强制电流阴极保护的电源设备

强制电流阴极保护的电源设备

6.1 强制电流阴极保护系统的组成

引言

从图4-2的电位一pH图可以看出，当把铁的电位降到下部的免蚀区范围，铁就可以得到阴极保护。实现阴极保护有两种方法—牺牲阳极和强制电流，本章讨论的是强制电流阴极保护的电源设备，第7章将讨论辅助阳极。

强制电流是通过外部的直流电源向被保护金属构筑物通以阴极电流使之阴极极化实现保护的一种方法。由此决定了强制电流阴极保护系统的3个组成部分:极化电源、辅助阳极、被保护的阴极。图6-1是埋地钢质管道强制电流阴极保护系统结构示意图。

图6-1管道的强制电流阴极保护系统

6.2 电源设备

6.2.1电源设备的基本要求

强制电流系统的电源设备是阴极保护的心脏，它将不断地向被保护金属构筑物提供阴极保护电流。这就决定了可靠性是电源设备的首要问题。一般来说对强制电源设备的基本要求为:安全可靠;电流电压连续可调;适应当地的工作环境(温度、湿度、日照、风沙);有富裕的电容量;输出阻抗应与管道一阳极地床回路电阻相匹配，操作维护简单;价格合理。

目前用于阴极保护的电源设备类型有:

①交流市电的整流设备(整流器、恒电位仪、恒电流仪);

②热电发生器(TEG)

③密闭循环蒸气发电机((CCVT);

④风力发电机;

⑤太阳能电池;

⑥大容量蓄电池等。

6.2.2 交流供电装置

（1)整流器

当有交流市电时，整流器是强制电流的首选电源设备。它由变压和整流两部分组成，进入九十年代后，开关电路的应用，省掉了笨大的变压环节，极大地缩小了整流器的体积。整流线路多为桥式全波整流，对于单相桥式整流回路，电压较低时，如低于5V，它的整流效率为60%-70%，并带有100Hz:的交流纹波48%。当功率较大时，如2kW，采用三相桥式全波整流就比较经济，这时得整流效率为80%-90%，带有300Hz的纹波仅为4%。

纹波系数有时用于衡量整流质量，故在国内恒电位仪中均对纹波加以限制，文献【1】介绍，残余纹波对管道的电化学作用并无意义。只是在有些情况下，因在其他方面有不良影响要加以限制，这些情况有:镀铂钦阳极，因纹波将导致阳极过早失效，应把纹波限制在5%以内;对不对称电缆通信质量有干扰影响时，要把纹波限制在5%以内;在阴极保护水管道中，采用电感应流量计时，应把纹波限制5%以内。

在单相整流器回路中，通常采用扼流圈和电容器LC滤波器进行滤波，降低纹波。当整流功率大时，选用三相桥式整流降低纹波，比任何滤波回路都有效。

阴极保护用整流器35℃以下环境里，它的功率与环境温度关系不大，当环境温度升高时，它的功率就受到了影响，应向制造商提出通风冷却的要求。在热带地区，比较大的整流器均应采用油浸冷却方式，且很有必要，因为油冷有利于散热，并对整流器、变压器进行保护。

整流元件有硅、硒、锗三种，其特性列在表6-1中。

表 6-1 整流二极管的特性

硒整流元件仅允许有相当低的电流，因此所需空间大。这些整流元件经常安装在阴极保护装置里，因为它经得起足够高的工作温度且对过载和过压不敏感一。在交流线路里的快速熔断保险丝和直流输出端的慢速熔断丝足以应付过载情况。

锗整流元件不能用于阴极保护，因为它只能制成低功率的二极管。有时将锗二极管装在杂散电流的排流器上以切断逆向电流(前苏联ГOCT 16149-70采用锗二极管来排除地下构筑物上的交流感应电压)，但很明显，在过载时易在两个方向上导通。

硅整流元件是阴极保护整流设备中最常用的，它具有很高的电流容量和整流电压，所需空间很小。现行的硅二极管均为封闭式的，因此不受外界气候的影响，但是硅二极管对超压和过载很敏感，应在变压器和整流元件之间串入特快熔断器，并在输出端提供过载保护。在正常的气候条件下和低的环境温度下，硅整流器和低效率的硒整流器一样经济。

对于整流参数的选择，因根据保护对象和用途而异:

为了避免对周围环境中金属构筑物的干扰影响，整流器的功率多限制在1000W以内(20A/50V)，这对于城市管网的保护尤为重要。当所需保护电流过大时，可以采用增加保护站的方法来解决;对于杂散电流强干扰区，可能要用大于100A的强制排流器，以应付强大的杂散电流;当使用的辅助阳极有限压要求时，所选整流器的电压要和辅助阳极的击穿电压相吻合。

(2) 恒电位式整流器

有时称恒电位仪，它几乎占领了国内90%的阴极保护市场，是一种自动控制的整流器。

它主要适用于构筑物/电解质的电位经常波动的地方，如存在有杂散电流的干扰影响、介质流速的影响(航行中的船)、季节因素等。采用恒电位仪，是使保护电流随着构筑物/电解质的电位波动不断地进行调整，来维持一个恒定的电位。

恒电位仪是用专门设计的参比电极来采集一个标准的自控讯号源，将采集到的讯号送进比较放大器，通过比较放大后，调整主回路的电流，达到电位恒定的目的。

图6-2是磁饱和恒电位仪原理图，整流器中的电压表是用以调整管道给定电位的。实测的管/地电位与这个参比电位相比有一个电压差，此电压差通过磁饱和电抗器控制整流器变压器的输出。如果管/地电位从参比值向正向偏移，则保护电流增加，若向负偏移则减少。几个并联运行的装置的响应时间必须可调，以避免感应振荡。当管/地电位恒定时，在铁轨电位很负时，则会经常产生很高的电流峰值。因此，控制装置的整流元件通常要做成能通过相当于变压器电流两倍的电流。

当前，国内大量使用的是可控硅恒电位仪，典型

的恒电位仪性能指标有:

①恒电位仪控制调节范围:-0.500V — -2.OOOV;

②电位控制精度：≤±5mV；

图6-2 磁饱和恒电位仪排流原理图

a.负载特性：输出电压、电流在额定值范围内变化，保护电位的变化≤±5mV；

b.漂移特性：连续运行，保护电位变化≤±5mV；

c.输入特性：当电源电压变化±10%时，保护电位变化≤±5mV；

③流经参比电极阳极电流≤3μA；

④自动误差报警：保护电位偏离控制电位在30mV以上能自动发出报警信号;

⑤限流特性:输出电流超过额定值，以至短路，仪器能自动限制输出电流于预定值上，并发出报警。过流、短路原因消失后，即自动恢复正常工作;

⑥抗交流干扰能力:当参比电极受到24V以下交流电干扰时，仪器正常工作;

⑦防雷击余波:阳极、阴极、参比电极能承受20kV，重复周期为1—5s，脉冲宽度约为25μs的脉冲波，时间为lmin，仪器能正常工作。

近几年，微机管理恒电位仪问世，它把管理工作智能化，为无人阴极保护系统提供了保障。图6-3是KSW-D型恒电位仪原理方框图。

(3)恒电流式整流器

图6-3 KSW-D恒电位仪原理方框图

有时也称恒电流仪，这种设备的特点是内阻很大，工作时一般不受外部电阻或反向电压的影响，很像一个恒电流稳流器。这种整流器特别适用于强制排除覆盖层质量相当差的管道上的杂散电流，这种管道的管/地电位通常与排出的电流成比例。安装恒电流保护装置时，管/地电位即使出现相当小的波动也应予以考虑。

恒电流控制的保护整流器有时用于敷设在正向电车轨道下方的管道的阴极保护。一般应当将杂散电流朝自然流向排流，即最后在铁轨交叉点的两边若干公里远处实现外加电流阴极保护。

由子测试困难，在油井套管的阴极保护中，对于深层的套管的保护状态无法了解，有时使用电流密度作为套管阴极保护水平的判据。这时恒电流仪也可在这一领域发挥了自己的作用。

6.2.3 太阳能电池

太阳能电池是利用材料的光生伏打效应将光能直接转换成电能的装置。

光生伏打效应大体可分为3种:①金属-半导体接触(如氧化亚铜、硒光电池等);②p-n结接触(如硅、锗、砷化稼、磷化铟、碲化镉、硫化镉太阳电池等);③丹倍感应。

日前常用的多为p-n结接触的太阳能电池。

每种太阳能电池对太阳光都有自己的光谱响应曲线，它表示电池对不同波长的光的灵敏度(光电转换能力)。表6-2列出了几种太阳能电池材料的光谱响应〔1〕。

表6-2几种太阳能电池材料表

商品化的硅太阳能单体电池在太阳光照下(强度1kW/㎡)的开路电压约为0.55V,短路电流约为30—35mA/平方厘米。

工业上应用的硅太阳能电池的效率一般在10%左右，实验室的效率可达15%—18%，硅太阳能电池的工作温度范围约为-100— +120℃。

硅太阳能电池的结构和生产工艺见图6-4。

图6-4硅太阳能电池构造及制造工艺流程

a-Si太阳能电池结构;b一太阳能电池组件的制造工艺

作为电源装置，太阳能电池要与蓄电池配合使用，当太阳落下后或阴天无太阳时也能保证供电。图6-5是太阳能电池电源装置的构成。

太阳能电池的设计步骤如下。

①列出设计所需的基本参数。它们包括:所有负载的名称、额定工作电压、耗电功率、用电时间、有无特殊要求等;现场的地理条件，