新型直流雜散電流強制排流器的研發(fā)與應用

夏惠芳 劉根勝

〔1 中國石化北京石油分公司 北京 100022；2 河南省中奧管道工程技術(shù)有限公司 河南濮陽 457000〕

近年來軌道交通以其快捷、便利、安全、載客量大等優(yōu)點成為大家所青睞的重要交通工具[1]。隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，我國各大城市為了緩解日趨嚴重的城市交通壓力，紛紛加快了城市軌道交通的建設。我國地鐵/輕軌多采用750V或1500V的直流電力牽引系統(tǒng)和走行軌回流的方式。地鐵運行時，由走行軌漏泄到道床及其周圍土壤介質(zhì)中的直流雜散電流在流回變電所的時候，會對埋地金屬管道造成嚴重的腐蝕[2-8]。

依據(jù)現(xiàn)行標準及規(guī)范，直流雜散電流防護技術(shù)主要有接地排流[9]、直接排流、極性排流、強制排流四種排流技術(shù)[10]，每種排流技術(shù)都對應有各自的優(yōu)劣勢。直接排流、極性排流、強制排流三種防護技術(shù)需要將管道與干擾源負回歸網(wǎng)絡連接。由于涉及到多單位多部門協(xié)調(diào)，現(xiàn)場應用實施難度比較大，目前最常用的直流雜散電流防護技術(shù)為接地排流，通過導線將管道與排流接地體連接，將管道上流動的直流雜散電流引回大地，這種直流雜散電流防護技術(shù)對排流接地體材料及接地電阻有較高要求，經(jīng)多年現(xiàn)場應用，排流防護效果[11-17]并不是特別理想。

強排排流器[18]研制基于電流補償和吸收原理，利用強制排流器獨特的硬件驅(qū)動電路、軟件算法及高速響應和控制等特點，以FGPA[現(xiàn)場可編程門陣]多任務處理器為核心數(shù)據(jù)處理和控制單元，控制設備各單元工作。該直流雜散電流防護技術(shù)在管道電位處于正向波動的時候，強制排流器可以向管道補充電流[19]，當管道為負向電位偏移的時候，可以通過排流地接體將管道上存在的雜散電流引回大地，以此來保持管道電位處于可控范圍之內(nèi)。

本文基于電流吸收和補償原理研制了一種直流雜散電流排流系統(tǒng)—直流雜散電流強制排流器，消除或降低埋地管道上存在的直流雜散電流，并通過現(xiàn)場應用驗證，降低了管道因直流雜散電流干擾所引起的腐蝕現(xiàn)象，達到了預期效果。

1 強制排流器系統(tǒng)工作原理圖

強制排流器系統(tǒng)主要由電源輸入濾波單元、PWM功率轉(zhuǎn)換器單元、整流濾波器單元、雙向電流控制器單元、處理器與調(diào)整邏輯控制單元[FPGA]、高速管道電位采集單元、顯示單元、按鍵單元、無線數(shù)據(jù)傳輸單元(GPRS)、GPS授時單元等組成。高速管道電位采集單元將采集到的管地電位數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA處理器，F(xiàn)PGA處理器經(jīng)數(shù)據(jù)處理后控制雙向電流控制單元進行動作，以達到消除管道上存在的直流雜散電流。

直流雜散電流強制排流系統(tǒng)具備高速響應、實時在線遠程通信控制、GPS授時同步中斷控制等功能為一體，當管道管地電位因直流雜散電流干擾引起變化的時候直流雜散電流強制排流系統(tǒng)

可以1MS內(nèi)響應并進行控制，管地電位平穩(wěn)的時候(如地鐵造成的直流雜散電流干擾)系統(tǒng)自動恢復到普通恒電位儀狀態(tài)。

目前市面上的恒電位儀系統(tǒng)普遍存在響應速度慢，當管道管地電位發(fā)生劇烈變化的時候不能及時響應控制并且可能會存在邏輯控制錯誤(如：管地電位低于設置值時，恒電位儀增大輸出，假如這時候管地電位突然高于設置值時，這時候恒電位儀還是在增大輸出，就造成了因響應速度慢而造成邏輯控制錯誤)。見圖1。

圖1 強制排流器系統(tǒng)工作原理圖

2 強制排流器系統(tǒng)安裝位置

以北京成品油管道為例，北京成品油管道直流雜散電流干擾源主要來源于城市地鐵/輕軌交通運輸系統(tǒng)，為最大程度驗證直流雜散電流強制排流器系統(tǒng)在直流雜散電流干擾源下的應用效果。本次應用試驗選擇的亦莊輕軌段做為試驗點。

試驗點分別由：輔助排流接地極、強制排流器系統(tǒng)設備、控制電纜等組成，因地理環(huán)境限制，輕軌干擾源安裝位置輔助排流接地體采用深井式安裝，其它安裝同恒電位儀系統(tǒng)安裝。

3 應用試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測

本次應用試驗通斷電位監(jiān)測采用試片法+高速通/斷電位采集器進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，電流監(jiān)測采集采用試片法+FLUKE289。試片材質(zhì)同管道材質(zhì)相同，試片大小為5 mm×50 mm×100 mm，試片裸露面積為10 cm2,試片埋設嘗試約1 m。監(jiān)測時長為24 h，以評估直流雜散電流強制排流器系統(tǒng)真實效果。

下文中圖2和圖3為強制排流器系統(tǒng)停止狀態(tài)下所監(jiān)測的數(shù)據(jù)，圖4和圖5為“強制排流器”系統(tǒng)運行狀態(tài)下監(jiān)測的數(shù)據(jù)，均為同一個測試點。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)比對，以此來分析“強制排流器”系統(tǒng)對直流雜散電流干擾緩解效果。

3.1 系統(tǒng)停止狀態(tài)管道通斷電位變化情況

從圖2可以看出，直流雜散電流強制排流器在停止狀態(tài)下(管道處于雜散電流干擾狀態(tài))，受地鐵/輕軌直流雜散電流干擾的影響，管道通電電位正負劇烈波動，波動范圍約7.5V，管道斷電電位波動且斷電電位不滿足陰極保護電位準則要求，管道存在腐蝕風險[20]。

圖2 “強制排流器”系統(tǒng)停止狀態(tài)下管道通斷電位變化曲線圖

3.2 系統(tǒng)停止狀態(tài)試片電流變化情況

從圖3可以看出，直流雜散電流強制排流器在停止狀態(tài)下(管道處于雜散電流干擾狀態(tài))，受地鐵/輕軌直流雜散電流干擾的影響，監(jiān)測點試片電流[21-22]正負交替變化(試片電流為正值表示電流從土壤流入管道，管道受到保護。反之，當試片電流為負值時表示電流從管道流向大地，管道存在腐蝕風險)，管道存在腐蝕的風險。

圖3 系統(tǒng)停止狀態(tài)下監(jiān)測點試片電流變化曲線圖

3.3 系統(tǒng)運行狀態(tài)管道通斷電位變化情況

從圖4可以看出，“強制排流器”系統(tǒng)在運行狀態(tài)下，管道通斷電位正向波動完全消除，管道斷電電位波動范圍較小且斷電電位滿足陰極保護要求。說明“強制排流器”系統(tǒng)對于緩解管道直流雜散電流干擾，起到了明顯的緩解效果。

圖4 系統(tǒng)運行狀態(tài)下監(jiān)測點通斷電位變化曲線圖

3.4 系統(tǒng)運行狀態(tài)試片電流變化情況

系統(tǒng)運行狀態(tài)下監(jiān)測點試片電流變化見圖5。

圖5 系統(tǒng)運行狀態(tài)下監(jiān)測點試片電流變化曲線圖

從圖5可以看出，強制排流器系統(tǒng)在運行狀態(tài)下，監(jiān)測點試片電流監(jiān)測值均為正值(試片電流為正表示電流從土壤流入管道，管道受到保護，反之，當試片電流為負時表示電流從管道流向大地，管道存在腐蝕風險)，說明“強制排流器”系統(tǒng)對于緩解管道直流雜散電流干擾，起到了明顯的緩解效果[23]。

4 通斷電位正向偏移統(tǒng)計表

依據(jù)GB/T5991標準規(guī)定參考澳大利亞國家標準《Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables》AS2832.1-2004中關(guān)于受雜散電流干擾的埋地結(jié)構(gòu)的保護準則，該標準 2.2.2.6條“受動態(tài)雜散電流影響的結(jié)構(gòu)”摘錄如下：

① 電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的5%；

② 電位正于保護準則+50 mV (對黑色金屬結(jié)構(gòu)電位為-800 mV)的時間不應超過測試時間的2%；

③ 電位正于保護準則+100 mV(對黑色金屬結(jié)構(gòu)電位為-750 mV)的時間不應超過測試時間的1%；

④ 電位正于保護準則+850 mV(對黑色金屬結(jié)構(gòu)電位為0 mV)的時間不應超過測試時間的0.2%

通過表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，強制排流器系統(tǒng)啟動后，管道兩側(cè)約11 km管道斷電電位正向偏移超過標準的基本消除。

表1 系統(tǒng)運行狀態(tài)下監(jiān)測點斷電電位統(tǒng)計情況表

5 干擾源停運狀態(tài)下運行效果

強制排流器研制基于電流補償和吸收原理，也就是在管道受到外部直流雜散電流干擾的時候，設備進行雙向強制排流控制，當直流雜散電流干擾源消失的時候，強制排流器變?yōu)閱蜗蜉敵黾雌胀ê汶娢粌x工作模式，由強制排流器向管道提供保護電流。

北京地鐵/輕軌在00：30～5：00左右期間停止運行。地鐵/輕軌停止運行后，地鐵/輕軌給埋地金屬管道造成的直流雜散電流消失，管道管地電位恢復到未干擾狀態(tài)，這些管地電位的變化都會被強制排流器信息采集模塊實時監(jiān)測到。通過中心處理器閉環(huán)回路控制，設備調(diào)整輸出，至監(jiān)測到的管地電位與預設值相等，設備進入穩(wěn)態(tài)輸出即恒電位模式。地鐵/輕軌開始運行后，管道開始受到直流雜散電流干擾，強制排流器在1 MS以內(nèi)自動進入雙向強制排流模式，以確保管道管地電位的穩(wěn)定(見圖6)。

圖6 干擾源停止狀態(tài)下監(jiān)測數(shù)據(jù)

6 效果分析及結(jié)論

通過對圖②和圖③進行數(shù)據(jù)分析，強制排流器未啟動時，從圖②可以看出，管道管地電位波動范圍較大且管地電位波動正負交變，管道保護電位(斷電電位)波動范圍較大且達不到陰極保護范圍的規(guī)定值。從圖③可以看出，監(jiān)測到的試片電流值正負交變，受管道直流雜散電流干擾，管道存在發(fā)生腐蝕的風險。

強制排流器系統(tǒng)運行后，從圖④和圖⑤進行數(shù)據(jù)分析，強制排流器啟動后，管道管地電位波動范圍變?nèi)跚夜艿拦艿仉娢回撓虿▌油耆艿辣Ｗo電位(斷電電位)波動范圍較小且值均在正常保護范圍內(nèi)。從圖⑤可以看出，監(jiān)測到的試片電流全部為正值，說明試片的電流全部由土壤流向管道，管道處于有效的保護狀態(tài)。

參考澳大利亞AS2832.1-2004標準繪制表①，通過表①統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，強制排流器啟動后，管道保護效果及保護率完全優(yōu)于未采取強制排流措施，排流點兩側(cè)約20km左右管道處于保護狀態(tài)，排流效果達到預期試驗的目的，實現(xiàn)了排流效果。