CN109082670B - 一种地下金属极化电位智能控制仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下金属极化电位智能控制仪器，其包括外壳，外壳内设置有DSP数字信号处理器的控制主板，控制主板与电源信号采集板并联，所述电源信号采集板包括管道电位采集端和地床电位采集端；控制主板上并联有正极性斩波电源输出单元、负极性斩波电源输出单元和防雷击输出单元，正极性斩波电源输出单元和负极性斩波电源输出单元分别依次串联有交流熔断器断路器单元和交流输入电源，正防雷击输出单元的两端分别串联有管道电位采集端和地床电位采集端。本发明能够保证地下金属获得标准许可的极化电位，即‑0.85至‑1.20.CSE之间，从而充分有效的保护地下金属，整个设备系统的集成度高、控制精度高、便于施工与安装。

Description

一种地下金属极化电位智能控制仪器

技术领域

本发明涉及一种电位控制器，具体涉及一种地下金属电位智能控制仪器。

背景技术

随着世界各国经济建设速度的加快，电力需求不断加大。高压直流、交流输电线工程大量建设与运行，比如在高铁地铁中的1-4MW输出功率的牵引系统的运行，给大地环境造成严重电场污染。特别是城市地铁的电场污染带来的腐蚀问题日趋严重。如不治理和防护，更是会为建、构筑物带来灾难性、毁灭性破坏。

高楼大厦、桥梁、地下输油、气、水等地下金属都是由大量的钢结构组成，钢结构承担主要的过载强度。当金属建、构筑物周边形成较强的电场干扰时，金属体中就有大量电流流进流出，形成阳极溶解或氢应力腐蚀，结果会使结构物失效断裂。

对于以上严重腐蚀破坏情况，世界各国已经有大量的研究成果和技术标准出台，但是这些技术标准存在一定缺陷和不足，不能有效缓解交直流杂散电流干扰。通过测试国内外用于腐蚀防护的固态耦合器的A/V曲线表明，这些设备是用大功率二极管单向排流，排正不能排负电流，导致金属构筑物负电位高达30多伏，而标准规定极化电位超过-1.2V.CSE就有引起金属材料的氢脆风险；实际上现场实测轨地电位有超过负100V的电压，管道电位在高压接地极单极运行时有超过±120V.CSE。

对于地铁牵引漏流采用二极管单向导通连接锌阳极接地排流，存在的问题是：大功率可控硅器件，启动电压太高，绝大多数情况下无法控制金属构筑物电位在标准范围；其次是对地铁牵引启停时极大的冲击电压和线路突发的故障状态出现的大电流时基本不起作用，同样会带来地下金属建、构筑物的腐蚀破坏。对于冲击电压干扰时现场试验发现，采用接锌带接地两百米，接地电阻小于1欧姆时，仍可在金属构筑物上测量到与不接锌带时相同而较高的电压。这就说明被动排流存在弊端。

为了避免地下金属受周边电场作用而产生的穿孔腐蚀或过负电位产生的金属材料氢脆，必须有效抑制地下金属周边电场对它的严重影响，从而确保对地电位始终处于设定的范围内，要实现上述的功能与目标，就需要使用电位智能控制仪器。

目前地下金属常用的保护装置是阴极保护恒电位仪，它的工作原理是采集参比电极对管道之间的电压后输入给比较放大器，通过比较放大后，调整主回路的输出电压电流，从而维持管地一个相对恒定的电位。但是实测这种稳压作用及其有限，干扰电位超过2V，仪器就进入报警状态。

采用恒电位仪用于受到周边强烈杂散电场地下金属进行保护时，将存在以下明显不足：

1、阴极保护恒电位仪控制的电位范围有限。恒电位仪的恒电位控制范围为0～-2V。一旦地下金属受到周边强烈的杂散电场作用而使管地之间的电位超过它的控制范围时，阴极保护恒电位仪将自动转换为恒电流工作方式，严重超过范围的直接报警，不能维持正常工作，从而就难以有效的对地下金属保护。

2、它不具备节能省电的工作模式。采用本设备情况是：当地下金属受周边杂散电场的干扰时，如这时刻段管地电位正好处在预设定的规定范围内时，排流模式不工作，从而可以达到节能省电的环保模式，但现有的电位仪不具有此功能模式。

3、它不具有智能控制仪器功能，电压输出极性控制只针对负电压，是单极性的，只能对管地电位负偏起到有限作用；另外当地下金属受到周边强烈的杂散电场干扰电位负偏较大时，恒电位仪就无法控制电位在标准要求范围。即使恒电位仪输出电压为零，管地电位还是会超出标准规定范围，还会出现电流倒流向恒电位仪造成设备损坏。所以目前的恒电位仪器也属于被动稳压装置。

4.恒电位仪器对于动态杂散电流无法进行快速反映，无法实时响应，其原因是恒电位仪器采用的是二极管器件，反映速率在1000HZ以下；现场实测表明动态杂散电流的变化频率超过100KHZ，普通的IGBT器件都难以适应。因此需要高速高频器件来适应，或者无法压制动态杂散电流。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供了一种有效保护地下金属的地下金属极化电位智能控制仪器。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种地下金属极化电位智能控制仪器，其包括外壳，外壳内设置有DSP数字信号处理器的控制主板，所述控制主板与电源信号采集板串联，所述电源信号采集板包括管道电位负极采集端和地床电位正极采集端；所述电源信号采集板分别与正极性斩波电源输出单元、负极性斩波电源输出单元和防雷击输出单元并联，所述正极性斩波电源输出单元和负极性斩波电源输出单元分别依次串联有交流熔断器断路器单元和交流输入电源，所述正防雷击输出单元的两端分别串联有第二管道电位负极采集端和第二地床电位正极采集端。

上述技术方案中，优选的，正极性斩波电源输出单元包括AC/DC直流电源，AC/DC直流电源并联有直流平波电容C1，直流平波电容C1与高频mos管Q1和LC滤波电路连接，所述LC滤波电路的电容C2两端与防雷击输出单元并联；所述高频mos管Q1的基极和S极分别与电源信号采集板的接口连接。

上述技术方案中，优选的，AC/DC直流电源的输入端与交流熔断器断路器单元和交流输入电源串联。

上述技术方案中，优选的，交流熔断器断路器单元包括空气断路器开关，所述空气断路开关的火线上串联有交流熔断保险管。

上述技术方案中，优选的，负极性斩波电源输出单元与正极性斩波电源输出单元的结构相同，且对称设置，负极性斩波电源输出单元上的高频mos管Q2的基极和D极分别与电源信号采集板的接口连接。

上述技术方案中，优选的，防雷击输出单元包括相互串联的固态继电器和防雷吸收电阻，所述固态继电器的一端与第二管道电位负极采集端串联，所述防雷吸收电阻的一端与第二地床电位负极采集端串联。

上述技术方案中，优选的，固态继电器内包括发光二极管，所述发光二极管的两端分别与电源信号采集板接口连接。

本发明提供的上述地下金属电位智能控制仪器的主要有益效果在于：

本发明提供的地下金属极化电位智能控制仪器采用DSP数字信号处理器全数字化运处理算控制，整个设备系统的集成度高、控制精度高、体积小、重量轻、便于施工与安装。

通过DSP数字信号处理器控制主板实时的采集监测管地电位，当管地电位处在预设定的规定范围内，设备控制部分处于待命状态，不输出功率，具有节能省电的环保的效果。

当管道受到周边电场的较强影响时，DSP数字信号处理器的A/D采样的管地电位值超过设定值时，DSP处理器经过信号处理运算实时控制正极性或负极性斩波电源输出单元工作，并实时调节PWM波输出信号控制正极性或负极性电源输出单元的功率模块进行斩波，从而实时调整正极性或负极性斩波电源输出单元的输出电压大小，保证构筑物对地电位始终维持在预设定的规定范围内。

本发明提供的地下金属极化电位智能控制仪器能够随着构筑物对地电位变化的大小、极性能够实时地智能跟随变化输出电压大小和极性。通过正极性斩波电源输出单元实时接收电源驱动信号采集板光耦隔离输出的PWM波信号斩波单元内的功率模块，经过单元内的LC滤波器后输出电压给地床和管道，阻挡管道外围较强电流通过管道绝缘失效部位进入管道，此时构筑物对地电位为正值，从而使得构筑物对地电位保持在预设定的范围内。

通过正负极性斩波电源输出单元实时接收电源驱动信号采集板光耦隔离输出的PWM波信号斩波单元内的高频mos管，经过单元内的LC滤波电路后输出电压给地床和管道，此时管地电位过负，阻止金属构筑物中的电流受周边较强电场影响而通过非绝缘部位流出，从而使得管地电位维持在标准规定范围内。

电位智能控制仪器的输出端并联在管道，即金属构筑物，和地床之间。同时并联了过电压大功率吸收电阻单元，消耗掉杂散电流斩波的主要能量，降低了构筑物的地电位升，避免了斩波的干扰进入大地后引起的地电位升和回流电流的二次干扰。

附图说明

图1为地下金属极化电位智能控制仪器的逻辑连接关系示意图。

图2为地下金属极化电位智能控制仪器的电路图。

图3为电源信号采集板与控制主板的连接关系示意图。

图4为现场实验中启用本装置前的瞬时电压图。

图5为现场实验中启用本装置后的瞬时电压图。

图6为现场实验中启用本装置时的瞬时电压图。

图7为现场实验中关闭本装置时的瞬时电压图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为地下金属电位智能控制仪器的结构示意图。

本发明的地下金属电位智能控制仪器包括外壳，外壳内设置有DSP数字信号处理器的控制主板，如图3所示，控制主板分别与人机显示和声光报警连接，控制主板与电源信号采集板串联，电源信号采集板包括管道电位负极采集端和地床电位正极采集端；电源信号采集板分别与正极性斩波电源输出单元、负极性斩波电源输出单元和防雷击输出单元并联，如图2所示，正极性斩波电源输出单元和负极性斩波电源输出单元分别依次串联有交流熔断器断路器单元和交流输入电源，正防雷击输出单元的两端分别串联有第二管道电位负极采集端和第二地床电位正极采集端。

其中，正极性斩波电源输出单元包括AC/DC直流电源，AC/DC直流电源并联有直流平波电容C1，直流平波电容C1与高频mos管Q1和LC滤波电路连接，LC滤波电路包括相串联的LC电容C2和电感L1，滤波电路的电感L1的一端与高频mos管Q1的S极连接，电容C2两端与防雷击输出单元并联；高频mos管Q1的基极和S极分别与电源信号采集板的接口连接。

负极性斩波电源输出单元与正极性斩波电源输出单元的结构相同，且对称设置，负极性斩波电源输出单元包括AC/DC直流电源，AC/DC直流电源并联有直流平波电容C4，直流平波电容C4与高频mos管Q2和LC滤波电路连接，LC滤波电路包括相串联的LC电容C3和电感L2，滤波电路的电感L2的一端与高频mos管Q2的D极连接，电容C3两端与防雷击输出单元并联；负极性斩波电源输出单元上的高频mos管Q2的基极和D极分别与电源信号采集板的接口连接。

防雷击输出单元包括相互串联的固态继电器和防雷吸收电阻，所述固态继电器的一端与第二管道电位负极采集端串联，所述防雷吸收电阻的一端与第二地床电位负极采集端串联；其中，固态继电器内包括发光二极管，所述发光二极管的两端分别与电源信号采集板接口连接。

在使用中，通过正负极性斩波电源输出单元实时接收电源驱动信号采集板光耦隔离输出的PWM波信号至斩波单元内的高频mos管，经过单元内的LC滤波电路后输出电压给地床和管道，此时管地电位过负，阻止金属构筑物中的电流受周边较强电场影响而通过非绝缘部位流出，从而使得管地电位维持在标准规定范围内。

下面是利用上述装置进行现场实验得到的结果，如图4所示，在未启用本装置时，现场金属构筑物，即地下管道，上的瞬时电压波动范围在+25V至-25V之间，范围较大，且极不稳定，会对地下管道造成严重的腐蚀效果。

如图5所示，当启动本装置后，地下管道上的瞬时电压波动范围缩小至-0.8V至-1.5V之间，即标准规定范围内，由此，此时地下管道能有效避免腐蚀侵害。

下面是利用上述装置进行另一现场实验得到的结果，如图6和图7所示，其中，横轴为电压记录设备开启后的时长。

如图6所示，在地下金属极化电位智能控制仪器开启之前，由于杂散电流进入与控制器连接的地下管道，电压记录设备记录到的瞬时电压值波动范围极大；当开启本装置后，电压记录设备记录到的瞬时电压值稳定在固定值上下，波动明显减小。

如图7所示，电压记录设备开始记录电压时，地下金属极化电位智能控制仪器处于开启状态，此时，电压记录设备记录到的瞬时电压值稳定在固定值上下，波动在±0.2V内；当关闭本装置后，受杂散电流的影响，电压记录设备记录到的地下管道上的瞬时电压值波动范围大于2V。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种地下金属极化电位智能控制仪器，其特征在于，包括外壳，外壳内设置有DSP数字信号处理器的控制主板，所述控制主板与电源信号采集板串联，所述电源信号采集板包括管道电位负极采集端和地床电位正极采集端；所述电源信号采集板分别与正极性斩波电源输出单元、负极性斩波电源输出单元和防雷击输出单元并联，所述正极性斩波电源输出单元和负极性斩波电源输出单元分别依次串联有交流熔断器断路器单元和交流输入电源，所述防雷击输出单元的两端分别串联有第二管道电位负极采集端和第二地床电位正极采集端；

所述正极性斩波电源输出单元包括AC/DC直流电源，AC/DC直流电源并联有直流平波电容C1，直流平波电容C1与高频mos管Q1和LC滤波电路连接，所述LC滤波电路的电容C2两端与防雷击输出单元并联；所述高频mos管Q1的基极和S极分别与电源信号采集板的接口连接；

所述负极性斩波电源输出单元与正极性斩波电源输出单元的结构相同，且对称设置，负极性斩波电源输出单元上的高频mos管Q2的基极和D极分别与电源信号采集板的接口连接。

2.根据权利要求1所述的地下金属极化电位智能控制仪器，其特征在于，所述AC/DC直流电源的输入端与交流熔断器断路器单元和交流输入电源串联。

3.根据权利要求1所述的地下金属极化电位智能控制仪器，其特征在于，所述交流熔断器断路器单元包括空气断路器开关，所述空气断路器开关的火线上串联有交流熔断保险管。

4.根据权利要求1所述的地下金属极化电位智能控制仪器，其特征在于，所述防雷击输出单元包括相互串联的固态继电器和防雷吸收电阻，所述固态继电器的一端与第二管道电位负极采集端串联，所述防雷吸收电阻的一端与第二地床电位负极采集端串联。

5.根据权利要求4所述的地下金属极化电位智能控制仪器，其特征在于，所述固态继电器内包括发光二极管，所述发光二极管的两端分别与电源信号采集板接口连接。