СТАНЦИЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ

Заявляемая полезная модель относится к устройствам электрохимической (катодной) защиты наружных поверхностей подземных металлических сооружений от электрохимической коррозии, а конкретнее - к станциям катодной защиты с промежуточным преобразованием частоты. Полезная модель может быть использована в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности.
Устройства катодной защиты известны.
Известны, например, автоматические станции катодной защиты серии СКСТ и серии ПАСК-М (Стрижевский И.В., Зиневич A.M., Никольский К.К. и др. «Защита металлических сооружений от подземной коррозии». Справочник. - 2-е изд., М., Недра, 1981 [1]), содержащие силовой трансформатор, тиристорный регулятор, выходной фильтр, измерительный блок и блок управления.
Недостатком указанных станций является большая масса и габариты, низкое значение КПД (68%), высокая шумность.
Известен также аппарат катодной защиты на базе выпрямителя В-ОПЕ-М2 (Руководство по эксплуатации выпрямителя для катодной защиты «ЭНЕРГОМЕРА» В-ОПЕ-М2, производство ОАО «Концерн «Энергомера», г.Ставрополь, 2001 (http://www.energomera.ru/products/ehz) [2]), содержащий силовой трансформатор, тиристорный регулятор, выходной фильтр, измерительный блок и блок управления.
Недостатком указанного аппарата является большая масса и габариты, низкое значение КПД (87% для В-ОПЕ-М2-42-48-У1), высокая шумность.
Частично недостатки указанного выше технического решения устранены в изделии, описанном далее. Это станция катодной защиты на базе преобразователя напряжения с промежуточным преобразованием частоты ПНК3-ППЧ-М10 производства ОАО «Концерн «Энергомера» («Преобразователи напряжения для катодной защиты с промежуточным преобразованием частоты типа «ЭНЕРГОМЕРА» ПНК3-ППЧ-М10, руководство по эксплуатации», г.Ставрополь, 2005, http://www.energomera.ru/products/ehz/v-ope-m10 [3]), содержащая блок сетевого выпрямителя, инвертор (силовой преобразователь) с силовым трансформатором, выходной выпрямитель, выходной фильтр, измерительный блок и блок управления.
Хотя указанное техническое решение и позволило снизить массу и габариты станции (масса ПНК3-ППЧ-М10-42-48-У2 [3] более чем в пять раз меньше массы В-ОПЕ-М2-42-48-У1 [2]), а также повысить КПД, тем не менее масса и габариты, КПД (88% для ПНК3-ППЧ-М10-42-48-У2) и шумность работы (преобразование параметров электрической энергии в ПНК3-ППЧ-М10-42-48-У2 происходит на частоте до 20 килогерц, т.е. в слуховом диапазоне) продолжают оставаться недостатком этого устройства.
Указанная станция катодной защиты производства ОАО «Концерн «Энергомера» [3] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели. Поэтому она принята в качестве прототипа заявляемой полезной модели.
Техническим результатом, достигаемым заявляемой полезной моделью, является снижение массы и габаритов станции, повышение КПД, и снижение уровня шума работы станции, что позволяет устанавливать ее в обслуживаемых помещениях.
Сущность заявляемой полезной модели состоит в том, что станция катодной защиты содержит последовательно соединенные сетевой выпрямитель, силовой преобразователь, выходной высокочастотный трансформатор, первый выходной выпрямитель и первый выходной фильтр. При этом станция также содержит измерительный блок, соединенный с блоком управления станции. При этом станция дополнительно содержит последовательно соединенные второй выходной выпрямитель и второй выходной фильтр. Вход второго выходного выпрямителя соединен со вторым выходом выходного высокочастотного трансформатора, а выход второго выходного фильтра соединен с выходом первого выходного фильтра. При этом блок управления станции и связанный с ним силовой преобразователь выполнены с возможностью формирования на выходе силового преобразователя переменного электрического тока с частотой от ста до двухсот килогерц, а выходные фильтры выполнены с возможностью изменения индуктивных и емкостных составляющих их сопротивления. При этом станция также содержит блок управления выходными фильтрами, выполненный с возможностью изменения указанных параметров фильтра, при этом управляющие выходы блока управления выходными фильтрами соединены с входами управления выходных фильтров, а его вход управления соединен с соответствующим выходом блока управления станции.
Предпочтительно силовой преобразователь выполнять по схеме мостового инвертора на полевых транзисторах, выходные выпрямители выполнять по двухполупериодной схеме со средней точкой, выходные фильтры выполнять по схеме двухзвенного сглаживающего Г-образного LC-фильтра, а сетевой выпрямитель выполнять по мостовой схеме двухполупериодного выпрямления.
Возможно выходной высокочастотный трансформатор выполнять содержащим первичную и две вторичные обмотки, выполненные из медных проводов с высокотемпературной изоляцией, а пространство между витками обмоток заполнять высокотемпературным кремнеполимерным лаком.
Допустимо размещать станцию катодной защиты в стальном защитном корпусе и дополнительно снабжать блоком учета электроэнергии.
Заявляемая полезная модель поясняется следующими графическими материалами.
На фигуре 1 показана схема станции катодной защиты.
На фигуре 2 показана фотография станции катодной защиты в раскрытом стальном защитном корпусе, установленная на подставке.
На фигуре 3 показана фотография станции катодной защиты по примеру 2.
На фигуре 4 показана сравнительная фотография габаритов заявляемой станции катодной защиты (вверху) и аналога [2]
На фигуре 5 показана сравнительная таблица характеристик заявляемой станции катодной защиты и прототипа [3].
Заявляемая станция катодной защиты (фиг.1) содержит сетевой выпрямитель 1, силовой преобразователь 2, выходной высокочастотный трансформатор 3, два одинаковых выходных выпрямителя 4 с соответствующими выходными фильтрами 5, и блок управления 6 выходными фильтрами 5. Станция катодной защиты также содержит измерительный блок 7 и блок управления станции 8.
Сетевой выпрямитель 1 предназначен для предварительного выпрямления однофазного переменного напряжения питающей сети. Выход сетевого выпрямителя соединен с входом силового преобразователя 2.
Силовой преобразователь 2 выполнен по схеме мостового инвертора на полевых транзисторах. Силовой преобразователь 2 предназначен для преобразования электрической энергии постоянного напряжения в электрическую энергию переменного напряжения высокой частоты. Управление транзисторами силового преобразователя 2 осуществляется блоком управления станции 8 через связь 9 управления силовым преобразователем. Существенным признаком
является выполнение силового преобразователя 2 и блока управления станции 8 с возможностью получения на выходе силового преобразователя 2 переменного электрического тока с частотой от 100 до 200 килогерц. Выход силового преобразователя 2 соединен с входом выходного понижающего высокочастотного трансформатора 3.
Выходной высокочастотный трансформатор 3 выполнен с одной первичной и двумя вторичными обмотками (не показано). Вторичные обмотки трансформатора 3 соединены с соответствующими выходными выпрямителями 4, выполненными каждый по двухполупериодной схеме со средней точкой. Выход каждого выпрямителя соединен с силовым входом соответствующего выходного фильтра 5 и соответствующим информационным входом блока управления станции 8.
Каждый выходной фильтр 5 выполнен по схеме двухзвенного сглаживающего Г-образного LC-фильтра. Выходные фильтры 5 выполнены с возможностью изменения индуктивных и емкостных составляющих их сопротивления. Входы управления выходных фильтров 5 соединены с управляющими выходами блока управления 6 выходными фильтрами. Отрицательные выходы выходных фильтров 5 соединены между собой и образуют отрицательный полюс станции катодной защиты, предназначенный для соединения с защищаемым подземным металлическим сооружением (не показано). Положительные выходы выходных фильтров 5 соединены между собой и образуют положительный полюс, предназначенный для соединения с анодным заземлением (не показано). Блок управления 6 выходными фильтрами и блок управления станции 8 связаны друг с другом информационной связью 10 управления фильтрами.
Измерительный вход блока управления станции 8 соединен с выходом измерительного блока 7. Первый вход измерительного блока 7 является измерительным входом поляризационного потенциала. Этот вход предназначен для соединения при эксплуатации станции с защищаемым подземным сооружением или с датчиком поляризационного потенциала (не показаны). Второй вход измерительного блока 7 предназначен для соединения с электродом сравнения (не показан). Третий вход измерительного блока 7 соединен с отрицательными выходами выходных фильтров 5. Четвертый вход измерительного блока 7 соединен с положительными выходами выходных фильтров 5.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Сетевой выпрямитель 1 выполнен по мостовой схеме двухполупериодного выпрямления.
Первичная и вторичные обмотки выходного высокочастотного трансформатора 3 выполнены из медных проводов с высокотемпературной изоляцией (типа ППиУ).
Пространство между витками первичной и вторичных обмоток выходного высокочастотного трансформатора 3 заполнено высокотемпературным кремнеполимерным лаком КП-34.
Пример 2.
В эксплуатационных целях станция катодной защиты размещена в стальном защитном корпусе и дополнительно содержит блок учета электроэнергии.
Реализация конструктивных элементов заявляемой полезной модели не ограничивается приведенными выше примерами.
Заявляемая станция катодной защиты работает следующим образом.
Отрицательный полюс станции катодной защиты соединяют с защищаемым подземным металлическим сооружением, а положительный полюс - с анодным заземлением, размещенным в электролитической среде (грунте). Первый вход (измерительный вход поляризационного потенциала) станции катодной защиты соединяют с защищаемым подземным сооружением (или с датчиком поляризационного потенциала), а второй вход - с электродом сравнения, который размещен в грунте.
Заявляемая станция катодной защиты функционирует в одном из трех режимов работы: в режиме стабилизации заданного значения защитного потенциала, в режиме стабилизации тока или в режиме стабилизации напряжения. Режим работы задают в блоке управления станции с помощью регулятора (не показан).
Однофазное напряжение сети, подведенное к сетевому выпрямителю 1, преобразуется на его выходе в постоянное напряжение. Это постоянное напряжение преобразуется силовым преобразователем 2 совместно с блоком управления станции 8 в переменное напряжение повышенной частоты, значение которой составляет от 100 до 200 килогерц. Полученное переменное напряжение повышенной частоты преобразуется выходным высокочастотным трансформатором 3 во вторичное напряжение повышенной частоты его вторичных обмоток. Вторичное напряжение повышенной частоты выпрямляется двумя выходными выпрямителями 4 и сглаживается выходными фильтрами 5 во взаимодействии с их блоком управления 6 выходными фильтрами. При этом
параметры выходных фильтров 5, а конкретнее, индуктивные и емкостные составляющие их сопротивления, изменяются блоком управления 6 выходными фильтрами в зависимости от режима работы станции. Сигнал, соответствующий режиму работы, поступает в блок управления 6 выходными фильтрами от блока управления станции 8 через информационную связь 10 управления фильтрами. Наличие ЭДС на полюсах станции катодной защиты обуславливает возникновение электрического тока в цепи электрически и электролитически связанных защищаемого сооружения, анодного заземления и силовых цепей станции катодной защиты. При этом стабилизация защитного потенциала, тока или напряжения на выходе станции (в зависимости от режима работы станции) обеспечивается силовым преобразователем 2 совместно с блоком управления станции 8 за счет широтно-импульсной модуляции выходного напряжения силового преобразователя 2.
Катодная защита металлического сооружения производится за счет поддержания защитного потенциала, измеряемого между защищаемым сооружением и электродом сравнения (ЭС). Это измерение выполняется измерительным блоком 7. При этом измерительный блок 7 производит определение разности потенциалов на своих первом и втором входах, определение защитного потенциала на основе этой разности [1, гл.6], и выработку сигнала, соответствующего величине измеренного защитного потенциала, на своем выходе. Этот сигнал поступает в блок управления станции 8, где сравнивается с опорным сигналом, вырабатываемым блоком управления станции 8 и соответствующим заданному значению защитного потенциала. В зависимости от рассогласования этих двух сигналов блок управления станции 8 производит выработку сигнала управления силовым преобразователем 2, в конечном результате стабилизирующего защитный потенциал.
Для стабилизации выходного тока или выходного напряжения станции в зависимости от режима работы в измерительном блоке 7 происходит измерение соответствующего параметра по значению сигналов, поступающих на его третий и четвертый входы. При этом сигнал, соответствующий измеренному значению тока или напряжения на выходе станции, поступает на выход измерительного блока 7, откуда подается в блок управления станции 8. В блоке управления станции 8 этот сигнал сравнивается с опорным сигналом, вырабатываемым блоком 8 и соответствующим заданному значению стабилизируемого тока или напряжения (в зависимости от режима работы). В зависимости от рассогласования этих двух
сигналов блок управления станции 8 производит выработку сигнала управления силовым преобразователем 2, в конечном результате стабилизирующего напряжение или ток на выходе станции.
В заявляемой полезной модели заявляемый технический результат: снижение веса и габаритов устройства, а также увеличение его КПД достигается за счет того, что станция катодной защиты содержит последовательно соединенные сетевой выпрямитель, силовой преобразователь, выходной высокочастотный трансформатор, первый выходной выпрямитель и первый выходной фильтр. При этом станция также содержит измерительный блок, соединенный с блоком управления станции. При этом станция дополнительно содержит последовательно соединенные второй выходной выпрямитель и второй выходной фильтр. Вход второго выходного выпрямителя соединен со вторым выходом выходного высокочастотного трансформатора, а выход второго выходного фильтра соединен с выходом первого выходного фильтра. При этом блок управления станции и связанный с ним силовой преобразователь выполнены с возможностью формирования на выходе силового преобразователя переменного электрического тока с частотой от ста до двухсот килогерц, а выходные фильтры выполнены с возможностью изменения индуктивных и емкостных составляющих их сопротивления. При этом станция также содержит блок управления выходными фильтрами, выполненный с возможностью изменения указанных параметров фильтра, при этом управляющие выходы блока управления выходными фильтрами соединены с входами управления выходных фильтров, а его вход управления соединен с соответствующим выходом блока управления станции.
Технический результат: снижение уровня шума работы станции достигается за счет того, что станция катодной защиты содержит блок управления станции и последовательно соединенные сетевой выпрямитель, силовой преобразователь, выходной высокочастотный трансформатор. При этом блок управления станции и связанный с ним силовой преобразователь выполнены с возможностью формирования на выходе силового преобразователя переменного электрического тока с частотой от ста до двухсот килогерц. Такое техническое решение позволило исключить протекание в электромагнитных элементах заявляемой станции катодной защиты электрического тока с частотой, меньшей верхнего порога слышимости для человеческого уха (20 килогерц), что и приводит к достижению указанного технического результата и позволяет устанавливать станцию в обслуживаемых помещениях.
Станция катодной защиты (модель СК3-И) разработана в ДОАО «ЭЛЕКТРОГАЗ». Разработана конструкторская и эксплуатационная документация. Изготовлена опытная партия, которая прошла приемочные испытания в филиале «Афипэлектрогаз» ДОАО «Элекрогаз» ОАО «Газпром». Испытания подтвердили достижение технического результата и существенных преимуществ по сравнению с используемыми в настоящее время устройствами катодной защиты как отечественного, так и зарубежного производства.
Производство заявляемого устройства катодной защиты возможно на предприятиях электротехнической промышленности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Стрижевский И.В., Зиневич A.M., Никольский К.К. и др. «Защита металлических сооружений от подземной коррозии». Справочник. - 2-е изд., М., Недра, 1981, 293 с.
2. Руководство по эксплуатации выпрямителя для катодной защиты «ЭНЕРГОМЕРА» В-ОПЕ-М2, производство ОАО «Концерн «Энергомера», г.Ставрополь, 2001, (http://www.energomera.ru/products/ehz).
3. «Преобразователи напряжения для катодной защиты с промежуточным преобразованием частоты типа «ЭНЕРГОМЕРА» ПНК3-ППЧ-М10, руководство по эксплуатации», г.Ставрополь, 2005, (http://www.energomera.ru/products/ehz/v-ope-m10).