CN103695938A - 广义脉冲阴极保护系统及其广义脉冲恒电位仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种广义脉冲阴极保护系统及其广义脉冲恒电位仪，该广义脉冲恒电位仪包括管地电位测量单元、控制器、可调直流电源、脉冲输出控制单元和脉冲极性控制单元。脉冲极性控制单元将脉冲输出控制单元输出的直流脉冲电压转换成与干扰管地电位极性相反的直流脉冲电压输出。该系统包括若干广义脉冲恒电位仪，每两个广义脉冲恒电位仪的两个输出端分别对应与一个压气站的进、出向埋地金属管道段的两端外表面电连接，每两个广义脉冲恒电位仪的两个接地端与广义阳极地床相连，埋地金属管道段与其相邻的埋地金属管道段之间电绝缘。本系统既可起到对外来杂散电流干扰的抵抗作用，还能变换脉冲极性以自适应消除任何极性的外来杂散电流干扰。

Description

广义脉冲阴极保护系统及其广义脉冲恒电位仪

技术领域

本发明涉及埋地金属管道的电化学腐蚀技术领域，尤其是涉及一种广义脉冲阴极保护系统及其广义脉冲恒电位仪。

背景技术

1928年被称为美国“电化学之父”的罗伯特·J.柯恩(Kuhn)在新奥尔良的一条长距离输气管道上安装了第一套牺牲阳极保护装置，从而为阴极保护的现代技术打下了基础。目前，阴极保护技术在金属管道腐蚀领域得到广泛应用。对油气长输管道配备阴极保护系统是非常必要的，它是延长管道寿命、保证管道安全运行的基础条件。目前，阴极保护技术主要有：牺牲阳极保护、直流恒电位仪和脉冲恒电位仪等三种保护，由于直流和脉冲恒电位仪具有对杂散电流干扰的可控性，因而得到比牺牲阳极保护更广泛的应用。研究表明，脉冲恒电位仪的特点在于：第一，在脉冲恒电位仪电流作用下，管道表面的电位分布远比直流作用时均匀，有效保护深度明显延长，而目在较小的平均电流下可得到比直流更好的保护效果。第二，脉冲阴极保护比传统的阴极保护有更小的平均电流消耗。第三，当管道发生腐蚀或遭受杂散电流干扰时会产生混沌现象，将进一步加剧管道腐蚀，脉冲控制是抑制混沌的最有效方法之一。因此，脉冲恒电位仪具有传统阴极保护技术无法比拟的优越性。

到目前为止，经典的油气长输管道的脉冲恒电位仪设计，无论是国外标准（例如，ANSI/NACE SP0607-2007/ISO15589-2:2004(MOD)，Petroleum and natural gasindustries–Cathodic protection of pipeline transportation systems–Part2:Offshorepipelines；NACE RP0100—2004Cathodic protection of prestressed concrete cylinderpipelines等），还是国内系列标准（例如，《埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范》（SY/T0036-2012）等），均要求：电连续性，即被保护的管道必须具有良好的纵向导电的连续性且对于非焊接连接的管道接头应增设金属导线跨接。基于这种思想，自从有阴极保护技术以来，在国内外石油石化工业上，工程师们就自然而然地按照管道“电连续”规则配置油气长输管道的阴极保护系统，如果对一段管道进行保护设计，将脉冲恒电位仪放置在其中间，可以保护其安装点两侧一定范围的管道，这样，就使得几乎所有主管道都是整条电连续管道。世界著名管道（例如，美国的阿拉斯加管道、芬兰油气管道、俄罗斯油气管道、中俄油气管道、中国的西气东输管道一线、二线和三线天然气管道等）都是整条“电连续”管道，其抽象的管道连接和管地电位示意图如图1所示。每个阴极保护场站（包括压气站等）均安装一套脉冲恒电位仪，由于需要用一套直流恒电位仪同时保护安装点两侧管道，所以，每个阴极保护场站进出管道均安装绝缘法兰（对管道和压气站进行电隔离）且靠近管道侧的绝缘法兰需通过金属导线跨接的以保证被保护管道的电连续性，并连接到脉冲恒电位仪的阴极。因此，整条管道是电连续的。其中，Vd为干扰管地电位，P/S为保护管地电位，IJ表示绝缘法兰，L表示管道。

上述这种整条管道是电连续的管道保护配置方法的优点在于：所设计的脉冲恒电位仪简单且易于配置。在早期管道建设中，由于没有外来杂散电流干扰或者外来杂散电流干扰较少，这种管道保护配置方法应该是较佳配置方案。但是，近些年来，由于管道长度的迅猛增加，能源和交通工业的迅速发展，加之基础空间建设限制，油气管道和高压输电线及电气化地铁等公共设施必须同走廊建设，另外，由于太阳黑子等现象的变化，空间天气对管道的影响也日趋引起人们足够的重视。目前研究发现，由空间天气、电气化地铁、高压输电线等引起的外来杂散电流干扰对油气管道的影响最大，这对阴极保护的脉冲恒电位仪是一个严峻的挑战。有鉴于此，本申请的发明人在国家自然科学基金项目（项目批准号：51071176，项目名称:混沌地磁感应电流对埋地油气管道影响与对策研究）的资助下对空间天气、电气化地铁、高压输电线等引起的外来杂散电流干扰进行了研究，并取得了一些进展。

为阐述问题方便，下面对脉冲恒电位仪可能受到的空间天气杂散电流干扰、交流输电线杂散电流干扰、电气化铁路等杂散电流干扰进行分析发现有以下几种典型杂散电流干扰形态特征：

（1）对称性杂散电流干扰：如图2a的脉冲恒电位仪安装点A和B、图2d的脉冲恒电位仪安装点C受到的杂散电流干扰等；

（2）斜对称杂散电流干扰：如图2a的脉冲恒电位仪安装点C、如图2b的脉冲恒电位仪安装点C、如图2c的脉冲恒电位仪安装点C受到的杂散电流干扰等；

（3）不对称杂散电流干扰：如图1的脉冲恒电位仪2安装点和图2c的脉冲恒电位仪安装点A和B受到的杂散电流干扰等。

对长输管道配制的脉冲恒电位仪对对称性、斜对称性和非对称性杂散电流干扰的抑制效果分析如下：

（1）电连续管道过长的“负面”累积效应

当空间天气有磁暴发生时或有外来交直流杂散电流时，由于整条管道的累积效应，干扰管地电位会随着管道长度的增加而累积增加。整条管道的杂散电流干扰信号相互叠加“耦合”，使一段电连续管道的干扰管地电位Vd分布如图1所示，两端电压极性相反，幅值最大且接近相等。与管道中间相比，整条管道存在电连续性的“负面”累积效应，尽管杂散电流干扰分布均匀，但由于电连续性而使靠近管道两端的累加杂散电流干扰最大而处于中间的管道杂散电流干扰最小。

（2）脉冲恒电位仪对斜对称杂散电流干扰的抑制能力

实际的外来杂散电流干扰（空间天气、电气化铁路和高压输电线等）的极性是随机变化的而非固定不变。因干扰的极性分两种情况讨论：

第一种情况，对于斜对称杂散电流干扰来说，以如图2a的脉冲恒电位仪安装点C为例，在某一时刻，安装点左侧管道杂散电流干扰为负的干扰管地电位，就需要脉冲恒电位仪输出正的与杂散电流干扰极性相反且大小相等的正极性电源电压波形抑制杂散电流干扰；安装点右侧管道杂散电流干扰为正的干扰管地电位，就需要脉冲恒电位仪输出负的与杂散电流干扰极性相反且大小相等的负极性电源电压波形来抑制。

第二种情况，假设在另一时刻，仍以如图2a的脉冲恒电位仪安装点C为例，在某一时刻，安装点左侧管道杂散电流干扰为正的干扰管地电位，就需要脉冲恒电位仪输出负的与杂散电流干扰极性相反且大小相等的负极性电源电压波形抑制杂散电流干扰；安装点右侧管道杂散电流干扰为负的干扰管地电位，就需要脉冲恒电位仪输出正的与杂散电流干扰极性相反且大小相等的正极性电源电压波形来抑制。

对于以上两种情况，由于干扰波形与脉冲恒电位仪输出特性波形极不协调，而且已有技术脉冲恒电位仪不能提供负的输出，另外，为抑制杂散电流干扰，有时要求同一个脉冲恒电位仪在同一时刻输出两个极性相反的电压，这对已有技术脉冲恒电位仪是自相矛盾而不能实现。所以，不管什么极性杂散电流干扰，已有技术脉冲恒电位仪对斜对称杂散电流干扰不具有抑制能力。

（3）脉冲恒电位仪对对称杂散电流干扰的抑制能力

对于对称杂散电流干扰来说，以如图2d脉冲恒电位仪安装点C为例，因干扰的极性分两种情况讨论：

第一种情况，在某一时刻，脉冲恒电位仪安装点C左侧和右侧杂散电流干扰均为正的干扰管地电位，就需要脉冲恒电位仪输出左右两侧正的电源电压波形来抑制，已有技术脉冲恒电位仪能够满足要求。

第二种情况，而在另一时刻，假设由于杂散电流干扰的随机性使杂散电流干扰改变极性为负时，脉冲恒电位仪安装点C左侧和右侧管道杂散电流干扰均为负的干扰管地电位，就需要脉冲恒电位仪输出左右两侧正的电源电压波形来抑制。对于已有技术脉冲恒电位仪只有“能正不能负”单极性电压输出而言，不具有同时在左右两侧提供负极性输出电压功能，所以，脉冲恒电位仪对对称杂散电流干扰不具有抑制能力。

（4）脉冲恒电位仪对不对陈杂散电流干扰的抑制能力

1）对图2c中脉冲恒电位仪安装点A受到的杂散电流干扰分析。

在某一时刻，脉冲恒电位仪安装点A左侧管道无杂散电流干扰，右侧管道杂散电流干扰为负的干扰管地电位，需要脉冲恒电位仪提供正的电源抑制左侧管道杂散电流干扰，已有技术脉冲恒电位仪能够满足要求。但是，糟糕的情况是：因左右两侧干扰管地电位由同一电源控制，所以，抑制右侧管道杂散电流干扰的同时对左侧杂散电流干扰造成了不利影响，即：顾此失彼。

假设在另一时刻，脉冲恒电位仪安装点A左侧管道无杂散电流干扰，管道右侧杂散电流干扰为正的干扰管地电位，需要脉冲恒电位仪提供负的电源电压波形抑制杂散电流干扰。同理，前面的糟糕的顾此失彼情况还会发生。另外，对于已有技术脉冲恒电位仪只有“能正不能负”单极性电压输出而言，脉冲恒电位仪对此种杂散电流干扰不具有抑制能力。

2）对图1中脉冲恒电位仪2安装点受到的杂散电流干扰分析

在某一时刻，脉冲恒电位仪安装点右侧管道杂散电流干扰Vd22为正时，且与脉冲恒电位仪输出特性P/S22相协调，已有技术脉冲恒电位仪能够满足要求。但是，由于左侧管道杂散电流干扰Vd21与脉冲恒电位仪输出特性P/S21不协调，所以，左侧管道很难实现较好的控制。同时，对左侧管道杂散电流干扰的调节又会恶化右侧杂散电流干扰。

假设在另一时刻，脉冲恒电位仪安装点杂散电流干扰极性发生由正变负变化时。对于已有技术脉冲恒电位仪只有“能正不能负”单极性电压输出而言，脉冲恒电位仪对此种杂散电流干扰不具有抑制能力。

因此，对于以上两种情况的杂散电流干扰的讨论表明，已有技术脉冲恒电位仪“左”“右”无法协调，同时，由于不能提供负的电源抑制杂散电流干扰，这样能“正”不能“负”的装置也无法满足要要求。所以，已有技术脉冲恒电位仪对不对称杂散电流干扰不具有抑制能力。

（5）已有技术脉冲恒电位仪控制具有严重的局限性

由以上（1）～（4）分析可以看出，已有技术脉冲恒电位仪对任何杂散电流干扰都不具有抑制能力。也就是说，已有技术脉冲恒电位仪设计的出发点是抑制内部杂散电流干扰，不是抑制外部杂散电流干扰。因此，脉冲恒电位仪输出单极性输出具有严重的局限性和弊病。实践证明，脉冲恒电位仪的单极性输出的弊病，加之已有技术脉冲恒电位仪的配置方法导致电连续管道过长，常常使脉冲恒电位仪不但对管道起不到到有效的保护作用，反而还会起到恶化作用。

为阐述问题方便，如图3所示，对已有技术的脉冲恒电位仪输出按规定电压正方向和管道正方向的关系分成四象限，可以看出，已有技术脉冲恒电位仪只具有一二象限同步联动的耦合调节功能，而不具有一二象限的解耦调节功能，也不具有三四象限的调节功能。因此，已有技术对杂散电流干扰的抑制性能极为有限。

综上所述，已有埋地油气长输管道的脉冲恒电位仪配置方法中，管道是“电连续”的。然而，当管道过长时，干扰管地电位会随着管道长度的增加而累积增加，整条管道的杂散电流干扰信号相互叠加“耦合”，从而使原有脉冲恒电位仪失去了对外来杂散电流干扰的抵抗作用。而且，现有脉冲恒电位仪是单极性输出的，其不能变换脉冲极性以自适应消除外来直流和交流杂散电流干扰以及空间天气引起的地磁杂散电流干扰。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种其脉冲极性可自适应变换的广义脉冲恒电位仪，以实现自适应消除任何极性的外来杂散电流干扰。

为达到上述目的，本发明提供了一种广义脉冲恒电位仪，其包括：

管地电位测量单元，用于获取埋地金属管道当前相对于参考电极的测量管地电位；

控制器，用于根据所述测量管地电位和设定的阴极保护电位范围获取抑制干扰管地电位的幅值控制信号和极性控制信号；

可调直流电源，用于在所述幅值控制信号的控制下输出与所述干扰管地电位的幅值相等的直流电压；

脉冲输出控制单元，用于在所述控制器的控制下将所述直流电压变换成对应的直流脉冲电压；

脉冲极性控制单元，用于在所述极性控制信号的控制下将所述直流脉冲电压转换成与所述干扰管地电位的极性相反的直流脉冲电压输出。

本发明的广义脉冲恒电位仪，所述根据测量管地电位和设定的阴极保护电位范围获取抑制干扰管地电位的幅值控制信号和极性控制信号，具体为：

判断所述测量管地电位是否超出设定的阴极保护电位范围；

如果低于所述阴极保护电位范围下限，则判断干扰管地电位的极性为负并据此生成所述极性控制信号，将所述测量管地电位与所述阴极保护电位范围下限的差值作为所述干扰管地电位的幅值并据此生成所述幅值控制信号；

如果高于所述阴极保护电位范围上限，则判断干扰管地电位的极性为正并据此生成所述极性控制信号，将所述测量管地电位与所述阴极保护电位范围上限的差值作为所述干扰管地电位的幅值，并据此生成所述幅值控制信号。

本发明的广义脉冲恒电位仪，还包括：

电压测量单元，用于获取所述脉冲极性控制单元输出的直流脉冲电压的电压值；

所述控制器根据该电压值和所述干扰管地电位的偏差量对所述可调直流电源的输出进行PID或其它控制规律调节。

本发明的广义脉冲恒电位仪，所述可调直流电源包括依次相连的工频电源、工频整流滤波电路、逆变桥、高频降压变压器和高频整流滤波电路，所述逆变桥受控于所述控制器。

本发明的广义脉冲恒电位仪，所述脉冲输出控制单元为一开关管，所述控制器通过第一PWM驱动单元控制所述开关管的通断。

本发明的广义脉冲恒电位仪，所述脉冲极性控制单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管和第二开关管的集电极与所述脉冲输出控制单元的输出端相连，第三开关管和第四开关管的发射极接地，第一开关管的发射极与第三开关管的集电极相连，第二开关管的发射极与第四开关管的集电极相连，所述控制器通过第二PWM驱动单元控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的基极。

本发明的广义脉冲恒电位仪，所述逆变桥包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，第五开关管和第六开关管的集电极与所述工频整流滤波电路的输出端相连，第七开关管和第八开关管的发射极接地，第五开关管的发射极与第七开关管的集电极相连，第六开关管的发射极与第八开关管的集电极相连，所述控制器通过第三PWM驱动单元控制第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管的基极。

本发明的广义脉冲恒电位仪，所述广义脉冲恒电位仪为双通道集成结构，每个通道各设有一个所述管地电位测量单元、一个所述可调直流电源、一个所述脉冲输出控制单元和一个所述脉冲极性控制单元，两个通道各自独立工作且由同一个所述控制器控制。

由于本发明的广义脉冲恒电位仪包括脉冲极性控制单元，该脉冲极性控制单元可在控制器的控制下将脉冲输出控制单元输出的直流脉冲电压转换成与干扰管地电位的极性相反的直流脉冲电压输出，使得本发明的广义脉冲恒电位仪输出的直流脉冲电压的极性可随着干扰管地电位的极性反向变化，而干扰管地电位的极性又体现了杂散电流的极性，因此，无论杂散电流极性如何改变，本发明的广义脉冲恒电位仪均能自适应消除。

本发明的另一个目的在于提供一种广义脉冲阴极保护系统，以解决现有技术中存在的干扰管地电位会随着管道长度的增加而累积增加，使脉冲恒电位仪失去了对外来杂散电流干扰的抵抗作用，以及不能变换脉冲极性以自适应消除任何极性的外来杂散电流干扰的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种的广义脉冲阴极保护系统，其包括若干个上述的广义脉冲恒电位仪，每两个所述广义脉冲恒电位仪的两个输出端分别对应与一个压气站的进、出向埋地金属管道段的两端外表面电连接，每两个所述广义脉冲恒电位仪的两个接地端与广义阳极地床相连，其中，所述埋地金属管道段与其相邻的埋地金属管道段之间电绝缘。

为达到上述目的，本发明还提供了另一种的广义脉冲阴极保护系统，其包括若干个双通道集成结构的广义脉冲恒电位仪，每个所述广义脉冲恒电位仪的两个输出端分别对应与一个压气站的进、出向埋地金属管道段的两端外表面电连接，每个所述广义脉冲恒电位仪的两个接地端与广义阳极地床相连，其中，所述埋地金属管道段与其相邻的埋地金属管道段之间电绝缘。

本发明的广义脉冲阴极保护系统中，相邻埋地金属管道段之间不再像现有技术脉冲恒电位仪那样用金属导线实现跨接，而是电绝缘解耦分段的，因此，各个埋地金属管道段干扰管地电位相对于埋地金属管道整体大致呈均匀分布的，从而不会在整个埋地金属管道上产生电连续性的“负面”累积效应，因此，其广义脉冲恒电位仪起到了对外来杂散电流干扰的抵抗作用。而且，本发明的广义脉冲阴极保护系统的广义脉冲恒电位仪具有脉冲极性控制单元，其能自适应消除任何极性的外来杂散电流干扰。此外，当本发明的广义直流阴极保护系统中广义直流恒电位仪采用双通道集成结构时，其还具有集成度高、成本低的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为现有技术中管道连接和管地电位示意图；

图2a为现有技术中高压输电线对一般转角管道管地电位的杂散电流干扰示意图；

图2b为现有技术中高压输电线对90度转角管道管地电位的杂散电流干扰示意图；

图2c为现有技术中空间天气对管道管地电位的杂散电流干扰示意图；

图2d为现有技术中交流输电线对交叉管道管地电位的杂散电流干扰示意图；

图3为现有技术中实现一二象限同步调节的示意图；

图4为本发明一个实施例的广义脉冲恒电位仪的电路结构方框图；

图5为本发明一个实施例广义脉冲恒电位仪的电路原理图；

图6为本发明一个实施例的广义脉冲阴极保护系统的结构示意图；

图7为本发明一个实施例中实现四象分别调节的示意图；

图8为本发明一个实施例的广义脉冲阴极保护系统中脉冲面积等效法原理示意图；

图9为本发明一个实施例的广义脉冲阴极保护系统中管道分布参数传输线模型示意图；

图10为图9中管道分布参数传输线模型的等效电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

我们知道现有技术的脉冲恒电位仪内部的本质是一套频率和幅值均可调的单极性直流输出电源，其输出具有明确的正极接线端和负极接线端，负极接线端接埋地金属管道，正极接线端接阳极地床。虽然，本发明实施例的脉冲恒电位仪的正极接线端和负极接线端和现有技术一样是固定的，但在实际使用时随着杂散电流干扰极性的变化，本发明实施例的脉冲恒电位仪输出的脉冲的极性能随之反向变化，也就是说，本发明实施例的脉冲恒电位仪实质上是一种频率和幅值均可调的双极性直流输出电源，但为了和现有技术中的脉冲恒电位仪的称呼保持一致同时又体现出二者的区别，本发明实施例的脉冲恒电位仪均称为“广义脉冲恒电位仪”。同样，在本发明实施例中，阳极地床、阴极电极和脉冲阴极保护系统等也相应的称为“广义阳极地床”、“广义阴极电极”和“广义脉冲阴极保护系统”。

请参阅图4所示，本发明实施例的广义脉冲恒电位仪包括管地电位测量单元、控制器、可调直流电源、脉冲输出控制单元和脉冲极性控制单元。其中：

可调直流电源包括依次相连的工频电源、工频整流滤波电路、逆变桥、高频降压变压器和高频整流滤波电路，逆变桥受控于控制器。

管地电位测量单元用于获取埋地金属管道当前相对于参考电极的测量管地电位。

控制器用于根据测量管地电位和阴极保护电位范围（例如，-1200mV～-850mV）获取抑制杂散电流的幅值控制信号和极性控制信号，具体为：判断测量管地电位是否超出设定的阴极保护电位范围；如果低于阴极保护电位范围下限，则判断干扰管地电位的极性为负并据此生成极性控制信号，将测量管地电位与阴极保护电位范围下限的差值作为干扰管地电位的幅值并据此生成幅值控制信号；如果高于阴极保护电位范围阴极保护电位范围的上限，则判断干扰管地电位的极性为正并据此生成极性控制信号，将测量管地电位与阴极保护电位范围上限的差值作为干扰管地电位的幅值并据此生成幅值控制信号。

可调直流电源用于在幅值控制信号u1的控制下输出与干扰管地电位的幅值相等的直流电压。

脉冲输出控制单元用于在控制器输出的脉冲控制信号u2的控制下将可调直流电源输出的直流电压变换成对应的直流脉冲电压。本发明实施例中，可利用脉冲面积等效法将可调直流电源输出的直流电压转换成对应的直流脉冲电压，如图8的上部分所示，假设可调直流电源输出的直流电压u为正弦波，以固定的频率采样，按照图示波形面积相等的原则，使每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，得到如图8的下部分所示的波形，因而，可得到与正弦波u等效的周期为T和脉宽为W的矩形脉冲波。

脉冲极性控制单元用于在控制器输出的极性控制信号u3的控制下将直流脉冲电压转换成与干扰管地电位的极性相反的直流脉冲电压输出，如果干扰管地电位的极性为正，则脉冲极性控制单元输出负极性保护脉冲；如果干扰管地电位的极性为负，则脉冲极性控制单元输出正极性保护脉冲。

本发明实施例的广义脉冲恒电位仪还包括电压测量单元，其用于获取脉冲极性控制单元输出的直流脉冲电压的电压值，由控制器根据该电压值和干扰管地电位的偏差量对可调直流电源的输出进行PID（Proportional-Integral-Differential，比例-积分-微分）或其它控制规律调节，从而实现高精度闭环控制。

以上描述的为本发明实施例的单通道结构的广义脉冲恒电位仪。此外，还可将本发明实施例的广义脉冲恒电位仪配置成双通道集成结构，即每个通道各设有一个管地电位测量单元、一个可调直流电源、一个脉冲输出控制单元和一个脉冲极性控制单元，两个通道各自独立工作且由同一个控制器控制。这样，既提高了设备的集成度又降低了成本。

结合图5所示，以双通道集成结构的为例，本发明实施例的广义脉冲恒电位仪的脉冲输出控制单元为一开关管（例如MOS管或IGBT管），控制器通过第一PWM驱动单元控制开关管的通断，以实现脉冲频率和宽度控制。

结合图5所示，以双通道集成结构的为例，本发明实施例的广义脉冲恒电位仪脉冲极性控制单元包括第一开关管（例如Q11）、第二开关管（例如Q12）、第三开关管（例如Q13）和第四开关管（例如Q14），第一开关管（例如Q11）和第二开关管（例如Q12）的集电极与脉冲输出控制单元的输出端相连，第三开关管（例如Q13）和第四开关管（例如Q14）的发射极接地，第一开关管（例如Q11）的发射极与第三开关管（例如Q13）的集电极相连，第二开关管（例如Q12）的发射极与第四开关管（例如Q14）的集电极相连，控制器通过第二PWM驱动单元控制第一开关管（例如Q11）、第二开关管（例如Q12）、第三开关管（例如Q13）和第四开关管（例如Q14）的基极，以实现脉冲极性控制。

结合图5所示，以双通道集成结构的为例，本发明实施例的广义脉冲恒电位仪的逆变桥包括第五开关管（例如Q1）、第六开关管（例如Q2）、第七开关管（例如Q3）和第八开关管（例如Q4），工频整流滤波电路的输出通过逆变桥逆变成可控的脉动直流电压。其中，第五开关管（例如Q1）和第六开关管（例如Q2）的集电极与工频整流滤波电路的输出端相连，第七开关管（例如Q3）和第八开关管（例如Q4）的发射极接地，第五开关管（例如Q1）的发射极与第七开关管（例如Q3）的集电极相连，第六开关管（例如Q2）的发射极与第八开关管（例如Q4）的集电极相连，控制器通过第三PWM驱动单元控制第五开关管（例如Q1）、第六开关管（例如Q2）、第七开关管（例如Q3）和第八开关管（例如Q4）的基极。逆变桥得到的高频脉冲电压，经高频降压变压器调压后，再经高频整流滤波电路处理输出与干扰管地电位的幅值相等的直流电压，以实现直流幅值控制。

本发明实施例的广义脉冲恒电位仪由于能提供两路独立双极性输出电源，一路双极性输出电源用于进向管道保护，另一路双极性输出电源用于出向管道保护。如图7所示，当Q11和Q14导通，且Q12和Q13断开时，广义脉冲恒电位仪运行于第一象限；当Q11和Q14断开，且Q12和Q13导通时，广义脉冲恒电位仪运行于第四象限；当Q15和Q18导通，且Q16和Q17断开时，广义脉冲恒电位仪运行于第二象限；当Q15和Q18断开，且Q16和Q17导通时，广义脉冲恒电位仪运行于第三象限；因此，本发明实施例的广义脉冲恒电位仪能灵活抑制四象限中任意象限的任何极性杂散电流干扰。

本发明实施例中，广义脉冲恒电位仪的脉冲输出控制单元输出的直流脉冲电压的周期（或者频率）可根据需要来选择，具体也通过如下方式确定：

如图9所示，在管道分布参数传输线模型中E(x)是在某位置x处的杂散电流干扰电位，Z是单位长度的阻抗，Y是单位长度的导纳；如图10所示，E为等效杂散电流干扰电位，R为管道的等效阻抗，L为管道的等效电感，C为管道涂层的等效电容，假定电容电压u_C是非线性函数，即u_C=a₁q+a₂q³，其中，a₁=C为线性电容，a₂>0为非线性电容，假设q是电容电量，i是电路中的电流，则图10的等效电路模型可描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}=i\\ \frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=-\frac{R}{L}i-\frac{a_1}{L}q-\frac{a_2}{L}{q}^3+\frac{1}{L}E\end{array}\right.---\left(1\right)$

令x=q，y=i，

u=E，由式（1）式可得

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=y\\ \stackrel{\·}{y}=-\mathrm{by}-c_{1}x-c_2{x}^3+c_{0}u\end{array}\right.---\left(2\right)$

令X=(x,y)^T，由式（2）式可得

其中，

对系统施加脉冲控制，由式（3）式可得脉冲控制系统

其中，BX(t_k)是状态变量增量，脉冲控制时间间隔τ=t_k+1-t_k,k=1,2,...。

设

由脉冲系统的比较原理可得：

$B=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{\μ}& 0\\ 0& \mathrm{\μ}\end{array}\right),-2\≤\mathrm{\μ}\≤0---\left(6\right)$

$0<T\&le;-\frac{\ln \mathrm{\&zeta;\&gamma;}}{(d+2h)},---\left(7\right)$

式（7）为脉冲周期T（或频率

）的选择公式，其中，d是(A^T+A)的最大特征值， $A=\left(\begin{array}{cc}0& 1\\ -c_1& -b\end{array}\right),$ γ是(I+B^T)(I+B)的最大特征值， $B=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{\&mu;}& 0\\ 0& \mathrm{\&mu;}\end{array}\right),$ h为常数h>0，ζ为常数ζ>1，-2≤μ≤0，

a₁=C，R为管道的等效阻抗，L为管道的等效电感，C为管道涂层的等效电容。

由于本发明实施例的广义脉冲恒电位仪包括脉冲极性控制单元，该脉冲极性控制单元可在控制器的控制下将脉冲输出控制单元输出的直流脉冲电压转换成与干扰管地电位的极性相反的直流脉冲电压输出，使得本发明实施例的广义脉冲恒电位仪输出的直流脉冲电压的极性可随着干扰管地电位的极性反向变化，而干扰管地电位的极性又体现了杂散电流的极性，因此，无论杂散电流极性如何改变，本发明实施例的广义脉冲恒电位仪均能自适应消除。

本发明实施例的广义脉冲阴极保护系统包括若干个单通道的广义脉冲恒电位仪（其具体结构在上文已经说明，在此不再赘述），在每个阴极保护站里，每两个广义脉冲恒电位仪的两个输出端分别对应与一个压气站的进、出向埋地金属管道段的两端外表面电连接，每两个广义脉冲恒电位仪的两个接地端与广义阳极地床相连，其中，埋地金属管道段与其相邻的埋地金属管道段之间电绝缘。

结合图6所示，在本发明另一个实施例中，本广义脉冲阴极保护系统的若干个广义脉冲恒电位仪可以采用为双通道集成结构的广义脉冲恒电位仪。如此，在每个阴极保护站里，每个广义脉冲恒电位仪的两个输出端分别对应与一个压气站的进、出向埋地金属管道段的两端外表面电连。可见，本发明实施例中，整个埋地金属管道是以压气站为断点而分段电连续的，而压气站与压气站之间的埋地金属管道是局部电连续的。如采用双通道集成结构的广义脉冲恒电位仪时，一个压气站安装一个广义脉冲恒电位仪，即每个广义脉冲恒电位仪（例如广义脉冲恒电位仪1）的一个通道（例如E11）用于对应压气站的进向管道保护，而另一个通道（例如E12）用于对应压气站的出向管道保护。在图6中，P/S为保护管地电位，Vd为干扰管地电位，IJ11、IJ12等为绝缘法兰，L21、L22等为埋地金属管道段。

可见，本发明的广义脉冲阴极保护系统中，相邻埋地金属管道段之间不再像现有技术脉冲恒电位仪那样用金属导线实现跨接，而是电绝缘解耦分段的，因此，各个埋地金属管道段相对于埋地金属管道整体大致程均匀分布的，即使局部不均匀分布，但由于幅值小也易于控制，从而不会在整个埋地金属管道上产生电连续性的“负面”累积效应。因此，本发明的广义脉冲阴极保护系统的广义脉冲恒电位仪不仅起到了了对外来杂散电流干扰的抵抗作用，而且，在上文已经说明，其还能自适应消除任何极性的外来杂散电流干扰。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种广义脉冲恒电位仪，其特征在于，包括：

管地电位测量单元，用于获取埋地金属管道当前相对于参考电极的测量管地电位；

控制器，用于根据所述测量管地电位和设定的阴极保护电位范围获取抑制干扰管地电位的幅值控制信号和极性控制信号；

可调直流电源，用于在所述幅值控制信号的控制下输出与所述干扰管地电位的幅值相等的直流电压；

脉冲输出控制单元，用于在所述控制器的控制下将所述直流电压变换成对应的直流脉冲电压；

脉冲极性控制单元，用于在所述极性控制信号的控制下将所述直流脉冲电压转换成与所述干扰管地电位的极性相反的直流脉冲电压输出。

2.根据权利要求1所述的广义脉冲恒电位仪，其特征在于，所述根据测量管地电位和设定的阴极保护电位范围获取抑制干扰管地电位的幅值控制信号和极性控制信号，具体为：

判断所述测量管地电位是否超出设定的阴极保护电位范围；

如果低于所述阴极保护电位范围下限，则判断干扰管地电位的极性为负并据此生成所述极性控制信号，将所述测量管地电位与所述阴极保护电位范围下限的差值作为所述干扰管地电位的幅值并据此生成所述幅值控制信号；

如果高于所述阴极保护电位范围上限，则判断干扰管地电位的极性为正并据此生成所述极性控制信号，将所述测量管地电位与所述阴极保护电位范围上限的差值作为所述干扰管地电位的幅值，并据此生成所述幅值控制信号。

3.根据权利要求1所述的广义脉冲恒电位仪，其特征在于，还包括：

电压测量单元，用于获取所述脉冲极性控制单元输出的直流脉冲电压的电压值；

所述控制器根据该电压值和所述干扰管地电位的偏差量对所述可调直流电源的输出进行PID或其它控制规律调节。

4.根据权利要求1所述的广义脉冲恒电位仪，其特征在于，所述可调直流电源包括依次相连的工频电源、工频整流滤波电路、逆变桥、高频降压变压器和高频整流滤波电路，所述逆变桥受控于所述控制器。

5.根据权利要求1所述的广义脉冲恒电位仪，其特征在于，所述脉冲输出控制单元为一开关管，所述控制器通过第一PWM驱动单元控制所述开关管的通断。

6.根据权利要求1所述的广义脉冲恒电位仪，其特征在于，所述脉冲极性控制单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管和第二开关管的集电极与所述脉冲输出控制单元的输出端相连，第三开关管和第四开关管的发射极接地，第一开关管的发射极与第三开关管的集电极相连，第二开关管的发射极与第四开关管的集电极相连，所述控制器通过第二PWM驱动单元控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的基极。

7.根据权利要求4所述的广义脉冲恒电位仪，其特征在于，所述逆变桥包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，第五开关管和第六开关管的集电极与所述工频整流滤波电路的输出端相连，第七开关管和第八开关管的发射极接地，第五开关管的发射极与第七开关管的集电极相连，第六开关管的发射极与第八开关管的集电极相连，所述控制器通过第三PWM驱动单元控制第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管的基极。

8.根据权利要求1所述的广义脉冲恒电位仪，其特征在于，所述广义脉冲恒电位仪为双通道集成结构，每个通道各设有一个所述管地电位测量单元、一个所述可调直流电源、一个所述脉冲输出控制单元和一个所述脉冲极性控制单元，两个通道各自独立工作且由同一个所述控制器控制。

9.一种广义脉冲阴极保护系统，其特征在于，包括若干个权利要求1至7任意一项所述的广义脉冲恒电位仪，每两个所述广义脉冲恒电位仪的两个输出端分别对应与一个压气站的进、出向埋地金属管道段的两端外表面电连接，每两个所述广义脉冲恒电位仪的两个接地端与广义阳极地床相连，其中，所述埋地金属管道段与其相邻的埋地金属管道段之间电绝缘。

10.一种广义脉冲阴极保护系统，其特征在于，包括若干个权利要求8所述的广义脉冲恒电位仪，每个所述广义脉冲恒电位仪的两个输出端分别对应与一个压气站的进、出向埋地金属管道段的两端外表面电连接，每个所述广义脉冲恒电位仪的两个接地端与广义阳极地床相连，其中，所述埋地金属管道段与其相邻的埋地金属管道段之间电绝缘。

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