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管道研究

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固态去耦合器对管道电位影响分析

来源:《管道保护》杂志 作者:孙少辉;凌艳;孙岩;李磊 时间:2020-11-18 阅读:

孙少辉 凌艳 孙岩 李磊

北京天然气管道有限公司河北输气管理处

 

摘  要:固态去耦合器在交流排流中主要起“隔直通交”作用。通过测试天然气管道上已有排流点的排流参数,分析影响固态去耦合器“隔直通交”指标。结果表明,交流阻抗是固态去耦合器的一个重要指标,交流阻抗较大时会影响排流效果。固态去耦合器的额定隔离电压为非对称型时,交流阻抗较大造成其两端的交流电压差,会发生整流效应,使得管道电位偏负。

关键词:固态去耦合器;交流干扰;交流阻抗;管道

 

 

由于地理位置的限制,油气管道与电力线路和电气化铁路的设计和建设过程中都会采取路径“择优原则”,使得相关线性工程在“公共走廊”中发生小间距、长距离并行或交叉,加重了埋地管道面临的交流干扰问题,影响到管道及其相关设备的安全以及工作人员的人身安全。固态去耦合器在交流排流中主要起“隔直通交”作用,但是部分厂家的产品无法完全发挥作用,这类设备安装在管道上会对阴极保护电位造成影响。某天然气管线有交流排流点6处,排流措施为固态去耦合器+排流地床,笔者通过测试6处排流点固态去耦合器的各项参数,对比分析不同排流性能,分析对管道电位造成影响的原因。

1 固态去耦合器工作原理

固态去耦合器主要由电容、二极管(或者晶闸管)以及浪涌保护装置并联组成。其中电容元件用来导通交流电流;二极管(或者晶闸管)用于控制固态去耦合器两端的直流电压差,在二极管(或者晶闸管)的阈值范围内,直流不导通,在两端电压差超过阈值范围后,二极管(或者晶闸管)导通;浪涌保护装置用于导通故障电流或者雷击电流,防止电容和二极管(晶闸管)受故障或者雷击电流的影响。不同厂家固态去耦合器的参数如表 1所示,其中额定隔离电压指固态去耦合器两端电压差。在此范围内,导通的直流电流小于规定的1 mA。如额定隔离电压为﹣3 V/+1 V,表示两端的电压差在﹣3 V~+1 V范围内,导通的直流电流小于1 mA;两端电压差小于﹣3 V和大于+1 V时,导通的直流电流大于1 mA。

固态去耦合器用于交流排流时,将其一端接管道,一端接排流地床,如图 1所示。管道存在交流干扰时,会通过固态去耦合器和排流地床流入大地,降低管道的交流干扰电压,使其在隔离电压范围内,保证管道和排流地床的直流隔离。

2 测试结果与分析

分别测试6处排流地床连接前后管道和固态去耦合器的运行参数,对比分析2家产品的性能差异和其对管道的电位影响。

图 2和图 3分别为排流前后管道的交流电压和通过固态去耦合器的稳态交流电流值,其中1#、 2#和3#采用产品1, 4#、 5#和6#采用产品2。由图 2可以看出, 6处排流点的交流电压均降低明显,降低率均大于70%,排流后的交流电压均降到15 V以内,满足标准规定的安全电压限值。由图 3可以看出, 6处排流点的交流排流量在1.3 A~12.3 A,通过固态去耦合器的交流电流量均满足表 1的稳态交流电流值的规定,表明交流排流效果均较好, 2家产品均能满足交流排流的需求。

          

图 4为固态去耦合器的直流漏流量的最大值、最小值和平均值,测试结果显示,产品1的直流漏流量在﹣7 mA~+19 mA(正值表示电流通过排流地床流出),产品2的直流漏流量在﹣3 mA~+720 mA,其中5#和6#排流点通过的直流漏流量大。图 5为固态去耦合器两端的直流电压差,可以看出, 6处直流电压差均在规定的隔离电压范围内(﹣3 V~+0.3 V),但是2家产品的直流漏流量均大于规定的参数(大于1 mA)。

          

对比排流前后管道电位可以看出(图 6),1#~4#排流点排流前后管地电位变化不大,表明有较 小直流电流通过固态去耦合器时,对管道电位影响不明显。 5#和6#排流点排流后管道电位负向偏移明显,分别负向偏移了0.50 V和0.98 V,表明固态去耦合器连接后,有直流电流流入管道表面,造成管地电位变负。直流漏流量的测试结果显示, 5#和6#排流点直流漏流量大,有电流通过排流地床流出,分析管道电位变负时由于排流地床的流出电流,通过土壤流回管道的表面,造成管地电位变负,直流电流流动方向如图 7所示。

         

固态去耦合器两端的交流电压差测试结果显示(图 8), 5#和6#固态去耦合器两端的交流电压差较大,分别达到了1.25 V和1.77 V。产品2的隔离电压分别为﹣3 V/+0.3 V,表明内部的二极管组为非对称型(图 9)。在固态去耦合器通过交流电流时,交流电流优先通过电容,当交流电流较大时,电容两端存在交流电压差,二极管组与电容并联,因此二极管组两端也存在交流电压差, 5#和6#固态去耦合器两端的交流电压差,即为电容和二极管组两端的交流电压差。二极管组为非对称型,正方向二极管组的导通电压为0.3 V(图 9中1个二极管表示的方向),负方向二极管组的导通电压为﹣3.0 V(图 9中多个二极管表示的方向),在二极管组两端存在交流电压差时,交流电流为正弦波形式,以5#排流点为例,在交流电流波动到正半波时,固态去耦合器两端的电压差能达到+1.25 V,大于正方向二极管组的导通电压(+0.3 V),电流通过正向二极管导通,在交流电流波动到负半波时,固态去耦合器两端的电压差能达到﹣1.25 V,仍小于向二极管组的负向导通电压(﹣3 V)值,电流无法导通,二极管两端的交流电压差造成固态去耦合器交流电流正半波导通,负半波不导通,形成整流效应,将整流的直流电流施加在排流地床和管道之间,形成如图 7的直流电流,造成管道电位变负。当固态去耦合器两端交流电压差较小时,二极管组不导通,不会产生整流的直流电流,如排流点1#~3#。

    

固态去耦合器两端的交流电压差是由通过的交流和其交流阻抗决定。排流量大和交流阻抗较大时,都会造成其两端的交流电压差大。图 10为各个排流点的固态去耦合器交流阻抗测试结果,可以看出产品2的交流阻抗远大于产品1, 6#排流点交流阻抗达到 0.37 Ω,如排流点的电流达到产品标称的80 A时,固态去耦合器两端的交流电压差将达到29.6 V,在影响管地电位的同时,也将影响排流点的排流效果,因此在排流量较大时,固态去耦合器的交流阻抗直接影响排流效果。

3 结论

交流阻抗是固态去耦合器的一个重要指标,当交流阻抗较大时,在交流排流电流较大状态下,会在固态去耦合器两端残留较大交流电压差,影响交流排流效果。在固态去耦合器的额定隔离电压为不对称时,交流电压差会施加在固态去耦合器的二极管组两端,造成二极管组发生整流效应,通过排流地床流出电流,流入管道表面,造成管地电位偏负,使得固态去耦合器无法起到“隔直通交”的作用。在固态去耦合器通过的直流漏流量较小时,虽然超过产品标准的直流泄漏电流值,但是对管道电位的影响较小。

 

作者简介:孙少辉, 1977年生,工程师,北京天然气管道秦皇岛作业区主任,从事油气储运工作22年,现主要从事作业区及管道管理工作。通 讯 作 者 : 李 磊 , 1 9 8 6 年生,工程师,从事油气管道本体防护工作。联系方式:13720991915, lilei287mail@qq.com。

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