CC BY
207
УДК 621.232
В.М. Степанов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-54-50, eists@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ), В.Ю.Карницкий, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-54-50, eists@rambler.ru (Россия. Тула, ТулГУ),
КАТОДНЫЕ СТАНЦИИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПОЧВЕННОЙ КОРРОЗИИ
В статье проведен анализ существующих катодных станции для защиты от почвенной коррозии и разработана общая концепция СКЗ, оптимальная с точки зрения эксплуатации.
Ключевые слова: Коррозия, катодная станция.
Какие катодные станции нам нужны?
В настоящее время для защиты подземных магистральных газопроводов от почвенной коррозии выпускается большое количество катодных станций. Производятся они различными заводами. Причем, эти заводы сами себе пишут технические задания на проектирование катодных станций и сами же их и выполняют. Опыт эксплуатирующих организаций при проектировании катодных станций остается невостребованным.
Попытаемся, опираясь на опыт эксплуатирующей организации, все-таки написать что-то подобное техническому заданию на проектирование оптимальной катодной станции. Попытаемся расставить приоритеты: что имеет важное значение, что второстепенно, а что просто не нужно.
На сегодняшний день в России прижились две основные схемы автоматической катодной станции. Первая - тиристорный управляемый выпрямитель, работающий на промышленной частоте 50 Гц. Вторая -инверторный выпрямитель. (Неавтоматические катодные станции типа КСС и им подобные с регулировкой выходных параметров путем переключения отводов на многоотоводном трансформаторе мы в этой статье рассматривать не будем).
Каждая из этих схем имеют свои достоинства и недостатки. Рассмотрим их более подробно.
Тиристорные управляемые выпрямители Схема построения тиристорного выпрямителя весьма проста. Рассмотрим данную схему изображенную на рисунке 1.
Входное напряжение 220 В промышленной частоты 50 Гц поступает через входные цепи на силовой трансформатор. После понижения на нем до 48/96 В оно выпрямляется тиристорным или тиристорно-диодным выпрямителем, управляемым по углу отсечки тиристоров блоком управления, и пройдя выходной L- или LC-фильтр, подается на защищаемое сооружение.
96 В
Рис. 1. Схема тиристорного выпрямителя
Достоинствами данной группы выпрямителей является схемотехническая простота, отсутствие опасных для жизни напряжений в блоке управления и силовом выпрямителе.
С ремонтом данных катодных станций способен справиться персонал со средним образованием (то есть практически любой монтер по защите подземных трубопроводов от коррозии).
Самым главным недостатком таких катодных станций является их огромный вес. Вес отдельных моделей превышает 230 кг. При условии, что на одного монтера при переноске оборудования не должен приходиться вес более 35 кг, то для монтажа данных СКЗ необходима бригада не менее чем из 5-7 человек.
Другой серьезный недостаток данных СКЗ - применение аналоговых схем в блоке управления. Данные схемы требуют настройки при замене деталей. Кроме того, с течением времени их параметры уходят от первоначально заданных.
Хотя в целом данный тип СКЗ показал себя достаточно надежным.
Инверторные выпрямители
Другой разновидностью катодных станций являются инверторные выпрямители схема которых изображена на рисунке 2.
Принцип действия инверторных выпрямителей основан на преобразовании выпрямленного напряжения промышленной сети в переменное напряжение высокой частоты (30-120 кГц) с последующим его понижением на высокочастотном трансформаторе и повторном выпрямлении.
Рис. 2. Схема инверторного выпрямителя
Стабилизация и изменение выходных параметров СКЗ осуществляется за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Достоинствами данных выпрямителей является их малый вес, обусловленный резким снижение размеров трансформаторов и фильтров (пропорционально третьей степени от рабочей частоты) и высокий КПД в режиме максимальных нагрузок.
Однако, и от недостатков данные выпрямители не свободны.
Прежде всего - это наличие практически во всей схеме напряжений, опасных для жизни человека. Кроме того, существуют трудности с созданием выпрямителей большой мощности и обеспечения приемлемого КПД в режиме частичных нагрузок.
Использование параллельно-последовательной работы группы выпрямителей такаже имеет серьезный недостаток. При выходе из строя одного из выпрямителей это влечет за собой выход из строя всех остальных.
Схемотехника данных выпрямителей весьма сложна и требует для своего обслуживания и ремонта высококвалифицированных специалистов, имеющих специальное образование. Помимо этого, схемотехника и принцип работы таких выпрямителей таковы, что при выходе из строя одного элемента выходит из строя большое количество элементов, которые с ним связаны.
Требования к выпрямителям
Как мы уже рассматривали выше, ни один из существующих автоматических выпрямителей полностью не удовлетворяет требованиям эксплуатирующих организаций. Попытаемся их сформулировать.
1. СКЗ должна иметь массо-габаритные параметры, пригодные для её транспортировки и монтажа бригадой из 2-х монтеров. Максимально допустимый вес не должен превышать 100 кг.
2. В блоке управления СКЗ не должно быть напряжений, опасных для жизни человека. Схемотехника блока управления должна быть достаточно простой и позволяющей выполнять его ремонт персоналу со средним образованием.
3. Выпрямитель должен обеспечивать работу в широком диапазоне питающих напряжений (+50/-50% от номинального).
4. При ремонте блока управления с заменой его элементов и компонентов он должен начинать работать сразу без дополнительных настроек, регулировок и подборок элементов.
5. Выпрямитель должен допускать работу от альтернативных источников электрической энергии (ветрогенераторов, солнечных батарей, термогенераторов) для работы в труднодоступных и удаленных местах, где строительство подводящих ЛЭП экономически нецелесообразно.
6. В случае применения микропроцессоров в блоке управления схемотехника их должна быть построена таким образом, чтобы при его самопроизвольной остановке (так называемом «зависании») СКЗ продолжала работать в режиме, установленном монтерами при её ручной регулировке во время обслуживания.
7. В СКЗ должны применяться элементы, имеющие повышенную стойкость к действию атмосферных перенапряжений помимо специальной защиты входных и выходных цепей
Схемотехника выпрямителя
Как видно их вышеприведенных соображений, ни один из существующих выпрямителей не отвечает в полной мере требованиям эксплуатации. Ни диодно-тиристорная, ни инверторная схемы не могут реализовать эти требования в полной мере.
Однако, существует еще и третья схема построения выпрямителя -импульсная. По своей сути она находится посередине между тиристорно-диодной и инверторной схемами и позволяет реализовать все эксплуатационные требования. Отсутствие на рынке таких катодных выпрямителей до последнего времени объяснялось отсутствием мощных регулирующих элементов. Появление несколько лет назад мощных уЫ-модулей позволяет создать такие катодные станции. Структура такой катодной станции изображена на рисунке 3. Конструктивно катодная станция должна состоять из трех модулей, которые компонуются между собой исходя из стоящей задачи.
Основным является модуль №2. Входным для этого модуля является нестабилизированное напряжение постоянного тока, которое может быть получено либо от внешних источников * (ветрогенератор, солнечная батарея, термогенератор и т.п.), либо от модуля №1.
Рис. 3. Схема импульсного выпрямителя
Блок управления IGBT-модуля должен быть построен на цифровых ИС ТТЛШ серий 555 или 1533. Построение блока управления на цифровых ИС позволит упростить его наладку и ремонт по сравнению с аналоговыми схемами. Импульсный ток с выхода ЦЫ-модуля подается на LC-фильтр и затем на защищаемое сооружение.
Модуль №1 устанавливается в случае питания СКЗ от промышленной сети переменного тока с частотой 50 Гц и имеет конструкцию, аналогичную неавтоматической СКЗ.
Разделение СКЗ на несколько модуле позволяет упростить ее транспортировку и монтаж в сложных трассовых условиях.
Модуль № 3 устанавливается в случае необходимости работы СКЗ в автоматическом режиме, режимах телеконтроля и телеуправления. Помимо СКЗ он может быть подключен к диспетчерскому пункту либо через существующие системы линейной телемеханики, либо через GPRS-модем.
Заключение
В приведенной статье авторы привели общую концепцию СКЗ, оптимальной с точки зрения эксплуатации. Нами сознательно не рассматривался более подробно цифровой блок управления, микропроцессорный блок и блок телеконтроля-телерегулирования.
