廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)及其廣義脈沖恒電位儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)及其廣義脈沖恒電位儀，該廣義脈沖恒電位儀包括管地電位測量單元、控制器、可調(diào)直流電源、脈沖輸出控制單元和脈沖極性控制單元。脈沖極性控制單元將脈沖輸出控制單元輸出的直流脈沖電壓轉(zhuǎn)換成與干擾管地電位極性相反的直流脈沖電壓輸出。該系統(tǒng)包括若干廣義脈沖恒電位儀，每兩個(gè)廣義脈沖恒電位儀的兩個(gè)輸出端分別對應(yīng)與一個(gè)壓氣站的進(jìn)、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接，每兩個(gè)廣義脈沖恒電位儀的兩個(gè)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(tǒng)既可起到對外來雜散電流干擾的抵抗作用，還能變換脈沖極性以自適應(yīng)消除任何極性的外來雜散電流干擾。
【專利說明】廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)及其廣義脈沖恒電位儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及埋地金屬管道的電化學(xué)腐蝕【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)及其廣義脈沖恒電位儀。
【背景技術(shù)】
[0002]1928年被稱為美國“電化學(xué)之父”的羅伯特.J.柯恩(Kuhn)在新奧爾良的一條長距離輸氣管道上安裝了第一套犧牲陽極保護(hù)裝置，從而為陰極保護(hù)的現(xiàn)代技術(shù)打下了基礎(chǔ)。目前，陰極保護(hù)技術(shù)在金屬管道腐蝕領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對油氣長輸管道配備陰極保護(hù)系統(tǒng)是非常必要的，它是延長管道壽命、保證管道安全運(yùn)行的基礎(chǔ)條件。目前，陰極保護(hù)技術(shù)主要有:犧牲陽極保護(hù)、直流恒電位儀和脈沖恒電位儀等三種保護(hù)，由于直流和脈沖恒電位儀具有對雜散電流干擾的可控性，因而得到比犧牲陽極保護(hù)更廣泛的應(yīng)用。研究表明，脈沖恒電位儀的特點(diǎn)在于:第一，在脈沖恒電位儀電流作用下，管道表面的電位分布遠(yuǎn)比直流作用時(shí)均勻，有效保護(hù)深度明顯延長，而目在較小的平均電流下可得到比直流更好的保護(hù)效果。第二，脈沖陰極保護(hù)比傳統(tǒng)的陰極保護(hù)有更小的平均電流消耗。第三，當(dāng)管道發(fā)生腐蝕或遭受雜散電流干擾時(shí)會(huì)產(chǎn)生混沌現(xiàn)象，將進(jìn)一步加劇管道腐蝕，脈沖控制是抑制混沌的最有效方法之一。因此，脈沖恒電位儀具有傳統(tǒng)陰極保護(hù)技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性。
[0003]到目前為止，經(jīng)典的油氣長輸管道的脈沖恒電位儀設(shè)計(jì)，無論是國外標(biāo)準(zhǔn)(例如，ANSI/NACE SP0607-2007/IS015589-2:2004(MOD), Petroleum and naturalgas industries - Cathodic protection of pipeline transportation systems -Part2:Offshore pipelines ；NACE RPOlOO—2004Cathodic protection of prestressedconcrete cylinder pipelines等),還是國內(nèi)系列標(biāo)準(zhǔn)(例如，《埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SY/T0036-2012)等)，均要求:電連續(xù)性，即被保護(hù)的管道必須具有良好的縱向?qū)щ姷倪B續(xù)性且對于非焊接連接的管道接頭應(yīng)增設(shè)金屬導(dǎo)線跨接。基于這種思想，自從有陰極保護(hù)技術(shù)以來，在國內(nèi)外石油石化工業(yè)上，工程師們就自然而然地按照管道“電連續(xù)”規(guī)則配置油氣長輸管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)，如果對一段管道進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)，將脈沖恒電位儀放置在其中間，可以保護(hù)其安裝點(diǎn)兩側(cè)`一定范圍的管道，這樣，就使得幾乎所有主管道都是整條電連續(xù)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(xù)”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(gè)陰極保護(hù)場站(包括壓氣站等)均安裝一套脈沖恒電位儀，由于需要用一套直流恒電位儀同時(shí)保護(hù)安裝點(diǎn)兩側(cè)管道，所以，每個(gè)陰極保護(hù)場站進(jìn)出管道均安裝絕緣法蘭(對管道和壓氣站進(jìn)行電隔離)且靠近管道側(cè)的絕緣法蘭需通過金屬導(dǎo)線跨接的以保證被保護(hù)管道的電連續(xù)性，并連接到脈沖恒電位儀的陰極。因此，整條管道是電連續(xù)的。其中，Vd為干擾管地電位，P/S為保護(hù)管地電位，U表示絕緣法蘭，L表示管道。
[0004]上述這種整條管道是電連續(xù)的管道保護(hù)配置方法的優(yōu)點(diǎn)在于:所設(shè)計(jì)的脈沖恒電位儀簡單且易于配置。在早期管道建設(shè)中，由于沒有外來雜散電流干擾或者外來雜散電流干擾較少，這種管道保護(hù)配置方法應(yīng)該是較佳配置方案。但是，近些年來，由于管道長度的迅猛增加，能源和交通工業(yè)的迅速發(fā)展，加之基礎(chǔ)空間建設(shè)限制，油氣管道和高壓輸電線及電氣化地鐵等公共設(shè)施必須同走廊建設(shè)，另外，由于太陽黑子等現(xiàn)象的變化，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(fā)現(xiàn)，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干擾對油氣管道的影響最大，這對陰極保護(hù)的脈沖恒電位儀是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。有鑒于此，本申請的發(fā)明人在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目批準(zhǔn)號:51071176，項(xiàng)目名稱:混沌地磁感應(yīng)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干擾進(jìn)行了研究，并取得了一些進(jìn)展。
[0005]為闡述問題方便，下面對脈沖恒電位儀可能受到的空間天氣雜散電流干擾、交流輸電線雜散電流干擾、電氣化鐵路等雜散電流干擾進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)有以下幾種典型雜散電流干擾形態(tài)特征: [0006](I)對稱性雜散電流干擾:如圖2a的脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)A和B、圖2d的脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)C受到的雜散電流干擾等；
[0007](2)斜對稱雜散電流干擾:如圖2a的脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)C、如圖2b的脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)C、如圖2c的脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)C受到的雜散電流干擾等；
[0008](3)不對稱雜散電流干擾:如圖1的脈沖恒電位儀2安裝點(diǎn)和圖2c的脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)A和B受到的雜散電流干擾等。
[0009]對長輸管道配制的脈沖恒電位儀對對稱性、斜對稱性和非對稱性雜散電流干擾的抑制效果分析如下:
[0010](I)電連續(xù)管道過長的“負(fù)面”累積效應(yīng)
[0011]當(dāng)空間天氣有磁暴發(fā)生時(shí)或有外來交直流雜散電流時(shí)，由于整條管道的累積效應(yīng)，干擾管地電位會(huì)隨著管道長度的增加而累積增加。整條管道的雜散電流干擾信號相互疊加“耦合”，使一段電連續(xù)管道的干擾管地電位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(xù)性的“負(fù)面”累積效應(yīng)，盡管雜散電流干擾分布均勻，但由于電連續(xù)性而使靠近管道兩端的累加雜散電流干擾最大而處于中間的管道雜散電流干擾最小。
[0012](2)脈沖恒電位儀對斜對稱雜散電流干擾的抑制能力
[0013]實(shí)際的外來雜散電流干擾(空間天氣、電氣化鐵路和高壓輸電線等)的極性是隨機(jī)變化的而非固定不變。因干擾的極性分兩種情況討論:
[0014]第一種情況，對于斜對稱雜散電流干擾來說，以如圖2a的脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)C為例，在某一時(shí)刻，安裝點(diǎn)左側(cè)管道雜散電流干擾為負(fù)的干擾管地電位，就需要脈沖恒電位儀輸出正的與雜散電流干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干擾；安裝點(diǎn)右側(cè)管道雜散電流干擾為正的干擾管地電位，就需要脈沖恒電位儀輸出負(fù)的與雜散電流干擾極性相反且大小相等的負(fù)極性電源電壓波形來抑制。
[0015]第二種情況，假設(shè)在另一時(shí)刻，仍以如圖2a的脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)C為例，在某一時(shí)刻，安裝點(diǎn)左側(cè)管道雜散電流干擾為正的干擾管地電位，就需要脈沖恒電位儀輸出負(fù)的與雜散電流干擾極性相反且大小相等的負(fù)極性電源電壓波形抑制雜散電流干擾；安裝點(diǎn)右側(cè)管道雜散電流干擾為負(fù)的干擾管地電位，就需要脈沖恒電位儀輸出正的與雜散電流干擾極性相反且大小相等的正極性電源電壓波形來抑制。
[0016]對于以上兩種情況，由于干擾波形與脈沖恒電位儀輸出特性波形極不協(xié)調(diào)，而且已有技術(shù)脈沖恒電位儀不能提供負(fù)的輸出，另外，為抑制雜散電流干擾，有時(shí)要求同一個(gè)脈沖恒電位儀在同一時(shí)刻輸出兩個(gè)極性相反的電壓，這對已有技術(shù)脈沖恒電位儀是自相矛盾而不能實(shí)現(xiàn)。所以，不管什么極性雜散電流干擾，已有技術(shù)脈沖恒電位儀對斜對稱雜散電流干擾不具有抑制能力。
[0017](3)脈沖恒電位儀對對稱雜散電流干擾的抑制能力
[0018]對于對稱雜散電流干擾來說，以如圖2d脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)C為例，因干擾的極性分兩種情況討論:
[0019]第一種情況，在某一時(shí)刻，脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)C左側(cè)和右側(cè)雜散電流干擾均為正的干擾管地電位，就需要脈沖恒電位儀輸出左右兩側(cè)正的電源電壓波形來抑制，已有技術(shù)脈沖恒電位儀能夠滿足要求。
[0020]第二種情況，而在另一時(shí)刻，假設(shè)由于雜散電流干擾的隨機(jī)性使雜散電流干擾改變極性為負(fù)時(shí)，脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)C左側(cè)和右側(cè)管道雜散電流干擾均為負(fù)的干擾管地電位，就需要脈沖恒電位儀輸出左右兩側(cè)正的電源電壓波形來抑制。對于已有技術(shù)脈沖恒電位儀只有“能正不能負(fù)”單極性電壓輸出而言，不具有同時(shí)在左右兩側(cè)提供負(fù)極性輸出電壓功能，所以，脈沖恒電位儀對對稱雜散電流干擾不具有抑制能力。
[0021](4)脈沖恒電位儀對不對陳雜散電流干擾的抑制能力
[0022]I)對圖2c中脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)A受到的雜散電流干擾分析。
[0023]在某一時(shí)刻，脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)A左側(cè)管道無雜散電流干擾，右側(cè)管道雜散電流干擾為負(fù)的干擾管地電位，需要脈沖恒電位儀提供正的電源抑制左側(cè)管道雜散電流干擾，已有技術(shù)脈沖恒電位儀能夠滿足要求。但是，糟糕的情況是:因左右兩側(cè)干擾管地電位由同一電源控制，所以，抑制右側(cè)管道雜散電流干擾的同時(shí)對左側(cè)雜散電流干擾造成了不利影響，即:顧此失彼。
[0024]假設(shè)在另一時(shí)刻，脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)A左側(cè)管道無雜散電流干擾，管道右側(cè)雜散電流干擾為正的干擾管地電位，需要脈沖恒電位儀提供負(fù)的電源電壓波形抑制雜散電流干擾。同理，前面的糟糕的顧此失彼情況還會(huì)發(fā)生。另外，對于已有技術(shù)脈沖恒電位儀只有“能正不能負(fù)”單極性電壓輸出而言，脈沖恒電位儀對此種雜散電流干擾不具有抑制能力。
[0025]2)對圖1中脈沖恒電位儀2安裝點(diǎn)受到的雜散電流干擾分析
[0026]在某一時(shí)刻，脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)右側(cè)管道雜散電流干擾Vd22為正時(shí)，且與脈沖恒電位儀輸出特性P/S22相協(xié)調(diào)，已有技術(shù)脈沖恒電位儀能夠滿足要求。但是，由于左側(cè)管道雜散電流干擾Vd21與脈沖恒電位儀輸出特性P/S21不協(xié)調(diào)，所以，左側(cè)管道很難實(shí)現(xiàn)較好的控制。同時(shí)，對左側(cè)管道雜散電流干擾的調(diào)節(jié)又會(huì)惡化右側(cè)雜散電流干擾。
[0027]假設(shè)在另一時(shí)刻，脈沖恒電位儀安裝點(diǎn)雜散電流干擾極性發(fā)生由正變負(fù)變化時(shí)。對于已有技術(shù)脈沖恒電位儀只有“能正不能負(fù)”單極性電壓輸出而言，脈沖恒電位儀對此種雜散電流干擾不具有抑制能力。
[0028]因此，對于以上兩種情況的雜散電流干擾的討論表明，已有技術(shù)脈沖恒電位儀“左” “右”無法協(xié)調(diào)，同時(shí)，由于不能提供負(fù)的電源抑制雜散電流干擾，這樣能“正”不能“負(fù)”的裝置也無法滿足要要求。所以，已有技術(shù)脈沖恒電位儀對不對稱雜散電流干擾不具有抑制能力。
[0029](5)已有技術(shù)脈沖恒電位儀控制具有嚴(yán)重的局限性
[0030]由以上(I)~(4)分析可以看出，已有技術(shù)脈沖恒電位儀對任何雜散電流干擾都不具有抑制能力。也就是說，已有技術(shù)脈沖恒電位儀設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是抑制內(nèi)部雜散電流干擾，不是抑制外部雜散電流干擾。因此，脈沖恒電位儀輸出單極性輸出具有嚴(yán)重的局限性和弊病。實(shí)踐證明，脈沖恒電位儀的單極性輸出的弊病，加之已有技術(shù)脈沖恒電位儀的配置方法導(dǎo)致電連續(xù)管道過長，常常使脈沖恒電位儀不但對管道起不到到有效的保護(hù)作用，反而還會(huì)起到惡化作用。
[0031]為闡述問題方便，如圖3所示，對已有技術(shù)的脈沖恒電位儀輸出按規(guī)定電壓正方向和管道正方向的關(guān)系分成四象限，可以看出，已有技術(shù)脈沖恒電位儀只具有一二象限同步聯(lián)動(dòng)的耦合調(diào)節(jié)功能，而不具有一二象限的解耦調(diào)節(jié)功能，也不具有三四象限的調(diào)節(jié)功能。因此，已有技術(shù)對雜散電流干擾的抑制性能極為有限。
[0032]綜上所述，已有埋地油氣長輸管道的脈沖恒電位儀配置方法中，管道是“電連續(xù)”的。然而，當(dāng)管道過長時(shí)，干擾管地電位會(huì)隨著管道長度的增加而累積增加，整條管道的雜散電流干擾信號相互疊加“耦合”，從而使原有脈沖恒電位儀失去了對外來雜散電流干擾的抵抗作用。而且，現(xiàn)有脈沖恒電位儀是單極性輸出的，其不能變換脈沖極性以自適應(yīng)消除外來直流和交流雜散電流干擾以及空間天氣引起的地磁雜散電流干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0033]本發(fā)明的目的之一在于提供一種其脈沖極性可自適應(yīng)變換的廣義脈沖恒電位儀，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)消除任何極性的外來雜散電流干擾。
[0034]為達(dá)到上`述目的，本發(fā)明提供了一種廣義脈沖恒電位儀，其包括:
[0035]管地電位測量單元，用于獲取埋地金屬管道當(dāng)前相對于參考電極的測量管地電位；
[0036]控制器，用于根據(jù)所述測量管地電位和設(shè)定的陰極保護(hù)電位范圍獲取抑制干擾管地電位的幅值控制信號和極性控制信號；
[0037]可調(diào)直流電源，用于在所述幅值控制信號的控制下輸出與所述干擾管地電位的幅值相等的直流電壓；
[0038]脈沖輸出控制單元，用于在所述控制器的控制下將所述直流電壓變換成對應(yīng)的直流脈沖電壓；
[0039]脈沖極性控制單元，用于在所述極性控制信號的控制下將所述直流脈沖電壓轉(zhuǎn)換成與所述干擾管地電位的極性相反的直流脈沖電壓輸出。
[0040]本發(fā)明的廣義脈沖恒電位儀，所述根據(jù)測量管地電位和設(shè)定的陰極保護(hù)電位范圍獲取抑制干擾管地電位的幅值控制信號和極性控制信號，具體為:
[0041]判斷所述測量管地電位是否超出設(shè)定的陰極保護(hù)電位范圍；
[0042]如果低于所述陰極保護(hù)電位范圍下限，則判斷干擾管地電位的極性為負(fù)并據(jù)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(hù)電位范圍下限的差值作為所述干擾管地電位的幅值并據(jù)此生成所述幅值控制信號；
[0043]如果高于所述陰極保護(hù)電位范圍上限，則判斷干擾管地電位的極性為正并據(jù)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(hù)電位范圍上限的差值作為所述干擾管地電位的幅值，并據(jù)此生成所述幅值控制信號。
[0044]本發(fā)明的廣義脈沖恒電位儀，還包括:
[0045]電壓測量單元，用于獲取所述脈沖極性控制單元輸出的直流脈沖電壓的電壓值；
[0046]所述控制器根據(jù)該電壓值和所述干擾管地電位的偏差量對所述可調(diào)直流電源的輸出進(jìn)行PID或其它控制規(guī)律調(diào)節(jié)。
[0047]本發(fā)明的廣義脈沖恒電位儀，所述可調(diào)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，所述逆變橋受控于所述控制器。
[0048]本發(fā)明的廣義脈沖恒電位儀，所述脈沖輸出控制單元為一開關(guān)管，所述控制器通過第一 PWM驅(qū)動(dòng)單元控制所述開關(guān)管的通斷。
[0049]本發(fā)明的廣義脈沖恒電位儀，所述脈沖極性控制單元包括第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第四開關(guān)管，第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的集電極與所述脈沖輸出控制單元的輸出端相連，第三開關(guān)管和第四開關(guān)管的發(fā)射極接地，第一開關(guān)管的發(fā)射極與第三開關(guān)管的集電極相連，第二開關(guān)管的發(fā)射極與第四開關(guān)管的集電極相連，所述控制器通過第二 PWM驅(qū)動(dòng)單元控制第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第四開關(guān)管的基極。
[0050]本發(fā)明的廣義脈沖恒電位儀，所述逆變橋包括第五開關(guān)管、第六開關(guān)管、第七開關(guān)管和第八開關(guān)管，第五開關(guān)管和第六開關(guān)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(guān)管和第八開關(guān)管的發(fā)射極接地，第五開關(guān)管的發(fā)射極與第七開關(guān)管的集電極相連，第六開關(guān)管的發(fā)射極與第八開關(guān)管的集電極相連，所述控制器通過第三PWM驅(qū)動(dòng)單元控制第五開關(guān)管、第六開關(guān)管、第七開關(guān)管和第八開關(guān)管的基極。
[0051]本發(fā)明的廣義脈沖恒電位儀，`所述廣義脈沖恒電位儀為雙通道集成結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道各設(shè)有一個(gè)所述管地電位測量單元、一個(gè)所述可調(diào)直流電源、一個(gè)所述脈沖輸出控制單元和一個(gè)所述脈沖極性控制單元，兩個(gè)通道各自獨(dú)立工作且由同一個(gè)所述控制器控制。
[0052]由于本發(fā)明的廣義脈沖恒電位儀包括脈沖極性控制單元，該脈沖極性控制單元可在控制器的控制下將脈沖輸出控制單元輸出的直流脈沖電壓轉(zhuǎn)換成與干擾管地電位的極性相反的直流脈沖電壓輸出，使得本發(fā)明的廣義脈沖恒電位儀輸出的直流脈沖電壓的極性可隨著干擾管地電位的極性反向變化，而干擾管地電位的極性又體現(xiàn)了雜散電流的極性，因此，無論雜散電流極性如何改變，本發(fā)明的廣義脈沖恒電位儀均能自適應(yīng)消除。
[0053]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的干擾管地電位會(huì)隨著管道長度的增加而累積增加，使脈沖恒電位儀失去了對外來雜散電流干擾的抵抗作用，以及不能變換脈沖極性以自適應(yīng)消除任何極性的外來雜散電流干擾的問題。
[0054]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種的廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)，其包括若干個(gè)上述的廣義脈沖恒電位儀，每兩個(gè)所述廣義脈沖恒電位儀的兩個(gè)輸出端分別對應(yīng)與一個(gè)壓氣站的進(jìn)、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接，每兩個(gè)所述廣義脈沖恒電位儀的兩個(gè)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。
[0055]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了另一種的廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)，其包括若干個(gè)雙通道集成結(jié)構(gòu)的廣義脈沖恒電位儀，每個(gè)所述廣義脈沖恒電位儀的兩個(gè)輸出端分別對應(yīng)與一個(gè)壓氣站的進(jìn)、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接，每個(gè)所述廣義脈沖恒電位儀的兩個(gè)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。
[0056]本發(fā)明的廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)中，相鄰埋地金屬管道段之間不再像現(xiàn)有技術(shù)脈沖恒電位儀那樣用金屬導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)跨接，而是電絕緣解耦分段的，因此，各個(gè)埋地金屬管道段干擾管地電位相對于埋地金屬管道整體大致呈均勻分布的，從而不會(huì)在整個(gè)埋地金屬管道上產(chǎn)生電連續(xù)性的“負(fù)面”累積效應(yīng)，因此，其廣義脈沖恒電位儀起到了對外來雜散電流干擾的抵抗作用。而且，本發(fā)明的廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)的廣義脈沖恒電位儀具有脈沖極性控制單元，其能自適應(yīng)消除任何極性的外來雜散電流干擾。此外，當(dāng)本發(fā)明的廣義直流陰極保護(hù)系統(tǒng)中廣義直流恒電位儀采用雙通道集成結(jié)構(gòu)時(shí)，其還具有集成度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0057]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中:
[0058]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中管道連接和管地電位示意圖；
[0059]圖2a為現(xiàn)有技術(shù)中高壓輸電線對一般轉(zhuǎn)角管道管地電位的雜散電流干擾示意圖；
[0060]圖2b為現(xiàn)有技術(shù)中高壓輸電線對90度轉(zhuǎn)角管道管地電位的雜散電流干擾示意圖；
[0061]圖2c為現(xiàn)有技術(shù)中空間天氣對管道管地電位的雜散電流干擾示意圖；
[0062]圖2d為現(xiàn)有技術(shù)中交流輸電線對交叉管道管地電位的雜散電流干擾示意圖；
[0063]圖3為現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)現(xiàn)一二象限同步調(diào)節(jié)的示意圖；
[0064]圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的廣義脈沖恒電位儀的電路結(jié)構(gòu)方框圖；
[0065]圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例廣義脈沖恒電位儀的電路原理圖；
[0066]圖6為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0067]圖7為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)四象分別調(diào)節(jié)的示意圖；
[0068]圖8為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)中脈沖面積等效法原理示意圖；
[0069]圖9為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)中管道分布參數(shù)傳輸線模型示意圖；
[0070]圖10為圖9中管道分布參數(shù)傳輸線模型的等效電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0071]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0072]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0073]我們知道現(xiàn)有技術(shù)的脈沖恒電位儀內(nèi)部的本質(zhì)是一套頻率和幅值均可調(diào)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(fù)極接線端，負(fù)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(fā)明實(shí)施例的脈沖恒電位儀的正極接線端和負(fù)極接線端和現(xiàn)有技術(shù)一樣是固定的，但在實(shí)際使用時(shí)隨著雜散電流干擾極性的變化，本發(fā)明實(shí)施例的脈沖恒電位儀輸出的脈沖的極性能隨之反向變化，也就是說，本發(fā)明實(shí)施例的脈沖恒電位儀實(shí)質(zhì)上是一種頻率和幅值均可調(diào)的雙極性直流輸出電源，但為了和現(xiàn)有技術(shù)中的脈沖恒電位儀的稱呼保持一致同時(shí)又體現(xiàn)出二者的區(qū)別，本發(fā)明實(shí)施例的脈沖恒電位儀均稱為“廣義脈沖恒電位儀”。同樣，在本發(fā)明實(shí)施例中，陽極地床、陰極電極和脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)等也相應(yīng)的稱為“廣義陽極地床”、“廣義陰極電極”和“廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)”。
[0074]請參閱圖4所示,本發(fā)明實(shí)施例的廣義脈沖恒電位儀包括管地電位測量單元、控制器、可調(diào)直流電源、脈沖輸出控制單元和脈沖極性控制單元。其中:
[0075]可調(diào)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，逆變橋受控于控制器。
[0076]管地電位測量單元用于獲取埋地金屬管道當(dāng)前相對于參考電極的測量管地電位。
[0077]控制器用于根據(jù)測量管地電位和陰極保護(hù)電位范圍(例如，_1200mV~_850mV)獲取抑制雜散電流的幅值控制信號和極性控制信號，具體為:判斷測量管地電位是否超出設(shè)定的陰極保護(hù)電位范圍；如果低于陰極保護(hù)電位范圍下限，則判斷干擾管地電位的極性為負(fù)并據(jù)此生成極性控制信號，將測量管地電位與陰極保護(hù)電位范圍下限的差值作為干擾管地電位的幅值并據(jù)此生成幅值控制信號；如果高于陰極保護(hù)電位范圍陰極保護(hù)電位范圍的上限，則判斷干擾管地電位的極性為正并據(jù)此生成極性控制信號，將測量管地電位與陰極保護(hù)電位范圍上限的 差值作為干擾管地電位的幅值并據(jù)此生成幅值控制信號。
[0078]可調(diào)直流電源用于在幅值控制信號Ul的控制下輸出與干擾管地電位的幅值相等的直流電壓。
[0079]脈沖輸出控制單元用于在控制器輸出的脈沖控制信號u2的控制下將可調(diào)直流電源輸出的直流電壓變換成對應(yīng)的直流脈沖電壓。本發(fā)明實(shí)施例中，可利用脈沖面積等效法將可調(diào)直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的直流脈沖電壓，如圖8的上部分所示，假設(shè)可調(diào)直流電源輸出的直流電壓u為正弦波，以固定的頻率采樣，按照圖示波形面積相等的原則，使每一個(gè)矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，得到如圖8的下部分所示的波形，因而，可得到與正弦波u等效的周期為T和脈寬為W的矩形脈沖波。
[0080]脈沖極性控制單元用于在控制器輸出的極性控制信號u3的控制下將直流脈沖電壓轉(zhuǎn)換成與干擾管地電位的極性相反的直流脈沖電壓輸出，如果干擾管地電位的極性為正，則脈沖極性控制單元輸出負(fù)極性保護(hù)脈沖；如果干擾管地電位的極性為負(fù)，則脈沖極性控制單元輸出正極性保護(hù)脈沖。
[0081]本發(fā)明實(shí)施例的廣義脈沖恒電位儀還包括電壓測量單元，其用于獲取脈沖極性控制單元輸出的直流脈沖電壓的電壓值，由控制器根據(jù)該電壓值和干擾管地電位的偏差量對可調(diào)直流電源的輸出進(jìn)行PID (Proportional-1ntegral-Differential,比例-積分-微分)或其它控制規(guī)律調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)高精度閉環(huán)控制。
[0082]以上描述的為本發(fā)明實(shí)施例的單通道結(jié)構(gòu)的廣義脈沖恒電位儀。此外，還可將本發(fā)明實(shí)施例的廣義脈沖恒電位儀配置成雙通道集成結(jié)構(gòu)，即每個(gè)通道各設(shè)有一個(gè)管地電位測量單元、一個(gè)可調(diào)直流電源、一個(gè)脈沖輸出控制單元和一個(gè)脈沖極性控制單元，兩個(gè)通道各自獨(dú)立工作且由同一個(gè)控制器控制。這樣，既提高了設(shè)備的集成度又降低了成本。
[0083]結(jié)合圖5所示，以雙通道集成結(jié)構(gòu)的為例，本發(fā)明實(shí)施例的廣義脈沖恒電位儀的脈沖輸出控制單元為一開關(guān)管(例如MOS管或IGBT管)，控制器通過第一 PWM驅(qū)動(dòng)單元控制開關(guān)管的通斷，以實(shí)現(xiàn)脈沖頻率和寬度控制。
[0084]結(jié)合圖5所示，以雙通道集成結(jié)構(gòu)的為例，本發(fā)明實(shí)施例的廣義脈沖恒電位儀脈沖極性控制單元包括第一開關(guān)管(例如Q11)、第二開關(guān)管(例如Q12)、第三開關(guān)管(例如Q13)和第四開關(guān)管(例如Q14)，第一開關(guān)管(例如Qll)和第二開關(guān)管(例如Q12)的集電極與脈沖輸出控制單元的輸出端相連，第三開關(guān)管(例如Q13)和第四開關(guān)管(例如Q14)的發(fā)射極接地，第一開關(guān)管(例如Ql I)的發(fā)射極與第三開關(guān)管(例如Q13)的集電極相連，第二開關(guān)管(例如Q12)的發(fā)射極與第四開關(guān)管(例如Q14)的集電極相連，控制器通過第二 PWM驅(qū)動(dòng)單元控制第一開關(guān)管(例如Q11)、第二開關(guān)管(例如Q12)、第三開關(guān)管(例如Q13)和第四開關(guān)管(例如Q14)的基極，以實(shí)現(xiàn)脈沖極性控制。
[0085]結(jié)合圖5所示，以雙通道集成結(jié)構(gòu)的為例，本發(fā)明實(shí)施例的廣義脈沖恒電位儀的逆變橋包括第五開關(guān)管(例如Q1)、第六開關(guān)管(例如Q2)、第七開關(guān)管(例如Q3)和第八開關(guān)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(dòng)直流電壓。其中，第五開關(guān)管(例如Ql)和第六開關(guān)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(guān)管(例如Q3)和第八開關(guān)管(例如Q4)的發(fā)射極接地，第五開關(guān)管(例如Ql)的發(fā)射極與第七開關(guān)管(例如Q3)的集電極相連，第六開關(guān)管(例如Q2)的發(fā)射極與第八開關(guān)管(例如Q4)的集電極相連，控制器通過第三PWM驅(qū)動(dòng)單元控制第五開關(guān)管(例如Q1)、第六開關(guān)管(例如Q2)、第七開關(guān)管(例如Q3)和第八開關(guān)管(例如Q4)的基極。逆變橋得到的高頻脈沖電壓，經(jīng)高頻降壓變壓器調(diào)壓后，再經(jīng)高頻整流濾波電路處理輸出與干擾管地電位的幅值相等的直流電壓，以實(shí)現(xiàn)直流幅值控制。
[0086]本發(fā)明實(shí)施例的廣義脈沖恒電位儀由于能提供兩路獨(dú)立雙極性輸出電源，一路雙極性輸出電源用于進(jìn)向管道保護(hù)，另一路雙極性輸出電源用于出向管道保護(hù)。如圖7所示，當(dāng)Qll和Q14導(dǎo)通，且Q12和Q13斷開時(shí)，廣義脈沖恒電位儀運(yùn)行于第一象限；當(dāng)Qll和Q14斷開，且Q12和Q13導(dǎo)通時(shí)，廣義脈沖恒電位儀運(yùn)行于第四象限；當(dāng)Q15和Q18導(dǎo)通，且Q16和Q17斷開時(shí)，廣義脈沖恒電位儀運(yùn)行于第二象限；當(dāng)Q15和Q18斷開，且Q16和Q17導(dǎo)通時(shí)，廣義脈沖恒電位儀運(yùn)行于第三象限；因此，本發(fā)明實(shí)施例的廣義脈沖恒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干擾。
[0087]本發(fā)明實(shí)施例中，廣義脈沖恒電位儀的脈沖輸出控制單元輸出的直流脈沖電壓的周期(或者頻率)可根據(jù)需要來選擇，具體也通過如下方式確定:
[0088]如圖9所示，在管道分布參數(shù)傳輸線模型中E(X)是在某位置X處的雜散電流干擾電位，Z是單位長度的阻抗，Y是單位長度的導(dǎo)納；如圖10所示，E為等效雜散電流干擾電位，R為管道的等效阻抗，L為管道的等效電感，C為管道涂層的等效電容，假定電容電壓uc是非線性函數(shù)，即ue=aiq+a2q3，其中，B1=C為線性電容，a2>0為非線性電容，假設(shè)q是電容電量，i是電路中的電流，則圖10的等效電路模型可描述如下:[0089]
【權(quán)利要求】
1.一種廣義脈沖恒電位儀，其特征在于，包括: 管地電位測量單元，用于獲取埋地金屬管道當(dāng)前相對于參考電極的測量管地電位； 控制器，用于根據(jù)所述測量管地電位和設(shè)定的陰極保護(hù)電位范圍獲取抑制干擾管地電位的幅值控制信號和極性控制信號； 可調(diào)直流電源，用于在所述幅值控制信號的控制下輸出與所述干擾管地電位的幅值相等的直流電壓； 脈沖輸出控制單元，用于在所述控制器的控制下將所述直流電壓變換成對應(yīng)的直流脈沖電壓； 脈沖極性控制單元，用于在所述極性控制信號的控制下將所述直流脈沖電壓轉(zhuǎn)換成與所述干擾管地電位的極性相反的直流脈沖電壓輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣義脈沖恒電位儀，其特征在于，所述根據(jù)測量管地電位和設(shè)定的陰極保護(hù)電位范圍獲取抑制干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(shè)定的陰極保護(hù)電位范圍； 如果低于所述陰極保護(hù)電位范圍下限，則判斷干擾管地電位的極性為負(fù)并據(jù)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(hù)電位范圍下限的差值作為所述干擾管地電位的幅值并據(jù)此生成所述幅值控制信號； 如果高于所述陰極保護(hù)電位范圍上限，則判斷干擾管地電位的極性為正并據(jù)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(hù)電位范圍上限的差值作為所述干擾管地電位的幅值，并據(jù)此生成所 述幅值控制信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣義脈沖恒電位儀，其特征在于，還包括: 電壓測量單元，用于獲取所述脈沖極性控制單元輸出的直流脈沖電壓的電壓值； 所述控制器根據(jù)該電壓值和所述干擾管地電位的偏差量對所述可調(diào)直流電源的輸出進(jìn)行PID或其它控制規(guī)律調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣義脈沖恒電位儀，其特征在于，所述可調(diào)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，所述逆變橋受控于所述控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣義脈沖恒電位儀，其特征在于，所述脈沖輸出控制單元為一開關(guān)管，所述控制器通過第一 PWM驅(qū)動(dòng)單元控制所述開關(guān)管的通斷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣義脈沖恒電位儀，其特征在于，所述脈沖極性控制單元包括第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第四開關(guān)管，第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的集電極與所述脈沖輸出控制單元的輸出端相連，第三開關(guān)管和第四開關(guān)管的發(fā)射極接地，第一開關(guān)管的發(fā)射極與第三開關(guān)管的集電極相連，第二開關(guān)管的發(fā)射極與第四開關(guān)管的集電極相連，所述控制器通過第二 PWM驅(qū)動(dòng)單元控制第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第四開關(guān)管的基極。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的廣義脈沖恒電位儀，其特征在于，所述逆變橋包括第五開關(guān)管、第六開關(guān)管、第七開關(guān)管和第八開關(guān)管，第五開關(guān)管和第六開關(guān)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(guān)管和第八開關(guān)管的發(fā)射極接地，第五開關(guān)管的發(fā)射極與第七開關(guān)管的集電極相連，第六開關(guān)管的發(fā)射極與第八開關(guān)管的集電極相連，所述控制器通過第三PWM驅(qū)動(dòng)單元控制第五開關(guān)管、第六開關(guān)管、第七開關(guān)管和第八開關(guān)管的基極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣義脈沖恒電位儀，其特征在于，所述廣義脈沖恒電位儀為雙通道集成結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道各設(shè)有一個(gè)所述管地電位測量單元、一個(gè)所述可調(diào)直流電源、一個(gè)所述脈沖輸出控制單元和一個(gè)所述脈沖極性控制單元，兩個(gè)通道各自獨(dú)立工作且由同一個(gè)所述控制器控制。
9.一種廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，包括若干個(gè)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的廣義脈沖恒電位儀，每兩個(gè)所述廣義脈沖恒電位儀的兩個(gè)輸出端分別對應(yīng)與一個(gè)壓氣站的進(jìn)、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接，每兩個(gè)所述廣義脈沖恒電位儀的兩個(gè)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。
10.一種廣義脈沖陰極保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，包括若干個(gè)權(quán)利要求8所述的廣義脈沖恒電位儀，每個(gè)所述廣義脈沖恒電位儀的兩個(gè)輸出端分別對應(yīng)與一個(gè)壓氣站的進(jìn)、出向埋地金屬管道段的兩端外表面電連接，每個(gè)所述廣義脈沖恒電位儀的兩個(gè)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】C23F13/22GK103695938SQ201310738733
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】梁志珊, 張舉丘, 王鵬, 侯翟 申請人:中國石油大學(xué)(北京)