夏惠芳 劉根勝

〔1 中國(guó)石化北京石油分公司 北京 100022；2 河南省中奧管道工程技術(shù)有限公司 河南濮陽(yáng) 457000〕

近年來(lái)軌道交通以其快捷、便利、安全、載客量大等優(yōu)點(diǎn)成為大家所青睞的重要交通工具[1]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)各大城市為了緩解日趨嚴(yán)重的城市交通壓力，紛紛加快了城市軌道交通的建設(shè)。我國(guó)地鐵/輕軌多采用750V或1500V的直流電力牽引系統(tǒng)和走行軌回流的方式。地鐵運(yùn)行時(shí)，由走行軌漏泄到道床及其周圍土壤介質(zhì)中的直流雜散電流在流回變電所的時(shí)候，會(huì)對(duì)埋地金屬管道造成嚴(yán)重的腐蝕[2-8]。

依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，直流雜散電流防護(hù)技術(shù)主要有接地排流[9]、直接排流、極性排流、強(qiáng)制排流四種排流技術(shù)[10]，每種排流技術(shù)都對(duì)應(yīng)有各自的優(yōu)劣勢(shì)。直接排流、極性排流、強(qiáng)制排流三種防護(hù)技術(shù)需要將管道與干擾源負(fù)回歸網(wǎng)絡(luò)連接。由于涉及到多單位多部門(mén)協(xié)調(diào)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)施難度比較大，目前最常用的直流雜散電流防護(hù)技術(shù)為接地排流，通過(guò)導(dǎo)線將管道與排流接地體連接，將管道上流動(dòng)的直流雜散電流引回大地，這種直流雜散電流防護(hù)技術(shù)對(duì)排流接地體材料及接地電阻有較高要求，經(jīng)多年現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，排流防護(hù)效果[11-17]并不是特別理想。

強(qiáng)排排流器[18]研制基于電流補(bǔ)償和吸收原理，利用強(qiáng)制排流器獨(dú)特的硬件驅(qū)動(dòng)電路、軟件算法及高速響應(yīng)和控制等特點(diǎn)，以FGPA[現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣]多任務(wù)處理器為核心數(shù)據(jù)處理和控制單元，控制設(shè)備各單元工作。該直流雜散電流防護(hù)技術(shù)在管道電位處于正向波動(dòng)的時(shí)候，強(qiáng)制排流器可以向管道補(bǔ)充電流[19]，當(dāng)管道為負(fù)向電位偏移的時(shí)候，可以通過(guò)排流地接體將管道上存在的雜散電流引回大地，以此來(lái)保持管道電位處于可控范圍之內(nèi)。

本文基于電流吸收和補(bǔ)償原理研制了一種直流雜散電流排流系統(tǒng)—直流雜散電流強(qiáng)制排流器，消除或降低埋地管道上存在的直流雜散電流，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，降低了管道因直流雜散電流干擾所引起的腐蝕現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 強(qiáng)制排流器系統(tǒng)工作原理圖

強(qiáng)制排流器系統(tǒng)主要由電源輸入濾波單元、PWM功率轉(zhuǎn)換器單元、整流濾波器單元、雙向電流控制器單元、處理器與調(diào)整邏輯控制單元[FPGA]、高速管道電位采集單元、顯示單元、按鍵單元、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元(GPRS)、GPS授時(shí)單元等組成。高速管道電位采集單元將采集到的管地電位數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA處理器，F(xiàn)PGA處理器經(jīng)數(shù)據(jù)處理后控制雙向電流控制單元進(jìn)行動(dòng)作，以達(dá)到消除管道上存在的直流雜散電流。

直流雜散電流強(qiáng)制排流系統(tǒng)具備高速響應(yīng)、實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程通信控制、GPS授時(shí)同步中斷控制等功能為一體，當(dāng)管道管地電位因直流雜散電流干擾引起變化的時(shí)候直流雜散電流強(qiáng)制排流系統(tǒng)

可以1MS內(nèi)響應(yīng)并進(jìn)行控制，管地電位平穩(wěn)的時(shí)候(如地鐵造成的直流雜散電流干擾)系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到普通恒電位儀狀態(tài)。

目前市面上的恒電位儀系統(tǒng)普遍存在響應(yīng)速度慢，當(dāng)管道管地電位發(fā)生劇烈變化的時(shí)候不能及時(shí)響應(yīng)控制并且可能會(huì)存在邏輯控制錯(cuò)誤(如：管地電位低于設(shè)置值時(shí)，恒電位儀增大輸出，假如這時(shí)候管地電位突然高于設(shè)置值時(shí)，這時(shí)候恒電位儀還是在增大輸出，就造成了因響應(yīng)速度慢而造成邏輯控制錯(cuò)誤)。見(jiàn)圖1。

圖1 強(qiáng)制排流器系統(tǒng)工作原理圖

2 強(qiáng)制排流器系統(tǒng)安裝位置

以北京成品油管道為例，北京成品油管道直流雜散電流干擾源主要來(lái)源于城市地鐵/輕軌交通運(yùn)輸系統(tǒng)，為最大程度驗(yàn)證直流雜散電流強(qiáng)制排流器系統(tǒng)在直流雜散電流干擾源下的應(yīng)用效果。本次應(yīng)用試驗(yàn)選擇的亦莊輕軌段做為試驗(yàn)點(diǎn)。

試驗(yàn)點(diǎn)分別由：輔助排流接地極、強(qiáng)制排流器系統(tǒng)設(shè)備、控制電纜等組成，因地理環(huán)境限制，輕軌干擾源安裝位置輔助排流接地體采用深井式安裝，其它安裝同恒電位儀系統(tǒng)安裝。

3 應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

本次應(yīng)用試驗(yàn)通斷電位監(jiān)測(cè)采用試片法+高速通/斷電位采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，電流監(jiān)測(cè)采集采用試片法+FLUKE289。試片材質(zhì)同管道材質(zhì)相同，試片大小為5 mm×50 mm×100 mm，試片裸露面積為10 cm2,試片埋設(shè)嘗試約1 m。監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為24 h，以評(píng)估直流雜散電流強(qiáng)制排流器系統(tǒng)真實(shí)效果。

下文中圖2和圖3為強(qiáng)制排流器系統(tǒng)停止?fàn)顟B(tài)下所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，圖4和圖5為“強(qiáng)制排流器”系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，均為同一個(gè)測(cè)試點(diǎn)。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)，以此來(lái)分析“強(qiáng)制排流器”系統(tǒng)對(duì)直流雜散電流干擾緩解效果。

3.1 系統(tǒng)停止?fàn)顟B(tài)管道通斷電位變化情況

從圖2可以看出，直流雜散電流強(qiáng)制排流器在停止?fàn)顟B(tài)下(管道處于雜散電流干擾狀態(tài))，受地鐵/輕軌直流雜散電流干擾的影響，管道通電電位正負(fù)劇烈波動(dòng)，波動(dòng)范圍約7.5V，管道斷電電位波動(dòng)且斷電電位不滿足陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則要求，管道存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[20]。

圖2 “強(qiáng)制排流器”系統(tǒng)停止?fàn)顟B(tài)下管道通斷電位變化曲線圖

3.2 系統(tǒng)停止?fàn)顟B(tài)試片電流變化情況

從圖3可以看出，直流雜散電流強(qiáng)制排流器在停止?fàn)顟B(tài)下(管道處于雜散電流干擾狀態(tài))，受地鐵/輕軌直流雜散電流干擾的影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)試片電流[21-22]正負(fù)交替變化(試片電流為正值表示電流從土壤流入管道，管道受到保護(hù)。反之，當(dāng)試片電流為負(fù)值時(shí)表示電流從管道流向大地，管道存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn))，管道存在腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 系統(tǒng)停止?fàn)顟B(tài)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)試片電流變化曲線圖

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)管道通斷電位變化情況

從圖4可以看出，“強(qiáng)制排流器”系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下，管道通斷電位正向波動(dòng)完全消除，管道斷電電位波動(dòng)范圍較小且斷電電位滿足陰極保護(hù)要求。說(shuō)明“強(qiáng)制排流器”系統(tǒng)對(duì)于緩解管道直流雜散電流干擾，起到了明顯的緩解效果。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)通斷電位變化曲線圖

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)試片電流變化情況

系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)試片電流變化見(jiàn)圖5。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)試片電流變化曲線圖

從圖5可以看出，強(qiáng)制排流器系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)試片電流監(jiān)測(cè)值均為正值(試片電流為正表示電流從土壤流入管道，管道受到保護(hù)，反之，當(dāng)試片電流為負(fù)時(shí)表示電流從管道流向大地，管道存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn))，說(shuō)明“強(qiáng)制排流器”系統(tǒng)對(duì)于緩解管道直流雜散電流干擾，起到了明顯的緩解效果[23]。

4 通斷電位正向偏移統(tǒng)計(jì)表

依據(jù)GB/T5991標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定參考澳大利亞國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables》AS2832.1-2004中關(guān)于受雜散電流干擾的埋地結(jié)構(gòu)的保護(hù)準(zhǔn)則，該標(biāo)準(zhǔn) 2.2.2.6條“受動(dòng)態(tài)雜散電流影響的結(jié)構(gòu)”摘錄如下：

① 電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)測(cè)試時(shí)間的5%；

② 電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+50 mV (對(duì)黑色金屬結(jié)構(gòu)電位為-800 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)測(cè)試時(shí)間的2%；

③ 電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+100 mV(對(duì)黑色金屬結(jié)構(gòu)電位為-750 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)測(cè)試時(shí)間的1%；

④ 電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+850 mV(對(duì)黑色金屬結(jié)構(gòu)電位為0 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)測(cè)試時(shí)間的0.2%

通過(guò)表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，強(qiáng)制排流器系統(tǒng)啟動(dòng)后，管道兩側(cè)約11 km管道斷電電位正向偏移超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的基本消除。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷電電位統(tǒng)計(jì)情況表

5 干擾源停運(yùn)狀態(tài)下運(yùn)行效果

強(qiáng)制排流器研制基于電流補(bǔ)償和吸收原理，也就是在管道受到外部直流雜散電流干擾的時(shí)候，設(shè)備進(jìn)行雙向強(qiáng)制排流控制，當(dāng)直流雜散電流干擾源消失的時(shí)候，強(qiáng)制排流器變?yōu)閱蜗蜉敵黾雌胀ê汶娢粌x工作模式，由強(qiáng)制排流器向管道提供保護(hù)電流。

北京地鐵/輕軌在00：30～5：00左右期間停止運(yùn)行。地鐵/輕軌停止運(yùn)行后，地鐵/輕軌給埋地金屬管道造成的直流雜散電流消失，管道管地電位恢復(fù)到未干擾狀態(tài)，這些管地電位的變化都會(huì)被強(qiáng)制排流器信息采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到。通過(guò)中心處理器閉環(huán)回路控制，設(shè)備調(diào)整輸出，至監(jiān)測(cè)到的管地電位與預(yù)設(shè)值相等，設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)態(tài)輸出即恒電位模式。地鐵/輕軌開(kāi)始運(yùn)行后，管道開(kāi)始受到直流雜散電流干擾，強(qiáng)制排流器在1 MS以內(nèi)自動(dòng)進(jìn)入雙向強(qiáng)制排流模式，以確保管道管地電位的穩(wěn)定(見(jiàn)圖6)。

圖6 干擾源停止?fàn)顟B(tài)下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

6 效果分析及結(jié)論

通過(guò)對(duì)圖②和圖③進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，強(qiáng)制排流器未啟動(dòng)時(shí)，從圖②可以看出，管道管地電位波動(dòng)范圍較大且管地電位波動(dòng)正負(fù)交變，管道保護(hù)電位(斷電電位)波動(dòng)范圍較大且達(dá)不到陰極保護(hù)范圍的規(guī)定值。從圖③可以看出，監(jiān)測(cè)到的試片電流值正負(fù)交變，受管道直流雜散電流干擾，管道存在發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

強(qiáng)制排流器系統(tǒng)運(yùn)行后，從圖④和圖⑤進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，強(qiáng)制排流器啟動(dòng)后，管道管地電位波動(dòng)范圍變?nèi)跚夜艿拦艿仉娢回?fù)向波動(dòng)完全消除，管道保護(hù)電位(斷電電位)波動(dòng)范圍較小且值均在正常保護(hù)范圍內(nèi)。從圖⑤可以看出，監(jiān)測(cè)到的試片電流全部為正值，說(shuō)明試片的電流全部由土壤流向管道，管道處于有效的保護(hù)狀態(tài)。

參考澳大利亞AS2832.1-2004標(biāo)準(zhǔn)繪制表①，通過(guò)表①統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，強(qiáng)制排流器啟動(dòng)后，管道保護(hù)效果及保護(hù)率完全優(yōu)于未采取強(qiáng)制排流措施，排流點(diǎn)兩側(cè)約20km左右管道處于保護(hù)狀態(tài)，排流效果達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)的目的，實(shí)現(xiàn)了排流效果。