動(dòng)態(tài)直流雜散電流是指大小和方向始終變化的雜散電流。典型的干擾源是直流供電的地鐵或輕軌。動(dòng)態(tài)直流雜散電流對(duì)周邊埋地管道干擾主要表現(xiàn)為管道通電電位的持續(xù)波動(dòng)。直流雜散電流隨列車運(yùn)行時(shí)間而變化，干擾時(shí)間段與地鐵運(yùn)行時(shí)段高度吻合。由于傳統(tǒng)管道陰極保護(hù)恒電位儀控制模式的限制，動(dòng)態(tài)直流雜散電流引起的管地電位持續(xù)變化使恒電位儀輸出波動(dòng)，嚴(yán)重影響了陰極保護(hù)效果。

恒電位儀是強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的核心設(shè)備，傳統(tǒng)恒電位儀主要工作模式為“恒電位”（通電電位恒定）和“恒電流”。“恒電位”模式是最為常用的運(yùn)行模式，其通過調(diào)節(jié)恒電位儀輸出電流，使得恒電位儀采樣控制點(diǎn)處的通電電位與預(yù)置電位保持一致。測(cè)量管道電位時(shí)，參比電極與被測(cè)對(duì)象之間土壤中的動(dòng)態(tài)直流雜散電流使測(cè)量回路中電壓降（簡(jiǎn)稱IR降）持續(xù)波動(dòng)，故管道通電電位無法準(zhǔn)確反映管道的真實(shí)保護(hù)狀況。這是傳統(tǒng)恒電位儀“恒電位”模式運(yùn)行的重要缺陷，其提供的保護(hù)電位也不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。此外，通電電位波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致恒電位儀在“恒電位”模式不能正常運(yùn)行，此時(shí)會(huì)將恒電位儀調(diào)整到“恒電流”模式，但在該模式下恒電位儀將無法根據(jù)管道保護(hù)電位需要自動(dòng)調(diào)整輸出電流。

根據(jù)工程檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，在多數(shù)受動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的環(huán)境中，管道斷電電位波動(dòng)相對(duì)較小，因此根據(jù)斷電電位控制恒電位儀的輸出更為合理，但現(xiàn)有恒電位儀無法實(shí)現(xiàn)該功能。

新型數(shù)控高頻開關(guān)恒電位儀

01  系統(tǒng)架構(gòu)

新型數(shù)控高頻開關(guān)恒電位儀采用模塊化結(jié)構(gòu)，共分為5個(gè)功能單元模塊。

主控模塊主要負(fù)責(zé)參數(shù)設(shè)定與存儲(chǔ)、算法、通信、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。每套電源配置1個(gè)主控模塊。

電源模塊主要負(fù)責(zé)將市電電源變換成陰極保護(hù)所需的直流電，輸出電流大小根據(jù)主控模塊指令確定。每套電源可以配置1~6個(gè)電源模塊。

采樣模塊主要負(fù)責(zé)通電電位、斷電電位的數(shù)據(jù)采集，每套電源可以配置1~12個(gè)采樣模塊。

顯示操作單元主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)及狀態(tài)顯示，以及參數(shù)設(shè)置鍵盤，包括液晶屏、指示燈、薄膜按鍵等，每套電源配置1個(gè)顯示操作單元。

供電單元主要負(fù)責(zé)將市電電源分配給電源模塊，以及為控制系統(tǒng)供電。每套電源配置1個(gè)供電單元。

主控模塊、采樣模塊、電源模塊，通過高速CAN總線連接。新型恒電位儀對(duì)外通信接口有RS-485和以太網(wǎng)，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型恒電位儀架構(gòu)示意圖

02   工作模式的控制原理

新型恒電位儀的恒通電電位模式（傳統(tǒng)恒電位儀的恒電位模式）、恒電流模式、恒電壓模式與傳統(tǒng)恒電位儀相同，此處不再重復(fù)說明。該新型恒電位儀新增了恒斷電電位的工作模式，以下將對(duì)其控制原理進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

恒斷電電位模式是給每路輸出指定一個(gè)主控采樣模塊，并設(shè)定一個(gè)斷電電位控制目標(biāo)（預(yù)置斷電電位），每路輸出的預(yù)置斷電電位可以不同。斷電電位數(shù)據(jù)通過試片通斷法進(jìn)行測(cè)量，其主要的工作參數(shù)是通電時(shí)間、斷電時(shí)間、斷電電位采樣點(diǎn)時(shí)間間隔。這3個(gè)工作參數(shù)可以在恒電位儀上進(jìn)行設(shè)定。

在恒斷電電位模式運(yùn)行時(shí)，新型恒電位儀首先檢測(cè)斷電電位，再將測(cè)量出的斷電電位與預(yù)置斷電電位進(jìn)行比較，根據(jù)兩者之間的偏差，調(diào)整恒電位儀的輸出電流。

03   安裝模式

新型恒電位儀可采用單機(jī)獨(dú)立機(jī)箱安裝或控制柜組裝兩種方式。當(dāng)采用機(jī)箱安裝時(shí)，該新型恒電位儀支持1~2路輸出，而采用控制柜組裝時(shí)，最高可提供6路輸出。

使用者可根據(jù)使用環(huán)境選擇不同的安裝方式：機(jī)箱安裝的方式適用于長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)；控制柜組裝方式適用于需要多路綜合輸出進(jìn)行保護(hù)的情況，一般常用于大型輸油氣站場(chǎng)或罐區(qū)的陰極保護(hù)。

新型數(shù)控高頻開關(guān)恒電位儀的應(yīng)用

某天然氣管道距起點(diǎn)84～110 km管段受到地鐵嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾，管理單位前期檢測(cè)結(jié)果顯示：沿線電位測(cè)試樁通電電位波動(dòng)大，最大波動(dòng)幅度達(dá)5 V。大部分測(cè)試樁斷電電位平均值不滿足陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求（低于-0.85 V）。干擾段內(nèi)有陰保間1座，位于4號(hào)閥室，但由于通電電位波動(dòng)較大，恒電位儀采用恒電位（恒通電電位）模式運(yùn)行時(shí)持續(xù)報(bào)警，電流輸出不平穩(wěn)，陰極保護(hù)效果欠佳。將新型恒電位儀應(yīng)用于受動(dòng)態(tài)直流雜散電流嚴(yán)重干擾的管段，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試該新型恒電位儀的應(yīng)用效果。

斷電電位檢測(cè)方法選擇

如以斷電電位作為控制電位，其前提是斷電電位需相對(duì)穩(wěn)定，不能存在較大波動(dòng)，否則與傳統(tǒng)恒電位儀控制缺陷類似，效果也將不理想。

在動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾下，同步通斷法不適用于斷電電位的測(cè)量，常見的測(cè)試方法為極化頭探頭法和土壤管法。極化探頭可維護(hù)性較低，且存在硫酸銅污染極化試片（近參比電極）的問題，其工程應(yīng)用存在諸多弊端，因此近年來土壤管法應(yīng)用較多。

土壤管一般采用PVC、PE或PC管，極化試片安裝在土壤管一側(cè)，管道填充低電阻率的土壤或其他鹽類，測(cè)量時(shí)將參比電極放置在管內(nèi)，通過通/斷極化試片測(cè)量通/斷電電位。由于土壤管管材采用絕緣材料，能很好地屏蔽土壤中的電位梯度，從而消除了土壤IR降。此外，參比電極與試片距離較遠(yuǎn)時(shí)，能大大減輕試片受硫酸銅污染的問題。

測(cè)試方法

將4號(hào)閥室原恒電位儀更換為新型高頻數(shù)控開關(guān)恒電位儀，但保留原陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽極地床、管道零位電纜、陰極電纜。在采樣控制點(diǎn)處安裝土壤管，將連接參比電極的電纜和連接試片的電纜均引至恒電位儀并與相應(yīng)的端子連接。測(cè)試系統(tǒng)安裝如圖2所示。

圖2 新型恒電位儀測(cè)試系統(tǒng)安裝圖

測(cè)試時(shí)，采用恒斷電控制模式，設(shè)置目標(biāo)斷電電位為-1.10 V，試片通/斷周期為通4 s/斷1 s，斷電電位采樣時(shí)間為500 ms。管道零位線與極化試片線在新型恒電位儀內(nèi)部進(jìn)行連接，斷電電位測(cè)量時(shí)，通過隔離開關(guān)將試片與管道零位線斷開，斷開500 ms后測(cè)量試片的斷電電位。新型恒電位儀將斷電電位的測(cè)量值與預(yù)置值進(jìn)行比較，調(diào)整輸出電流，使兩者達(dá)到一致。

新型恒電位儀運(yùn)行24 h后，在線路采樣控制點(diǎn)、管程85 km以及104 km處進(jìn)行電位連續(xù)測(cè)試，分析陰極保護(hù)效果，評(píng)價(jià)新型恒電位儀的應(yīng)用效果。

恒電位儀參數(shù)設(shè)置

在測(cè)試周期內(nèi)，新型恒電位儀的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置如下：

運(yùn)行模式：恒斷電電位

預(yù)置斷電電位1：-1.10 V（2021.1.21 15:25至2021.1.22 8:15）

預(yù)置斷電電位2：-1.18 V（2021.1.22 8:15至2021.1.22 14:00）

試片通斷周期：通4 s，斷1 s

斷電電位采樣延遲時(shí)間：500 ms

恒電位儀參數(shù)采集頻率：1條/min

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

01   輸出電流和輸出電壓

在測(cè)試周期內(nèi)，新型恒電位儀的輸出電流與輸出電壓變化詳見圖3，可見當(dāng)預(yù)置斷電電位為-1.10 V時(shí)，輸出電流運(yùn)行平穩(wěn)，波動(dòng)較小。由于管道與陽極地床之間土壤中存在雜散電流引起的IR降，輸出電壓受雜散電流干擾存在波動(dòng)。當(dāng)預(yù)置斷電電位為-1.18 V時(shí)，輸出電流及輸出電壓隨之升高。相比傳統(tǒng)恒電位儀的恒通電電位控制，新型恒電位儀在恒斷電電位模式下，輸出波動(dòng)小，運(yùn)行穩(wěn)定，輸出電流能根據(jù)預(yù)置斷電電位進(jìn)行調(diào)整。

圖3 新型恒電位儀輸出電流及輸出電壓曲線

02   線路陰極保護(hù)效果

新型恒電位儀穩(wěn)定運(yùn)行后，在線路采樣控制點(diǎn)、管程85 km以及104 km處進(jìn)行了電位連續(xù)監(jiān)測(cè)，測(cè)量結(jié)果如圖4~6所示，結(jié)果表明：測(cè)試點(diǎn)存在明顯的動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾，干擾時(shí)間段與地鐵運(yùn)行時(shí)間一致，可初步認(rèn)定干擾源為地鐵；用土壤管測(cè)量斷電電位時(shí)，土壤中雜散電流屏蔽較為明顯，斷電電位波動(dòng)較小；恒斷電電位工作模式下，采樣控制點(diǎn)斷電電位與新型恒電位儀預(yù)置斷電電位基本一致，設(shè)備測(cè)量控制準(zhǔn)確；恒斷電電位工作模式下，當(dāng)預(yù)置斷電電位調(diào)整至-1.18 V后，管程85 km斷電電位最正值負(fù)于-0.85 V，電位提升效果明顯；管程104 km處電位測(cè)試樁位于兩個(gè)陰保站之間，調(diào)整4號(hào)閥室新型恒電位儀輸出對(duì)其電位無明顯影響。雖然此處斷電電位平均值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但還應(yīng)根據(jù)AS 2832.1-2015標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)其受干擾程度，必要時(shí)應(yīng)增加直流干擾防護(hù)措施。

圖4 采樣控制點(diǎn)電位連續(xù)檢測(cè)曲線

圖5 管程85 km處電位連續(xù)檢測(cè)曲線

圖6 管程104 km處電位連續(xù)檢測(cè)曲線

結(jié)論

動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾引起的管道通電電位波動(dòng)嚴(yán)重影響了恒電位儀輸出穩(wěn)定性以及陰極保護(hù)效果。基于管道斷電電位控制恒電位儀的輸出可很大程度減輕通電電位持續(xù)變化引起的輸出波動(dòng)，從而提升陰極保護(hù)效果。該新型恒電位儀的研制與應(yīng)用將為動(dòng)態(tài)直流干擾下的長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)控制難點(diǎn)提供更為合理的解決方案。