廣義直流陰極保護系統及其廣義直流恆電位儀的製作方法
2023-11-08 09:06:22 3
廣義直流陰極保護系統及其廣義直流恆電位儀的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種廣義直流陰極保護系統及其廣義直流恆電位儀，該廣義直流恆電位儀包括管地電位測量單元、控制器、可調直流電源和極性控制單元；極性控制單元可在控制器的控制下將可調直流電源輸出的直流電壓轉換成與幹擾管地電位的極性相反的直流電壓輸出。該系統包括若干上述的廣義直流恆電位儀每兩個廣義直流恆電位儀的兩個輸出端分別對應與一個壓氣站的進、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接，每兩個廣義直流恆電位儀的兩個接地端與廣義陽極地床相連，埋地金屬管道段與其相鄰的埋地金屬管道段之間電絕緣。本系統的廣義直流恆電位儀既可起到對外來雜散電流幹擾的抑制作用，還能變換直流極性以自適應消除任何極性的外來雜散電流幹擾。
【專利說明】廣義直流陰極保護系統及其廣義直流恆電位儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及埋地金屬管道的電化學腐蝕【技術領域】，尤其是涉及一種廣義直流陰極保護系統及其廣義直流恆電位儀。
【背景技術】
[0002]1928年被稱為美國「電化學之父」的羅伯特.J.柯恩(Kuhn)在紐奧良的一條長距離輸氣管道上安裝了第一套犧牲陽極保護裝置，從而為陰極保護的現代技術打下了基礎。目前，陰極保護技術在金屬管道腐蝕領域得到廣泛應用。對油氣長輸管道配備陰極保護系統是非常必要的，它是延長管道壽命、保證管道安全運行的基礎條件。目前，陰極保護技術主要有:犧牲陽極保護、直流恆電位儀和脈衝恆電位儀等三種保護，由於直流和脈衝恆電位儀具有對雜散電流幹擾的可控性，因而得到比犧牲陽極保護更廣泛的應用。
[0003]到目前為止，經典的油氣長輸管道的直流恆電位儀設計，無論是國外標準(例如，ANSI/NACE SP0607-2007/IS0 15589-2:2004(MOD), Petroleum and natural gasindustries - Cathodic protection of pipeline transportation systems - Part2: Offshore pipelines ；NACE RP 0100 — 2004 Cathodic protection of prestressedconcrete cylinder pipelines等),還是國內系列標準(例如，《埋地鋼質管道強制電流陰極保護設計規範》(SY/T 0036-2012)等)，均要求:電連續性，即被保護的管道必須具有良好的縱嚮導電的連續性且對於非焊接連接的管道接頭應增設金屬導線跨接。基於這種思想，自從有陰極保護技術以來，在國內外石油石化工業上，工程師們就自然而然地按照管道「電連續」規則配置油氣長輸管道的陰極保護系統，如果對一段管道進行保護設計，將直流恆電位儀放置在其中間，可以保護其安裝點兩側一定範圍的管道，這樣，就使得幾乎所有主管道都是整條電連續管道。世界著名管道(例如，美國的阿拉斯加管道、芬蘭油氣管道、俄羅斯油氣管道、中俄油氣管道、中國的西氣東輸管道一線、二線和三線天然氣管道等)都是整條「電連續」管道，其抽象的管道連接和管地電位示意圖如圖1所示。每個陰極保護場站(包括壓氣站等)均安裝一套直流恆電位儀，由於需要用一套直流恆電位儀同時保護安裝點兩側管道，所以，每個陰極保護場站進出管道均安裝電絕緣法蘭(對管道和壓氣站進行電隔離)且靠近管道側的電絕緣法蘭需通過金屬導線跨接並連接到直流恆電位儀的陰極。因此，整條管道是電連續的。其中，Vd為幹擾管地電位，P/S為保護管地電位，IJ表示電絕緣法蘭，L表示管道。
[0004]上述這種整條管道是電連續的管道保護配置方法的優點在於:所設計的直流恆電位儀簡單且易於配置。在早期管道建設中，由於沒有外來雜散電流幹擾或者外來雜散電流幹擾較少，這種管道保護配置方法應該是較佳配置方案。但是，近些年來，由於管道長度的迅猛增加，能源和交通工業的迅速發展，加之基礎空間建設限制，油氣管道和高壓輸電線及電氣化地鐵等公共設施必須同走廊建設，另外，由於太陽黑子等現象，空間天氣對管道的影響也日趨引起人們足夠的重視。目前研究發現，由空間天氣、電氣化地鐵、高壓輸電線等引起的外來雜散電流幹擾對油氣管道的影響最大，這對陰極保護的直流恆電位儀是一個嚴峻的挑戰。有鑑於此，本申請的發明人在國家自然科學基金項目(項目批准號:51071176，項目名稱:混沌地磁感應電流對埋地油氣管道影響與對策研究)的資助下對空間天氣、電氣化地鐵、高壓輸電線等引起的外來雜散電流幹擾進行了研究，並取得了一些進展。
[0005] 申請人:對直流恆電位儀可能受到的空間天氣雜散電流幹擾、交流輸電線雜散電流幹擾、電氣化鐵路等雜散電流幹擾等進行研究分析發現有以下幾種典型雜散電流幹擾形態特徵:
[0006](I)對稱性雜散電流幹擾:如圖2a的直流恆電位儀安裝點A和B、圖2d的直流恆電位儀安裝點C受到的雜散電流幹擾等；
[0007](2)斜對稱雜散電流幹擾:如圖2a的直流恆電位儀安裝點C、如圖2b的直流恆電位儀安裝點C、如圖2c的直流恆電位儀安裝點C受到的雜散電流幹擾等；
[0008](3)不對稱雜散電流幹擾:如圖1的直流恆電位儀2安裝點和圖2c的直流恆電位儀安裝點A和B受到的雜散電流幹擾等。
[0009]對長輸管道配製的直流恆電位儀對對稱性、斜對稱性和非對稱性雜散電流幹擾的抑制效果分析如下:
[0010](I)電連續管道過長的「負面」累積效應
[0011]當空間天氣有磁暴發生時或有外來交直流雜散電流幹擾時，由於整條管道的累積效應，雜散電流幹擾管地電位(以下簡稱幹擾管地電位)會隨著管道長度的增加而累積增加。整條管道的雜散電流幹擾信號相互疊加「耦合」，使一段電連續管道的幹擾管地電位Vd分布如圖1所示，兩端電壓極性相反，幅值最大且接近相等。與管道中間相比，整條管道存在電連續性的「負面」累積效`應，儘管雜散電流幹擾分布均勻，但由於電連續性而使靠近管道兩端的累加幹擾管地電位最大而處於中間的幹擾管地電位最小。
[0012](2)直流恆電位儀對斜對稱雜散電流幹擾的抑制能力
[0013]實際的外來雜散電流幹擾(空間天氣、電氣化鐵路和高壓輸電線等)的極性是隨機變化的而非固定不變。因幹擾管地電位的極性分兩種情況討論:
[0014]第一種情況，對於斜對稱雜散電流幹擾來說，以如圖2a的直流恆電位儀安裝點C為例，在某一時刻，安裝點左側管道雜散電流幹擾為負的幹擾管地電位，就需要直流恆電位儀輸出正的與雜散電流幹擾極性相反且大小相等的正極性電源電壓波形抑制雜散電流幹擾；安裝點右側管道雜散電流幹擾為正的幹擾管地電位，就需要直流恆電位儀輸出負的與雜散電流幹擾極性相反且大小相等的負極性電源電壓波形來抑制。
[0015]第二種情況，假設在另一時刻，仍以如圖2a的直流恆電位儀安裝點C為例，在某一時刻，安裝點左側管道雜散電流幹擾為正的幹擾管地電位，就需要直流恆電位儀輸出負的與雜散電流幹擾極性相反且大小相等的負極性電源電壓波形抑制雜散電流幹擾；安裝點右側管道雜散電流幹擾為負的幹擾管地電位，就需要直流恆電位儀輸出正的與雜散電流幹擾極性相反且大小相等的正極性電源電壓波形來抑制。
[0016]對於以上兩種情況，由於幹擾波形與直流恆電位儀輸出特性波形極不協調，而且已有技術直流恆電位儀不能提供負的輸出，另外，為抑制雜散電流幹擾，有時要求同一個直流恆電位儀在同一時刻輸出兩個極性相反的電壓，這對已有技術直流恆電位儀是自相矛盾而不能實現。所以，不管什麼極性雜散電流幹擾，已有技術直流恆電位儀對斜對稱雜散電流幹擾不具有抑制能力。[0017](3)直流恆電位儀對對稱雜散電流幹擾的抑制能力
[0018]對於對稱雜散電流幹擾來說，以如圖2d直流恆電位儀安裝點C為例，因幹擾管地電位的極性分兩種情況討論:
[0019]第一種情況，在某一時刻，直流恆電位儀安裝點C左側和右側雜散電流幹擾均為正的幹擾管地電位，就需要直流恆電位儀輸出左右兩側正的電源電壓波形來抑制，已有技術直流恆電位儀能夠滿足要求。
[0020]第二種情況，而在另一時刻，假設由於雜散電流幹擾的隨機性使雜散電流幹擾改變極性為負時，直流恆電位儀安裝點C左側和右側管道雜散電流幹擾均為負的幹擾管地電位，就需要直流恆電位儀輸出左右兩側正的電源電壓波形來抑制。對於已有技術直流恆電位儀只有「能正不能負」單極性電壓輸出而言，不具有同時在左右兩側提供負極性輸出電壓功能，所以，直流恆電位儀對對稱雜散電流幹擾不具有抑制能力。[0021](4)直流恆電位儀對不對陳雜散電流幹擾的抑制能力
[0022]I)對圖2c中直流恆電位儀安裝點A受到的雜散電流幹擾分析。
[0023]在某一時刻，直流恆電位儀安裝點A左側管道無雜散電流幹擾，右側管道雜散電流幹擾為負的幹擾管地電位，需要直流恆電位儀提供正的電源抑制左側管道雜散電流幹擾，已有技術直流恆電位儀能夠滿足要求。但是，糟糕的情況是:因左右兩側幹擾管地電位由同一電源控制，所以，抑制右側管道雜散電流幹擾的同時對左側雜散電流幹擾造成了不利影響，即:顧此失彼。
[0024]假設在另一時刻，直流恆電位儀安裝點A左側管道無雜散電流幹擾，管道右側雜散電流幹擾為正的幹擾管地電位，需要直流恆電位儀提供負的電源電壓波形抑制雜散電流幹擾。同理，前面的糟糕的顧此失彼情況還會發生。另外，對於已有技術直流恆電位儀只有「能正不能負」單極性電壓輸出而言，直流恆電位儀對此種雜散電流幹擾不具有抑制能力。
[0025]2)對圖1中直流恆電位儀2安裝點受到的雜散電流幹擾分析
[0026]在某一時刻，直流恆電位儀安裝點右側管道雜散電流幹擾管地電位Vd22為正時，且與直流恆電位儀輸出保護管地電位P/S22相協調，已有技術直流恆電位儀能夠滿足要求。但是，由於左側管道雜散電流幹擾管地電位Vd21與直流恆電位儀輸出保護管地電位P/S21不協調，所以，左側管道很難實現較好的控制。同時，對左側管道雜散電流幹擾的調節又會惡化右側雜散電流幹擾。
[0027]假設在另一時刻，直流恆電位儀安裝點雜散電流幹擾極性發生由正變負變化時。對於已有技術直流恆電位儀只有「能正不能負」單極性電壓輸出而言，直流恆電位儀對此種雜散電流幹擾不具有抑制能力。
[0028]因此，對於以上兩種情況的雜散電流幹擾的討論表明，已有技術直流恆電位儀「左」 「右」無法協調，同時，由於不能提供負的電源抑制雜散電流幹擾，這樣能「正」不能「負」的裝置也無法滿足要要求。所以，已有技術直流恆電位儀對不對稱雜散電流幹擾不具有抑制能力。
[0029](5)已有技術直流恆電位儀控制具有嚴重的局限性
[0030]由以上(I)~(4)分析可以看出，已有技術直流恆電位儀對任何雜散電流幹擾都不具有抑制能力。也就是說，已有技術直流恆電位儀設計的出發點是抑制內部雜散電流幹擾，不是抑制外部雜散電流幹擾。因此，直流恆電位儀單極性電壓輸出具有嚴重的局限性和弊病。實踐證明，直流恆電位儀的單極性輸出的弊病，加之已有技術直流恆電位儀的配置方法導致電連續管道過長，常常使直流恆電位儀不但對管道起不到到有效的保護作用，反而還會起到惡化作用。
[0031]為闡述問題方便，如圖3所示，對已有技術的直流恆電位儀輸出按規定電壓正方向和管道正方向的關係分成四象限，可以看出，已有技術直流恆電位儀只具有一二象限同步聯動的耦合調節功能，而不具有一二象限的解耦調節功能，也不具有三四象限的調節功能。因此，已有技術對雜散電流幹擾的抑制性能極為有限。
[0032]綜上所述，在已有埋地油氣長輸管道的直流恆電位儀配置方法中，管道是「電連續」的。然而，當管道過長時，幹擾管地電位會隨著管道長度的增加而累積增加，整條管道的雜散電流幹擾信號相互疊加「耦合」，從而使原有直流恆電位儀失去了對外來雜散電流幹擾的抑制作用。而且，現有直流恆電位儀是單極性輸出的，其不能變換直流極性以自適應消除外來直流和交流雜散電流幹擾以及空間天氣引起的地磁雜散電流幹擾等。
【發明內容】
[0033]本發明的目的之一在於提供一種其直流極性可自適應變化的廣義直流恆電位儀，以實現自適應消除任何極性的外來雜散電流幹擾。
[0034]為達到上述目的，本發明提供了一種廣義直流恆電位儀，其包括:
[0035]管地電位測量單元，用於獲取埋地金屬管道當前相對於參考電極的測量管地電位；
[0036]控制器，用於 根據所述測量管地電位和設定的陰極保護電位範圍獲取抑制幹擾管地電位的幅值控制信號和極性控制信號；
[0037]可調直流電源，用於在所述幅值控制信號的控制下輸出與所述幹擾管地電位的幅值相等的直流電壓；
[0038]極性控制單元，用於在所述極性控制信號的控制下將所述直流電壓轉換成與所述幹擾管地電位的極性相反的直流電壓輸出。
[0039]本發明的廣義直流恆電位儀，所述根據測量管地電位和設定的陰極保護電位範圍獲取抑制幹擾管地電位的幅值控制信號和極性控制信號，具體為:
[0040]判斷所述測量管地電位是否超出設定的陰極保護電位範圍；
[0041]如果低於所述陰極保護電位範圍下限，則判斷幹擾管地電位的極性為負並據此生成所述極性控制信號，將所述測量管地電位與所述陰極保護電位範圍下限的差值作為所述幹擾管地電位的幅值並據此生成所述幅值控制信號；
[0042]如果高於所述陰極保護電位範圍上限，則判斷幹擾管地電位的極性為正並據此生成所述極性控制信號，將所述測量管地電位與所述陰極保護電位範圍上限的差值作為所述幹擾管地電位的幅值，並據此生成所述幅值控制信號。
[0043]本發明的廣義直流恆電位儀，還包括:
[0044]電壓測量單元，用於獲取所述極性控制單元輸出的直流電壓的電壓值；
[0045]所述控制器根據該電壓值和所述幹擾管地電位的偏差量對所述可調直流電源的輸出進行PID和其它控制規律調節。
[0046]本發明的廣義直流恆電位儀，所述可調直流電源包括依次相連的工頻電源、工頻整流濾波電路、逆變橋、高頻降壓變壓器和高頻整流濾波電路，所述逆變橋受控於所述控制器。
[0047]本發明的廣義直流恆電位儀，所述極性控制單元包括第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管，第一開關管和第二開關管的集電極與所述高頻整流濾波電路的輸出端相連，第三開關管和第四開關管的發射極接地，第一開關管的發射極與第三開關管的集電極相連，第二開關管的發射極與第四開關管的集電極相連，所述控制器通過第一 PWM驅動單元控制第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管的基極。
[0048]本發明的廣義直流恆電位儀，所述逆變橋包括第五開關管、第六開關管、第七開關管和第八開關管，第五開關管和第六開關管的集電極與所述工頻整流濾波電路的輸出端相連，第七開關管和第八開關管的發射極接地，第五開關管的發射極與第七開關管的集電極相連，第六開關管的發射極與第八開關管的集電極相連，所述控制器通過第二 PWM驅動單元控制第五開關管、第六開關管、第七開關管和第八開關管的基極。
[0049]本發明的廣義直流恆電位儀，所述廣義直流恆電位儀為雙通道集成結構，每個通道各設有一個所述管地電位測量單元、一個所述可調直流電源和一個所述極性控制單元，兩個通道各自獨立工作且由同一個所述控制器控制。
[0050]由於本發明的廣義直流恆電位儀包括極性控制單元，該極性控制單元可在控制器的控制下將可調直流電源輸出的直流電壓轉換成與幹擾管地電位的極性相反的直流電壓輸出，從而使得本發明的廣義直流恆電位儀輸出的直流電壓可隨著幹擾管地電位的極性反向變化，而幹擾管地電位的極性則反映了雜散電流幹擾的極性，因此，無論雜散電流幹擾極性如何改變 ，本發明的廣義直流恆電位儀均能自適應消除。
[0051]本發明的另一個目的在於提供一種廣義直流陰極保護系統，以解決現有技術中存在的幹擾管地電位會隨著管道長度的增加而累積增加，使直流恆電位儀失去了對外來雜散電流幹擾的抑制作用，以及不能變換直流極性以自適應消除任何極性的外來雜散電流幹擾的問題。
[0052]為達到上述目的，本發明提供了一種廣義直流陰極保護系統，其包括若干個上述的廣義直流恆電位儀，每兩個所述廣義直流恆電位儀的兩個輸出端分別對應與一個壓氣站的進、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接，每兩個所述廣義直流恆電位儀的兩個接地端與廣義陽極地床相連，其中，所述埋地金屬管道段與其相鄰的埋地金屬管道段之間電絕緣。
[0053]為達到上述目的，本發明還提供了另一種廣義直流陰極保護系統，其包括若干個雙通道集成結構的廣義直流恆電位儀，每個所述廣義直流恆電位儀的兩個輸出端分別對應與一個壓氣站的進、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接，每個所述廣義直流恆電位儀的兩個接地端與廣義陽極地床相連，其中，所述埋地金屬管道段與其相鄰的埋地金屬管道段之間電絕緣。
[0054]本發明的廣義直流陰極保護系統中，相鄰埋地金屬管道段之間不再像現有技術直流恆電位儀那樣用金屬導線實現跨接，而是電絕緣解耦分段的，因此，各個埋地金屬管道段相對於埋地金屬管道整體大致程均勻分布的，從而不會在整個埋地金屬管道上產生電連續性的「負面」累積效應，因此，其廣義直流恆電位儀起到了對外來雜散電流幹擾的抑制作用。而且，本發明的廣義直流陰極保護系統的廣義直流恆電位儀具有極性控制單元，其能自適應消除任何極性的外來雜散電流幹擾。此外，當本發明的廣義直流陰極保護系統中廣義直流恆電位儀採用雙通道集成結構時，其還具有集成度高、成本低的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0055]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本發明的限定。在附圖中:
[0056]圖1為現有技術中管道連接和管地電位示意圖；
[0057]圖2a為現有技術中高壓輸電線對一般轉角管道管地電位的雜散電流幹擾示意圖；
[0058]圖2b為現有技術中高壓輸電線對90度轉角管道管地電位的雜散電流幹擾示意圖；
[0059]圖2c為現有技術中空間天氣對管道管地電位壓的雜散電流幹擾示意圖；
[0060]圖2d為現有技術中交流輸電線對交叉管道管地電位的雜散電流幹擾示意圖；
[0061]圖3為現有技術中實現一二象限同步調節的示意圖；
[0062]圖4為本發明一個實施例的廣義直流恆電位儀的電路結構方框圖；
[0063]圖5為本發明一個實施例廣義直流恆電位儀的電路原理圖；
[0064]圖6為本發明一個實施例的廣義直流陰極保護系統的結構示意圖；
[0065]圖7為本發明一個實施例中實現四象分別調節的示意圖。
【具體實施方式】
[0066]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明做進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。
[0067]下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0068]我們知道現有技術的直流恆電位儀內部的本質是一套頻率和幅值均可調的單極性直流輸出電源，其輸出具有明確的正極接線端和負極接線端，負極接線端接埋地金屬管道，正極接線端接陽極地床。雖然，本發明實施例的直流恆電位儀的正極接線端和負極接線端和現有技術一樣是固定的，但在實際使用時隨著雜散電流幹擾極性的變化，本發明實施例的直流恆電位儀輸出的直流的極性能隨之反向變化，也就是說，本發明實施例的直流恆電位儀實質上是一種頻率和幅值均可調的雙極性直流輸出電源，但為了和現有技術中的直流恆電位儀的稱呼保持一致同時又體現出二者的區別，本發明實施例的直流恆電位儀均稱為「廣義直流恆電位儀」。同樣，在本發明實施例中，陽極地床、陰極電極和陰極保護系統等也相應的稱為「廣義陽極地床」、「廣義陰極電極」和「廣義陰極保護系統」等。
[0069]請參閱圖4所示,本發明實施例的廣義直流恆電位儀包括管地電位測量單元、控制器、可調直流電源和極性控制單元。其中:
[0070]可調直流電源包括依次相連的工頻電源、工頻整流濾波電路、逆變橋、高頻降壓變壓器和高頻整流濾波電路，逆變橋受控於控制器。
[0071]管地電位測量單元用於獲取埋地金屬管道當前相對於參考電極的測量管地電位。控制器用於根據測量管地電位和陰極保護電位範圍(例如，-1200mV~-850mV)獲取抑制雜散電流幹擾的控制信號，具體為:判斷測量管地電位是否超出設定的陰極保護電位範圍；如果低於陰極保護電位範圍下限，則判斷幹擾管地電位的極性為負並據此生成極性控制信號，將測量管地電位與陰極保護電位範圍下限的差值作為幹擾管地電位的幅值並據此生成幅值控制信號；如果高於陰極保護電位範圍陰極保護電位範圍的上限，則判斷幹擾管地電位的極性為正並據此生成極性控制信號，將測量管地電位與陰極保護電位範圍上限的差值作為幹擾管地電位的幅值並據此生成幅值控制信號。
[0072]可調直流電源用於在幅值控制信號的控制下輸出與幹擾管地電位的幅值相等的直流電壓。極性控制單元用於在極性控制信號的控制下將可調直流電源輸出的直流電壓轉換成與幹擾管地電位的極性相反的直流電壓輸出。如果幹擾管地電位的極性為正，則極性控制單元輸出的直流電壓的極性為負；如果幹擾管地電位的極性為負，則極性控制單元輸出的直流電壓的極性為正。
[0073]本發明實施例的廣義直流恆電位儀還包括電壓測量單元，其用於獲取極性控制單元輸出的直流電壓的電壓值，由控制器根據該電壓值和幹擾管地電位的偏差量對可調直流電源的輸出進行PID (Proportional-1ntegral-Differential,比例-積分-微分)和其它控制規律調節，從而實現高精度閉環控制。
[0074]以上描述的為本發明實施例的單通道結構的廣義直流恆電位儀。此外，還可將本發明實施例的廣義直流恆電位儀配置成雙通道集成結構，即每個通道各設有一個管地電位測量單元、一個可調直流電源和一個極性控制單元，兩個通道各自獨立工作且由同一個控制器控制。這樣，既提高了設備的集成度又降低了成本。
[0075]結合圖5所示，以雙通道集成結構的為例，本發明實施例的廣義直流恆電位儀極性控制單元包括第一開關管(例如Q11)、第二開關管(例如Q12)、第三開關管(例如Q13)和第四開關管(例如Q14)，第一開關管(例如Qll)和第二開關管(例如Q12)的集電極與高頻整流濾波電路的輸出端相連，第三開關管(例如Q13)和第四開關管(例如Q14)的發射極接地，第一開關管(例如Ql I)的發射極與第三開關管(例如Q13)的集電極相連，第二開關管(例如Q12)的發射極與第四開關管(例如Q14)的集電極相連，控制器通過第一 PWM驅動單元控制第一開關管(例如Q11)、第二開關管(例如Q12)、第三開關管(例如Q13)和第四開關管(例如Q14)的基極，以實現廣義直流恆電位儀的極性控制。
[0076]結合圖5所示，以雙通道集成結構的出向管道的廣義直流恆電位儀(圖5上半部)為例，本發明實施例的廣義直流恆電位儀的逆變橋包括第五開關管(例如Q1)、第六開關管(例如Q2)、第七開關管(例如Q3)和第八開關管(例如Q4)，工頻整流濾波電路的輸出通過逆變橋逆變成可控的脈動直流電壓。其中，第五開關管(例如Ql)和第六開關管(例如Q2)的集電極與工頻整流濾波電路的輸出端相連，第七開關管(例如Q3)和第八開關管(例如Q4)的發射極接地，第五開關管(例如Ql)的發射極與第七開關管(例如Q3)的集電極相連，第六開關管(例如Q2)的發射極與第八開關管(例如Q4)的集電極相連，控制器通過第二 PWM驅動單元控制第五開關管(例如Q1)、第六開關管(例如Q2)、第七開關管(例如Q3)和第八開關管(例如Q4)的基極。逆變橋得到的高頻脈衝電壓，經高頻降壓變壓器調壓後，再經高頻整流濾波電路處理輸出與幹擾管地電位的幅值相等的直流電壓，以實現直流幅值控制。
[0077]由於本發明實施例的廣義直流恆電位儀包括極性控制單元，該極性控制單元可在控制器的控制下將可調直流電源輸出的直流電壓轉換成與幹擾管地電位的極性相反的直流電壓輸出，從而使得本發明實施例的廣義直流恆電位儀輸出的電壓可隨著幹擾管地電位的極性反向變化，而幹擾管地電位的極性則反映了雜散電流的極性，因此，無論雜散電流極性如何改變，本發明實施例的廣義直流恆電位儀均能自適應消除。
[0078]本發明實施例的廣義直流陰極保護系統包括若干個單通道的廣義直流恆電位儀(其具體結構在上文已經說明，在此不再贅述)，每兩個廣義直流恆電位儀的兩個輸出端分別對應與一個壓氣站的進、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接，每兩個廣義直流恆電位儀的兩個接地端與廣義陽極地床相連，其中，埋地金屬管道段與其相鄰的埋地金屬管道段之間電絕緣。
[0079]結合圖6所示，在本發明另一個實施例中，本廣義直流陰極保護系統的若干個廣義直流恆電位儀可以採用為雙通道集成結構的廣義直流恆電位儀。每個廣義直流恆電位儀的兩個輸出端分別對應與一個壓氣站的進、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接。而且，本發明實施例中，整個埋地金屬管道是以壓氣站為斷點而分段電連續的，而壓氣站與壓氣站之間管道是局部電連續的。如採用雙通道集成結構的廣義直流恆電位儀時，一個壓氣站安裝一個廣義直流恆電位儀，即每個廣義直流恆電位儀(例如廣義直流恆電位儀I)的一個通道(例如Ell)用於對應壓氣站的進向管道保護，而另一個通道(例如E12)用於對應壓氣站的出向管道保護。在圖6中，P/S為保護管地電位，Vd為幹擾管地電位，IJlU IJ12等為電絕緣法蘭，L2UL22等為埋地金屬管道段。
[0080]本發明實施例的廣義直流恆電位儀由於能提供兩路獨立雙極性輸出電源，一路雙極性輸出電源用於進向管道保護，另一路雙極性輸出電源用於出向管道保護。如圖7所示，當Qll和Q14導通，且Q12和Q13斷開時，廣義直流恆電位儀運行於第一象限；當Qll和Q14斷開，且Q12和Q13導通時，廣義直流恆電位儀運行於第四象限；當Q15和Q18導通，且Q16和Q17斷開時，廣義直流恆電位儀運行於第二象限；當Q15和Q18斷開，且Q16和Q17導通時，廣義直流恆電位儀運行於第三象限；因此，本發明實施例的廣義直流恆電位儀能靈活抑制四象限中任意象限的任何極性雜散電流幹擾。
`[0081]可見，本發明的廣義直流陰極保護系統中，相鄰埋地金屬管道段之間不再像現有技術直流恆電位儀那樣用金屬導線實現跨接，而是電絕緣解耦分段的，因此，各個埋地金屬管道段幹擾管地電位相對於埋地金屬管道整體大致呈均勻分布的，即使局部不均勻分布，但由於幅值小也易於控制，從而不會在整個埋地金屬管道上產生電連續性的「負面」累積效應。因此，本發明的廣義直流陰極保護系統的廣義直流恆電位儀不僅起到了對外來雜散電流幹擾的抑制作用，而且，在上文已經說明，其還能自適應消除任何極性的外來雜散電流幹擾。
[0082]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種廣義直流恆電位儀，其特徵在於，包括: 管地電位測量單元，用於獲取埋地金屬管道當前相對於參考電極的測量管地電位； 控制器，用於根據所述測量管地電位和設定的陰極保護電位範圍獲取抑制幹擾管地電位的幅值控制信號和極性控制信號； 可調直流電源，用於在所述幅值控制信號的控制下輸出與所述幹擾管地電位的幅值相等的直流電壓； 極性控制單元，用於在所述極性控制信號的控制下將所述直流電壓轉換成與所述幹擾管地電位的極性相反的直流電壓輸出。
2.根據權利要求1所述的廣義直流恆電位儀，其特徵在於，所述根據測量管地電位和設定的陰極保護電位範圍獲取抑制幹擾管地電位的幅值控制信號和極性控制信號，具體為: 判斷所述測量管地電位是否超出設定的陰極保護電位範圍； 如果低於所述陰極保護電位範圍下限，則判斷幹擾管地電位的極性為負並據此生成所述極性控制信號，將所述測量管地電位與所述陰極保護電位範圍下限的差值作為所述幹擾管地電位的幅值並據此生成所述幅值控制信號； 如果高於所述陰極保護電位範圍上限，則判斷幹擾管地電位的極性為正並據此生成所述極性控制信號，將所述測量管地電位與所述陰極保護電位範圍上限的差值作為所述幹擾管地電位的幅值，並據此生成所述幅值控制信號。
3.根據權利要求1所述的廣義直流恆電位儀，其特徵在於，還包括: 電壓測量單元，用於獲取所述極性控制單元輸出的直流電壓的電壓值； 所述控制器根據該電壓值和所述幹擾管地電位的偏差量對所述可調直流電源的輸出進行PID和其它控制規律調節。
4.根據權利要求1所述的廣義直流恆電位儀，其特徵在於，所述可調直流電源包括依次相連的工頻電源、工頻整流濾波電路、逆變橋、高頻降壓變壓器和高頻整流濾波電路，所述逆變橋受控於所述控制器。
5.根據權利要求1所述的廣義直流恆電位儀，其特徵在於，所述極性控制單元包括第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管，第一開關管和第二開關管的集電極與所述高頻整流濾波電路的輸出端相連，第三開關管和第四開關管的發射極接地，第一開關管的發射極與第三開關管的集電極相連，第二開關管的發射極與第四開關管的集電極相連，所述控制器通過第一 PWM驅動單元控制第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管的基極。
6.根據權利要求4所述的廣義直流恆電位儀，其特徵在於，所述逆變橋包括第五開關管、第六開關管、第七開關管和第八開關管，第五開關管和第六開關管的集電極與所述工頻整流濾波電路的輸出端相連，第七開關管和第八開關管的發射極接地，第五開關管的發射極與第七開關管的集電極相連，第六開關管的發射極與第八開關管的集電極相連，所述控制器通過第二 PWM驅動單元控制第五開關管、第六開關管、第七開關管和第八開關管的基極。
7.根據權利要求1所述的廣義直流恆電位儀，其特徵在於，所述廣義直流恆電位儀為雙通道集成結構，每個通道各設有一個所述管地電位測量單元、一個所述可調直流電源和一個所述極性控制單元，兩個通道各自獨立工作且由同一個所述控制器控制。
8.一種廣義直流陰極保護系統，其特徵在於，包括若干個權利要求1至6任意一項所述的廣義直流恆電位儀，每兩個所述廣義直流恆電位儀的兩個輸出端分別對應與一個壓氣站的進、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接，每兩個所述廣義直流恆電位儀的兩個接地端與廣義陽極地床相連，其中，所述埋地金屬管道段與其相鄰的埋地金屬管道段之間電絕緣。
9.一種廣義直流陰極保護系統，其特徵在於，包括若干個權利要求7所述的廣義直流恆電位儀，每個所述廣義直流恆電位儀的兩個輸出端分別對應與一個壓氣站的進、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接， 每個所述廣義直流恆電位儀的兩個接地端與廣義陽極地床相連，其中，所述埋地金屬管道段與其相鄰的埋地金屬管道段之間電絕緣。
【文檔編號】C23F13/22GK103695937SQ201310738692
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月26日 優先權日:2013年12月26日
【發明者】梁志珊 申請人:中國石油大學(北京)