四种交流排流器服役性能对比

李夏喜,杜艳霞,邢琳琳,唐德志,王一君,段 蔚,姜子涛

(1. 北京市燃气集团责任有限公司，北京 100011; 2. 北京科技大学，北京 100083;3. 安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 100083)

四种交流排流器服役性能对比

李夏喜1,杜艳霞2,邢琳琳1,唐德志2,王一君1,段 蔚1,姜子涛3

(1. 北京市燃气集团责任有限公司，北京 100011; 2. 北京科技大学，北京 100083;3. 安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 100083)

利用实验室测试和现场测试相结合的方法对比研究了国内外四种交流排流器的服役性能。通过实验室直流伏安特性测试和交流伏安特性测试，分别获得了四种交流排流器的直流阀值电压、直流漏流量以及交流阻抗，并利用现场测试对该结果进行了验证。通过现场测试获得了四种交流排流器对管道阴极保护电位和阳极地床交流缓解效果的影响规律和作用机制。

交流排流器；服役性能；阴极保护；交流缓解

随着我国石油管道、交流电气化铁路以及交流高压输电线路的大规模建设，越来越多的埋地金属管道与交流输电线(或者交流电气化铁路)邻近铺设，管道遭受的交流干扰也越来越严重[1-5]。交流干扰不但会威胁管道工作人员的人身安全，还会造成管道附件(如管道绝缘接头、去极化装置、阴极保护装置等)发生损坏。此外，交流干扰还会引起管道发生交流腐蚀，致使管道腐蚀穿孔、泄漏[6-8]。因此，埋地金属管道的交流缓解受到越来越多的关注。

目前国内外常用的交流缓解方法是在遭受干扰的管道上合理安装一些排流地床，如缓解锌带地床、深井阳极地床、接地网以及分布式阳极地床等[9-10]。然而，缓解地床在缓解管道交流干扰的同时也会引入一些直流杂散电流，或者会减少流入管道的阴极保护电流，从而影响管道的阴极保护电位。为了解决该问题，人们常常在交流缓解地床和管道之间安装一个交流排流器。交流排流器是一个阻直通交的装置。目前国内外常用的交流排流器主要有钳位式交流排流器和固态去耦合器两种。其中,固态去耦合器分为二极管+电容+浪涌保护器型和可控硅+电容型+浪涌保护器型两种。对于不同的交流排流器，它们阻直流通交流的性能也各不相同，从而会对交流排流地床的缓解效果和管道的阴极保护电位造成不同的影响。

为了弄清不同类型交流排流器对交流排流地床排流效果和管道阴极保护电位的影响规律和作用机制，本工作选用了四种目前国内外常用的交流排流器:钳位式交流排流器(1号)、二极管+电容型+浪涌保护器型交流排流器(2号)、可控硅+电容型+浪涌保护器交流排流器(进口,3号)和可控硅+电容型+浪涌保护型交流排流器(国产,4号)。利用实验室测试和现场测试相结合的方法对四种排流器的服役性能进行了研究，以期为交流排流器的合理选择提供借鉴。

1 实验室测试

1.1 实验室试验

1.1.1 直流伏安特性测试

采用图1所示的试验电路进行四种交流排流器的直流伏安特性测试。测试回路由直流电源、测试电阻(10 Ω，200 W)以及待测交流排流器组成。其中,直流电源可为回路提供0～30 A直流电流，通过交流排流器的直流电流由电阻(R)两端的直流电压除以电阻值(10 Ω)获得，交流排流器两端的直流电压降直接由万用表测得，从而获得交流排流器的直流伏安特性。

图1 实验室测试电路示意图Fig. 1 Experimental setup

1.1.2 交流伏安特性测试

交流排流器的交流伏安特性测试电路与直流伏安特性测试电路类似，由交流电源、测试电阻R(10 Ω，200 W)和待测交流排流器组成。其中交流电源可以为回路提供频率为50 Hz的交流电流，回路中的交流电流由电阻(R)两端的交流电压除以电阻值(10 Ω)获得，通过测量交流排流器两端的交流电压，可以获得其交流伏安特性曲线。

1.2 实验室测试结果与分析

由图2可见,四种交流排流器的直流伏安特性各不相同。四种交流排流器的直流电压阀值和直流漏流量见表1。由表1可见，1号交流排流器的直流漏流量较大，最大直流漏流量达63 mA，其他三种交流排流器的直流漏流量相对较小。

由图3可见,1号交流排流器的交流伏安特性与其他三种排流器的明显不同。1号排流器两端的交流电压随着交流电流的增大先急剧增大，之后增大速率明显减缓，而其他三种交流排流器两端的交流电压随交流电流的增大呈现出线性增大的趋势，且增大速率非常小。由表2可见，2号、3号以及4号交流排流器的交流阻抗较小，而1号交流排流器的交流阻抗不是一个定值，会随着交流电流的增大而急剧减小，最小值为13 mΩ。

图2 四种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 四种交流排流器直流阀值电压和直流漏流量Tab. 1 The obtained DC threshold voltage and DC leakage of the four DC decouplers

图3 四种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 四种交流排流器的交流阻抗Tab. 2 AC impedance of the 4 DC decouplers

2 现场测试

2.1 现场试验

2.1.1 缓解前管道交流干扰及阴极保护水平测试

断开交流缓解地床，并在测试点位置埋设一个1 cm2的极化探头，让其充分极化24 h以上。之后采用Cu/CuSO4参比电极(CSE)和一台uDL-1型记录仪连续监测管道的交流干扰电压和通/断电电位。管道的交流电流密度则用另一台uDL-1型记录仪连续监测串联电阻(10 Ω)两端的交电压并除以电阻值和探头工作面积(1 cm2)获得。

2.1.2 缓解后未接通交流排流器时管道交流干扰及阴极保护水平测试

接通交流缓解地床，但不接通交流排流器，采用CSE参比电极和一台uDL-1型记录仪连续监测管道的交流干扰电压和通/断电电位;管道的交流电流密度按照2.1.1节所述方法测试获得;交流排流器的交流排流量和直流泄流量用第三台UDL-1型记录仪连续监测串联电阻(1 Ω)两端的交/直流电压并除以电阻值获得。

2.1.3 接通交流排流器后管道交流干扰水平、阴极保护水平及排流器性能测试

接通其中一台交流排流器，采用CSE和一台uDL-1型记录仪连续监测管道的交流干扰电压和通/断电电位；管道的交流电流密度同样按照2.1.1节所述方法测试获得;交流排流器的交流排流量和直流漏流量按照2.1.2节所述方法测试获得;交流排流器的交流阻抗由第四台uDL-1型记录仪连续监测排流器两端的交流电压并除以排流器的交流排流量所得。重复该步骤，完成其他三台交流排流器的性能测试。

2.2 现场测试结果与讨论

2.2.1 四种交流排流器的交流阻抗

由图4可见,在现场的交流排流量条件下，1号交流排流器的交流阻抗较大，2号、3号和4号交流排流器的交流阻抗较小，这与实验室交流伏安特性测试结果非常相近。

2.2.2 交流排流器对地床交流的缓解效果

由图5可见，在接通交流排流器前，地床的交流排流量约为1.4 A;接通交流排流器后，地床的交流排流量发生了不同的变化。当接通1号交流排流器时，地床的交流排流量明显下降，降低了约为1.15 A，这是因为1号交流排流器的交流阻抗较大。其他三种交流排流器对地床的交流排流量基本无影响，这是因为2号、3号和4号交流排流的交流阻抗非常小，见图4。

由图6可见,缓解前管道的交流干扰电压约为10 V，缓解后但不接通交流排流器时，管道的交流干扰电压降低至8 V。接通1号交流排流器后，管道的交流干扰电压约升高至8.5 V，这是因为交流排流器的使用降低了地床的交流排流量；接通其他三种交流排流器后，管道的交流干扰电压无明显变化，这是因为2号、3号和4号交流排流器的交流阻抗非常小，使用2、3、4号交流排流器对地床的交流排流量无明显影响，不会影响地床的交流缓解效果，为此，管道的交流干扰电压也没有明显变化。

(a) 1号

(b) 2号

(c) 3号

(d) 4号图4 四种交流排流器的交流阻抗Fig. 4 AC impedance of 4 DC decouplers

(a) 1号

(b) 2号

(c) 3号

(d) 4号图5 四种交流排流器对地床交流排流量的影响Fig. 5 Effects of 4 DC decouplers on AC mitigation of ground-bed

(a) 1号

(b) 2号

(c) 3号

(d) 4号图6 四种交流排流器对管道交流干扰电压的影响Fig. 6 Effects of 4 DC decouplers on AC voltage of pipeline

由图7可见,缓解前，管道的交流电流密度较高，约为110 A/m2，缓解后未接通交流排流器前，管道的交流电流密度明显降低，约为85 A/m2;接通四种交流排流器后，管道的交流电流密度变化各不相同。接通1号交流排流器时，管道的交流电流密度升高，达到90 A/m2；接通其他三种交流排流器时，管道的交流电流密度无明显变化。

(a) 1号

(b) 2号

(c) 3号

(d) 4号图7 四种交流排流器对管道交流干扰电流密度的影响Fig. 7 Effects of 4 DC decoupler on the induced AC current density of pipeline

综合图5～7可见，由于1号交流排流器的交流阻抗较大，对地床的交流缓解效果有一定的影响，其他三种交流排流的交流阻抗较小，对地床的交流缓解效果基本无影响。

2.2.3 四种交流排流器的直流漏流量

由图8可见,接通交流排流器前地床的直流泄由图9可见,接通1号交流排流器使得管道的通/断电电位发生正向偏移，而接通其他三种交流排流器对管道的通/断电电位无明显影响。这与交流排流器本身的性能有关。

(a) 1号

(b) 2号

(c) 3号

(d) 4号图8 四种交流排流器的直流漏流量Fig. 8 DC leakage of 4 DC decouplers

2.2.4 交流排流器对管道阴极保护电位的影响

现场测得缓排流地床的开路电位为-0.2 V，1号交流排流器的直流阀值电压为±1.8 V，故而，当管道电位比-2 V更负或者比1.6 V更正时，1号交流排流器会导通直流。从图4可知，在目前地床的交流排流量(1.15 A)下，1号交流排流器的交流阻抗为1.74～1.82 mΩ，所以此时排流器两端的交流电压约为2 V。从图9可知，缓解前，管道的通电电位(阴保电位)为-1.25 V。所以1号交流排流器靠近管道端的AC/DC电位为-3.35～0.75 V。但从前面的分析可知，当交流排流器靠近管道端的电位(管道电位)比-2 V更负时，1号交流排流器将会导通直流。故而在目前的条件下，当使用1号交流排流器时，在一个交流电周期内存在一个时间段使得1号交流排流导通直流，如图10中的黑色区域所示。这也可从图8中的1号交流排流器的直流漏流量得到验证。一旦1号交流排流器导通直流，从土壤流入管道的阴保电流将会减少，从而导致管道的通/断电电位发生正向偏移，见图9(a)。

从表1可知，2号交流排流器的直流阀值电压为-3.1～0.1 V，而排流地床的开路电位为-0.2 V，故而当管道电位(即交流排流器靠近管道端的电位)比-3.3 V更负或者比-0.1 V更正(如图11中的虚线所示)时，2号交流排流器会导通直流。从图4可知，现场测得2号交流排流器的交流阻抗为10.6～11.1 mΩ，交流排流量为1.4 A，因此此时2号交流排流器两端的交流电压约为0.02 V。由于管道的阴保电位为-1.25 V，此时2号交流排流器靠近管道端的AC/DC电位为-1.27～-1.23 V，如图11中的实线所示。类似地，只有当交流排流器靠近管道端的电位比-3.3 V更负或者比-0.1 V更正才会导通直流电流。故而，在目前的条件下，2号交流排流器不会导通直流，不会对管道的阴保电位造成影响，见图9。3号和4号交流排流器对管道阴保电位的影响与2号交流排流器的相似。

(a) 1号

(b) 2号

(c) 3号

(d) 4号图9 排流器对管道通/断电电位的影响Fig. 9 Effect of DC decoupler on the ON/OFF potential of pipeline

图10 1号交流排流器对管道阴保电位的影响Fig. 10 Effect of No 1 DC decoupler on cathodic protection potential of pipeline

图11 2号交流排流器对管道阴保电位的影响Fig. 11 Effect of No 2 DC decoupler on cathodic protection potential of pipeline

3 结论

(1) 通过实验室交、直流伏安特性测试可以粗略获得交流排流器的直流电压阀值、直流漏流量和交流阻抗，从而可对交流排流器的服役性能进行预测，故而在后期的交流排流器选型中可以先对其进行实验室测试。

(2) 现场测试表明，1号交流排流器对地床交流排流效果和管道阴极保护电位有较大的影响，其他三种交流排流器的服役性能相似，对地床交流排流效果和管道阴极保护电位无明显影响。

(3) 交流排流器对管道阴极保护电位的影响与管道阴极保护水平、地床开路电位、交流排流器直流阀值电压以及交流排流器两端交流电压降密切相关。

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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

杜艳霞(1980-),副教授,博士,从事燃气管网的防腐技术及工程管理的研究,010-62333972,duyanxia@ustb.edu.cn

TE832

A

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