МНОГОКАНАЛЬНАЯ СТАНЦИЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ
MULTI-CHANNEL CATHODIC PROTECTION STATION

Изобретение относится к электрооборудованию для катодной защиты подземных металлических сооружений от электрохимической коррозии и может быть использовано для защиты сразу нескольких объектов, таких как скважины, нефтепроводы, газопроводы, водопроводы, продуктопроводы различного назначения, кабели связи, объекты коммунального хозяйства, резервуары-хранилища и другие аналогичные объекты, расположенные в различных грунтах.
Известен способ защиты подземных металлических многониточных трубопроводов от электрохимической коррозии и устройство для его осуществления (патент РФ №2204626, C23F 13/22, 2003, Бюл. №14), содержащее три однофазных источника постоянного напряжения, входные шины питания, плюсовые и минусовые выходные шины нагрузки, плюсовые и минусовые шины измерительных цепей, определенным образом соединенные между собой.
Недостатком этого устройства является то, что каждый объект катодной защиты снабжен однофазным преобразователем высокого сетевого напряжения в низковольтное постоянного напряжения, что приводит к высоким материальным затратам и сложности в обслуживании.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство распределенное катодной защиты низковольтное типа УКЗН станции для электрохимической защиты трубопроводов напряжением 0,23 кВ, укомплектованное автоматическими выпрямителями типа В-ОПЕ-ТМ (например, http://www.ozeu.ru/catalog/ehz/p_ukzn.shtml). Устройство УКЗН представляет собой металлическую оболочку, состоящую из распределительного устройства низкого напряжения 0,23 кВ и от одного до четырех автоматических выпрямителей типа В-ОПЕ-ТМ (например: http://www.td-pribor.ru/print/26593.htm). Каждый из них представляет законченное устройство для катодной защиты, которое состоит из силового трансформатора, выпрямителя-стабилизатора постоянного тока, соединяемого отрицательным выводом с объектом защиты, положительным - с анодным заземлителем, а входом управления - с датчиком защитного потенциала, предусматривающего возможность работать с разными комплектами телемеханики.
Недостатками этого устройства являются:
1. Низкий коэффициент полезного действия (КПД), так как использование в каждом канале катодной защиты своего силового трансформатора приводит к увеличению общего энергопотребления устройства за счет того, что один трансформатор большой мощности для нескольких каналов катодной защиты имеет более высокий КПД, чем каждый из нескольких трансформаторов меньшей мощности.
2. Низкая устойчивость к температуре и вибрациям, так как для контроля работы каналов катодной защиты используются измерительные приборы, требующие метрологического контроля и имеющие низкую устойчивость к температуре и вибрации.
Общими недостатками этих аналогов являются:
1. Низкая надежность, так как отсутствуют устройства плавного включения с функцией контроля сетевого напряжения, выходного тока и контроля температуры силового трансформатора и электронного коммутатора, а также защиты по температуре элементов схем выпрямителей-стабилизаторов постоянного тока, что иногда приводит к работе элементов схемы с перегрузкой или выходу из строя.
2. Низкая надежность узлов телеметрии, так как отсутствие герметично закрываемого блока для модулей телеметрии с температурой не ниже +15°С не обеспечивает надежность ее функционирования и исключение конденсации влаги.
3. Работа обслуживающего персонала осложнена из-за наличия высокого напряжения в межблочных связях и открытых контактов.
4. Сложность диагностики неисправностей увеличивает простои катодной защиты для исследования ремонтными бригадами.
5. Значительный вес отдельных устройств снижает безопасность обслуживания и усложняет его.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание эффективной, надежной, простой в обслуживании и безопасной для обслуживающего персонала конструкции многоканальной станции катодной защиты благодаря использованию устройства плавного включения и силового трансформатора, выполненного с несколькими вторичными обмотками, соответствующими количеству объектов катодной защиты.
Техническая задача решается многоканальной станцией катодной защиты, содержащей силовой трансформатор, выпрямители-стабилизаторы постоянного тока, соединенные отрицательными выводами с соответствующими объектами защиты, а положительными - с анодными заземлителями, причем выпрямители-стабилизаторы подключены к датчикам защитного потенциала и к модулям ввода-вывода системы телеметрии, которые соединены с приемо-передающим модулем.
Новым является то, что силовой трансформатор оснащен несколькими вторичными обмотками, которые соединены с соответствующими выпрямителями-стабилизаторами постоянного тока, и подключен первичной обмоткой к сетевому напряжению через устройство плавного включения.
Новым является также то, что силовой трансформатор трехфазный подключается первичными обмотками к сетевому напряжению через трехфазное устройство плавного включения.
Новым является также то, что устройство плавного включения снабжено дополнительным модулем ввода-вывода, который соединен с приемо-передающим модулем.
Для этого используется устройство плавного включения с функцией контроля сетевого напряжения, выходного тока и контроля температуры силового трансформатора и электронного коммутатора, а также электронная защита по выходному току и температуре элементов схемы в модулях выпрямителей-стабилизаторов, что позволяет всем элементам станции работать без перегрузок; один силовой трансформатор для нескольких каналов катодной защиты, позволяющий уменьшить энергопотребление за счет более высокого КПД мощного трансформатора; каналы катодной защиты работают в режиме поддержания защитного потенциала в период от верхнего до нижнего значения, что позволяет уменьшить энергопотребление; многоканальность станции позволяет объединить все модули системы телеметрии в один герметично закрываемый блок с температурой не ниже +15°С, что повышает надежность системы телеметрии; используются межблочные соединения на разъемах с поджимом и фиксацией, так как болтовые соединения подвержены ослаблению за счет температуры и вибрации; для внешних соединений станции применяются разъемы для предотвращения ошибок в подключении при регламентных работах; для настройки и контроля работы каналов станции применяются измерительные гнезда тока выходного напряжения, защитного потенциала, а также светодиоды «Сеть», «Работа», «Перегрузка» и «Перегрев», так как контрольно-измерительные приборы требуют метрологического контроля и имеют низкую устойчивость к температуре и вибрации; применение герметичных узлов в конструкции станции позволяет использовать ее в условиях высокой влажности; для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала в межблочных связях не применяется высокое напряжение и используются разъемные соединения; уменьшается вес модулей, что упрощает обслуживание станции; упрощение диагностики неисправностей позволяет экономить время.
На чертеже изображена функциональная схема многоканальной станции катодной защиты.
Многоканальная станция катодной защиты состоит из устройства плавного включения 1 для силового трансформатора 2, имеющего несколько вторичных обмоток 2.1, которые соединены с выпрямителями-стабилизаторами 3 постоянного тока. Выпрямители-стабилизаторы 3 отрицательными выводами соединены с объектами катодной защиты 4, положительными - с анодными заземлителями 5, управляющими выводами 3.1 - с датчиками защитного потенциала 6, а информационными каналами 3.2 - с модулями ввода-вывода 7 системы телеметрии. Все модули ввода-вывода 7 подключены к приемопередающему модулю 8 системы телеметрии и объединены в блоке телеметрии 9.
Работа станции осуществляется следующим образом.
Сетевое напряжение поступает на устройство плавного включения 1, выполненное в герметичном корпусе со светодиодными индикаторами режимов работы «Сеть», «Работа», «Перегрузка», «Перегрев» и «Перегрев тр.», при этом загорается индикатор «Сеть», и устройство начинает осуществлять следующие функции:
1. Защита цепей питания станции от сетевых перенапряжений различного происхождения (например, перенапряжений, сформировавшихся внутри сети).
2. Защита цепей питания станции от перегрузок по току (например, в первичной обмотке силового трансформатора 2).
3. Защита элементов схемы станции от перегрева (например, силового трансформатора 2, силового коммутатора 1.1).
4. Осуществляет плавную коммутацию сетевого напряжения, постепенно увеличивая амплитуду выходного напряжения (например, см. статью «Мягкий старт или много шума при включении устройств» http://www.cqham.ru/softstart.htm или http://www.kristronic.com (англ.яз.).
Устройство плавного включения 1 осуществляет контроль перегрева элементов схемы (например, силового трансформатора 2, силового коммутатора 1.1). При отсутствии перегрева (например, силового трансформатора 2 или силового коммутатора 1.1) устройство плавного включения 1 измеряет сетевое напряжение. Если оно соответствует характеристике станции, осуществляется плавное увеличение напряжения на выходе устройства с одновременным контролем тока. Все элементы схемы станции (например, силовой трансформатор 2, выпрямительные элементы схем питания, разъемные соединения) при таком включении работают без перегрузки. После выхода устройства плавного включения на номинальный режим загорается индикатор «Работа». Повышение или понижение за допустимые пределы сетевого напряжения (светится индикатор «Напряжение»), перегрев отдельных элементов схемы (светится индикатор «Перегрев»), а также повышенный ток нагрузки (светится индикатор «Перегрузка») блокируют работу устройства плавного включения, а индикатор «Работа» - гаснет. При возвращении контролируемых параметров к номинальным значениям устройство плавного включения 1 автоматически начинает работать.
Сетевое напряжение с выхода устройства плавного включения 1 поступает на первичную обмотку силового трансформатора 2. Количество его вторичных обмоток 2.1, их напряжение и мощность должны соответствовать количеству, питающему напряжению и мощности подключаемых к каждой из них выпрямителей-стабилизаторов 3-n. Для защиты силового трансформатора 2 от перегрева на нем устанавливается датчик температуры (на чертеже не показан). Перегрев силового трансформатора 2 приводит к отключению устройства плавного включения 1, при этом включается индикатор «Перегрев тр.».
Выпрямитель-стабилизатор 3 постоянного тока представляет собой низковольтный выпрямитель, автоматически стабилизирующий выходной постоянный ток на заданном (задание «Грубо» и «Точно») уровне, с необходимой точностью и коэффициентом пульсаций. Кроме этого он работает в режиме поддержания заданного (задание «Верх» и «Низ») диапазона защитного потенциала, измеряемого датчиком защитного потенциала 6 объекта катодной защиты 4. Выпрямители-стабилизаторы 3 выполнены в виде герметичных модулей, на которых имеются элементы, не указанные на чертеже:
1. Орган управления включением.
2. Регуляторы «Грубо» и «Точно» для задания выходного тока стабилизации.
3. Регуляторы «Верх» и «Низ» для задания диапазона поддержания защитного потенциала.
4. Светодиодные индикаторы режимов: «Сеть», «Работа», «Перегрузка» и «Перегрев».
5. Счетчик времени работы катодной защиты.
6. Контрольные гнезда для измерения выходного тока и напряжения, а также защитного потенциала с датчика 6.
7. Силовые разъемы питающего напряжения и выходного напряжения для катодной защиты.
8. Разъем информационного канала для подключения к модулям системы телеметрии. При автономном включении или появлении входного напряжения (включается светодиод «Сеть») схема управления выпрямителя-стабилизатора производит измерение защитного потенциала от датчика 6. Если его значение меньше верхнего предела задания (задание «Верх»), то ток, поступающий в объект катодной защиты, начинает постепенно увеличиваться до заранее заданного (задание «Грубо» и «Точно») значения и далее поддерживается с необходимой точностью до повышения напряжения на датчике защитного потенциала 6 верхней границы задания (задание «Верх»), затем блок отключается. Включение происходит после уменьшения напряжения на датчике защитного потенциала 6 до нижней границы задания (задание «Низ») путем постепенного увеличения тока в объект катодной защиты 4 до величины задания (задание «Грубо» и «Точно»). В случае обрыва цепи датчика защитного потенциала 6 выпрямитель-стабилизатор 3 воспринимает его как равный «нулю» и переходит в режим стабилизации выходного тока по заданию (задание «Грубо» и «Точно») до устранения неисправности. Светодиод «Работа» горит, если ток на выходе выпрямителя-стабилизатора поддерживается на заданном уровне или напряжение на датчике защитного потенциала 6 находится в заданном диапазоне (задание «Верх» и «Низ»). В случае резкого увеличения тока на выходе выпрямителя-стабилизатора 3 (более установленного для данного типа по мощности) происходит его выключение (гаснет индикатор «Работа» и загорается «Перегрузка»), а через 10 секунд вновь делается попытка плавного включения и выхода на заданный режим. После нескольких попыток, регистрирующих режим «Перегрузка», выпрямитель-стабилизатор 3 переходит на режим проведения этих попыток через значительно большие интервалы времени до устранения причины этой ситуации. В случае увеличения сопротивления в нагрузке до значения, при котором выпрямитель-стабилизатор 3 не сможет обеспечить заданный ток (ограничение питающим напряжением), задается максимальное выходное напряжение, и выключается светодиод «Работа». Для защиты элементов схемы выпрямителя-стабилизатора 3 от перегрева на них установлены датчики температуры. В случае перегрева любого из них (загорается индикатор «Перегрев») выпрямитель-стабилизатор 3 выключается, а после остывания (гаснет индикатор «Перегрев») - автоматически выходит на режим. Счетчик времени работы катодной защиты, установленный в выпрямителе-стабилизаторе 3, включается только в режиме «Работа». Данные о токе, напряжении, защитном потенциале, режимах «Работа», «Перегрузка» и «Перегрев» выведены через информационный разъем на модуль ввода-вывода 7 системы телеметрии и далее на приемопередающий модуль 8.
Данные о работе всех выпрямителей-стабилизаторов 3 катодной защиты с их разъемов информационных каналов 3.2 собираются модулями ввода-вывода 7 блока телеметрии 9 и передаются с помощью приемо-передающего модуля 8 на диспетчерский пульт. Конструктивно все модули 7 и 8 блока телеметрии установлены в герметичном блоке телеметрии 9, температура в котором поддерживается не ниже +15°С, что обеспечивает надежность ее функционирования и исключение конденсации влаги.
Надежность станции обусловлена схемными и конструктивными решениями, устраняющими причины, по которым станция прекращает свою работу или работает не эффективно:
1. Использование устройства плавного включения 1 с функцией контроля сетевого напряжения, выходного тока и контроля температуры силового трансформатора 2 и силового коммутатора 1.1, а также электронной защиты по выходному току и температуре элементов схемы в модулях выпрямителей-стабилизаторов 3 позволяет всем элементам станции работать без перегрузок.
2. Использование одного силового трансформатора для нескольких каналов катодной защиты позволяет уменьшить энергопотребление за счет более высокого КПД мощного трансформатора.
3. Работа каналов катодной защиты в режиме поддержания защитного потенциала в период от верхнего до нижнего значения позволяет уменьшить энергопотребление.
4. Многоканальность станции позволяет объединить все модули системы телеметрии в один герметично закрываемый блок с температурой не ниже +15°С, что повышает надежность работы системы телеметрии.
5. Межблочные соединения сделаны на разъемах с поджимом и фиксацией, так как болтовые соединения подвержены ослаблению за счет температуры и вибрации.
6. Внешние соединения станции выполнены на разъемах, что предотвращает ошибки в подключении при регламентных работах.
7. Контроль работы каналов станции производится на измерительных гнездах тока, выходного напряжения, защитного потенциала и по светодиодам «Сеть», «Работа», «Перегрузка» и «Перегрев», так как контрольно-измерительные приборы требуют метрологического контроля и имеют низкую устойчивость к температуре и вибрации.
8. Элементы станции герметичные, что позволяет использовать ее в условиях высокой влажности.
9. Отсутствие высокого напряжения в межблочных связях и их разъемное соединение, отсутствие открытых контактов обеспечивает безопасную работу обслуживающему персоналу.
10. Небольшой вес модулей и их легкая замена упрощает обслуживание.
11. Простота диагностики неисправностей позволяет экономить время.
При необходимости использования высоких напряжений и токов для катодной защиты в качестве силового трансформатора 2 используется трехфазный трансформатор с трехфазным устройством плавного включения 1, так как рабочее напряжение для трехфазного трансформатора 380 В (для РФ), а для однофазного - 220 В. При удаленности станции от пунктов контроля и обслуживания устройство плавного включения 1 снабжено дополнительным модулем ввода-вывода 7', установленным в блоке телеметрии 9. При этом остальные элементы станции находятся в рабочем режиме, описанном выше.
Предлагаемая многоканальная станция катодной защиты эффективна, надежна, проста в обслуживании и безопасна благодаря использованию устройства плавного включения и силового трансформатора, выполненного с несколькими вторичными обмотками, соответствующими количеству объектов катодной защиты.