JP2016089252A

JP2016089252A - 外部電源カソード防食装置

Info

Publication number: JP2016089252A
Application number: JP2014228200A
Authority: JP
Inventors: 梶山　文夫; Fumio Kajiyama; 文夫梶山
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2016-05-23
Anticipated expiration: 2034-11-10
Also published as: JP6333704B2

Abstract

【課題】外部電源カソード防食装置において、商用交流電源からリップル率の低い直流電流をアノードから出力することで、微小化した防食電流を高速且つ高精度に制御する。【解決手段】外部電源装置２は、商用交流電源の交流電圧を整流する第１整流回路１２、整流された電圧を平滑化する平滑回路１４、平滑化された電圧をチョッパ制御するスイッチング回路１５、スイッチング回路１５によってオン・オフされた電圧が一次側に入力される変圧回路１６と、変圧回路１６の２次側電圧を整流する第２整流回路１７と、第２整流回路１７によって整流された電圧から直流電圧を得るＬＣ回路１８と、ＬＣ回路１８の出力電圧を帰還電圧としてスイッチング回路１５のデューティ比を制御するＰＷＭ回路２１とを備え、ＬＣ回路１８の出力電圧をカソードとアノード間に印加すると共に、ＬＣ回路１８のアノード側出力にアノード流入電流防止手段２６を設けた。【選択図】図２

Description

本発明は、カソード防食対象に対して直流の防食電流を発生させる外部電源カソード防食装置に関するものである。

外部電源カソード防食装置は、外部電源を用いて、電解質中に設けた電極をアノードとし電解質中に存在する防食対象の金属構造物をカソードとして、アノードから電解質中に防食電流を発生させ、電解質中の金属構造物をカソード防食するものである。この外部電源カソード防食装置は、カソード防食される金属構造物の対電解質電位や金属構造物に接続されたクーポンに流入するクーポン電流を計測して、計測された対電解質電位が防食電位よりマイナス側になるように、或いは計測されたクーポン電流によって求められるクーポン電流密度がカソード防食基準に合格するように、外部電源の出力電圧が制御されている。

このような外部電源カソード防食装置の外部電源には、商用交流電源から得られる直流電源が用いられている。下記特許文献１に記載された従来技術は、交流電源を変圧回路で変圧し、その出力を整流回路，平滑回路によって直流電圧に変え、その直流電圧をスイッチング回路でオン・オフ制御し、スイッチングオン時間と設定周波数におけるスイッチング周期との比であるデューティ比を調整することで出力調整を行っている。

特開２０１４−１５２３４６号公報特開２００４−２５０７７９号公報

近年、防食対象の金属構造物は電気抵抗率の高いプラスチックコーティングで覆われており、これによって、外部電源カソード防食装置のアノードから出力される防食電流は、数十ｍＡから１０Ａ程度に微小化する傾向にある。このため、防食電流を高精度で制御するには、リップル率の低い直流電流をアノードから出力する外部電源が求められる。

また、近年、プラスチックコーティングパイプラインが高圧交流送電線や交流電気鉄道輸送路と並行して埋設されているケースが増大しており、このようなパイプラインの交流腐食対策として、上記の特許文献２に記載されるような、パイプラインと低接地物との間にコンデンサーを内蔵する交流誘導低減器を設置する措置が講じられることがある。このようなパイプラインにリップル率の高い防食電流が流入すると、リップル電流がコンデンサーを通過するため、パイプラインに流入すべき防食電流が一部ロスになる。防食電流を有効にパイプラインに流入させるためにもリップル率の低い直流電流をアノードから出力する外部電源が求められる。

また、このように防食電流が微小化する一方で、都市部の地中に埋設されている金属構造物は、直流電気鉄道車両のレール漏れ電流など、時間変動の大きい迷走電流の影響を受けて、金属構造物の対電解質電位やクーポン流入電流密度が頻繁に変化する環境に曝されているので、これに応じて防食電流を高速且つ高精度に制御することが求められている。

また、外部電源カソード防食装置のアノードは、防食電流を効率的に出力するために周囲にバックフィルとして黒鉛粉末とコークス粉末を充填して設置されるのが一般的である。これによってアノードの接地抵抗は低くなっており、防食電流の出力を微小化して稼働する状況下では、迷走電流がアノードに流入する可能性や、アノードに落雷があった場合に雷電流が流入して外部電源装置が損傷する可能性があった。

本発明は、このような事情に対処するために提案されたものであり、外部電源カソード防食装置において、商用交流電源からリップル率の低い直流電流を出力することで、微小化した防食電流を高速且つ高精度に制御すること、接地抵抗の低いアノードから流入する迷走電流や雷電流を防止すること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明は、外部電源装置を備え、電解質中に存在する防食対象の金属構造物をカソードとし、電解質中に配置したアノードから前記金属構造物に対して防食電流を発生させる外部電源カソード防食装置であって、前記外部電源装置は、商用交流電源の交流電圧を整流する第１整流回路と、該第１整流回路によって整流された電圧を平滑化する平滑回路と、該平滑回路によって平滑化された電圧をチョッパ制御するスイッチング回路と、該スイッチング回路によってオン・オフされた電圧が一次側に入力される変圧回路と、該変圧回路の２次側電圧を整流する第２整流回路と、該第２整流回路によって整流された電圧から直流電圧を得るＬＣ回路と、該ＬＣ回路の出力電圧を帰還電圧として前記スイッチング回路のデューティ比を制御するＰＷＭ回路とを備え、前記ＬＣ回路の出力電圧を前記カソードと前記アノード間に印加すると共に、前記ＬＣ回路のアノード側出力にアノード流入電流防止手段を設けたことを特徴とする外部電源カソード防食装置。

このような特徴を備えた外部電源カソード防食装置は、商用交流電源からリップル率の低い直流電流を出力して、微小化した防食電流を高速且つ高精度に制御することができ、接地抵抗の低いアノードから流入する迷走電流や雷電流を効果的に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る外部電源カソード防食装置の全体構成を示した説明図である。本発明の一実施形態に係る外部電源カソード防食装置における外部電源装置の回路構成を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る外部電源カソード防食装置の全体構成を示した説明図である。ここでは、防食対象の金属構造物を電解質である土壌に埋設されたパイプラインとして説明するが、特にこれに限定されるものではない。

外部電源カソード防食装置１は、外部電源装置２とアノード３を備えており、外部電源装置２の一方の出力端子２Ａが電解質である土壌中に存在するパイプラインＰに電線Ｌ１を介して接続されており、外部電源装置２の他方の出力端子２ＢがパイプラインＰ近くの電解質中に配置したアノード３に電線Ｌ２を介して接続されている。また、外部電源装置２は、入力端子２Ｃ，２Ｄを備えており、その入力端子２Ｃ，２Ｄには商用交流電源ＡＣが接続され、交流電圧が入力されている。

パイプラインＰは、電解質中に設置される照合電極４やクーポン５に電線Ｌ３，Ｌ４を介して接続されており、電線Ｌ３に接続された電圧計６によって計測される電圧値、或いは電線Ｌ４に接続された電流計７によって計測される電流値が演算処理装置８に入力され、演算処理装置８によって求められる管対地電位（対電解質電位）Ｐ／Ｓとクーポン電流密度Ｉｃが、外部電源装置２に入力されている。

また、演算処理装置８は、無線又は有線の通信機能を備えており、この通信機能によって、遠隔地にある監視・制御センターに管対地電位Ｐ／Ｓ，クーポン電流密度Ｉｃを含む監視情報（後述する出力電圧Ｖ，出力電流Ｉ，総回路抵抗Ｒなど）を送信し、監視・制御センターからの制御信号を受信している。

外部電源装置２は、カソードであるパイプラインＰとアノード３との間に直流の出力電圧Ｖを印加して、アノード３から電解質中に発生される防食電流をパイプラインＰに供給するものであり、図２に示す回路構成を備えている。

この外部電源装置２は、入力端子２Ｃ，２Ｄに入力される交流電圧を直流電圧に変換して、アノード３とパイプラインＰに接続する出力端子２Ａ，２Ｂから出力するものであり、ラインフィルタ１０，突入電流防止回路１１，第１整流回路１２，力率改善回路１３，平滑回路１４，スイッチング回路１５，変圧回路１６，第２整流回路１７，ＬＣ回路１８を備えると共に、スイッチング回路１５に出力電圧Ｖをフィードバックする帰還回路として、誤差増幅回路１９，位相補償回路２０，ＰＷＭ回路２１を備えている。

このような外部電源装置２の基本動作を説明する。入力端子２Ｃ，２Ｄに入力される交流電圧は、ラインフィルタ１０によってノイズが除去され、突入電流防止回路１１を経て第１整流回路１２にて極性反転の無い電圧に整流される。第１整流回路１２としては、図のようなブリッジ型の全波整流回路を用いることができる。

第１整流回路１２によって整流された電圧は、力率改善回路１３を経て平滑回路１４にて平滑化され、平滑化された電圧はＭＯＳＦＥＴなどのスイッチングトランジスタからなるスイッチング回路１５のオン・オフ動作でチョッパ制御される。スイッチング回路１５にてチョッピングされた電圧は高周波トランスからなる変圧回路１６の一次側に入力され、変圧回路１６の２次側電圧が一つのダイオードで構成される第２整流回路１７で半波整流され、ＬＣ回路１８を経て直流電圧として出力される。

ＬＣ回路１８の出力電圧Ｖは、出力電圧検出手段２２によって検出され、Ａ−Ｄコンバータ２３を介して演算処理装置８に入力され、演算処理装置８から出力される帰還電圧Ｖｆが帰還回路内の誤差増幅回路１９に送られる。

帰還回路内の誤差増幅回路１９は演算処理装置８から送られてきた帰還電圧Ｖｆと基準電圧Ｖｒの差分を反転増幅して誤差信号を生成する。生成された誤差信号は、位相補償回路２０により位相補償され、位相補償された誤差信号は、ＰＷＭ回路２１内のＰＷＭコンパレータ２１Ｃに供給される。ＰＷＭコンパレータ２１Ｃは、位相補償された誤差信号と図示省略した三角波発振器から出力される三角波２１ａを比較して、ＰＷＭ信号を生成する。生成されたＰＷＭ信号はスイッチング回路１５に供給される。

ここで位相補償された誤差信号が三角波２１ａより大きいときは、ＰＷＭ信号はハイとなってスイッチング回路１５がオンになり、位相補償された誤差信号が三角波２１ａより小さいときは、ＰＷＭ信号はローとなってスイッチング回路１５がオフとなるので、誤差信号の大小によってスイッチング回路１５によるオン・オフのデューティ比が制御され、出力電圧Ｖを基準電圧Ｖｒに一致させるフィードバック制御がなされる。

誤差増幅回路１９に帰還電圧Ｖｆを送る演算処理装置８には、Ａ−Ｄコンバータ２３を介してＬＣ回路１８の出力電圧Ｖが入力されるだけでなく、電圧計６或いは電流計７で計測された計測値がＡ−Ｄコンバータ２３を介して入力される。そして、演算処理装置８は、これらの計測値からパイプラインＰの管対地電位Ｐ／Ｓ（対電解質電位）或いはクーポン電流密度Ｉｃを求め、管対地電位Ｐ／Ｓ又はクーポン電流密度Ｉｃに基づいて帰還電圧Ｖｆを調整する。このように帰還電圧Ｖｆを調整することで、計測された管対地電位Ｐ／Ｓやクーポン電流密度Ｉｃに応じて出力電圧Ｖを制御し、アノード３から発生する防食電流を適正に制御することができる。

また、ＬＣ回路１８のアノード側出力配線には、シャント抵抗２４が設けられており、外部電源装置２は、シャント抵抗２４から出力電流Ｉを検出する出力電流検出手段２５を備えている。そして、演算処理装置８には、出力電流検出手段２５が検出する出力電流ＩがＡ−Ｄコンバータ２３を介して入力されており、演算処理装置８は、入力された出力電流Ｉと出力電圧Ｖとから総回路抵抗Ｒを求めている。ここで、演算処理装置８から出力される帰還電圧Ｖｆは、出力電流Ｉや総回路抵抗Ｒによっても適宜調整することができる。

アノードと出力電流検出用のシャント抵抗２４との間には、ファーストリカバリーダイオードからなるアノード流入電流防止手段２６を挿入する。ファーストリカバリーダイオードは、高速で動作し、迷走電流や雷電流がアノードに流入して外部電源装置２の出力端子（出力プラス端子）２Ｂに対しアノードの電位が高くなってから逆流を阻止する作動時間が非常に短く、更に、この現象がおさまった後、順方向に復帰する時間が非常に短い。また、逆電圧が高い（例えば逆方向耐圧800V）ので、高い雷電圧がアノードと外部電源装置２に印加された場合にも、このファーストリカバリーダイオードが雷電流の流入を防止する。

ここで、アノードから出力される直流電流のリップル率を低下させるためには、スイッチング回路１５のスイッチング周波数を高くする必要があるが、高すぎるとスイッチング損失を誘起する。また、アナログ出力する出力電圧Ｖ、出力電流Ｉ、制御管対地電位Ｐ／Ｓのデータサンプリング周波数が１０ｋＨｚであるので、これらを考慮してスイッチング周波数は１００ｋＨｚとしている。

このような回路構成を有する外部電源装置２を備えた外部電源カソード防食装置１によると、商用交流電源ＡＣの交流電圧をまず整流して極性反転の無い電圧を得て、これを平滑化した後、スイッチング回路１５で高周波に変換するので、変圧回路１６の小型軽量化が可能になる。また、スイッチング回路１５のオン・オフによるチョッパ制御を採用することで、低消費電力・高効率の稼働が可能になる。

出力電圧Ｖを検出して演算処理装置８に入力し、演算処理装置８から出力される帰還電圧Ｖｆに応じて、スイッチング回路１５のデューティ比を高速制御するので、高速且つ高精度の出力電圧制御を行うことができる。

スイッチング回路１５と変圧回路１６からなるスイッチングレギュレータの前段に第１整流回路１２と平滑回路１４を設け、前述したスイッチングレギュレータの後段に第２整流回路１７とＬＣ回路１８を設けているので、低リップル率の直流電圧出力を任意の高さに降圧又は昇圧することができる。これによって、極性反転が無く安定した防食電流をアノード３から出力することができる。

第１整流回路１２と平滑回路１４との間に挿入した力率改善回路１３は、第１整流回路１２を通じた全波整流時に入力された交流電源の電流波形と電圧波形の位相差による位相損失が最小になるように力率が調整される。この力率改善回路１３を設けることで、スイッチング回路１５によって発生する高調波電流を制限値より低くすることができる。

更には、ＬＣ回路１８のアノード側出力に、シャント抵抗２４、アノード流入電流防止手段（ダイオード）２６、アノード３を直列接続しているので、アノード３の負荷をシャント抵抗２４から得られる出力電流Ｉによって直接的に評価することができる。アノード３には許容電流密度があり、一般に外部電源カソード防食装置１のアノードとして用いられる複合酸化物被覆電極の許容電流密度は１００Ａ／ｍ²以下であるが、シャント抵抗２４から得られる出力電流Ｉによって出力電圧Ｖを制御することで、正確にアノード３の負荷を許容範囲内に収めることができる。

このような外部電源装置２を備える外部電源カソード防食装置１は、商用交流電源ＡＣからリップル率の低い直流電圧を得て、微小化した防食電流を高速且つ高精度に制御することができる。また、接地抵抗の低いアノード３から流入する迷走電流や雷電流をアノード流入電流防止手段２６によって防止することができる。また、アノード３に接続する出力端子２Ｂの直前で出力電流Ｉを検出するので、アノード３の負荷を精度良く許容範囲内に収めることができる。

１：外部電源カソード防食装置，
２：外部電源装置，２Ａ，２Ｂ：出力端子，２Ｃ，２Ｄ：入力端子，
３：アノード，４：照合電極，５：クーポン，６：電圧計，７：電流計，
８：演算処理装置，
１０：ラインフィルタ，１１：突入電流防止回路，１２：第１整流回路，
１３：力率改善回路，１４：平滑回路，１５：スイッチング回路，
１６：変圧回路，１７：第２整流回路，１８：ＬＣ回路，１９：誤差増幅回路，
２０：位相補償回路，
２１：ＰＷＭ回路，２１ａ：三角波，２１Ｃ：ＰＷＭコンパレータ，
２２：出力電圧検出手段，２３：Ａ−Ｄコンバータ，２４：シャント抵抗，
２５：出力電流検出手段，２６：アノード流入電流防止手段，
ＡＣ：交流電源，
Ｐ：パイプライン，Ｖ：出力電圧，Ｉ：出力電流，Ｒ：総回路抵抗，
Ｐ／Ｓ：管対地電位（対電解質電位），Ｉｃ：クーポン電流密度，
Ｖｆ：帰還電圧，Ｖｒ：基準電圧，
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４：電線，

Claims

外部電源装置を備え、電解質中に存在する防食対象の金属構造物をカソードとし、電解質中に配置したアノードから前記金属構造物に対して防食電流を発生させる外部電源カソード防食装置であって、
前記外部電源装置は、商用交流電源の交流電圧を整流する第１整流回路と、該第１整流回路によって整流された電圧を平滑化する平滑回路と、該平滑回路によって平滑化された電圧をチョッパ制御するスイッチング回路と、該スイッチング回路によってオン・オフされた電圧が一次側に入力される変圧回路と、該変圧回路の２次側電圧を整流する第２整流回路と、該第２整流回路によって整流された電圧から直流電圧を得るＬＣ回路と、該ＬＣ回路の出力電圧を帰還電圧として前記スイッチング回路のデューティ比を制御するＰＷＭ回路とを備え、
前記ＬＣ回路の出力電圧を前記カソードと前記アノード間に印加すると共に、前記ＬＣ回路のアノード側出力にアノード流入電流防止手段を設けたことを特徴とする外部電源カソード防食装置。
前記ＬＣ回路のアノード側出力に出力電流を検出するためのシャント抵抗を設けたことを特徴とする請求項１記載の外部電源カソード防食装置。
前記出力電圧と前記出力電流に基づいて前記帰還電圧を調整する演算処理装置を備えることを特徴とする請求項２記載の外部電源カソード防食装置。
前記演算処理装置は、前記金属構造物の対電解質電位又はクーポン電流密度に基づいて前記帰還電圧を調整することを特徴とする請求項３に記載の外部電源カソード防食装置。