四種交流排流器服役性能對比

李夏喜,杜艷霞,邢琳琳,唐德志,王一君,段 蔚,姜子濤

(1. 北京市燃氣集團責任有限公司，北京 100011; 2. 北京科技大學，北京 100083;3. 安科工程技術研究院(北京)有限公司，北京 100083)

四種交流排流器服役性能對比

李夏喜1,杜艷霞2,邢琳琳1,唐德志2,王一君1,段 蔚1,姜子濤3

(1. 北京市燃氣集團責任有限公司，北京 100011; 2. 北京科技大學，北京 100083;3. 安科工程技術研究院(北京)有限公司，北京 100083)

利用實驗室測試和現場測試相結合的方法對比研究了國內外四種交流排流器的服役性能。通過實驗室直流伏安特性測試和交流伏安特性測試，分別獲得了四種交流排流器的直流閥值電壓、直流漏流量以及交流阻抗，并利用現場測試對該結果進行了驗證。通過現場測試獲得了四種交流排流器對管道陰極保護電位和陽極地床交流緩解效果的影響規律和作用機制。

交流排流器；服役性能；陰極保護；交流緩解

隨著我國石油管道、交流電氣化鐵路以及交流高壓輸電線路的大規模建設，越來越多的埋地金屬管道與交流輸電線(或者交流電氣化鐵路)鄰近鋪設，管道遭受的交流干擾也越來越嚴重[1-5]。交流干擾不但會威脅管道工作人員的人身安全，還會造成管道附件(如管道絕緣接頭、去極化裝置、陰極保護裝置等)發生損壞。此外，交流干擾還會引起管道發生交流腐蝕，致使管道腐蝕穿孔、泄漏[6-8]。因此，埋地金屬管道的交流緩解受到越來越多的關注。

目前國內外常用的交流緩解方法是在遭受干擾的管道上合理安裝一些排流地床，如緩解鋅帶地床、深井陽極地床、接地網以及分布式陽極地床等[9-10]。然而，緩解地床在緩解管道交流干擾的同時也會引入一些直流雜散電流，或者會減少流入管道的陰極保護電流，從而影響管道的陰極保護電位。為了解決該問題，人們常常在交流緩解地床和管道之間安裝一個交流排流器。交流排流器是一個阻直通交的裝置。目前國內外常用的交流排流器主要有鉗位式交流排流器和固態去耦合器兩種。其中,固態去耦合器分為二極管+電容+浪涌保護器型和可控硅+電容型+浪涌保護器型兩種。對于不同的交流排流器，它們阻直流通交流的性能也各不相同，從而會對交流排流地床的緩解效果和管道的陰極保護電位造成不同的影響。

為了弄清不同類型交流排流器對交流排流地床排流效果和管道陰極保護電位的影響規律和作用機制，本工作選用了四種目前國內外常用的交流排流器:鉗位式交流排流器(1號)、二極管+電容型+浪涌保護器型交流排流器(2號)、可控硅+電容型+浪涌保護器交流排流器(進口,3號)和可控硅+電容型+浪涌保護型交流排流器(國產,4號)。利用實驗室測試和現場測試相結合的方法對四種排流器的服役性能進行了研究，以期為交流排流器的合理選擇提供借鑒。

1 實驗室測試

1.1 實驗室試驗

1.1.1 直流伏安特性測試

采用圖1所示的試驗電路進行四種交流排流器的直流伏安特性測試。測試回路由直流電源、測試電阻(10 Ω，200 W)以及待測交流排流器組成。其中,直流電源可為回路提供0～30 A直流電流，通過交流排流器的直流電流由電阻(R)兩端的直流電壓除以電阻值(10 Ω)獲得，交流排流器兩端的直流電壓降直接由萬用表測得，從而獲得交流排流器的直流伏安特性。

圖1 實驗室測試電路示意圖Fig. 1 Experimental setup

1.1.2 交流伏安特性測試

交流排流器的交流伏安特性測試電路與直流伏安特性測試電路類似，由交流電源、測試電阻R(10 Ω，200 W)和待測交流排流器組成。其中交流電源可以為回路提供頻率為50 Hz的交流電流，回路中的交流電流由電阻(R)兩端的交流電壓除以電阻值(10 Ω)獲得，通過測量交流排流器兩端的交流電壓，可以獲得其交流伏安特性曲線。

1.2 實驗室測試結果與分析

由圖2可見,四種交流排流器的直流伏安特性各不相同。四種交流排流器的直流電壓閥值和直流漏流量見表1。由表1可見，1號交流排流器的直流漏流量較大，最大直流漏流量達63 mA，其他三種交流排流器的直流漏流量相對較小。

由圖3可見,1號交流排流器的交流伏安特性與其他三種排流器的明顯不同。1號排流器兩端的交流電壓隨著交流電流的增大先急劇增大，之后增大速率明顯減緩，而其他三種交流排流器兩端的交流電壓隨交流電流的增大呈現出線性增大的趨勢，且增大速率非常小。由表2可見，2號、3號以及4號交流排流器的交流阻抗較小，而1號交流排流器的交流阻抗不是一個定值，會隨著交流電流的增大而急劇減小，最小值為13 mΩ。

圖2 四種交流排流器的直流伏安特性Fig. 2 The DC voltage current characteristic of 4 DC decouplers

表1 四種交流排流器直流閥值電壓和直流漏流量Tab. 1 The obtained DC threshold voltage and DC leakage of the four DC decouplers

圖3 四種交流排流器的交流伏安特性Fig. 3 The AC voltage current characterisic of 4 DC decouplers

表2 四種交流排流器的交流阻抗Tab. 2 AC impedance of the 4 DC decouplers

2 現場測試

2.1 現場試驗

2.1.1 緩解前管道交流干擾及陰極保護水平測試

斷開交流緩解地床，并在測試點位置埋設一個1 cm2的極化探頭，讓其充分極化24 h以上。之后采用Cu/CuSO4參比電極(CSE)和一臺uDL-1型記錄儀連續監測管道的交流干擾電壓和通/斷電電位。管道的交流電流密度則用另一臺uDL-1型記錄儀連續監測串聯電阻(10 Ω)兩端的交電壓并除以電阻值和探頭工作面積(1 cm2)獲得。

2.1.2 緩解后未接通交流排流器時管道交流干擾及陰極保護水平測試

接通交流緩解地床，但不接通交流排流器，采用CSE參比電極和一臺uDL-1型記錄儀連續監測管道的交流干擾電壓和通/斷電電位;管道的交流電流密度按照2.1.1節所述方法測試獲得;交流排流器的交流排流量和直流泄流量用第三臺UDL-1型記錄儀連續監測串聯電阻(1 Ω)兩端的交/直流電壓并除以電阻值獲得。

2.1.3 接通交流排流器后管道交流干擾水平、陰極保護水平及排流器性能測試

接通其中一臺交流排流器，采用CSE和一臺uDL-1型記錄儀連續監測管道的交流干擾電壓和通/斷電電位；管道的交流電流密度同樣按照2.1.1節所述方法測試獲得;交流排流器的交流排流量和直流漏流量按照2.1.2節所述方法測試獲得;交流排流器的交流阻抗由第四臺uDL-1型記錄儀連續監測排流器兩端的交流電壓并除以排流器的交流排流量所得。重復該步驟，完成其他三臺交流排流器的性能測試。

2.2 現場測試結果與討論

2.2.1 四種交流排流器的交流阻抗

由圖4可見,在現場的交流排流量條件下，1號交流排流器的交流阻抗較大，2號、3號和4號交流排流器的交流阻抗較小，這與實驗室交流伏安特性測試結果非常相近。

2.2.2 交流排流器對地床交流的緩解效果

由圖5可見，在接通交流排流器前，地床的交流排流量約為1.4 A;接通交流排流器后，地床的交流排流量發生了不同的變化。當接通1號交流排流器時，地床的交流排流量明顯下降，降低了約為1.15 A，這是因為1號交流排流器的交流阻抗較大。其他三種交流排流器對地床的交流排流量基本無影響，這是因為2號、3號和4號交流排流的交流阻抗非常小，見圖4。

由圖6可見,緩解前管道的交流干擾電壓約為10 V，緩解后但不接通交流排流器時，管道的交流干擾電壓降低至8 V。接通1號交流排流器后，管道的交流干擾電壓約升高至8.5 V，這是因為交流排流器的使用降低了地床的交流排流量；接通其他三種交流排流器后，管道的交流干擾電壓無明顯變化，這是因為2號、3號和4號交流排流器的交流阻抗非常小，使用2、3、4號交流排流器對地床的交流排流量無明顯影響，不會影響地床的交流緩解效果，為此，管道的交流干擾電壓也沒有明顯變化。

(a) 1號

(b) 2號

(c) 3號

(d) 4號圖4 四種交流排流器的交流阻抗Fig. 4 AC impedance of 4 DC decouplers

(a) 1號

(b) 2號

(c) 3號

(d) 4號圖5 四種交流排流器對地床交流排流量的影響Fig. 5 Effects of 4 DC decouplers on AC mitigation of ground-bed

(a) 1號

(b) 2號

(c) 3號

(d) 4號圖6 四種交流排流器對管道交流干擾電壓的影響Fig. 6 Effects of 4 DC decouplers on AC voltage of pipeline

由圖7可見,緩解前，管道的交流電流密度較高，約為110 A/m2，緩解后未接通交流排流器前，管道的交流電流密度明顯降低，約為85 A/m2;接通四種交流排流器后，管道的交流電流密度變化各不相同。接通1號交流排流器時，管道的交流電流密度升高，達到90 A/m2；接通其他三種交流排流器時，管道的交流電流密度無明顯變化。

(a) 1號

(b) 2號

(c) 3號

(d) 4號圖7 四種交流排流器對管道交流干擾電流密度的影響Fig. 7 Effects of 4 DC decoupler on the induced AC current density of pipeline

綜合圖5～7可見，由于1號交流排流器的交流阻抗較大，對地床的交流緩解效果有一定的影響，其他三種交流排流的交流阻抗較小，對地床的交流緩解效果基本無影響。

2.2.3 四種交流排流器的直流漏流量

由圖8可見,接通交流排流器前地床的直流泄由圖9可見,接通1號交流排流器使得管道的通/斷電電位發生正向偏移，而接通其他三種交流排流器對管道的通/斷電電位無明顯影響。這與交流排流器本身的性能有關。

(a) 1號

(b) 2號

(c) 3號

(d) 4號圖8 四種交流排流器的直流漏流量Fig. 8 DC leakage of 4 DC decouplers

2.2.4 交流排流器對管道陰極保護電位的影響

現場測得緩排流地床的開路電位為-0.2 V，1號交流排流器的直流閥值電壓為±1.8 V，故而，當管道電位比-2 V更負或者比1.6 V更正時，1號交流排流器會導通直流。從圖4可知，在目前地床的交流排流量(1.15 A)下，1號交流排流器的交流阻抗為1.74～1.82 mΩ，所以此時排流器兩端的交流電壓約為2 V。從圖9可知，緩解前，管道的通電電位(陰保電位)為-1.25 V。所以1號交流排流器靠近管道端的AC/DC電位為-3.35～0.75 V。但從前面的分析可知，當交流排流器靠近管道端的電位(管道電位)比-2 V更負時，1號交流排流器將會導通直流。故而在目前的條件下，當使用1號交流排流器時，在一個交流電周期內存在一個時間段使得1號交流排流導通直流，如圖10中的黑色區域所示。這也可從圖8中的1號交流排流器的直流漏流量得到驗證。一旦1號交流排流器導通直流，從土壤流入管道的陰保電流將會減少，從而導致管道的通/斷電電位發生正向偏移，見圖9(a)。

從表1可知，2號交流排流器的直流閥值電壓為-3.1～0.1 V，而排流地床的開路電位為-0.2 V，故而當管道電位(即交流排流器靠近管道端的電位)比-3.3 V更負或者比-0.1 V更正(如圖11中的虛線所示)時，2號交流排流器會導通直流。從圖4可知，現場測得2號交流排流器的交流阻抗為10.6～11.1 mΩ，交流排流量為1.4 A，因此此時2號交流排流器兩端的交流電壓約為0.02 V。由于管道的陰保電位為-1.25 V，此時2號交流排流器靠近管道端的AC/DC電位為-1.27～-1.23 V，如圖11中的實線所示。類似地，只有當交流排流器靠近管道端的電位比-3.3 V更負或者比-0.1 V更正才會導通直流電流。故而，在目前的條件下，2號交流排流器不會導通直流，不會對管道的陰保電位造成影響，見圖9。3號和4號交流排流器對管道陰保電位的影響與2號交流排流器的相似。

(a) 1號

(b) 2號

(c) 3號

(d) 4號圖9 排流器對管道通/斷電電位的影響Fig. 9 Effect of DC decoupler on the ON/OFF potential of pipeline

圖10 1號交流排流器對管道陰保電位的影響Fig. 10 Effect of No 1 DC decoupler on cathodic protection potential of pipeline

圖11 2號交流排流器對管道陰保電位的影響Fig. 11 Effect of No 2 DC decoupler on cathodic protection potential of pipeline

3 結論

(1) 通過實驗室交、直流伏安特性測試可以粗略獲得交流排流器的直流電壓閥值、直流漏流量和交流阻抗，從而可對交流排流器的服役性能進行預測，故而在后期的交流排流器選型中可以先對其進行實驗室測試。

(2) 現場測試表明，1號交流排流器對地床交流排流效果和管道陰極保護電位有較大的影響，其他三種交流排流器的服役性能相似，對地床交流排流效果和管道陰極保護電位無明顯影響。

(3) 交流排流器對管道陰極保護電位的影響與管道陰極保護水平、地床開路電位、交流排流器直流閥值電壓以及交流排流器兩端交流電壓降密切相關。

[1] TANG D Z,DU Y X,LU M X,et al. Study on location of reference electrode for measurement of induced alternating current voltage on pipeline[J]. International Transactions on Electrical Energy Systems,2015,25:99-119.

[2] TANG D Z,DU Y X,LU M X,et al. Study on CP criteria for mild steel in the presence of AC interference[C]//Corrosion 2012. Houston:NACE International,2012:C2012-0001364.

[3] 唐德志，杜艷霞，路民旭，等. 埋地管道交流干擾與陰極保護相互作用研究進展[J]. 中國腐蝕與防護學報,2012,33(5):351-356.

[4] GOUDA O E,DEIN A Z E,EL-GABALAWY M A H. Effect of electromagnetic field of overhead transmission lines on the metallic gas pipelines[J]. Electric Power Systems Research,2013,103:129-136.

[5] DAMOUSIS I G,SATSIOS K J,LABRIDIS D P,et al. A fuzzy logic system for calculation of the interference of overhead transmission lines on buried pipelines[J]. Electric Power Systems Research,2001,57:105-113.

[6] COLLET E,DELORES B,GABILLARD M,et al. Corrosion due to AC interference of very high voltage power lines on polyethylene-coated steel pipelines:evaluation of risks-preventive measures[J]. Anti-Corrosion Methods and Materials,2001,48(4):221-226.

[7] FU A Q,CHENG Y F. Effect of alternating current on cathodic protection on pipelines[J]. Corrosion Science,2010,52(1):612-619.

[8] KOULOUMBI N,BATIS G,KIOUPIS N,et al. Study of the effect of AC interference on the cathodic protection of the a gas pipeline[J]. Anti-Corrosion Methods and Materials,2002,49(5):335-345.

[9] MOVLEY C. Pipeline Corrosion from Induced AC:two UK case histories[C]//Corrosion 2005. Houston:NACE International,2005:132.

[10] LINDEMUTH P E D,HERNANDEZ H. AC mitigation and cathodic protection for a long regulated pipeline[C]//Corrosion 2010. Houston:NACE International,2010:105.

Comparison of the Performance of Four Direct Current Decouplers

LI Xia-xi1, DU Yan-xia2, XING Lin-lin1, TANG De-zhi2, WANG Yi-jun1, DUAN Wei1, JIANG Zi-tao3

(1. Beijing Gas Group Co., Ltd., Beijing 100011, China; 2. University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China; 3. Safetech Research Institute, Beijing 100083, China)

The performances of four direct current (DC) decouplers were investigated by the combination of experimental measurements and field tests. In order to evaluate the DC threshold voltage, DC leakage and alternating current (AC) impedance, DC volt-ampere curve and AC volt-ampere curve of the four DC decouplers were measured. The results were confirmed by field tests. Besides, the effects of DC decoupler on the AC mitigation efficiency of ground-bed and on the cathodic protection potential of buried pipeline were discussed.

direct current decoupler; service performance; cathodic protection; AC mitigation

10.11973/fsyfh-201703015

2015-07-17

杜艷霞(1980-),副教授,博士,從事燃氣管網的防腐技術及工程管理的研究,010-62333972,duyanxia@ustb.edu.cn

TE832

A

1005-748X(2017)03-0228-07