СИСТЕМА АВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАНЦИЕЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ
EMERGENCY CONTROL SYSTEM FOR CATHODIC PROTECTION STATION

Изобретение относится к оборудованию электрохимической защиты для управления аварийным режимом работы станции катодной защиты (СКЗ) и может быть использовано в системах катодной защиты подземных металлических сооружений от коррозии, в том числе трубопроводов, а также от повышенного растворения анодных заземлений.
Во время аварийного режима, вызванного перенапряжением (короткое замыкание, гроза), СКЗ начинает работать на полную мощность, что приводит к завышению по модулю защитных потенциалов относительно нормируемых значений, перерасходу электроэнергии и в целом значительно удорожает эксплуатацию СКЗ и оказывает отрицательное влияние на состояние изоляционного покрытия трубопровода, а также ведет повышенному растворению анодных заземлений.
Известна ветроэлектростанция катодной защиты трубопроводов (RU 2117184, опубл.10.08.1998), принцип работы которой заключается в формировании на трубопроводе относительно анодных заземлителей импульсного напряжения с релейным регулированием защитного потенциала, текущее значение которого контролируется электродом сравнения. При наличии выходного тока станции, протекающего в цепи «трубопровод-грунт-анодные заземлители», текущее значение потенциала «труба-грунт» сравнивают с пороговым значением, соответствующим максимальному критическому значению потенциала, при превышении которого выходной ток станции отключают, а при отсутствии выходного тока станции значение потенциала «труба-грунт» сравнивают с пороговым значением, соответствующим минимальному критическому значению потенциала, при снижении ниже которого выходной ток станции включают. Таким образом, временные параметры выходного импульсного сигнала станции задаются характером и скоростью изменения защитного потенциала.
Для станции характерны большие пульсации потенциала в процессе их стабилизации (от -0.85 В до -1.5 В). Кроме этого, длительность импульса выходного тока станции и время его паузы могут существенно меняться в процессе работы.
Известно также устройство защиты от коррозии импульсным током (RU 2223346, опубл.10.02.2004), содержащее электронный блок с источником постоянного тока, импульсным усилителем и схемой формирования импульсов, установленные в токопроводящей среде на заданном расстоянии от защищаемого сооружения заземляющее устройство, измерительные электроды потенциала защищаемого сооружения и потенциала поляризации. Источник постоянного тока подсоединен через импульсный усилитель к защищаемому сооружению и к заземляющему устройству. Измерительные электроды соединены со схемой формирования импульсов электронного блока. Выход последнего подсоединен к управляющему входу импульсного усилителя. Между источником постоянного тока и импульсным усилителем установлены последовательно зарядное устройство и накопитель электроэнергии.
Недостатками известного устройства являются низкая точность поддержания потенциала и неравномерность поддержания потенциала на протяжении защищаемого участка трубопровода.
Известно также устройство для поддержание защитных потенциалов на подземных сооружениях при исчезновении электропитания (220 В) на станции катодной защиты (RU 102008, опубл.10.02.2011), которое обеспечивает непрерывную защищенность подземных сооружений во времени при аварийном исчезновении электропитания на станции катодной защиты. Однако, во время перенапряжения возможен выход из строя самой станции катодной защиты, так и устройства поддержания защитного потенциала. Вследствие чего станция остается без электрохимической защиты.
Известно устройство автоматического ввода резерва для устройства катодной защиты магистральных трубопроводов от коррозии (RU 136436, опубл. 10.01.2014). Данное устройство может использоваться только там, где есть резервная линия. В случае выхода из строя данного устройства станция остается без электрохимической защиты.
Известно устройство для катодной защиты с автономным питанием (RU 2713898, опубл. 10.02.2020), предназначенное для электрохимической защиты металлических сооружений от коррозии и может быть использовано в коррозионно-активных электролитических средах, в частности в морской среде.  Однако при неисправности солнечной батареи, а также в темное время суток, устройство не работает.
В аналогах представлены импульсные СКЗ, блоки переключения с основного питания на резервное и альтернативные источники питания – аккумуляторы и солнечные батареи, необходимые для повышения надежности СКЗ.
Анализ аналогов показал отсутствие известности систем управления СКЗ с аварийными резервными узлами управления, которые бы включись автоматически при выходе из строя основного блока управления при перенапряжении.
Техническая задача – создание универсальной системы управления СКЗ магистрального трубопровода, которая в случае перенапряжения автоматически запускает узел аварийного управления до приезда обслуживающего персонала и может быть использована на всех типах трансформаторных СКЗ с тиристорным управлением.
Технический результат – получение высоких защитных свойств системы управления СКЗ за счет возможности узла аварийного управления регулировать напряжение и ток, необходимые для защиты магистрального трубопровода от коррозии.
Технический результат достигается за счет того, что система аварийного управления станцией катодной защиты содержит основной блок управления, связанный с блоком защиты от перенапряжения и короткого замыкания, выполненным с защитным TVS-диодом и перегорающим предохранителем  и входящим в состав узла аварийного управления (УАУ), содержащего также блок питания, блок управления, модуль автоматического включения блока управления, реле времени, аккумулятор, зарядное устройство  и источник напряжения. Она дополнительно содержит тиристорный модуль, связанный с блоком управления. При этом блок управления выполнен в виде генератора импульсов с усилителем тока и импульсным трансформатором, а выход генератора импульсов блока управления соединен с тиристорным модулем. Причем модуль автоматического включения блока управления выполнен с возможностью обнаружения отсутствия напряжения на основном блоке и содержит детектор наличия сетевого напряжения с оптронной развязкой и логический элемент триггера. Первый вход модуля автоматического включения связан с основным блоком управления, второй вход – с аккумулятором, а выход - с реле времени, которое выполнено с возможностью задержки сигнала на включение блока управления, а аккумулятор связан с зарядным устройством, которое питается от источника напряжения.
Система дополнительно содержит счетчик наработки времени станции катодной защиты.
Во время аварийного режима, вызванного перенапряжением СКЗ (короткое замыкание, гроза и т.п.) узел аварийного управления (УАУ) заявляемой системы включается автоматически, регулирует и поддерживает напряжение и ток, необходимые для защиты магистрального трубопровода от коррозии.
Указанный узел может быть использован на всех типах трансформаторных СКЗ, где есть тиристорное управление, с небольшой доработкой под каждую станцию.
Счетчик наработки времени необходимо устанавливать в случае необходимости контроля время работы СКЗ.
На чертеже представлена схема системы аварийного управления станцией катодной защиты, где:
1 - блок питания;
2 - блок защиты от перенапряжения и короткого замыкания, включающий TVS-диод (не показан), который в случае аварии за короткое время уменьшает свое сопротивление, при этом ток в цепи резко возрастает и происходит перегорание предохранителя (не показан);
3 - блок управления, содержит усилитель тока и генератор импульсов (не показаны), который подает управляющие сигналы на тиристорный модуль;
4 - модуль автоматического включения УАУ (или детектор напряжения), запитывается от независимого источника питания – аккумулятора. При отсутствии питания основного блока модуль осуществляет включение УАУ;
5 - реле времени, состоит из микросхемы таймера, с которого подается сигнал на включение модуля управления с задержкой по времени (например, 10 секунд). Задержка необходима для того, чтобы напряжение пришло в норму после перенапряжения;
6 – тиристорный модуль, предназначенный для выпрямления и регулирования переменного тока;
7 - аккумулятор, который является независимым источником питания, заряжается от зарядного устройства и питается от источника напряжения 220 В;
8 - зарядное устройство;
9 - источник напряжения 220 В;
10 - основной блок управления;
11 - счетчик наработки времени, который включается при подаче питания с блока питания;
12 - узел аварийного управления (УАУ).
Заявляемая система работает следующим образом.
В случае аварии (например, грозы) блок 2 защиты от перенапряжения и короткого замыкания включает TVS-диод (не показан), который за короткое время уменьшает свое сопротивление, при этом ток в цепи резко возрастает и происходит перегорание предохранителя (не показан), а основной блок управления 10 выходит из строя.
В случае выхода из строя основного блока управления 10 модуль 4 автоматического включения УАУ 12, который содержит детектор наличия сетевого напряжения с оптронной развязкой и логический элемент триггера (не показаны) «видит» пропажу сети 220 вольт на основном блоке управления 10 и подает сигнал на реле времени 5 с микросхемой таймера, с которого поступает сигнал на включение блока управления 3 с задержкой 10 секунд. За это время напряжение приходит в норму. Блок управления 3 содержит генератор импульсов и усилитель тока, с которых подаются управляющие сигналы на тиристорный модуль 6.Счетчик наработки времени 11 включается при подаче питания с блока питания 1.
Опытный образец системы прошел успешные испытания на УКЗ № 11 Нижняя Тура-Пермь, 3119 км., Горнозаводское ЛПУМГ.