大功率雙向強制排流電源設備的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種大功率雙向強制排流電源設備。
【背景技術】
[0002]高壓直流輸電系統采用單極-大地運行方式時，直流接地極處有高達幾千安培的電流入地。如此大的電流，可能會對幾十公里甚至上百公里范圍內的埋地油氣管道及站內設備產生干擾:影響陰極保護系統的正常運行；會在埋地管道上形成流入、流出的雜散電流，在流出部位很短時間內即可發生管道的腐蝕穿孔；在流入部位會大大增加管道的過保護風險，引發防腐層剝離、管材氫脆及氫損傷等安全問題。
[0003]為避免直流干擾對管道產生腐蝕，抑制管道受到直流輸電系統單極大地回流而產生的短時大電流沖擊，需對管道大范圍的電位偏移進行強制糾偏，確保強直流干擾狀態下陰極保護電源設備的正常運行，需使用大功率的雙向強制排流電源設備(以下簡稱“排流電源設備”)。
[0004]目前油氣管道常用的陰極保護恒電位儀，是一種自動控制的整流器，其輸出量可以調節，由閉環系統來穩定通電點通電電位的直流供電設備。它主要適用于構筑物/電解質的電位經常波動的地方。恒電位儀的工作原理，是用參比電極來采集一個標準的構筑物/電解質的電位訊號源，將采集到的訊號送進比較放大器，通過比較放大后，調整主回路的輸出電流，維持一個恒定的電位。
[0005]如果將現有的陰極保護恒電位儀用于抑制管道受到直流輸電系統單極大地回流而產生的短時大電流沖擊，對管道大范圍的電位偏移進行強制糾偏，將存在如下不足:
[0006]1、單臺設備功率太小。有案例表明，直流輸電系統單極大地回流可產生3000A的入地電流，管道上可產生約高達+200V的電位。常規恒電位儀功率通常在1000W(20A/50V)以內，強干擾區內的管道沿線需布設數十臺、甚至上百臺的恒電位儀方能實現強制糾偏，這在工程上難以實施。
[0007]2、恒電位控制范圍受限。當碳鋼和低合金鋼陰極保護采用Cu-CuS04參比電極時，常規恒電位儀的恒電位控制范圍為0?-3V。一旦管道受到雜散電流干擾而產生的電位超過此范圍，常規恒電位儀將自動轉換成恒電流工作方式，難以實現正常穩定的保護。
[0008]3、不具備待命監測與自動觸發啟動功能。直流輸電系統單極大地回流運行具有發生及持續時間不確定、短時強電流等特點，大部分時間下管道無雜散電流干擾。這就需要陰極保護電源設備長期處于待命監測狀態，一旦發生大電流干擾可以自動觸發啟動。常規恒電位儀不具備該項功能。
[0009]4、設備抗干擾能力不足。常規恒電位儀具有抗交流50Hz、30V工頻持續干擾功能，參比線、零位線之間瞬間能承受4J、1500V過電壓。直流輸電系統發生單極大地回流的持續時間可達數小時，管道上可產生約高達+200V的電位。常規恒電位儀在這種工況下明顯存在抗雜散電流干擾能力不足的問題。
[0010]5、不具備極性轉換能力。直流輸電系統發生單極大地回流時，入地電流的極性是隨機的，既可能是正極入地，也可能是負極入地。因此，如果要對管道電位偏移進行強制糾偏，陰極保護電源設備輸出電流極性應根據干擾源的極性進行轉換。常規恒電位儀的恒電位極性為負，不具備極性轉換能力。
[0011]為解決常規陰極保護恒電位儀的上述不足，特研發大功率雙向強制排流電源設備，用于實現直流輸電系統單極大地回流干擾影響區內的管道陰極保護電位強制糾偏。
【發明內容】
[0012]為了克服現有技術的缺點，本發明提供了一種大功率雙向強制排流電源設備。
[0013]本發明所采用的技術方案是:一種大功率雙向強制排流電源設備，包括MCU單片機和分別與MCU單片機相連的小電流輸出單兀、正極性輸出觸發單兀、負極性輸出觸發單元、數據采集隔離變換模塊、對外通訊接口、鍵盤及操作開關、液晶顯示器及聲光報警裝置；所述正極性輸出觸發單元和負極性輸出觸發單元分別與整流電路的恒電位變流器連接；所述小電流輸出單元與整流電路的切換電路連接；所述數據采集隔離變換模塊與整流電路的防雷抗直流干擾單元連接。
[0014]與現有技術相比，本發明的積極效果是:
[0015]1、排流電源設備功率大幅提高。常規的陰極保護用恒電位儀功率通常在1000ff(20A/50V)以內。本發明創造提出的排流電源設備通過使用可控硅整流電路，采用可控硅整流恒電位變流器作為功率輸出器件，變壓器采用油冷卻方式，實現了最大功率20kW的穩定輸出。同時，結合防護等級的提升，滿足了戶外安裝使用的要求。
[0016]針對直流輸電系統單極大地回流而產生的短時大電流沖擊，排流電源設備可對管道大范圍的電位偏移進行強制糾偏，從而確保強直流干擾狀態下陰極保護系統正常運行。
[0017]2、恒電位控制范圍大幅擴大。常規恒電位儀的恒電位控制范圍為0?-3V，一旦管道受到雜散電流干擾而產生的電位超過此范圍，將自動轉換成恒電流工作方式或故障停機。本發明創造提出的排流電源設備通過使用可控硅整流電路，將輸出電壓范圍擴大至-200V?+200V，并能連續調節。
[0018]3、具備待命監測與自動觸發啟動功能。直流輸電系統單極大地回流運行是小概率事件，大部分時間下管道無雜散電流干擾，正常陰極保護所需的電流量僅在數安培的范圍內。本發明創造提出的排流電源設備設置了可控硅整流和小電流輸出兩套輸出單元。正常情況下，電源設備運行小電流輸出單元，單片機芯片設計的數據采集電路將對管/地電位進行檢測。當管道受到強直流干擾，排流電源設備多個采樣控制點的管/地電位算數平均值正于-0.85V或負于-1.5V時，通過單片機芯片自動切換到可控硅整流輸出單元運行模式，進行大電流輸出。
[0019]4、輸出電壓的極性可隨管地電位的極性而自動轉換。常規恒電位儀的恒電位控制范圍為0?-3V，輸出電壓的極性恒定為負。直流輸電系統發生單極大地回流時，入地電流的極性是隨機的。因此，如果要對管道電位偏移進行強制糾偏，排流電源設備輸出電流極性應根據干擾源的極性進行轉換。本發明創造提出的排流電源設備采用橋式整流電路拓撲結構，可根據實際輸出電壓極性的需要，通過采用單片機芯片進行智能處理，自動切換可控硅器件的觸發信號，來實現輸出電壓的極性改變。
[0020]5、具備智能化功能。常規恒電位儀多為機械式，不能實現智能化管理操作。本發明創造提出的排流電源設備采用單片機(MCU)技術，利用在線式實時控制計算機，實現輸出電壓極性轉換、管/地電位待命監測和自動觸發啟動、數據采集、遠程控制等功能。具有操作人性化、程控能力強、性能可靠、易于拓展等優點。
[0021]6、抗干擾能力強。相對于常規恒電位儀，本發明創造提出的排流電源設備進出線纜均進行了防雷擊過電壓保護，設置了對應規格的電源電涌保護器。防止強電沖擊狀態下排流電源設備的意外損壞。
【附圖說明】
[0022]本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0023]圖1為排流電源設備原理方框圖；
[0024]圖2為橋式整流電路拓撲結構示意圖；
[0025]圖3為交流輸入端電涌保護器安裝示意圖；
[0026]圖4為直流輸出端電涌保護器安裝示意圖。
【具體實施方式】
[0027]—種大功率的雙向強制排流電源設備，如圖1所示。主體包括:智能控制、信息交換和整流電路三部分，輔助部分包括鍵盤及操作開關、液晶顯示器及聲光報警。
[0028]智能控制部分的核心是MCU單片機(Micro Controller Unit)，還包括小電流輸出單元、正極性輸出觸發單元、負極性輸出觸發單元三個單元。MCU單片機接收信息交換裝置的電子信號，對應地對小電流輸出單兀、正極性輸出觸發單兀、負極性輸出觸發單兀三個單元發出指令，進而實現對整流電路的元件的控制。
[0029]信息交換部分包括數據采集隔離變換模塊、對外通訊接口。直流電壓隔離變送器模塊對通過參比電極和電壓表采集的直流電壓信號按比例轉換成與輸入信號隔離的標準輸出信號，作為MCU單片機的重要基礎信息。同時，對外通訊接口可將MCU單片機記錄的排流電源設備狀態數據實時對外傳輸。
[0030]整流電路部分的核心是恒電位變流器，還包括防雷單元、切換電路、防雷抗直流干擾單元三個單元。排流電源設備采用可控硅整流恒電位變流器作為功率輸出器件。交流電源輸入側、直流輸出側均附加了防雷單元，確保設備的抗強電沖擊性能。正極性輸出觸發單元和負極性輸出觸發單元分別與恒電位變流器連接，MCU單片機可根據采集的不同電位信號，及時對正/負極性輸出觸發單元發出指令，控制恒電位變流器的輸出極性。小電流輸出單元與切換電路連接，當需要設備小功率輸出時，MCU單片機對小電流輸出單元發出指令，控制切換電路。
[0031]主要部件的性能包括:
[0032]1、MCU 單片機。
[0033]單片機是將CPU、RAM、R0M、定時數器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的在線式實時控制計算機。單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點。可實現輸出電壓極性轉換，管地電位待命監測和自動觸發啟動，數據采集，遠程控制等功能，采用單片機既保證了諸多功能的實現，又提高了設備的可靠性。
[0034]可采用8位單片機，工作頻率0?20MHz，具備3個定時器，要求對于電位信號的采集頻率達到2次/s以上。同時，單片機的穩定性、抗干擾性等參數應滿足系統長期運行的需要。
[0035]系統采用低功耗設計，單片機具有基于中斷操作的睡眠模式，具有待命監測(監測管/地電位)和自動觸發啟動功能。當通過3處采樣控制點采集到的管/地電位算數平均值處于預設的規定值(-0.85V?-1.5V)范圍內時，排流電源設備進入睡眠模式，啟用小電流輸出單元。當管道受到強直流干擾，并通過3處采樣控制點采集到的管/地電位