凌雷科技固态去耦合器应用

固态去耦合器的应用

一、引言

能源、电力与交通工业的迅猛发展，导致越来越多的高压输电线路、电气化铁路与管道交叉或者平行。许多地区管道与电气化线路共用同一公共走廊，致使管道因电磁感应耦合、静电耦合或者电阻耦合等因素而受剑交流干扰。

我国在交流干扰评价控制方面技术相对较弱，石油行业标准SY/T0032交流干扰标准，对应弱碱性、中性、和酸性土壤环境给出了10V/8V/6V的交流电压排流指标。但该标准仅仅适应于石油沥青涂层，在高绝缘涂层如3PE条件下已存在问题。国外油气管道交流干扰的研究发展快速，颁布了较多减缓交流电的标准。

二、交流干扰的危害

交流输电线路对输油输气管道的电磁影响主要涉及对人身安全的影响、对输油输气管道及其阴极保护设备安全的影响以及对输油输气管道的交流腐蚀等问题。

1. 对人身安全的影响

输油输气管道．与交流输电线路接近且输电线路正常运行时，线路中工作电流会通过磁耦合长时间在管道上产生纵向感应电动势，使得金属管道的对地电压升高。若该电压较高，可能影响施工、维修或测量人员的正常工作，当交流输电线路发生短路故障时，产生的交流干扰可能危及人身安全。

2. 对管道安全影响

在输油输气管道的金属表面一般都会敷设防腐层，具有较高电阻和较高介电常数，以防止土壤中有害物质腐蚀金属管道。当交流输电线路发生短路故障时，短路电流通过感性耦合和阻性耦合的综合影响在管道上产生较高的对地电压，可能击穿防腐层。

3. 对管道阴极保护设备影响

在输油输气管道上设置阴极保护设备是为避免防腐层漏敷及破损处的金属表面产生腐蚀。交流输电线路正常运行情况下，工作电流通过感性耦合在油气管道上产生电压，可能干扰强制电流阴极保护的恒电位仪和牺牲阳极阴极保护的牺牲阳极的正常工作。

三、管道的交流腐蚀

研究表明，管道的交流腐蚀主要发生在绝缘性能较高的涂层上。铺设在同一环境下的管道，当管道外防腐层选用石油沥青等级别的防腐层时，即便有交流干扰电压的产生，一者是由于其绝缘性能较低，所以干扰电压不会太高，另一方面则由于管道防腐层上所存在的较多的漏点而会使感应的交流电压随时排入地下，因此，管道反而不会产生交流腐蚀。

近几年国外的腐蚀调查报告中与研究文献中，每年都有大量有关交流腐蚀导致管线腐蚀的报道与案例。在国内的管道中，也同样存在交流腐蚀及电磁耦合对管道监测设施．与阴极保护设施带来危害的案例。但是关于交流腐蚀的机理，目前尚未有统一的解释。国外研究表明，交流电流密度是决定交流腐蚀的一个主要因素而不是平常的交流电压。

四、交流干扰判据

最新的国标G B／T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》提出利用交流电压与交流电流密度结合的准则用于判断管道是否存在交流干扰：

当管道上的交流干扰电压不高于4V时，可不采取交流干扰防护措施：高于4V时，应采用交流电流密度进行评估，交流电流密度可按下式计算：

=

式中：

JAC------ 评估的交流电流密度(A/mz)；

V--------交流干扰电压有效值的平均值(v):

ρ--------土壤电阻率(Ω.m)；

d-------破损点直径(m)。

注：1）ρ值应取交流干扰电压测试时，测试点处与管道埋深相同的土壤电阻率实测值。

2) d值按发生交流腐蚀最严重考虑，取0. 0113。

管道受交流干扰的程度可按下表交流干扰程度的判断指标的规定判定。

表1交流干扰程度的判断指标

当交流干扰程度判定为“强”时，应采取交流干扰防护措施；判定为

“中”时，宜采取交流干扰防护措施；判定为“弱”时，可不采取交流干扰防护措施。

五、国内常用的交流排流方式

直接排流是将被干扰管道与排流地床用导线直接连接起来，地床材料为钢材等，地床的接地电阻应小于管道的接地电阻。这种排流法最简单经济，对于无阴极保护的管道可优先采用。而对于有阴极保护的管道，由于保护电流可以通过排流地床流失，不但使阴极保护失效，而且增加了阴极保护设备的输出。

牺牲阳极排流是采用镁、铝、锌等电位较钢铁负的牺牲阳极材料做为地床。这种方法也可以用于有阴极保护的管道，并可向管道提供部分的阴极保护电流。缺点是造价通常很高，需要定期更换；只能在土壤电阻率较低的地区使用；牺牲阳极在强电流作用下会损坏或发生极性反转，损坏的阳极将不能起到有效的屏蔽和排流作用；极性反转的阳极其电位由负变正，会造成管道上的阴极保护电流通过阳极大量流失。另外，在使用牺牲阳极排流后，将无法对管道的断电电位进行测量，影响管道阴极保护效果的评价。

钳位式排流法是在排流回路中串入二极管元件，有正负臂的二极管元件，如图1所示。当交流电压为上正下负时，整流模块ZL1导通，管道对地电压为+0.7V（二极管有0.7V的起始导通电压）；当交流电压为上负下正时，整流模块ZL2导通，管道对地电压为-1.4V，最终结果是管道对地电压的平均值为-0.35V（以上是理论计算结果，实际上由于排放电流的大小不同，最终结果有一定的偏差）。

但是这种排流方式有如下缺点：可能引入杂散电流，在某输气管道的钳位式排流，从接地极流入管道的电流1.6A，这种效应类似于杂散电流在排流点流入管道；其经过二极管后并不是标准的直流，在正半个周期内管道对地为正电位，负半周内管地电位为负，测得-0.35V，也只是一个平均值，其对阴极保护的影响未知。项目组曾在陕京线上发现，在交流电经过二极管后，虽然直流电位也负向偏移，但与管道连接的试片仍发生严重的腐蚀；对接地极要求严格，一般情况下，要求接地极与管道同材质。这种情况在排流初步阶段可能达到要求，随着时间的推移，接地极必然发生腐蚀与消耗，其腐蚀电位必然也发生变化，进而影响管道的阴极保护电位。

去耦合器与缓解地床结合的排流方式，是在地床与管道之间串联一个能起到“阻直通交”作用的去耦合器。该去耦合器可以导通稳态交流干扰电流，缓解电磁感应导致的交流干扰问题；还可对管道进行雷击浪涌、故障电流的保护。由于去耦合器在一定阀值范围内可以实现“阻直通交”，所以阻止了阴极保护电流通过缓解地床而流失，在

实现交流干扰缓解的同时，避免了对管道阴极保护效果的影响。此外，由于去耦合器具有“阻直通交”的功能，所以缓解地床的选择范围更广，可以选用接地效果更好、更耐腐蚀的铜作为接地材料。

六、 固态去耦合器简介

用于管道最早的具有“阻直通交”功能的产品是液态极化电池，该产品将镍板浸泡在KOH溶液里实现该功能。此后半导体技术的发展推动了阴极保护绝缘产品的进步，半导体固态去耦合器产品目前是市场主流产品。该类型产品与早期的液态极化电池相比具有免维护、抗雷电冲击能力更强等优点，在埋地管道交流干扰防护方而得到广泛应用。

固态去耦合器通过二极管或者晶闸管实现直流电流的阻断功能。当固态去耦合器两个端子之间的电压低于某导通阀值时，固态去耦合器处于直流不导通状态；当电压超过该阀值时，即自动切换到直流短路模式。当电压低于阀值电压时，允许交流电流通过而不允许直流电流通过。目前常见的阻断阀值为-2 V／+2 V和-3 V/+1V，也可根据实际情况进行设定。上述两种阻断阀值可满足大多数的应用工况。

1. 固态去耦合器的特点

可有效减缓交流杂散电流干扰，在阴极保护的电位范围内，不会流失阴极保护电流或者引入杂散电流；

固态去耦合器排流方式对接地材料的要求较低，只要接地电阻满足相关要求，即可有效排流。

固态去耦合器具有较好的抗雷电与故障电流冲击性能。去耦合器

能对设备进行交流故障、雷电和开关暂态过程的过电压保护，可用于绝缘接头两侧代替极化电池。

2. 固态去耦合器外形尺寸图

3. 性能参数

4. 技术规格

5. 固态去耦合器优点比较

5.1 LSD-50/200型固态去耦合器内部采用进口晶闸管元件并带有触发和赋值单元，可根据用户的需求来改变阀值电压，具有精度高、切换速度快、排流值大的特点。相比较国内一些厂商，内部均采用二极管的串并联来作为排流单元，二极管由于材料和工艺的限制，它的导通电压往往是一个额定值（大约0.4V—0.7V），因此通过串并联得到的阀值电压只会是导通电压的倍数，精确度不高，同时串并联结构的极性切换速度也比较慢，这样就造成排流不连续的状况，对管道的排流效果大大减弱。

5.2 LSD-50/200型固态去耦合器内部采用二级防雷结构，由压敏型和间隙型电涌保护器配合使用，使得雷电通流容量大

（在10/350us波形下可达50kA），故障电流大（最大可达9000A AC/30周波），残压低，泄漏电流小的特点，即保证了管道的安全运行，又保护了固态去耦合器的正常工作。相比较国内一些厂商，内部只做一级防雷，通流容量远远达不到50kA（10/350us），并且故障电流也到达不到CDP-S-PC-AC-007-2009/B规范中所要求的3500A AC/30周波，对管道的防雷及故障电流保护效果欠佳。

6. 安装方式

七、 固态去耦合器排流效果检测实例

1. 固态去耦合器安装概况

管道储运分公司所辖某原油输送管道某管段与500 kV架空高压交流输电线平行敷设约18 km。高压线塔接地与管道距离较近（5 m左右），交流输电线路对管线造成较大的交流干扰。在未实施排流缓解措施前，管道测试桩测量最大交流电压达到47. 65 V，不仅对操作人员人身安全带来威胁，而且存在巨大的管道交流腐蚀风险。 该段管道采用固态去耦合器十地床相结合的方案进行交流干扰缓解，共对8处测试桩进行交流干扰缓解施工。固态去耦合器直流阻断阀值为-2 V/+2 V，直流泄漏电流≤1 mA。地床采用裸钢管与镀锌扁铁结合的方式。

2. 交流干扰缓解效果检测

本次对管道与交流输电线路平行的1—15导测试桩缓解施工前／后的交流干扰电压进行测试，结果 见表2：

表2 管道交流干扰测试结果

以上测试结果可以看出，排流缓解前管道的最高交流电压能达到47. 65 V，其中有6处的交流干扰电压高于15 V。在1～8号测试桩进行排流缓解施工后，管道交流电压均有明显下降，排流缓解后管道最高的交流电压只有7.9 V，表明交流排流缓解措施有明显的缓解效果。 八、结束语

陕西凌雷电气有限公司固态去耦合器可以有效的对管道感应的交流电压进行缓解，降低人员触电以及交流腐蚀风险，接地排流与固态去耦合器结合，可实现“阻直通交”功能，即实现了交流干扰的缓解排流，又不会对阴极保护系统运行带来负面影响。

陕西凌雷电气有限公司 联系电话：029-87940771