固態(tài)去耦合器與鉗位式排流器的排流效果對比

韓 非

(深圳市燃氣集團股份有限公司,深圳 518049)

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固態(tài)去耦合器與鉗位式排流器的排流效果對比

韓 非

(深圳市燃氣集團股份有限公司,深圳 518049)

固態(tài)去耦合器與鉗位式排流器是目前在埋地鋼質管道交流干擾排流實踐中廣泛使用的產品。借助某天然氣管道的交流干擾排流應用，對兩種排流產品的性能進行了對比性研究。固態(tài)去耦合器在排流效果以及對陰極保護的影響方面有較大的技術優(yōu)勢。

固態(tài)去耦合器；鉗位式排流器；交流干擾；陰極保護

近年來我國經濟的快速發(fā)展使原油、天然氣等化石能源的消費增加，極大地促進了國內油氣管道行業(yè)的繁榮。隨著電力、鐵路、管道的大規(guī)模建設，埋地鋼質管道遭受到越來越多的雜散電流干擾。而交流干擾問題會嚴重威脅管道及其相關設備的安全以及工作人員的人身安全。

當管道與電力輸送線路(主要是交流高壓輸電線路和交流電氣化鐵路)并行或者交叉時，電力線可以通過電容耦合、電阻耦合以及電感耦合三種方式對管道造成交流干擾。如果不考慮輸電線路鐵塔的影響，對埋地鋼質管道來說造成交流干擾的方式主要是電感耦合。在高壓輸電線路或交流電氣化鐵路附近由于電磁感應會產生一個交變的電磁場，管道處于該交變的電磁場中時會在管道上感應出交流電壓，這種耦合方式稱之為電感耦合，如圖1所示。

目前國際上對于交流干擾的評價標準各不相同[1-2]。我國實行GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》[3]。按該標準，當管道上的交流干擾電壓不高于4 V時，可不采取交流干擾防護措施；高于4 V時，應對交流電流密度進行評估，根據(jù)交流電流密度進行判定。

圖1　管道受到交流輸電線的電感耦合的作用原理Fig. 1　Mechanism of induction interference by AC transmission line above pipeline

當確認埋地鋼質管道受到嚴重的交流干擾之后，最迫切需要解決的問題就是緩解交流干擾。目前，國內外常用的緩解交流干擾措施為增大管道與干擾源之間距離以及安裝排流地床等。增大管道與干擾源之間的距離，能有效降低管道的感應電壓，但是受實際情況的制約，該緩解措施的實踐性不強。交流排流裝置和排流地床結合的方法由于具有良好的緩解效果，在國內外得到廣泛的使用[4]。

排流地床方法是在埋地管道附近水平或垂直埋設接地材料，如裸銅導線、鋅帶、鍍鋅扁鋼或者鋅陽極等，并通過固態(tài)去耦合器或者鉗位式排流器等排流裝置與管道連接。當管道受到交流干擾產生交流電動勢時，排流地床作為一個低電阻接地通道導通交流電流，降低管道的感應電壓。

1　兩種排流裝置的原理

固態(tài)去耦合器接地方法參照NACE SP0177-2014標準，在國外減緩交流干擾工程中應用普遍。近年來從北美引入到國內管道界后，該方法在國內大型長輸管道工程中大量應用[5-6]。它具有“阻直通交”的特性，對交流電流提供低阻抗通道，而在一定電壓范圍內阻止直流電流的導通。此外，固態(tài)去耦合器還具有浪涌、雷擊保護模塊，可防止管道及附屬設備被瞬態(tài)大電流損壞。

圖2為典型的固態(tài)去耦合器裝置內部電器件構造。該裝置中，電解電容可以導通穩(wěn)態(tài)交流電流；晶閘管導通故障電流并起到控制直流導通閾的作用；浪涌保護器可以導通雷電沖擊電流。固態(tài)去耦合器的直流導通閾值通常為-2/+2 V或者-3/+1 V，這個門檻值是由晶閘管來控制的。當固態(tài)去耦合器兩個接線端之間的電壓差達到閾值電壓時，設備自動切換到直流短路模式；當兩個接線端之間的電壓低于閾值電壓時，該設備對直流電流的阻抗極大，直流電流無法導通。

圖2　固態(tài)去耦合器內部電路示意圖Fig. 2　Schematic diagram of internal circuit in solid state decoupler

鉗位式排流器由三只硅二極管組成，分為正臂和負臂兩部分，如圖3所示。負臂串聯(lián)兩只二極管Z2和Z3，正臂串入一只二極管Z1，正負臂上二極管互為反向安裝。當干擾電壓正半波時Z1導通，負半波時Z2、Z3導通。它們的正向壓降為0.7 V，負向壓降為-1.4 V。該裝置在緩解交流干擾的同時利用干擾電壓起到對陰極保護作用。

圖3　鉗位式排流器結構及原理Fig. 3　Structure and diagram of clamping diode

固態(tài)去耦合器與鉗位式排流器的排流原理是不同的。固態(tài)去耦合器利用電容元件導通穩(wěn)態(tài)交流干擾電流，同時具備故障電流與雷擊浪涌的防護能力，還具有精確的直流導通閾值。而鉗位式排流器采用雙向二極管導通交流干擾電流，同時利用雙向二極管數(shù)量不同，對管道提供額外的陰極保護電流。

鉗位式排流器的性能取決于二極管性能。在以往的交流干擾排流標準中對二極管提出的要求是“允許電流應大于20～30 A”[7]。固態(tài)去耦合器產品對于性能指標有更為明確的要求。固態(tài)去耦合器的主要指標參數(shù)包括額定隔離電壓、穩(wěn)態(tài)交流電流、故障電流等，常用的固態(tài)去耦合器的參數(shù)要求見表1。

表1　常用固態(tài)去耦合器參數(shù)

2　兩種方法交流干擾排流效果對比

圖4　交流輸電線路與管道相對關系Fig. 4　AC transmission line vs pipeline

某天然氣管道與高壓輸電線路有較長距離的并行、交叉，全線共安裝12處交流干擾排流地床，見圖4。其中7處(S1～S7)使用固態(tài)去耦合器連接管道與地床，5處(C1～C5)使用鉗位式排流器連接管道與地床。固態(tài)去耦合器所配套安裝的地床為與管道并行敷設的裸銅線長為300 m,鉗位式排流器所配套安裝的地床為與管道垂直敷設的鋼管。在排流設施安裝完畢后，對管道的排流緩解效果進行了檢測。主要檢測內容包括管道的交流電壓、交流電流密度以及管道的通電電位和斷電電位等。采用銅纜作交流干擾緩解的接地極是早期的作法，由于固態(tài)去耦合器的故障狀態(tài)是短路，可能造成管道發(fā)生電偶腐蝕，現(xiàn)已不推薦使用。表2中統(tǒng)計了管道的交流電壓、交流電流密度以及通斷電電位數(shù)據(jù)。從管道的交流電壓來看，該段管道受到的交流干擾本身不是特別嚴重，在排流地床斷開時最高的交流電壓是28.8 V。圖5為通過交流電流密度來演示排流的效果。由圖5可見,在接通排流地床后，所有監(jiān)測點的交流電流密度都明顯下降；但在C3～C5處，交流電流密度尚大于30 A/m2，需要采取進一步的排流措施。

表2　管道交流干擾排流效果檢測

圖5　排流前后交流電流密度的變化Fig. 5　AC current density variation before and after mitigation

圖6和圖7為排流裝置對管道通電電位和斷電電位的影響。由通電電位和斷電電位在排流地床接通、斷開時的變化可見，該型號的固態(tài)去耦合器對管道的電位影響幾乎可以忽略不計，而鉗位式排流器對通電、斷電電位都有很大影響。在接通鉗位式排流器后，管道的斷電電位變化最大達到56 mV。鉗位式排流器對管道陰極保護電位的影響，很大程度上是由其內部構造決定的。其正臂和負臂上二極管的數(shù)量不同，造成干擾交流電流的“整流”效應，對管道的陰極保護造成影響。

圖6　排流前后管道通電電位的變化Fig. 6　Pipeline on-potential variation before and after mitigation

圖7　排流前后管道斷電電位的變化情況Fig. 7　Pipeline off-potential variation before and after mitigation

此外，從表3中排流器兩端的交流電壓數(shù)據(jù)可以看出，鉗位式排流器兩端的交流電壓遠遠大于固態(tài)去耦合器兩端的，這意味著其交流阻抗很高，這對交流干擾的排流效果有負面影響。陰極保護電流通過排流器導通后，鉗位式排流器的直流漏流量最小達到-324.8 mA，固態(tài)去耦合器(采用限流能力精確的晶閘管控制直流導通閾值)的直流漏流量最小值除個別位置的直流漏流量達到-49.4 mA外，基本都在個位數(shù)，這與該產品說明書中標示的1 mA直流漏流量是不符的。

表3　交流電流排流量及直流漏流量測試結果

3　結論

(1) 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明固態(tài)去耦合器和鉗位式排流器都可以明顯的緩解管道受到的交流干擾。

(2) 交流阻抗在排流器的選型中有重要的作用，應盡量選取交流阻抗較低的排流器產品。固態(tài)去耦合器的交流阻抗較低，而鉗位式排流器的交流阻抗較高。

(3) 固態(tài)去耦合器在排流效果以及對陰極保護的影響方面有較大的技術優(yōu)勢。

[1]NACE SP0177-2014Mitigation of alternating current and lightning effects on metallic structures and corrosion control systems[S].

[2]DD CEN/TS 15280-2006Evaluation of a. c. corrosion likelihood of buried pipelines-application to cathodically protected pipelines[S].

[3]GB/T 50698-2011埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準[S].

[4]胡士信，路民旭. 管道交流腐蝕的新觀點[J]. 腐蝕與防護,2010,31(6):419-424.

[5]張平，童開平，屠海波，等. 陜京三線交流干擾防護新技術應用與優(yōu)化[J]. 腐蝕與防護,2012,33(8):724-727.

[6]滕延平，李熙，蔡培培. 去耦合器排流技術在管道交流干擾減緩中的應用[J]. 管道技術與設備,2011(5):27-29.

[7]SY-T0032-2000埋地鋼質管道交流排流保護技術規(guī)范[S].

Comparison of Effectiveness of AC Interference Mitigation between Solid State Decoupler and Clamping Diode

HAN Fei

(Shenzhen Gas Co., Ltd., Shenzhen 518049, China)

Solid state decoupler and clamping diode are widely used in AC interference mitigation of buried steel pipelines. Based on the AC interference mitigation of a natural gas pipeline, the performance of two kinds of device was evaluated comparatively. The performance of solid state decoupler was better than that of clamping diode in respects of the effectiveness of AC mitigation and the effect on cathodic protection.

solid state decoupler; clamping diode; AC interference; cathodic protection

2015-08-18

韓 非(1981-)，工程師，本科，從事燃氣管道運行管理工作，13632902155，jianainana@sina.com

10.11973/fsyfh-201512017

TQ174.41

B

1005-748X(2015)12-1186-04