CN104894571B - 具有排流功能的阴极保护电源装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种具有排流功能的阴极保护电源装置，包括输入电源接口、直流电源模块、输出换向模块、显示操作模块、控制模块、测量模块、参比电极、测试片。具有排流功能的阴极保护电源装置依据检测的断电电位(极化电位)来作为调节的判断依据，先减小直流电源模块的输出，当减小输出至0后电位仍无法达标后，再进行输出极性的交换，判断和调节的依据准确，不会增加新的干扰，调节平稳，控制动作和幅度小，能够达到排除直流杂散电流干扰的效果。

Description

具有排流功能的阴极保护电源装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及阴极保护技术领域，具体地说，是一种具有排流功能的阴极保护电源装置及其工作方法。

背景技术

为了防止埋地管道腐蚀，提高其使用寿命，最有效的防腐手段就是涂层加阴极保护技术。埋地管道容易受到杂散电流干扰，管道杂散电流干扰又包括交流杂散电流干扰和直流杂散电流干扰两种形式。

直流杂散电流干扰将导致管道直流电位发生变化，直流干扰源种类有高压直流输电换流站、地铁、轻轨、地磁、电解电镀工厂等。

交流杂散电流干扰将导致管道交流电位发生变化，交流干扰源种类有高压交流输电线路、发电厂、变电站、高铁、电气化铁路等。

超过标准允许的管道杂散电流干扰必须排除，否则会使得管道产生腐蚀。

在先专利申请《广义直流阴极保护系统及其广义直流恒电位仪》(公开号：CN103695937)提出了一种排流设备。

但这种排流设备只利用了参考电极，采集的是埋地金属管道当前相对于参考电极的测量管地电位，并以此“测量管地电位”作为控制参数。该“测量管地电位”是管道极化电位(既断电电位，直流电压)、IR降(直流电压)和交流干扰电压(交流电压)三者叠加的电位。

根据阴极保护相关标准，在评价管道阴极保护效果时，应分别检测管道极化电位(直流电压)和管道交流电位(交流电压)，并分别与不同的标准进行对照。在实施阴极保护和杂散电流排流时，也需要分别检测管道极化电位和管道交流电位，并分别依据不同的标准进行调整和控制。例如管道极化电位允许范围为-0.85V～-1.2V(直流电压)，而管道交流干扰电压应小于4V(交流电压有效值)，详细规定参见相关标准。

以管道极化电位(既断电电位，直流电压)、IR降(直流电压)和交流干扰电压(交流电压)三者叠加而形成的“测量管地电位”作为控制参数，其控制依据不清。

由于阴极极化及去极化本身的特性，管道极化电位的变化是缓慢的。在存在动态直流干扰时，由于IR降在正负双向均可产生快速的、很大的波动，“测量管地电位”包含管道极化电位和IR降的叠加，这将导致“测量管地电位”大幅快速的波动。因此，以“测量管地电位”作为控制依据，将使得排流设备输出换向频繁、电源输出电流大幅变化，导致无法稳定控制，并增加引入干扰的风险。

而在存在交流干扰时，管道“测量管地电位”本身就随着叠加的交流电压周期性波动而产生波动，这将同样导致上述问题的发生。

该专利指出，如果“测量管地电位”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产所述极性控制信号，根据该极性控制信号，使得所述排流设备输出换向。实际控制时，当出现上述情况时，应首先减少排流设备的输出电流，当输出电流减少到0仍不能消除问题时，才有必要反向输出。在该专利指出的控制模式下，将将使得排流设备输出换向频繁、电源输出电流大幅变化，导致无法稳定控制，并增加引入干扰的风险。

排流设备的输出电压与排流系统回路电阻线性相关，而管道电位与排流设备输出电压是非线性相关。该专利指出，排流设备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。在绝大多数条件下，该专利指出的这一控制模式，无法达到排除干扰的目的。

而且，当管道电位检测通道出现故障情况时，由于没有参照对象，因此无法判断出这一故障。排流设备的输出极性可以改变，在某些情况下，将会使原本被保护的管道作为阳极，加速管道的腐蚀，或者是排流设备输出电流过大，导致析氢，这些隐患是不能被允许的。

所以综上所述，现有排流设备不能良好的排除管道杂散电流干扰。

发明内容

本发明针对上述现有排流设备存在的问题和不足，设计了一种具有排流功能的阴极保护电源装置及其工作方法。

本发明的具有排流功能的阴极保护电源装置，包括输入电源接口、直流电源模块、输出换向模块、显示操作模块、控制模块、测量模块、参比电极、测试片。

直流电源模块的输入端与输入电源接口相连，直流电源模块的输出端的正极和负极都通过输出导线与输出换向模块相连。

输出换向模块设置的第一输出端与埋设在地下的辅助地床通过第一导线相连，输出换向模块设置的第二输出端通过第二导线与埋设在地下的管道相连。

参比电极和测试片都埋设在地下。

直流电源模块、输出换向模块、测量模块、显示操作模块都与控制模块相连。

参比电极、测试片和管道都与测量模块相连。

优选的是，一个参比电极和与其对应的一个测试片组成一个检测元件组，所述的检测元件组设置有多个。

优选的是，第一导线连接有交流电流测量控制模块，第二导线连接有交流旁路电容模块，交流电流测量控制模块与交流旁路电容模块相连，控制模块与交流电流测量控制模块相连。

优选的是，直流电源模块与输入电源接口之间设置有电源监测计量模块，电源监测计量模块与控制模块相连。

优选的是，控制模块连接有通信模块，通信模块连接有通信线缆。

优选的是，控制模块连接有卫星时钟同步模块，卫星时钟同步模块设置有卫星天线。

具有排流功能的阴极保护电源装置的工作方法，步骤如下：

(1)通过显示操作模块设定断电电位理想范围，并将上述参数传递到控制模块；

(2)输出换向模块将第一导线与直流电源模块的正极接通，将第二导线与直流电源模块的负极接通；

(3)控制模块控制直流电源模块逐渐增加直流输出电流，控制测量模块通过参比电极和测试片检测管道的通电电位数据和断电电位数据，并将通电电位数据和断电电位数据发送给控制模块；

(4)当控制模块接收到的断电电位数据达到控制模块内置的断电电位理想范围时，控制模块控制直流电源模块保持输出电流不变；

(5)控制模块持续监测断电电位数据，当断电电位数据小于断电电位理想范围时，控制模块控制直流电源模块减小直流输出电流，直至断电电位数据达到断电电位理想范围；

(6)当直流电源模块的输出电流减少到0时，断电电位数据仍小于断电电位理想范围，控制模块控制输出换向模块进行换向，输出换向模块将第一导线与直流电源模块的负极接通，将第二导线与直流电源模块的正极接通；

(7)输出换向模块换向后，控制模块控制直流电源模块逐步增大直流输出电流，直至断电电位数据达到断电电位理想范围；

(8)若直流电源模块直流输出电流增加到额定最大值时，断电电位数据仍然无法达到断电电位理想范围，控制模块控制直流电源模块进入安全保护模式，并将报警信息传递到显示操作模块发出报警信号。

优选的是，步骤(2)之前，通过显示操作模块设定断电电位测量允许偏差值，并将该参数传递到控制模块；步骤(2)之后，控制测量模块通过多组检测元件组检测到管道的多组电位数据，并将其都发送给控制模块，控制模块持续监测每组电位数据中的断电电位，当任意两组电位数据中的断电电位之间差值的绝对值大于断电电位测量允许偏差值时，控制模块控制直流电源模块停止输出，并将报警信息传递到显示操作模块发出报警信号。

优选的是，交流电流测量控制模块通过设置的电流表和电压表分别测量交流旁路电容模块的交流电流信息和电压信息，交流旁路电容模块设置的温度传感器将检测到的温度信息发送给交流电流测量控制模块。

若接收到的交流电流信息、电压信息和温度信息中的任一项均未超过交流电流测量控制模块内对应设置的电流阀值、电压阀值或温度阀值时，交流电流测量控制模块控制其设置的选择开关切换到正常排流分路。

若接收到的交流电流信息、电压信息和温度信息中的任一项超过对应的电流阀值、电压阀值或温度阀值时，交流电流测量控制模块控制选择开关切换到限流电阻分路。

若交流电流测量控制模块控制选择开关切换到限流电阻分路后，交流电流信息、电压信息和温度信息仍然超过对应的电流阀值、电压阀值或温度阀值时，交流电流测量控制模块依次通过控制模块、显示操作模块发出报警信号。

优选的是，卫星时钟同步模块通过卫星天线接收卫星发送的时间信息，并将时间信息发送给控制模块。

优选的是，电源监测计量模块记录输入电源接口连接的电源的供电量，当在设定的单位时间范围内累计的供电量大于电源监测计量模块设置的电量阈值时，电源监测计量模块依次通过控制模块、显示操作模块发出报警信号；当在设定的单位时间范围内累计的供电量大于电量设定分配值时，电源监测计量模块通过控制模块控制直流电源模块，使直流电源模块停止运行，并依次通过控制模块、显示操作模块发出报警信号，所述的电量阈值小于电量设定分配值。

本发明的有益效果是：具有排流功能的阴极保护电源装置依据检测的断电电位(极化电位)来作为调节的判断依据，先减小直流电源模块的输出，当减小输出至0后电位仍无法达标后，再进行输出极性的交换，判断和调节的依据准确，不会增加新的干扰，调节平稳，控制动作和幅度小，能够达到排除直流杂散电流干扰的效果。

第一导线和第二导线之间连接的交流电流测量控制模块和交流旁路电容模块，在阴极保护电源装置排除直流杂散电流干扰的同时，根据交流旁路电容模块的电流、电压和温度，切换分路，排除交流杂散电流干扰，使阴极保护电源装置可排除管道直流和交流杂散电流干扰。

电源监测计量模块可在阴极保护电源装置使用电池供电系统或太阳能供电系统供电时，避免阴极保护电源装置用电过多，保证供电系统内其他终端正常运转。

通信模块通过通信线缆与远程控制终端相连，使各个阴极保护终端与其相连，传输各种信息以及报警信号，便于通知维护人员及时掌握设备运行情况，出现问题时能及时到达现场维护。

卫星时钟同步模块使各个阴极保护终端同步时间信息，使他们在进行同步通断测试时操作的时间保持一致，从而保证电位检测的准确性。

附图说明

附图1为本发明具有排流功能的阴极保护电源装置的结构框图。

具体实施方式

本发明的具有排流功能的阴极保护电源装置，如图1所示，包括输入电源接口、直流电源模块、输出换向模块、显示操作模块、控制模块、测量模块、参比电极、测试片。

直流电源模块的输入端与输入电源接口相连，通过输入电源接口连接的电源为其供电。直流电源模块的输出端的正极和负极都通过输出导线与输出换向模块相连。

输出换向模块设置的第一输出端与埋设在地下的辅助地床通过第一导线相连，输出换向模块设置的第二输出端通过第二导线与埋设在地下的管道相连。

第一导线连接有交流电流测量控制模块，第二导线连接有交流旁路电容模块，交流电流测量控制模块与交流旁路电容模块相连，控制模块与交流电流测量控制模块相连。

参比电极和测试片都埋设在管道旁边的地下，形成一个极化探头。

直流电源模块、输出换向模块、测量模块、显示操作模块都与控制模块相连。

参比电极、测试片和管道都与测量模块相连。

一个参比电极和与其对应的一个测试片组成一个检测元件组，检测元件组设置有多个。

直流电源模块与输入电源接口之间设置有电源监测计量模块，电源监测计量模块与控制模块相连。

控制模块连接有通信模块，通信模块连接有通信线缆，通过通信线缆可与远程的控制终端进行通讯，收发控制、数据、报警等信号信息。

控制模块连接有卫星时钟同步模块，卫星时钟同步模块设置有卫星天线，通过卫星天线可与卫星相连，接收时间信息。

在设备进行正常阴极保护之前，通过显示操作模块设定断电电位理想范围，并将上述参数传递到控制模块。

在设备正常阴极保护状态时，输出换向模块将第一导线与直流电源模块的正极接通，将第二导线与直流电源模块的负极接通，使直流电源模块的正极接辅助地床，直流电源模块的负极接管道。

控制模块控制直流电源模块逐渐增加直流输出电流，同时控制测量模块按设定的周期接通和切断管道与测试片之间的连接，控制测量模块通过参比电极和测试片检测管道的通电电位数据和断电电位数据，并将通电电位数据和断电电位数据发送给控制模块。

直流电源模块的直流输出电流逐渐增加，当控制模块接收到的断电电位数据达到控制模块内置的断电电位理想范围时，控制模块控制直流电源模块保持输出电流不变，使管道处于正常的阴极保护状态。

管道达到正常的阴极保护状态后，控制模块持续监测管道的断电电位数据，控制模块内存储有标准规定的断电电位理想范围数据。当管道受到外界各种因素产生的直流杂散电流干扰后，管道的断电电位会发生变化，控制模块会实时的对管道的断电电位数据和断电电位理想范围进行比较。

当管道的断电电位数据小于断电电位理想范围时，控制模块控制直流电源模块减小直流输出电流，使断电电位数据达到断电电位理想范围，然后直流电源模块维持当前输出。

若直流电源模块的输出电流减少到0时，断电电位数据仍不能达到断电电位理想范围，控制模块控制输出换向模块进行换向，改变极性，输出换向模块将第一导线与直流电源模块的负极接通，将第二导线与直流电源模块的正极接通，使直流电源模块的正极接管道，直流电源模块的负极接辅助地床。

输出换向模块换向后，控制模块控制直流电源模块逐步增大直流输出电流，使断电电位数据达到断电电位理想范围，然后直流电源模块维持当前输出。

若直流电源模块直流输出电流增加到额定最大值时，断电电位数据还是无法达到断电电位理想范围，控制模块控制直流电源模块进入安全保护模式，并将报警信息传递到显示操作模块发出报警信号。

直流电源模块的安全保护模式为停止输出、按预设值恒电流输出或打嗝输出模式。

由于参比电极及试片存在失效或接线错误的可能，为防止由于参比电极及试片异常，引起电位测量数据错误，进而导致设备运行失控，需要使用至少两组独立的参比电极和试片，分别进行电位的检测，当发现任意两组之间检测数据偏差超过设定范围时，既认为电位测量数据错误，需要进行停机检修。

所以在设备进行正常阴极保护之前，还需要通过显示操作模块设定断电电位测量允许偏差值，并将上述参数传递到控制模块。在设备正常阴极保护状态时，控制模块持续监测每组电位数据中的断电电位，当任意两组电位数据中的断电电位之间差值的绝对值大于断电电位测量允许偏差值时，控制模块控制直流电源模块停止输出，并将报警信息传递到显示操作模块发出报警信号。

交流旁路电容模块即为一组无极性电容，交流杂散电流干扰的强度将会影响到交流旁路电容模块的电流、电压和温度。

交流电流测量控制模块内存储有电流阀值、电压阀值或温度阀值，交流电流测量控制模块通过设置的电流表和电压表分别测量交流旁路电容模块的交流电流信息和电压信息，交流旁路电容模块设置的温度传感器将检测到的温度信息发送给交流电流测量控制模块。

交流电流测量控制模块实时将检测到的交流电流信息、电压信息和温度信息与对应的电流阀值、电压阀值或温度阀值进行比较。

若交流电流信息、电压信息和温度信息中的任一项均未超过交流电流测量控制模块内对应设置的电流阀值、电压阀值或温度阀值时，交流电流测量控制模块控制其设置的选择开关切换到正常排流分路，正常排流分路只有导线。

若交流电流信息、电压信息和温度信息中的任一项超过对应的电流阀值、电压阀值或温度阀值时，交流电流测量控制模块控制选择开关切换到限流电阻分路，限流电阻分路内串连有一个电阻，可增加整个交流排流电路的阻抗，从而降低交流旁路电容模块的电流、电压和温度。

若交流电流测量控制模块控制选择开关切换到限流电阻分路后，交流电流信息、电压信息和温度信息仍然超过对应的电流阀值、电压阀值或温度阀值时，交流电流测量控制模块依次通过控制模块、显示操作模块发出报警信号。

由于在测量管道断电电位时要求管道沿线所有阴极保护电源装置进行同步通断，需要使每个阴极保护电源检测断电电位的时间一致，而卫星时钟同步模块通过卫星天线接收卫星发送的时间信息，并将时间信息发送给控制模块，使控制模块内设置的计时器的时间数据与卫星时钟一致，从而使管道沿线上全部阴极保护电源装置的时钟保持一致，进而达到全线阴极保护电源装置的通断保持同步，满足管道断电电位检测的要求。

由于阴极保护电源装置沿着管道设置，部分设备所在位置不便于架设输电线路，这些位置的设备通常采用太阳能供电系统进行供电。由于太阳能供电系统发电量有限，系统中配套的电池存储电量也有限，为防止出现阴极保护电源装置过度消耗电能导致其他设备无法正常工作的情况发生，需要对其用电量进行监控。

电源监测计量模块记录输入电源接口为直流电源模块供电的供电量，电源监测计量模块内存储有电量阀值和电量设定分配值，电量阈值小于电量设定分配值。

随着设备的使用，供电量逐渐增加，当供电量大于电源监测计量模块设置的电量阈值时，电源监测计量模块依次通过控制模块、通信模块和通信线缆发出报警信号，提示人员到达现场检查和维修。

供电量持续增加，当供电量大于电量设定分配值时，电源监测计量模块切断输入电源接口与直流电源模块之间的连接，停止供电，保证对应管道位置设置的恒电位仪的正常供电。

控制模块通过通信模块和通信线缆，实现与其他控制系统的数据通信，使得用户可以及时掌握设备运行情况，当出现异常报警时，可以及时提示人员到达现场检查和维修。

Claims (10)

1.一种阴极保护电源装置的工作方法，所述阴极保护电源装置包括输入电源接口、直流电源模块、输出换向模块、显示操作模块、控制模块、测量模块、参比电极、测试片；

直流电源模块的输入端与输入电源接口相连，直流电源模块的输出端的正极和负极都通过输出导线与输出换向模块相连；

输出换向模块设置的第一输出端与埋设在地下的辅助地床通过第一导线相连，输出换向模块设置的第二输出端通过第二导线与埋设在地下的管道相连；

参比电极和测试片都埋设在地下；

直流电源模块、输出换向模块、测量模块、显示操作模块都与控制模块相连；

参比电极、测试片和管道都与测量模块相连；

其特征在于，工作方法的步骤如下：

(1)通过显示操作模块设定断电电位理想范围，并将上述参数传递到控制模块；

(2)输出换向模块将第一导线与直流电源模块的正极接通，将第二导线与直流电源模块的负极接通；

(3)控制模块控制直流电源模块逐渐增加直流输出电流，控制测量模块通过参比电极和测试片检测管道的通电电位数据和断电电位数据，并将通电电位数据和断电电位数据发送给控制模块；

(4)当控制模块接收到的断电电位数据达到控制模块内置的断电电位理想范围时，控制模块控制直流电源模块保持输出电流不变；

(5)控制模块持续监测断电电位数据，当断电电位数据小于断电电位理想范围时，控制模块控制直流电源模块减小直流输出电流，直至断电电位数据达到断电电位理想范围；

(6)当直流电源模块的输出电流减少到0时，断电电位数据仍小于断电电位理想范围，控制模块控制输出换向模块进行换向，输出换向模块将第一导线与直流电源模块的负极接通，将第二导线与直流电源模块的正极接通；

(7)输出换向模块换向后，控制模块控制直流电源模块逐步增大直流输出电流，直至断电电位数据达到断电电位理想范围；

(8)若直流电源模块直流输出电流增加到额定最大值时，断电电位数据仍然无法达到断电电位理想范围，控制模块控制直流电源模块进入安全保护模式，并将报警信息传递到显示操作模块发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的阴极保护电源装置的工作方法，其特征在于，一个参比电极和与其对应的一个测试片组成一个检测元件组，所述的检测元件组设置有多个。

3.根据权利要求1所述的阴极保护电源装置的工作方法，其特征在于，第一导线连接有交流电流测量控制模块，第二导线连接有交流旁路电容模块，交流电流测量控制模块与交流旁路电容模块相连，控制模块与交流电流测量控制模块相连。

4.根据权利要求1所述的阴极保护电源装置的工作方法，其特征在于，直流电源模块与输入电源接口之间设置有电源监测计量模块，电源监测计量模块与控制模块相连。

5.根据权利要求1所述的阴极保护电源装置的工作方法，其特征在于，控制模块连接有通信模块，通信模块连接有通信线缆。

6.根据权利要求1所述的阴极保护电源装置的工作方法，其特征在于，控制模块连接有卫星时钟同步模块，卫星时钟同步模块设置有卫星天线。

7.根据权利要求1所述的阴极保护电源装置的工作方法，其特征在于，步骤(2)之前，通过显示操作模块设定断电电位测量允许偏差值，并将该参数传递到控制模块；步骤(2)之后，控制测量模块通过多组检测元件组检测到管道的多组电位数据，并将其都发送给控制模块，控制模块持续监测每组电位数据中的断电电位，当任意两组电位数据中的断电电位之间差值的绝对值大于断电电位测量允许偏差值时，控制模块控制直流电源模块停止输出，并将报警信息传递到显示操作模块发出报警信号。

8.根据权利要求1所述的阴极保护电源装置的工作方法，其特征在于，交流电流测量控制模块通过设置的电流表和电压表分别测量交流旁路电容模块的交流电流信息和电压信息，交流旁路电容模块设置的温度传感器将检测到的温度信息发送给交流电流测量控制模块，

若接收到的交流电流信息、电压信息和温度信息中的任一项均未超过交流电流测量控制模块内对应设置的电流阀值、电压阀值或温度阀值时，交流电流测量控制模块控制其设置的选择开关切换到正常排流分路；

若接收到的交流电流信息、电压信息和温度信息中的任一项超过对应的电流阀值、电压阀值或温度阀值时，交流电流测量控制模块控制选择开关切换到限流电阻分路；

若交流电流测量控制模块控制选择开关切换到限流电阻分路后，交流电流信息、电压信息和温度信息仍然超过对应的电流阀值、电压阀值或温度阀值时，交流电流测量控制模块依次通过控制模块、显示操作模块发出报警信号。

9.根据权利要求1所述的阴极保护电源装置的工作方法，其特征在于，卫星时钟同步模块通过卫星天线接收卫星发送的时间信息，并将时间信息发送给控制模块。

10.根据权利要求1所述的阴极保护电源装置的工作方法，其特征在于，电源监测计量模块记录输入电源接口连接的电源的供电量，当在设定的单位时间范围内累计的供电量大于电源监测计量模块设置的电量阈值时，电源监测计量模块依次通过控制模块、显示操作模块发出报警信号；当在设定的单位时间范围内累计的供电量大于电量设定分配值时，电源监测计量模块通过控制模块控制直流电源模块，使直流电源模块停止运行，并依次通过控制模块、显示操作模块发出报警信号，所述的电量阈值小于电量设定分配值。