Устройство для разделения контуров катодной защиты и контуров защитных заземлений и молниезащиты
DEVICE FOR SEPARATION OF CATHODIC PROTECTION CIRCUITS AND PROTECTIVE GROUNDING AND LIGHTNING PROTECTION CIRCUITS

Изобретение относится к области энергосбережения и повышения эффективности электрохимической защиты подземных металлических сооружений от почвенной коррозиии может быть использовано, в частности, в нефтяной и газовой промышленности при эксплуатации резервуаров или подземных трубопроводов, имеющих электрическую связь с электроустановками, подключенными к защитному заземлению и/или заземлениям молниезащиты, например, на территории промышленных площадок насосных и компрессорных станций.
Известно устройство для разделения контуров катодной защиты и контуров защитных заземлений и молниезащиты, выполненное в виде вставки электроизолирующей, электрически разграничивающей надземную и подземную части трубопроводов (ВСН 39-1.22-007-2002 Указания по применению вставок электроизолирующих для газопроводов; патент РФ№2588346, опубл. 27.06.2016).К недостаткам известного устройства относят следующее: высокая стоимость вставки электроизолирующей и ее монтажа, более низкая надежность вставки электроизолирующей по отношению к трубе, вызванная сложностью конструкции и большим количеством элементов, низкая стойкость к декомпрессии, а также возможность применения вставок электроизолирующих только при новом строительстве или при реконструкции эксплуатируемых трубопроводов или резервуаров.
На практике наиболее часто для снижения влияния защитных заземлений на работу катодной защиты применяют покрытия элементов защитных заземлений, выполненные из электроотрицательных металлов (например, алюминий, цинк, магний). Недостатком такого решения является его низкая эффективность, поскольку вследствие ряда причин применяют не чистые металлы, а их сплавы, что позволяет сместить потенциал защитного заземления в отрицательную сторону на величину порядка 0,5-1,0 В, однако в ряде случаев этого недостаточно для обеспечения эффективной катодной защиты подземных сооружений.
Известно устройство для разделения контуров катодной защиты и контуров защитного заземления и молниезащиты, выполненное с применением последовательно и параллельно соединенных варисторов и содержащее теплорассеивающий корпус, взятое нами за прототип (патент РФ №104394, опубл. 10.05.2011). Недостатком устройства является относительно высокое значение напряжения, необходимое для срабатывания варистора, поэтому возможна ситуация, когда на корпусе оборудования (например, резервуара или трубопровода) потенциал относительно грунта будет недостаточным для срабатывания варистора, но опасным для жизни и здоровья персонала, например, 100 В. Кроме этого, недостатком устройства является отсутствие средств индикации, что не позволяет своевременно выявлять неисправность устройства при возникновении разрыва цепи между защищаемым сооружением и защитным заземлением, представляющим опасность для персонала, обслуживающего электроустановки.
Задачей изобретения является создание устройства для разделения контуров катодной защиты и контуров защитных заземлений и молниезащиты, падение напряжения постоянного и переменного тока на котором составляет до 3 Вольт, имеющего систему защиты от перенапряжения и систему индикации, что в целом обеспечивает безопасность и удобство эксплуатации оборудования.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности электрохимической защиты подземных сооружений от коррозии путем использования предлагаемого устройства для разделения контуров катодной защиты и контуров защитных заземлений и молниезащиты, выполненного в виде блока полупроводниковых элементов, блока ограничителей от перенапряжения, срабатывающего при разности потенциалов свыше 1 кВ, при этом устройство содержит блок индикации состояния и режима работы,а в качестве полупроводниковых элементов используются силовые диоды, подключенные встречно-параллельно, количество и тип которых зависит от требуемого падения напряжения на устройстве, обусловленного величиной разности потенциала сооружения и потенциала материала электродов защитного заземления в грунте и близостью расположения защитного заземления к анодному заземлению, а также требуемого падения напряжения на диоде, которое зависит от его типа.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3:
- на фиг. 1 изображен пример схемы блока, состоящего из четырех силовых диодов, представляющего собой две встречно-параллельно подключенные цепочки из соединенных последовательно двух силовых диодов;
- на фиг. 2 изображена структурная схема устройства,
- на фиг. 3 изображена схема, поясняющая работу устройства для разделения контуров катодной защиты и контуров защитных заземлений и молниезащиты, где 1 – катодно-защищаемое сооружение; 2 – электроустановка, подлежащая заземлению; 3 – установка катодной защиты; 4 - устройство для разделения контуров катодной защиты и контуров защитных заземлений и молниезащиты; 5 - защитное заземление; 6 – анодное заземление.
Устройство состоит из трех блоков, выполненных в одном корпусе и параллельно подключенных друг к другу:
- Блок силовых диодов, обеспечивающий требуемое падение напряжения между катодно-защищаемым сооружением (1) и защитным заземлением (5) (порядка 1-3 Вольт), что позволяет минимизировать влияние защитных заземлений на эффективность катодной защиты, снижает расход электроэнергии на катодную защиту, снижает нагрузку на преобразователи станций катодной защиты и износ анодных заземлений. При этом, если на электроустановке (2) появляется напряжение переменного или постоянного тока свыше 1-3 Вольт, ток, протекающий через диоды и через защитное заземление, резко возрастает, что не допускает появления опасного для жизни и здоровья персонала напряжения на катодно-защищаемом сооружении (1).
Диоды включены встречно-параллельно, что, с одной стороны, позволяет пропускать через устройство (4) переменный или пульсирующий ток, а также постоянный ток произвольной полярности, с другой стороны – позволяет изменять падение напряжения на устройстве путем изменения количества включенных последовательно диодов. Количество и тип диодов выбирают в зависимости от требуемого падения напряжения на устройстве и требуемого напряжения на диоде. Требуемое падение напряжения на устройстве обусловлено величиной разности потенциала сооружения и потенциала материала электродов защитного заземления в грунте, а также местоположением защитного заземления относительно анодного заземления и материала защитного заземления. В зависимости от материала защитного заземления и близости его расположения к анодному заземлению выбирают требуемое минимальное падение напряжение на устройстве, которое может быть обусловлено типом и количеством диодов, включенных последовательно.
- Блок варисторов или ограничителей от перенапряжений, срабатывающий при существенной разности потенциалов (свыше 1 кВ), способной повредить диоды блока силовых диодов, например, при ударе молнии.
- Блок индикации, состоящий из двух светодиодных сигнализаторов, позволяющий оценивать состояние и режим работы устройства. Блок индикации устройства может находиться в одном из трех режимов. Режим 1: при падении напряжения постоянного тока, обусловленного током катодной защиты, зажигается первый светодиод. Режим 2: при протекании переменного тока через устройство зажигается второй светодиод, что сигнализирует о нештатной работе электрооборудования. Режим 3: отсутствие свечения обоих светодиодов при работающей станции катодной защиты означает пробой силовых элементов устройства, например, при протекании грозового тока большой силы.
Работа устройства поясняется фиг. 3.
Имеется катодно-защищаемое сооружение (1), электрически соединенное с электроустановкой (2), имеющей защитное заземление (5). При этом защитное заземление (5) расположено на участке грунта (не показано на фиг.3) между катодно-защищаемым сооружением (1) и анодным заземлением (6), что обуславливает натекание катодного тока как на катодно-защищаемое сооружение (1), так и на защитное заземление (5), т.е. проявляется эффект экранирования токов катодной защиты контуром защитного заземления.
Устройство для разделения контуров катодной защиты и контуров защитных заземлений и молниезащиты (4) устанавливают в разомкнутую цепь защитного заземления. Блок силовых диодов обеспечивает требуемое падение напряжения между защищаемым сооружением и контуром защитного заземления (порядка 1-3 Вольт), что позволяет минимизировать влияние защитных заземлений на эффективность катодной защиты, снижает расход электроэнергии на катодную защиту, снижает нагрузку на преобразователи станций катодной защиты и износ анодных заземлений. После подключения устройства определяют, что подключение защитного заземления через устройство не приводит к изменению режимов работы катодной защиты относительно разрыва цепи защитного заземления. В случае, если устройство работает в штатном режиме, т. е. наблюдается падение напряжения постоянного тока, обусловленного током катодной защиты, на блоке индикации устройства загорается первый светодиод.
Пример.
При выполнении пуско-наладочных работ по вводу в действие средств электрохимической защиты трубопроводов компрессорной станции выяснилось, что на трубопроводах не обеспечивается поляризация в соответствии с ГОСТ Р 51164-98 вследствие натекания тока катодной защиты на защитное заземление, выполненное из оцинкованной стали. Защитное заземление расположено между защищаемым трубопроводом и анодным заземлением и равноудалено от них. Преобразователи станции катодной защиты работают с коэффициентом загрузки по мощности порядка 90%, происходит ускоренный износ анодных заземлений и перерасход электроэнергии.
Временно разъединяют цепь защитного заземления и измеряют наложенный потенциал «труба-земля», который стал соответствовать требованиям ГОСТ Р 51464-98 и составил минус 1,0 В. При этом мощность, потребляемая преобразователями, уменьшилась в 10 раз. Требуемое падение напряжения на устройстве для разделения контуров катодной защиты и контуров защитных заземлений и молниезащиты выбирают с учётом материала и местоположения защитного заземления относительно анодного заземления, например, по следующей формуле
U=k·(U<sub>т-з </sub>- U<sub>зз</sub>),
(1)
т-з
где U- разность потенциалов «труба-земля» при отключённом защитном заземлении, В;
зз
U - собственный потенциал материала защитного заземленияв грунте, В;
k- коэффициент, учитывающий близость расположения защитного заземления к анодному заземлению, k=1…5.
Коэффициент k определяется по бальной системе: чем выше балл, тем ближе защитное заземление к аноду, чем ниже балл, тем ближе защитное заземление к трубе и дальше от анода.
В данном примере коэффициент k учитывает, что защитное заземление расположено между защищаемым трубопроводом и анодным заземлением и равноудалено от них, следовательно, k=2,5.
С учетом возможных значений силы тока в цепи защитного заземления выбирают для изготовления устройства диоды Д161-320 по ТУ У 32.1-30077685-018:2006. Характеристики диода: падение напряжения 0,85 В при температуре 25°С, максимальный ударный ток 8,8кА.
Тогда для обеспечения падения напряжения более 2,0 В, необходимо последовательно соединить три диода Д161-320. Общее падение напряжения составит 2,55 В. Такая диодная сборка выдерживает обратное напряжение порядка 3кВ.
Для предупреждения выхода из строя диодов при обратных напряжениях, превышающих допустимые значения, устройство содержит блок варисторов. В блоке варисторов выбран ограничитель перенапряжения ОПН-П-1/1,5/5/550 УХЛ1 со следующими характеристиками: напряжение срабатывания –1кВ, ток грозового импульса – до 10 кА.
Устройство устанавливают в разомкнутую цепь защитного заземления. Устанавливают, что подключение защитного заземления через устройство не привело к изменению режимов работы катодной защиты относительно разрыва цепи защитного заземления. Индикация устройства сигнализирует о наличии только постоянного тока катодной защиты, т.е. система работает в штатном режиме.