于降低電纜外表電位。
[0012]進一步的，本發明方法中，所述步驟3)中，可控直流電壓源以2V為一個檔位，每接收到一次降壓信號時，就輸出比上一次低2V的直流電壓輸出。
[0013]有益效果:本發明與現有技術相比，具有以下優點:
通過主動降低電纜外表電位，能夠有效降低電纜外表金屬層流出的陽極雜散電流，降低電化學腐蝕對電纜金屬層的損壞；同時，該裝置相對于傳統的加強絕緣的方法實施更加簡單、成本更低且不會受到絕緣老化等因素的影響。采用獨特的降低自身電位使自身處于陰極，從而減少從金屬層流出的陽極電流，達到保護自身防止電化學腐蝕的效果。采用可控電壓源調節電位，根據地鐵不同運行工況調整電位，達到最佳防護效果。采用可控電壓源降低電纜外表電位，能夠根據地鐵不同運行情況改變電纜外表電位，可控性更強，對雜散電流的抑制效果更佳。外加電壓僅使電纜外表電位降低數個伏特，對電纜本身正常運行沒有影響。考慮到之所以在地鐵軌道兩端處電纜外表導電層有雜散電流流出，原因在于軌道兩端處電纜表面的電位高于地鐵軌道電位。因此，在控制信號模塊中將分別從地鐵軌道和電纜外表采集的信號進行比較控制，若軌道電位低于電纜外表電位，則電壓控制單元輸出一個降壓控制信號到可控直流電壓源，可控直流電壓源與電纜外表相連，用于降低電纜外表電位。電壓傳感器繼續監測地鐵軌道和電纜外表電位，并重復上述控制的步驟，對電纜外表電壓和地鐵軌道形成一個閉環控制，直至電纜外表電壓低于地鐵軌道電壓，此時電纜外表導電層不再有雜散電流流出，從而對電纜起到的良好的保護作用。
[0014]現有的城市軌道雜散電流防護技術一般為加強絕緣和設置排流網兩種，此兩類方法主要針對的是軌道上雜散電流的分布，而對于隨地鐵軌道共同敷設的電纜表面的雜散電流則缺乏考慮。根據對城市軌道交通及與之共同敷設的電纜的數學仿真分析計算結果，采用增強絕緣的方法高壓電纜與大地、地鐵軌道及排流網的絕緣增加I倍時，電纜表面雜散電流僅減小25%。增強絕緣的方案施工復雜且成本較高，效果不夠顯著。
[0015]數學仿真計算對安裝排列網前后高壓電纜表面的雜散電流顯示，排流網能顯著降低電纜表面的雜散電流，安裝排流網后電纜表面雜散電流為安裝前的50%左右。但排流網對于雜散電流的抑制作用有一定限制，無法進一步降低雜散電流的大小;且目前的城市軌道交通系統一般均會安裝排流網。
[0016]本發明的主動降低電纜外表電位的雜散電流防護方法相比于傳統的加強絕緣的方法，主動減低電位的防護方法只需要若干直流電壓源，實施更加簡單、成本更低，且防護效果持續性強，不會受到絕緣下降的影響。之所以在地鐵軌道兩端處電纜外表導電層有雜散電流流出，原因在于軌道兩端處電纜表面的電位高于地鐵軌道電位，通過直流電壓源主動降低電纜表面電位，可以有效抑制雜散電流的流出。數學仿真計算顯示本發明提出的雜散電流防護方法能夠將雜散電流降低到原來的10%以下，相比現有技術防護效果更加顯著。且該方法施加的外加電壓僅使電纜外表電位降低數個伏特，對電纜本身正常運行沒有影響。
[0017]
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明裝置示意圖。
[0019]
【具體實施方式】
[0020]下面結合實施例和說明書附圖對本發明作進一步的說明。
[0021]本發明提出的基于主動降低電位的隨地鐵隧道共同敷設的高壓電纜外表雜散電流的防護裝置，其結構如圖1所示，包括:
可控直流電壓源，用于連接于電纜外表金屬層，使電纜外表金屬層電位降低；
電壓傳感器，用于監測地鐵軌道與排流網電壓；
電壓控制單元，用于接收電壓傳感器的電壓信號，將其轉換為控制信號，對可控直流電壓源的電壓進行控制；
固著及防震單元，用于整個裝置的固定及防震。
[0022]上述電壓控制單元包括:
A/D轉換模塊，用于對傳感器監測電壓進行A/D轉換，得到數字信號，輸入到控制信號模塊；
控制信號模塊，根據一定算法，將輸入的數字信號轉換為所需的調壓控制信號輸出至可控直流電壓源，調節電壓源的輸出電壓；
供電模塊，用于分別為A/D轉換模塊和控制信號模塊提供工作電源，所述的供電模塊分別與A/D轉換模塊和控制信號模塊相連。
[0023]
本發明的隨地鐵隧道共同敷設的電纜外表雜散電流的防護裝置，可以對隨地鐵軌道敷設的電纜外表金屬層陽極雜散電流進行抑制，能夠有效降低從金屬層流出的雜散電流90%以上，有效降低電化學反應對埋地金屬的腐蝕。本發明的基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護裝置，包括依次連接的電壓傳感器、電壓控制單元、可控直流電壓源。首先將電壓傳感器與地鐵軌道和電纜外表相連接，監測地鐵軌道和電纜外表電位；電壓傳感器將采集到的數據傳輸到電壓控制單元的A/D轉換模塊，轉換為數字信號后發送給控制信號模塊；控制信號模塊比較地鐵軌道電位和電纜外表電位，實時控制直流電壓源輸出直流電壓:若地鐵軌道電位低于電纜外表電位，則控制信號模塊向可控直流電壓源輸出一個降壓控制信號，否則，控制信號模塊不動作;可控直流電壓源根據接收到的降壓控制信號向電纜外表施加直流電壓，用于降低電纜外表電位，可控電壓源以每2V為一檔進行降壓調節，從而抑制雜散電流的流出。可控電壓系統能夠根據地鐵不同運行情況對電纜金屬層電位進行調節，一方面避免因地鐵運行工況的不同造成電纜金屬層的電位過高或過低，保護效果不佳;另一方面可有效節約直流電壓源的輸出，令設備更加經久耐用，可長期免維護運行。
[0024]
上述實施例僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發明權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，均落入本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護裝置，其特征在于，該保護裝置包括依次連接的電壓傳感器、電壓控制單元、可控直流電壓源，所述電壓控制單元包括依次連接的A/D轉換模塊、控制信號模塊，以及與所述A/D轉換模塊、控制信號模塊連接的供電模塊，所述A/D轉換模塊的數字信號輸出端與電壓傳感器的信號輸出端連接，所述控制控制模塊的控制信號輸出端與可控直流電壓源連接。2.如權利要求1所述的基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護裝置，其特征在于，所述可控直流電壓源用于連接電纜外表金屬層，并施加直流電壓使電纜外表金屬層電位降低;所述電壓傳感器，用于監測地鐵軌道和電纜外表的電位;所述電壓控制單元，用于根據接收的電壓傳感器的電位信號，對直流電壓源的電壓進行控制。3.如權利要求1或2所述的基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護裝置，其特征在于，所述電壓控制單元中，A/D轉換模塊用于將接收的電壓傳感器的模擬電位信號轉換為數字信號，輸入到控制信號模塊； 所述控制信號模塊用以根據地鐵軌道和電纜外表的電位差，控制直流電壓源輸出直流電壓； 所述供電模塊用于分別為A/D轉換模塊和控制信號模塊提供工作電源。4.一種基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)首先將電壓傳感器與地鐵軌道和電纜外表相連接，監測地鐵軌道和電纜外表電位； 2)電壓傳感器將采集到的數據傳輸到電壓控制單元的A/D轉換模塊，轉換為數字信號后發送給控制信號模塊； 3)控制信號模塊比較地鐵軌道電位和電纜外表電位，實時控制直流電壓源輸出直流電壓:若地鐵軌道電位低于電纜外表電位，則控制信號模塊向可控直流電壓源輸出一個降壓控制信號，否則，控制信號模塊不動作； 可控直流電壓源根據接收到的降壓控制信號向電纜外表施加直流電壓，用于降低電纜外表電位。5.根據權利要求4所述的基于主動降低電位的電纜外表雜散電流防護方法，其特征在于，所述步驟3)中，可控直流電壓源以2V為一個檔位，每接收到一次降壓信號時，就輸出比上一次低2V的直流電壓輸出。
【文檔編號】H02H7/22GK106026037SQ201610072289
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年2月2日
【發明人】李晨, 李雪, 饒瑩, 王自楨, 賈振宏, 張瑞永, 吳述關, 儀濤, 黃磊, 李振, 蔡彬彬, 裴麗君
【申請人】江蘇省電力公司南京供電公司, 中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司, 東南大學, 國網江蘇省電力公司, 國家電網公司