外加电流阴极保护系统的直流电源选择

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：在外加电流阴极保护系统中，需要有一个稳定的直流电源，以供给保护用的电流。目前可用来作为直流电源的有蓄电池组、直流发电机、整流器、恒电位仪、太阳能电池及风力发电机等。直流发电机可在没有交流电源而蓄电池组又不能满足功率要求的情况下应用。

在外加电流阴极保护系统中，需要有一个稳定的直流电源，以供给保护用的电流。对直流电流应满足以下要求：

1）在长期应用时能可靠和稳定地工作。

图4-4　铜/硫酸铜电极的结构

2）保证有足够大的输出电流，并且可以在较大的范围内进行调节。

3）有足够的输出电压，以克服系统中的电阻。

4）安装容易，操作简便，不需要经常检修。

目前可用来作为直流电源的有蓄电池组、直流发电机、整流器、恒电位仪、太阳能电池及风力发电机等。

蓄电池组可在没有交流电源及保护电流较小的场合下应用。这种电源较为简单，但电容量有限，需要有备用蓄电池组，以便更换使用。

直流发电机可在没有交流电源而蓄电池组又不能满足功率要求的情况下应用。直流发电机能够提供无脉冲的电力，其输出电压可以精确地调节和控制，所以可作为低电压和大电流的直流电源，供阴极保护之用。

太能阳电池是一种新型的直流电源，正处于研究和开发应用阶段。风力发电很经济，但电流不稳定，需有蓄电池组配合。目前应用最多的是整流器和恒电位仪。

1.整流器

当有交流市电时，整流器是外加电流阴极保护首选的电源设备。整流器是将交流电变为直流电的一种设备，它由变压和整流两部分组成，进入20世纪90年代后，开关电路得到了大量应用，省掉了笨重的变压环节，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48%的100Hz交流纹波。当功率较大时，如2kW，采用三相桥式全波整流就比较经济，这时的整流效率为80%～90%，而带有300Hz的纹波仅为4%。

直流中带有交流纹波会对阴极保护产生不利影响：

1）当用Pt-Ti阳极时，交流纹波会引起阳极材料的强烈腐蚀及过早地损坏。

2）当阴极保护接入电缆不对称时，交流纹波会对信号的传送产生干扰。

3）在水管阴极保护时，管子中残余的交流纹波会破坏感应流量计的工作。

因此，整流电流后一般都需带有由抗流线圈和电容器组成的滤波电路。

一般的整流器可在低于35℃的环境下使用，当温度更高时，可采用自然通风来进行冷却，但当气候条件很差时，可采用油冷。

常用的硅整流器或硒整流器是由变压器、整流电路和平滑滤波器三部分组成。变压器是将输入的交流电电压升高或降低到所需的电压。整流电路是由单向导电的整流元件如硅整流二极管或硒片组成，它将交流电改变成单向电流，这样整流后的电压和电流还存在脉动现象，所以需要有滤波器，以使直流电更为平稳。

硒整流器对过电流、短路、过电压均不敏感，使用时可靠。当输出电压超过20V时，要将硒片串联。而硅整流二极管对过电流和过电压均敏感，但容许的工作温度比硒整流器高，并且能耐高电压。

整流器可以通过调节输出电压来控制输出电流，使被保护的金属构筑物阴极极化到所需的保护电位，但不能自动控制电位，在保护过程中电位的波动较大。整流器适用于介质条件相对稳定的情况下，如地下金属结构、钢浮码头、化工生产中的贮槽等。

2.恒电位仪

恒电位仪是一种能够保持电极电位恒定在任何所需值的电子仪器，它能精确控制保护电位，迅速自动地调整输出电流，即使外界条件（如介质浓度、流速、液位等）发生急剧变化，导致所需保护电流瞬间改变几十倍，但设备的保护电位波动极小（<±10mV）。因此应用最广泛，几乎占据90%的阴极保护市场。

恒电位仪的种类很多，如晶体管恒电位仪、磁放大整流自控装置、可控硅恒电位仪等。

1）晶体管恒电位仪的体积小、控制精度高，但线路较复杂，输出功率低，需要蓄电池供电和定期充电，一般只用于有直流电的小型船舶和保护面积不大的结构上。

2）磁放大整流自控装置坚固耐用，使用寿命长，过载能力强，维修方便，但体积大，笨重，加工工艺复杂。这种装置在国外生产应用较多，国内并未得到广泛应用。

3）可控硅恒电位仪的功率较大，体积较小，寿命较长，但过载能力不强，线路也较复杂。在国内，可控硅恒电位仪应用较为广泛。它由电位给定器、直流放大器、脉冲触发器、可控硅整流器、稳压器和过流保护器等部分组成，如图4-5所示。

图4-5　可控硅恒电位仪工作原理图

恒电位的工作原理简述如下。由参比电极测得的被保护的管道电位（V_参）与电位给定器的给定电位（V_输）相比较，得到信号电位差（ΔV），它经过直流放大器放大（kΔV）后，供给脉冲触发器，使其输出移相脉冲，移相范围的大小与放大器输出电压成正比。移相脉冲触发可控硅整流器，使可控硅导通，导通角的大小与脉冲移相范围成正比，因此可控硅整流器输出电流大小与信号电位差（ΔV）成正比。当外界的条件发生变化时，如果使参比电极测得的结构电位往正方向偏离给定电位（V_参的值正移），则直流放大器输出增大（kΔV增大），使触发后的移相角也增大（α增大），于是输出电压升高（V升高），使流到被保护管道的电流增大，因而使结构的电位负移，直至与给定电位相等。若外界条件的变化使参比电极测得的被保护管道的电位负移，即往负方向偏离给定电位（V_参的值负移），则进行相反的调节，结果使被保护管道的电位正移，直至回到给定电位。