JP6333704B2 - External power source cathodic protection device - Google Patents
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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。 The present invention relates to an external power source cathodic protection device that generates a direct current anticorrosion current for a cathodic protection target.
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。 The external power supply cathodic protection device uses an external power supply to generate an anticorrosion current from the anode into the electrolyte using the electrode provided in the electrolyte as the anode and the metal structure to be protected in the electrolyte as the cathode. The metal structure is subjected to cathodic protection. This external power source cathodic protection device measures the potential of the metal structure to be cathodic-protected and the coupon current flowing into the coupon connected to the metal structure. Or the output voltage of the external power source is controlled so that the coupon current density determined by the measured coupon current passes the cathodic protection standard.
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。 A DC power source obtained from a commercial AC power source is used as the external power source of such an external power source cathode anti-corrosion device. In the prior art described in Patent Document 1 below, an AC power source is transformed by a transformer circuit, its output is changed to a DC voltage by a rectifier circuit and a smoothing circuit, and the DC voltage is controlled to be turned on / off by a switching circuit. Output adjustment is performed by adjusting a duty ratio, which is a ratio between time and a switching period at a set frequency.
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。 In recent years, metal structures to be protected against corrosion have been covered with a plastic coating having a high electrical resistivity, and as a result, the corrosion protection current output from the anode of the external power source cathode corrosion protection device has been reduced to about tens of mA to 10 A. There is a tendency. For this reason, in order to control the anticorrosion current with high accuracy, an external power source that outputs a direct current with a low ripple rate from the anode is required.
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。 In recent years, cases in which plastic coating pipelines are embedded in parallel with high-voltage AC power transmission lines and AC electric railway transportation routes are increasing. Measures may be taken to install an AC induction reducer with a built-in capacitor between the pipeline and a low grounded object as described in. When an anticorrosive current having a high ripple rate flows into such a pipeline, the ripple current passes through the capacitor, and thus the anticorrosive current that should flow into the pipeline is partly lost. An external power supply that outputs a direct current with a low ripple rate from the anode is also required in order to allow the anticorrosion current to flow into the pipeline effectively.
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。 In addition, while the anticorrosion current is miniaturized in this way, metal structures buried in urban areas are affected by stray currents with large time fluctuations such as rail leakage current of DC electric railway vehicles. Since the metal structure is exposed to an environment in which the potential to the electrolyte of the metal structure and the coupon inflow current density change frequently, it is required to control the anticorrosion current at high speed and with high accuracy.
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。 Further, the anode of the external power source cathode anticorrosion apparatus is generally installed by filling graphite powder and coke powder as a backfill around in order to efficiently output an anticorrosion current. As a result, the ground resistance of the anode is low, and under conditions where the anticorrosion current output is miniaturized, stray current may flow into the anode, or if lightning strikes the anode, lightning current will flow in. The external power supply could be damaged.
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。 The present invention has been proposed in order to cope with such a situation. In an external power source cathodic protection device, a DC current with a low ripple rate is output from a commercial AC power source, thereby reducing a miniaturized anticorrosive current at high speed. Further, it is an object of the present invention to control with high accuracy, to prevent stray current and lightning current flowing from the anode with low ground resistance.
このような目的を達成するために、本発明は、以下の構成を備える。
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、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、前記LC回路の出力電圧と前記LC回路のアノード側出力の出力電流が入力され、前記出力電圧と前記出力電流とで求められる総回路抵抗によって、前記スイッチング回路のデューティ比を制御するための帰還電圧を調整する演算処理装置を備え、前記帰還電圧の調整によって、前記カソードと前記アノード間に印加する前記LC回路の出力電圧を制御することを特徴とする外部電源カソード防食装置。
In order to achieve such an object, the present invention comprises the following arrangement.
An external power supply cathodic protection device comprising an external power supply device, wherein the metal structure to be protected against corrosion present in the electrolyte is used as a cathode, and an anticorrosion current is generated from the anode disposed in the electrolyte to the metal structure. The external power supply device includes a first rectifier circuit that rectifies an AC voltage of a commercial AC power supply, a smoothing circuit that smoothes the voltage rectified by the first rectifier circuit, and chopper control of the voltage smoothed by the smoothing circuit A switching circuit to which the voltage turned on and off by the switching circuit is input to the primary side, a second rectifier circuit that rectifies the secondary voltage of the transformer circuit, and rectification by the second rectifier circuit a PWM circuit for controlling the LC circuit for obtaining a DC voltage from a voltage that is, the duty ratio before Symbol switching circuit, wherein an output voltage of the LC circuit circuit An arithmetic processing unit is provided that receives an output current of an anode side output and adjusts a feedback voltage for controlling a duty ratio of the switching circuit according to a total circuit resistance obtained by the output voltage and the output current, and the feedback An external power source cathodic protection device, wherein the output voltage of the LC circuit applied between the cathode and the anode is controlled by adjusting the voltage .
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。 The external power source cathodic protection device having such features can output a direct current with a low ripple rate from a commercial alternating current power source, and can control the miniaturized anticorrosion current at high speed and with high accuracy, and has a low grounding resistance. The stray current and the lightning current flowing from the anode can be effectively prevented.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of an external power source cathode anticorrosion device according to an embodiment of the present invention. Here, the metal structure to be protected against corrosion will be described as a pipeline embedded in the soil that is an electrolyte, but is not particularly limited thereto.
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。
The external power supply cathodic protection device 1 includes an external power supply device 2 and an anode 3, and one
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。
The pipeline P is connected to the reference electrode 4 and the
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。 Further, the arithmetic processing unit 8 has a wireless or wired communication function, and by this communication function, monitoring information including a tube-to-ground potential P / S and a coupon current density Ic in a remote monitoring / control center (described later). Output voltage V, output current I, total circuit resistance R, etc.) and a control signal from the monitoring / control center.
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。 The external power supply device 2 applies a direct-current output voltage V between the pipeline P, which is a cathode, and the anode 3, and supplies the anticorrosion current generated in the electrolyte from the anode 3 to the pipeline P. The circuit configuration shown in FIG. 2 is provided.
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。
This external power supply device 2 converts AC voltage input to the
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。
The basic operation of the external power supply device 2 will be described. The AC voltage input to the input terminals 2 </ b> C and 2 </ b> D has its noise removed by the
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。
The voltage rectified by the
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。
The output voltage V of the
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。
The
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。
When the phase-compensated error signal is larger than the
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。
The arithmetic processing unit 8 that sends the feedback voltage Vf to the
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。
Further, a
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。
Between the anode and the
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。
Here, in order to reduce the ripple rate of the direct current output from the anode, it is necessary to increase the switching frequency of the switching
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。
According to the external power source cathodic protection device 1 including the external power source device 2 having such a circuit configuration, after first rectifying the AC voltage of the commercial AC power source AC to obtain a voltage without polarity inversion, and smoothing it. Since the switching
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。
Since the output voltage V is detected and input to the arithmetic processing unit 8 and the duty ratio of the switching
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。
Since the
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。
The power
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。
Furthermore, since the
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。
The external power supply cathodic protection device 1 including such an external power supply device 2 can obtain a DC voltage with a low ripple rate from the commercial AC power supply AC and can control the miniaturized anticorrosion current at high speed and with high accuracy. Further, stray current and lightning current flowing from the anode 3 having a low ground resistance can be prevented by the anode inflow current preventing
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,
1: External power source cathodic protection device,
2: external power supply, 2A, 2B: output terminal, 2C, 2D: input terminal,
3: anode, 4: reference electrode, 5: coupon, 6: voltmeter, 7: ammeter,
8: arithmetic processing unit,
10: line filter, 11: inrush current prevention circuit, 12: first rectifier circuit,
13: Power factor correction circuit, 14: Smoothing circuit, 15: Switching circuit,
16: Transformer circuit, 17: Second rectifier circuit, 18: LC circuit, 19: Error amplifier circuit,
20: Phase compensation circuit,
21: PWM circuit, 21a: triangular wave, 21C: PWM comparator,
22: output voltage detection means, 23: AD converter, 24: shunt resistor,
25: output current detection means, 26: anode inflow current prevention means,
AC: AC power supply,
P: pipeline, V: output voltage, I: output current, R: total circuit resistance,
P / S: tube-to-ground potential (vs. electrolyte potential), Ic: coupon current density,
Vf: feedback voltage, Vr: reference voltage,
L1, L2, L3, L4: Electric wire,
Claims (3)
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、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、前記LC回路の出力電圧と前記LC回路のアノード側出力の出力電流が入力され、前記出力電圧と前記出力電流とで求められる総回路抵抗によって、前記スイッチング回路のデューティ比を制御するための帰還電圧を調整する演算処理装置を備え、
前記帰還電圧の調整によって、前記カソードと前記アノード間に印加する前記LC回路の出力電圧を制御することを特徴とする外部電源カソード防食装置。 An external power supply cathodic protection device that includes an external power supply device and uses a metal structure to be protected against corrosion present in the electrolyte as a cathode, and generates a corrosion protection current from the anode disposed in the electrolyte to the metal structure,
The external power supply includes a first rectifier circuit that rectifies an AC voltage of a commercial AC power supply, a smoothing circuit that smoothes a voltage rectified by the first rectifier circuit, and a chopper that smoothes the voltage smoothed by the smoothing circuit. A switching circuit to be controlled, a transformer circuit in which a voltage turned on / off by the switching circuit is input to a primary side, a second rectifier circuit that rectifies a secondary voltage of the transformer circuit, and the second rectifier circuit an LC circuit from rectified voltage obtained DC voltage, a PWM circuit for controlling the duty ratio before Symbol switching circuit, the output current of the anode side output of the output voltage and the LC circuit of the LC circuit is input, the output An arithmetic processing unit for adjusting a feedback voltage for controlling a duty ratio of the switching circuit by a total circuit resistance obtained by a voltage and the output current; For example,
An external power source cathodic protection device, wherein an output voltage of the LC circuit applied between the cathode and the anode is controlled by adjusting the feedback voltage .
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