CN101343744A - 埋地管道有源去干扰装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种埋地管道有源去干扰装置，包括直流电源单元、管地电位传感器、给定电位器、电压控制单元和功率输出单元，电压控制单元用于生成PWM脉宽调制信号，功率输出单元用于根据PWM脉宽调制信号控制其内部的逆变器的输出，向辅助地床和埋地管道输出经过滤波处理且与管道干扰大小相等、方向相反的去干扰电压。本发明通过采用跟踪型PWM控制方式，使其输出能及时跟随指令电压处理模块的参考指令信号的变化，具有输出灵敏度高、反应速度快、动态性能好等优点，特别适用于消除由高压输电线和空间天气变化所引起的干扰。

Description

埋地管道有源去干扰装置

技术领域

本发明涉及埋地金属管道的电化学腐蚀领域，尤其是涉及一种埋地管道有源去干扰装置。

背景技术

经济的持续增长使能源的需求量越来越大，输电线路和输油管道的建设都在快速发展。受人口密度、土地资源状况以及电力行业和石化行业对传输路径的择优原则相近等因素影响，使得高压输电线路与埋地管道长距离平行或交叉设置的情况时有发生。当高压输电线与埋地管道平行或交叉时，由于高压输电线产生的交变电磁场影响，金属材质的埋地管道上将会感应出交流电压和电流。

即使在无人为干扰的区域，埋地管道上也会有不断变化的管地电位和管道电流，该管地电位变化通常与地磁场的扰动有关。当太阳上有大的黑子群、冕洞、强烈的耀斑、剧烈的物质抛射等物理现象时，大量的带电粒子流、高能射线进入日地空间，特别是近地空间，造成了大地磁场的剧烈变化，变化的磁场也将会在埋地管道上产生交变感应电压和电流。

高压输电线路和大地磁场变化等因素在埋地管道上产生的干扰被称为交流干扰，受到交流干扰的埋地管道的管地电位处于不断变化中，当管地电位高于其保护电位(-0.85V)时，管道产生对地泄露电流，这种泄露电流会对管道造成交流腐蚀。当管地电位过低(小于-1.2V)时，会导致管道涂层的破损，并引起敏感钢的析氢破坏。

目前，现有技术普遍采用排流法和阴极保护装置消除交流干扰。

在排流法中应用较多的是钳位式排流法和牺牲阳极加极性排流的方法，钳位式排流法通过排流节使管道与大地连接进行直接排流，排流节由两臂组成，其中一臂串接一只硅二极管，其正极接管道，称正臂；另一臂中串接两只硅二极管，其负极接管道，称负臂。在管道上有干扰电压时，当电压处于正半周时正臂导通，当电压处于负半周时负臂导通。实际使用表明，钳位式排流器虽在一定程度上缓解了交流干扰对管道造成的危害，但仍不能完全解决管道的腐蚀问题。由于硅二极管的正向压降为0.7V，因此当排流节的正臂导通时，管道上余留的电压将大于0.7V，此余留的电压大于管道的保护电位(-0.85V)，管道在这种情况下将不可避免的遭受腐蚀。牺牲阳极加极性排流的方法在管地电位升高时能够给管道提供正常的阴极保护电位，但是其只能单方向消除管道交流干扰，不能消除管地电位过低对管道造成的危害。

阴极保护装置依靠其内部的恒电位仪给埋地管道提供保护电压，使管道阴极极化，预防管道腐蚀。恒电位仪的特点是：反馈的信号为测得的管地电位值，通过反馈管地电位与给定电位比较来控制调整恒电位仪输出。当管地电位升高时，增加输出电压以降低管地电位，当管地电位下降时，降低输出电压，但是输出电压只能下降到零，如果管地电位继续下降，则恒电位仪不能起到保护作用，因此阴极保护装置也不能完全消除交流干扰。另外，为了使输出电压稳定、纹波系数小，现有阴极保护装置采用大电感或大电容滤波电路，这样会使阴极保护装置的输出电压滞后于输入的控制信号，当有交流干扰存在时，由于延迟时间太长，很难通过控制及时消除干扰，有时还会由于控制时间和干扰时间失配造成更为严重的不稳定震荡。

综上所述，现有技术尽管提出一些消除埋地管道交变干扰的技术方案，但都不能从根本上完全消除交流干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种埋地管道有源去干扰装置，不仅能够完全消除埋地管道上的交变干扰，而且反应速度快，动态性能好。

为了实现上述目的，本发明提供了一种埋地管道有源去干扰装置，包括用于提供直流电源的直流电源单元、用于检测埋地管道的管地电位的管地电位传感器和用于提供给定电位的给定电位器，还包括电压控制单元和功率输出单元，所述电压控制单元与所述管地电位传感器和给定电位器连接，用于接收管地电位传感器发送的管地电位和给定电位器发送的给定电位，根据所述管地电位和给定电位的比较结果生成反映理想去干扰电压的参考指令信号；同时所述电压控制单元还与所述功率输出单元的输出端连接，用于监测功率输出单元输出的实际去干扰电压，并根据实际去干扰电压与理想去干扰电压的比较结果生成PWM脉宽调制信号；所述功率输出单元的输入端与直流电源单元连接，其输出端分别与辅助地床和埋地管道连接，其控制端与所述电压控制单元连接，用于接收电压控制单元发送的PWM脉宽调制信号，根据所述PWM脉宽调制信号控制逆变器的输出，向辅助地床和埋地管道输出经过滤波处理且与管道干扰大小相等、方向相反的去干扰电压。

所述功率输出单元包括：

逆变器，其输入端与直流电源单元连接，其控制端与电压控制单元连接，根据电压控制单元发送的PWM脉宽调制信号，将直流电源单元输出的直流电逆变成双极性电压，使其输出跟随参考指令信号的变化；

滤波电路，其输入端与逆变器的输出端连接，其输出端分别与辅助地床和埋地管道连接，用于对逆变器输出的双极性电压进行滤波处理，形成去干扰电压向辅助地床和埋地管道输出。

所述电压控制单元包括：

信号处理模块，与管地电位传感器连接，用于接收管地电位传感器发送的管地电位并处理；

指令电压处理模块，分别与信号处理模块和给定电位器连接，用于接收信号处理模块发送的管地电位和给定电位器发送的给定电位，根据该管地电位和给定电位的比较结果生成参考指令信号；

电压跟踪控制模块，分别与指令电压处理模块和功率输出单元的输出端连接，用于从指令电压处理模块接收反映理想去干扰电压的参考指令信号，从功率输出单元的输出端接收其实际去干扰电压，根据实际去干扰电压与理想去干扰电压的偏差，生成PWM脉宽调制信号；

驱动电路，分别与电压跟踪控制模块和功率输出单元的逆变器连接，根据PWM脉宽调制信号控制逆变器输出与管道干扰大小相等、方向相反的去干扰电压。

在上述技术方案基础上，当埋地管道与高压输电线平行接近时，所述功率输出单元的输出端连接在埋地管道的终端位置。当埋地管道与高压输电线交叉分布时，所述功率输出单元的输出端连接在埋地管道与高压输电线的交叉位置。当埋地管道装有绝缘法兰时，所述功率输出单元的输出端连接在埋地管道绝缘法兰的两侧位置，用于防止空间天气引起的电磁干扰。

在上述技术方案基础上，还包括设置在与高压输电线平行的埋地管道的终端位置、埋地管道与高压输电线的交叉位置或埋地管道绝缘法兰的两侧位置的阴极保护装置，所述功率输出单元的输出端与阴极保护装置串联连接，共同保护埋地管道。

本发明提出了一种埋地管道有源去干扰装置，由于采用逆变器输出大小和方向可控的双极性电压，向埋地管道“注入”与管道干扰方向相反的管地电位，因此能够完全消除在管道上产生的任何干扰；由于采用逆变器和电压跟踪控制模块组合结构，通过采用跟踪型PWM控制方式，使其输出能及时跟随指令电压处理模块的参考指令信号的变化，因此具有输出灵敏度高、反应速度快、动态性能好等优点，特别适用于消除由高压输电线和空间天气变化所引起的干扰。进一步地，本发明还总结了关于各种干扰对管道影响的特点和规律，同时提出了本发明埋地管道有源去干扰装置的最佳配置原则，分别为：如果埋地管道与高压输电线平行接近，本发明配置在此段管道的两个终端；如果埋地管道与高压输电线交叉分布，本发明配置在交叉点处；对于装有绝缘法兰的管道，为防止空间天气引起的电磁干扰，本发明则配置在绝缘法兰的两侧。通过本发明配置原则，可以根据交流输电线路的干扰情况、根据空间天气的地磁干扰在埋地管道上产生的管地电位分布情况合理配置本发明埋地管道有源去干扰装置，实现最佳的效果。进一步地，本发明埋地管道有源去干扰装置也可以和管道阴极保护装置配合使用，具有广泛的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明埋地管道有源去干扰装置的结构示意图；

图2为本发明埋地管道有源去干扰装置实施例的结构示意图；

图3为高压输电线与埋地管道平行分布时在某时刻管道上产生的干扰电压沿管道分布情况示意图；

图4为高压输电线与埋地管道交叉分布时在某时刻管道上产生的干扰电压沿管道分布情况示意图；

图5为空间天气引起的大地磁场变化时在某时刻埋地管道上产生的干扰电压沿管道分布情况示意图；

图6为本发明埋地管道有源去干扰装置产生去干扰电压的分布示意图。

附图标记说明：

1-直流电源单元；      2-功率输出单元；  3-电压控制单元；

4-辅助地床；          5-埋地管道；      6-管地电位传感器；

7-给定电位器；        8-参比电极；      21-逆变器；

22-滤波电路；         31-信号处理模块； 32-指令电压处理模块；

33-电压跟踪控制模块； 34-驱动电路；     100-高压输电线。

具体实施方式

图1为本发明埋地管道有源去干扰装置的结构示意图。如图1所示，本发明埋地管道有源去干扰装置包括直流电源单元1、功率输出单元2、电压控制单元3、管地电位传感器6、给定电位器7和参比电极8，其中管地电位传感器6与参比电极8连接，用于检测埋地管道5的管地电位；给定电位器7用于提供给定电位；电压控制单元3与管地电位传感器6和给定电位器7连接，用于接收管地电位传感器6发送的管地电位和给定电位器7发送的给定电位，根据该管地电位和给定电位的比较结果生成反映理想去干扰电压的参考指令信号；同时，电压控制单元3还与功率输出单元2的输出端连接，用于监测功率输出单元2输出的实际去干扰电压，并根据实际去干扰电压与理想去干扰电压的比较结果生成PWM脉宽调制信号。功率输出单元2的控制端与电压控制单元3连接，其输入端与直流电源单元1连接，其输出端分别与辅助地床4和埋地管道5连接，用于接收电压控制单元3发送的PWM脉宽调制信号，根据该PWM脉宽调制信号控制逆变器的输出，输出经过滤波处理的去干扰电压向辅助地床4和埋地管道5输出，该去干扰电压与管道干扰大小相等、方向相反，以抵消交流干扰在埋地管道上产生的管地电位变化，得到理想的管地电位波形。

图2为本发明埋地管道有源去干扰装置实施例的结构示意图。如图2所示，本实施例上述技术方案中，功率输出单元2包括逆变器21和滤波电路22，逆变器21的输入端与直流电源单元1连接，输出端与滤波电路22连接，控制端与电压控制单元3连接，用于根据电压控制单元3发送的PWM脉宽调制信号，将直流电源单元1输出的直流电逆变成双极性电压，使其输出跟随PWM脉宽调制信号的变化；滤波电路22的输入端与逆变器21连接，输出端分别与辅助地床4和埋地管道5连接，用于对逆变器21输出的双极性电压进行滤波处理，形成与管道干扰大小相等、方向相反的去干扰电压向辅助地床4和埋地管道5输出。电压控制单元3包括信号处理模块31、指令电压处理模块32、电压跟踪控制模块33和驱动电路34，信号处理模块31与管地电位传感器6连接，用于接收管地电位传感器6发送的管地电位并处理后作为指令电压处理模块32的输入信号，本实施例中，管地电位传感器6还连接有参比电极8；指令电压处理模块32分别与信号处理模块31和给定电位器7连接，用于接收信号处理模块31发送的管地电位和给定电位器7发送的给定电位，根据该管地电位和给定电位的比较结果生成参考指令信号，参考指令信号所反映的理想去干扰电压就是期望功率输出单元2输出能及时准确消除埋地管道的交流干扰的去干扰电压；电压跟踪控制模块33分别与指令电压处理模块32和功率输出单元2的输出端连接，用于从指令电压处理模块32接收反映理想去干扰电压的参考指令信号，从功率输出单元2的输出端接收其实际去干扰电压，根据实际去干扰电压与理想去干扰电压的偏差，生成PWM脉宽调制信号；驱动电路34的一端与电压跟踪控制模块33连接，另一端与功率输出单元2的逆变器21连接，根据PWM脉宽调制信号控制逆变器21，以调整功率输出单元2输出去干扰电压的大小和方向，即向埋地管道“注入”与管道干扰方向相反的管地电位，使本发明能及时准确地抵消交流干扰在埋地管道上产生的管地电位变化，得到理想的管地电位波形。

在本发明上述技术方案中，直流电源单元可以是380V交流电经整流滤波得到的直流电源，实际使用中无交流电源存在时，也可以是燃气发电机装置或太阳能装置提供的直流电源。滤波电路采用更小的滤波电容，使电路过渡过程时间变短。本发明提供的埋地管道有源去干扰装置由于采用逆变器输出大小和方向可控的双极性电压，向埋地管道“注入”与管道干扰方向相反的管地电位，因此能够完全消除在管道上产生的任何干扰；由于采用逆变器和电压跟踪控制模块组合结构，通过采用跟踪型PWM控制方式，使其输出能及时跟随指令电压处理模块PWM脉宽调制信号的变化，因此具有输出灵敏度高、反应速度快、动态性能好等优点。

发明人多年的深入研究发现，目前现有技术的阴极保护装置极少能起到消除交流干扰的作用，而且大多数埋地管道上阴极保护装置的安装位置与抗干扰相矛盾。例如，从经济合理的最优原则来看，一段埋地管道的阴极保护装置应安装在管道中间，但发明人的研究表明，从消除高压输电线和空间干扰的最优原则来看，一段管道的阴极保护装置应安装在管道的两端。因此，目前阴极保护装置的安装位置不满足抗干扰的最优原则，当交流干扰存在时，阴极保护装置起的作用是：在阴极保护装置安装位置的任意一侧起过保护作用，在其另一侧起欠保护作用。

为此，发明人根据埋地管道受干扰影响的特点和规律，提出了本发明埋地管道有源去干扰装置的配置原则，通过下述实施例分别予以说明。

第一实施例

图3为高压输电线与埋地管道平行分布时在某时刻管道上产生的干扰电压沿管道分布情况示意图，图4为高压输电线与埋地管道交叉分布时在某时刻管道上产生的干扰电压沿管道分布情况示意图。针对高压输电线对埋地管道的影响，发明人总结的特点和规律为：当高压输电线与某段埋地管道平行接近时，与高压输电线平行段埋地管道的终端处管地电位最大，远离该终端处管地电位沿埋地管道逐渐衰减，如图3所示。具体地，埋地管道5的AB段与高压输电线100平行，在AB段以外埋地管道5继续延伸并远离高压输电线100，由高压输电线100产生的交流干扰引起的管地电位在埋地管道5的A点和B点处最大，远离A点和B点埋地管道5的管地电位逐渐衰减。当埋地管道与高压输电线交叉时，在交叉点处埋地管道的管地电位变化最大，远离交叉点管地电位沿管道逐渐衰减，如图4所示。具体地，埋地管道5与高压输电线100在点C处交叉，由高压输电线100的交流干扰引起的管地电位在埋地管道5的C点处最大，远离C点埋地管道5的管地电位逐渐衰减。

如果埋地管道与高压输电线平行接近，在配置本发明埋地管道有源去干扰装置时，本实施例将本发明埋地管道有源去干扰装置配置在埋地管道的终端处，即本发明功率输出单元2的输出端连接在埋地管道的终端位置(图3中的A点和B点)。

如果埋地管道与高压输电线交叉分布，在配置本发明埋地管道有源去干扰装置时，本实施例将本发明埋地管道有源去干扰装置配置在埋地管道与高压输电线的交叉处，即本发明功率输出单元2的输出端连接在埋地管道与高压输电线的交叉位置(图4中的C点)。

第二实施例

图5为空间天气引起的大地磁场变化时在某时刻埋地管道上产生的干扰电压沿管道分布情况示意图。针对大地磁场变化对埋地管道的影响，发明人总结的特点和规律为：当长距离输油埋地管道装有绝缘法兰时，大地磁场扰动引起的管地电位变化最大处在绝缘法兰两侧，如图5所示。具体地，在绝缘法兰101、绝缘法兰102、绝缘法兰103和绝缘法兰104处，可以看出由大地磁场变化引起的埋地管道的管地电位在靠近每个绝缘法兰101～绝缘法兰104的两侧处最大，远离绝缘法兰101～绝缘法兰104的管地电位逐渐衰减。

对于装有绝缘法兰的埋地管道，考虑空间干扰时，在配置本发明埋地管道有源去干扰装置时，本实施例将本发明埋地管道有源去干扰装置配置在埋地管道的绝缘法兰两侧，即本发明功率输出单元的输出端连接在埋地管道的绝缘法兰两侧位置(图5中绝缘法兰101～绝缘法兰104的两侧)。

图6为本发明埋地管道有源去干扰装置产生去干扰电压的分布示意图。如图6所示，J处为本发明埋地管道有源去干扰装置在埋地管道5上的汇流点，在J处埋地管道5的管地电位最大，远离J处埋地管道5的管地电位逐渐衰减。图6中的实线为本发明埋地管道有源去干扰装置产生的正方向电压曲线族，虚线为本发明埋地管道有源去干扰装置产生的负方向电压曲线族。这样可根据不同的干扰类型分布特点和规律选择本发明埋地管道有源去干扰装置的配置地点。这样，本发明埋地管道有源去干扰装置作用在埋地管道上电压沿管道分布和输电线、大地磁场干扰作用在管道上电压沿管道分布相吻合，更有利于完全消除交变等干扰。

此外，当埋地管道上已经有阴极保护装置配置在上述地点或附近时，则可以把本发明埋地管道有源去干扰装置和已有的阴极保护装置串联使用，这样既能共用阳极地床，又可避免配置本发明埋地管道有源去干扰装置时对管道开挖，本发明埋地管道有源去干扰装置和已有的阴极保护装置输出电压叠加，能够完全消除干扰，使管地电位跟踪保护电位给定值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种埋地管道有源去干扰装置，包括用于提供直流电源的直流电源单元、用于检测埋地管道的管地电位的管地电位传感器和用于提供给定电位的给定电位器，其特征在于，还包括电压控制单元和功率输出单元，所述电压控制单元与所述管地电位传感器和给定电位器连接，用于接收管地电位传感器发送的管地电位和给定电位器发送的给定电位，根据所述管地电位和给定电位的比较结果生成反映理想去干扰电压的参考指令信号；同时所述电压控制单元还与所述功率输出单元的输出端连接，用于监测功率输出单元输出的实际去干扰电压，并根据实际去干扰电压与理想去干扰电压的比较结果生成PWM脉宽调制信号；所述功率输出单元的输入端与直流电源单元连接，其输出端分别与辅助地床和埋地管道连接，其控制端与所述电压控制单元连接，用于接收电压控制单元发送的PWM脉宽调制信号，根据所述PWM脉宽调制信号控制逆变器的输出，向辅助地床和埋地管道输出经过滤波处理且与管道干扰大小相等、方向相反的去干扰电压。

2.根据权利要求1所述的埋地管道有源去干扰装置，其特征在于，所述功率输出单元包括：

逆变器，其输入端与直流电源单元连接，其控制端与电压控制单元连接，根据电压控制单元发送的PWM脉宽调制信号，将直流电源单元输出的直流电逆变成双极性电压，使其输出跟随参考指令信号的变化；

滤波电路，其输入端与逆变器的输出端连接，其输出端分别与辅助地床和埋地管道连接，用于对逆变器输出的双极性电压进行滤波处理，形成去干扰电压向辅助地床和埋地管道输出。

3.根据权利要求1所述的埋地管道有源去干扰装置，其特征在于，所述电压控制单元包括：

信号处理模块，与管地电位传感器连接，用于接收管地电位传感器发送的管地电位并处理；

指令电压处理模块，分别与信号处理模块和给定电位器连接，用于接收信号处理模块发送的管地电位和给定电位器发送的给定电位，根据该管地电位和给定电位的比较结果生成参考指令信号；

电压跟踪控制模块，分别与指令电压处理模块和功率输出单元的输出端连接，用于从指令电压处理模块接收反映理想去干扰电压的参考指令信号，从功率输出单元的输出端接收其实际去干扰电压，根据实际去干扰电压与理想去干扰电压的偏差，生成PWM脉宽调制信号；

驱动电路，分别与电压跟踪控制模块和功率输出单元的逆变器连接，根据PWM脉宽调制信号控制逆变器输出与管道干扰大小相等、方向相反的去干扰电压。

4.根据权利要求1～3中任一权利要求所述的埋地管道有源去干扰装置，其特征在于，当埋地管道与高压输电线平行接近时，所述功率输出单元的输出端连接在埋地管道的终端位置。

5.根据权利要求1～3中任一权利要求所述的埋地管道有源去干扰装置，其特征在于，当埋地管道与高压输电线交叉分布时，所述功率输出单元的输出端连接在埋地管道与高压输电线的交叉位置。

6.根据权利要求1～3中任一权利要求所述的埋地管道有源去干扰装置，其特征在于，当埋地管道装有绝缘法兰时，所述功率输出单元的输出端连接在埋地管道绝缘法兰的两侧位置，用于防止空间天气引起的电磁干扰。

7.根据权利要求1～3中任一权利要求所述的埋地管道有源去干扰装置，其特征在于，还包括设置在与高压输电线平行的埋地管道的终端位置、埋地管道与高压输电线的交叉位置或埋地管道绝缘法兰的两侧位置的阴极保护装置，所述功率输出单元的输出端与阴极保护装置串联连接，共同保护埋地管道。

Images