管道的強制電流法陰極保護(hù)主要由外加直流電源和輔助陽極接地床構(gòu)成。基典型系統(tǒng)如圖10-32所示。
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圖10-32 管道的強制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)
1—整流器 2—連接頭 3—陽極電纜 4—交流輸入 5—焦炭　6—輔助陽極 7—參比電極 8—管道 9—接電壓表陰極

一、強制電流保護(hù)的設(shè)備與裝置

　　強制電流保護(hù)的設(shè)備與附屬裝置，如圖10-33所示。它包括直流電源、輔助陽級、絕緣法蘭、測試樁和檢查片。
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圖10-33 管道陰極保護(hù)示意
1—流電源 2—整流器 3—陽極 4—被保護(hù)管線　5—絕緣法蘭 6—測試樁 7—檢查片

　　(一)電源設(shè)備
　　陰極保護(hù)系統(tǒng)中，需要穩(wěn)定的直流電源，能保證長期持久的供電。陰極保護(hù)電源是陰極保護(hù)的重要設(shè)施，低電壓、大電流是其特點。一般情況下應(yīng)優(yōu)先考慮市電，或各類站、場穩(wěn)定可靠的交流電源。當(dāng)使用農(nóng)用電時，必須裝有備用電源或不間斷供電的專門設(shè)備。
　　對于無市電地區(qū)，強制電流陰極保護(hù)電源還可以選擇太陽能電池、高容量蓄電池、無人管理的密閉循環(huán)發(fā)電機組等。這些電源設(shè)備都應(yīng)具備；輸出電壓、電流可調(diào)；可長期連續(xù)供電，可靠性高；壽命長；易于維修保養(yǎng)；對環(huán)境適應(yīng)性強；具有過載、防雷、故障保護(hù)裝置。
　　1.整流器的類型 整流器是一種將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷难b置。它結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝，無轉(zhuǎn)動元件，操作維護(hù)都方便。
　　自然空冷式整流器元件的選擇取決于所需性能及周圍溫度和天氣的影響。目前常用的整流元件特性如表10-52所示。
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　　硒整流器僅允許有相當(dāng)?shù)偷碾娏?，因此所需空間大，仍經(jīng)常在陰極保護(hù)裝置里使用是因為它經(jīng)得住足夠的工作溫度，對過載和過壓不敏感。在交流線路里快速熔斷保險絲和直流輸出端的慢速熔斷絲足以應(yīng)付過載情況。
　　鍺整流元件不能用于陰極保護(hù)，因為它只能制成低功率的二極管。有時，將二極管裝在雜散電流導(dǎo)體上以切斷反向電流，但很明顯，在過載時易在兩個方向上導(dǎo)通。
　　硅整流元件是陰極保護(hù)整流設(shè)備中最常用的。它具有很高的電流容量和整流電壓，所需空間很小?，F(xiàn)行的硅二極管均為封閉式的，因此不受外界氣候的影響。但是，硅二極管對超壓和過載很敏感，應(yīng)在變壓器和整流元件之間串入特快熔斷器，并在輸出端提供過載保護(hù)。在正常的氣候條件下和低環(huán)境溫度下，硅整器和低效率的硒整流器一樣經(jīng)濟(jì)。
　　2.恒電流式整流器 雜散電流保護(hù)用整流器為磁飽和電抗器或可控硅整流器，電流排放時不受外部電阻或反向電壓的支配。帶有限流或濾波的整流器有一個增大的內(nèi)部阻抗，像一個恒電流穩(wěn)流器。這種整流器特別適用于強制排除覆蓋層相當(dāng)差的管線的雜散電流，這種管線的管一地電位通常與排出的電流成比例。安裝恒電流保護(hù)裝置時，管—地電位即使出現(xiàn)相當(dāng)小的波動，也應(yīng)予以考慮。
　　恒電流控制的整流器有時用于敷設(shè)在正向電車軌道下面的管道的陰極保護(hù)。一般應(yīng)當(dāng)將雜散電流朝自然流向排流，即最后在鐵軌交叉點的兩邊若干千米遠(yuǎn)處實現(xiàn)強制電流陰極保護(hù)。
　　3.恒是位式整流器 管一地電位，特別是良好覆蓋層管線的管一地電位，在下流電電氣鐵道影響范圍內(nèi)經(jīng)常波動很大。因此，非可控保護(hù)裝置的平均管一地電位，必須大幅度減少，以便雜散電流高時維持一個適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電位。過負(fù)的管一地電全不僅增加電功損耗，而且還對其他管線產(chǎn)生不利影響。電化學(xué)試驗長期使用恒電位法來保持電極電位的恒定。同樣，能夠用磁放大器或控制整流器的閘流管來控制管線和參比電極之間的電俠。用專門設(shè)計的參比電極作為埋地裝置的控制電極。例如自然電位比較穩(wěn)定的金屬鐵、銅、鋅或鎂。如果可能，控制電極應(yīng)安裝于管一地電位最不利的地方(如鐵路交叉點)，并靠近管道，以便在測量結(jié)果中包括的土壤電位降最小。
　　圖10-34是磁放大恒電位控制器的基本電路。整流器中的電壓表是用以調(diào)整管線給定電位的。實際測得的管一地電位的電壓與這個參比電壓相比得一電壓差，此電壓差通過磁飽和電抗器控制整流器變壓器的輸出。如果管一地電位從參比值向正向偏移，則保護(hù)電流增加；若向負(fù)向偏移，則保護(hù)電流減少。幾個并聯(lián)運行的裝置的響應(yīng)時間必須可調(diào)，以避免感應(yīng)振蕩。當(dāng)管一地電位恒定時，在鐵軌電位極負(fù)時則經(jīng)常產(chǎn)生很高的電流峰值。因此，控制裝置的整流板通常要做成能通過相當(dāng)于變壓器電流兩倍的電流。
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圖10-34 可控電位整流器的排流方框圖
1—交流電源 2—磁飽和輸入 3—參與電極　4—磁飽和輸出 5—整流輸出 6—軌道或陽極 7—管道

　　 4．可控硅恒電位儀 陰極保護(hù)過程中。金屬管道的一地是位往往因各種因素而變化。如供電電網(wǎng)的電壓波動、氣候的變化、管道防腐層的老化變質(zhì)、雜散電流的干擾、土壤含水量的變化等，均可使管道的電位發(fā)生波動。
　　為維持管道電位永遠(yuǎn)處于一最佳的電位范圍內(nèi)，就需經(jīng)常調(diào)節(jié)供電電源的電位與輸出電流，使管道電位恒定在一規(guī)定的范圍內(nèi)。這就需要采用恒電位儀自動控制。
　　恒電位儀可在無人值守的情況下自動調(diào)節(jié)電流和電壓，使管道陰極保護(hù)通電點電位恒定在控制電位內(nèi)，達(dá)到最佳保護(hù)效果。
　　(1)原理可控硅恒電位儀利用可控硅整流器作電源，自動改變電解中被控制對象的電流密度，使其處于某一最佳控制電位。其基本原理如圖10-35所示。
圖10-35 恒電位儀的方框原理
1—參比電極 2—研究電極 3—輔助電極
　　當(dāng)外界條件(介質(zhì)成分、溫度、濕度等)發(fā)生變化時，引起研究電極電位的偏移(即管道的電位)，此偏移可由參比電極取值經(jīng)與控制基準(zhǔn)電位在比較器比較，輸出一個不平衡信號給放大器，經(jīng)放大后輸入調(diào)整器，調(diào)節(jié)極化電流的大小，從而使研究電極恢復(fù)到所控制的電位值，做到電位恒定。
　　恒電位儀在室內(nèi)工作，目前我國在長輸管道上已實現(xiàn)微機管理。全部做到自動化。
　　(2)恒電位儀的性能指標(biāo)
　　給定是位連續(xù)可調(diào)：-0．5V～一2．0V。
　　電位控制精度：≤±20mV。
　　絕緣電阻(電源進(jìn)線對地)：>100MΩ。
　　輸入阻抗：≥1MΩ。
　　抗交流干擾能力：≥12V。
　　耐電壓：≥750V(電源線對機殼)。
　　負(fù)載波紋系數(shù)：單相≤5％；
　　　　　　　　　三相≤8％。
　　(3)恒電位儀性能 目前，在長輸管道中所使用的KSW-D微機管理恒電位儀性能。它能滿足上述恒電位儀基本性能要求。
　　微機管理部分有百年日歷、時鐘、定時和間隔打印，正常保護(hù)打印，故障打印，恒電位儀關(guān)機打印和自動切換備用機等。
　　打印內(nèi)容有時期、時間、輸出電壓U₀、輸出電流I₀、控制電位C、保護(hù)電位φ、正常時間累計∑、故障時間累計∑_E、故障標(biāo)志E_ERR和機名。
　　(二)其他形式電源
　　在交流電缺乏的邊遠(yuǎn)地區(qū)，可利用的電源種類很多，如風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池、閉路循環(huán)蒸汽渦輪機、熱電發(fā)生器、蓄電池等，它們統(tǒng)稱為第二電源。其中，太陽能電池和閉路循環(huán)蒸汽渦輪機可靠性較好，壽命均可達(dá)20年以上，費用也很經(jīng)濟(jì)。
　　1.硅太陽能電池 太陽能電池是利用半導(dǎo)體器件的光電轉(zhuǎn)換原理，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置。可以產(chǎn)生太陽能電池的半導(dǎo)體的材料有單晶硅、硫化鎘、砷化鎵等，其中，硅薄膜電池的工藝較為成熟。
　　地面陰極保護(hù)用的太陽能為P-N型硅太陽能電池。電池在熱平衡狀態(tài)下，當(dāng)光線照射在半導(dǎo)體換能器P-N結(jié)上時，在負(fù)載上就有電流流過，直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率一般為8％～12％，最高可達(dá)15%。太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。本身物質(zhì)不消耗，無污梁，無噪聲、性能可靠，適用溫度范圍寬(-60～120℃)，在國外應(yīng)用較多。
　　硅太陽能電池可串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。常稱為硅太陽能電池方陣。它適用于惡劣環(huán)境，如高溫或低溫、潮濕、鹽霧地區(qū)。其優(yōu)點是重量輕、使用方便、可靠性高，耐沖擊和震動、壽命長，但價格較貴。
圖10-36是硅太陽能電池電源陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)的原理圖。
　　2．直流發(fā)電機組 直流發(fā)電機能提供無脈動的電力，其輸出電壓可精確調(diào)節(jié)和控制。其低電壓、大電流的輸出特性更適合于作陰極保護(hù)用電源。
　　3．熱電發(fā)生器 熱電發(fā)生器原理與一般熱電偶相同。它是利用兩種不同金屬在連接點上加熱，產(chǎn)生溫差電勢、輸出電流的電源裝置。提高連接點一側(cè)的溫差材料的溫度，另一端由于散熱片的作用，溫度低，這就存在著溫差電勢，接上負(fù)載后就有電流輸出。
　　常用的溫差半導(dǎo)體材料有碲化鉛等。實際使用中，由于用一對溫差材料發(fā)電功率太小，通常使用多對溫差材料并聯(lián)起來。組成大功率的熱電發(fā)生器。
　　熱電發(fā)生器利用油、氣管道本身輸送的介質(zhì)作為燃料，使溫差材料發(fā)電。因而適用于無電或經(jīng)常停電的陰極保護(hù)站。國內(nèi)生產(chǎn)的熱電發(fā)生器功率可達(dá)100W，使用壽命達(dá)2年，但價格較貴。