УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, ИНДУЦИРОВАННОГО В МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ТРУБОПРОВОДЕ И НАПРАВЛЕННОГО ВДОЛЬ УКАЗАННОГО ТРУБОПРОВОДА, РАСПОЛОЖЕННОГО В СРЕДЕ И ОКРУЖЕННОГО СЛОЕМ ИЛИ ОБОЛОЧКОЙ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1998 года по МПК C23F13/04 

Изобретение относится к устройству для компенсации переменного напряжения, возникающего между средой и металлическим трубопроводом, расположенным в среде и окруженным слоем (оболочкой) электроизоляционного материала.

При параллельном расположении линии электропередачи и трубопровода, например, газопровода, рабочий ток, протекающий в линии, возбуждает напряжение в металлической трубе. Например, от линии электропередачи с напряжением 400 кВ и током 1000 А, проходящей на расстоянии 50 м от трубопровода, может быть получено индуцированное напряжение порядка 20 В/км.

Металлическая труба вышеуказанного типа может, например, составлять часть протяженного газопровода, проходящего под землей, а возможно, частично и под водой. Трубопровод такого типа обычно разделен на секции с помощью электроизолирующих соединений. Длина одной секции может варьироваться от нескольких километров до нескольких десятков километров. Если линия электропередачи проходит параллельно такому трубопроводу на некотором расстоянии от него, то может возникнуть значительное по величине индуцированное напряжение.

Когда переменное напряжение между трубой и окружающим грунтом (водой) превышает величину в несколько десятков вольт, это может вызывать повышенный риск коррозионного повреждения трубопровода вследствие электролитической коррозии. Металлические трубы рассматриваемого типа снабжены защитным покрытием из электроизоляционного материала. Однако в этой оболочке неизбежно возникают повреждения, в результате чего возникает электрический контакт металлической трубы с окружающей средой. В этих точках и появляется риск возникновения коррозии.

Известны различные мероприятия по защите от коррозии. Однако они не обеспечивают защиты от коррозии, вызванной переменным напряжением, наведенным в трубопроводе.

Известное устройство для защиты от коррозии трубопровода, проходящего под землей или под водой, описано в опубликованной заявке на патент Швеции N 466160. Это устройство предназначено для защиты трубопровода от коррозии, вызванной разностью потенциалов в среде, окружающей трубопровод (разностью потенциалов земли). Устройство главным образом применимо в тех случаях, когда разность потенциалов земли вызвана электрическим током, протекающим в среде и обычно возникающим от силовых установок постоянного тока. Разность потенциалов земли между двумя точками на трубопроводе определяется с помощью заземляющих электродов, расположенных вблизи трубопровода. Источник постоянного тока подсоединен к двум точкам трубопровода так, чтобы обеспечить прохождение тока через трубопровод между этими двумя точками. Ток регулируется в зависимости от определенной разности потенциалов так, что падение напряжения, вызванное протеканием тока через трубу, соответствует разности потенциалов земли.

Также установлено, что это устройство может быть применено для защиты от коррозии и в тех случаях, когда токи земли являются переменными. Разность потенциалов при этой представляет собой переменное напряжение, и вместо источника постоянного тока для передачи соответствующего переменного тока через трубопровод используется источник переменного тока.

Это известное устройство обеспечивает защиту от коррозии для тех случаев, когда риск коррозии возникает от разности потенциалов земли. Однако устройство совершенно не обеспечивает защиты от коррозии, вызванной индуцированными напряжениями в трубопроводе.

Задачей изобретения является создание устройства, которое простым и выгодным образом обеспечивает надежную защиту от коррозии, вызванной переменными напряжениями, индуцированными в трубопроводе упомянутого во вводной части типа.

Отличительные особенности устройства, выполненного согласно изобретению, будут более понятны из прилагаемой формулы изобретения.

На фиг. 1 изображена блок-схема примера выполнения устройства согласно изобретению;
на фиг. 2 - уменьшение напряжения между трубопроводом и окружающей средой, полученное с помощью устройства согласно изобретению, показанного на фиг. 1;
на фиг 3 показано как, согласно изобретению, несколько компенсирующих устройств и секций подачи компенсирующего напряжения могут быть установлены вдоль секции трубопровода;
на фиг. 4 иллюстрируется функционирование устройства, показанного на фиг. 3;
на фиг. 5 - другой пример исполнения, в котором ток в секции подачи компенсирующего напряжения получен с помощью усилителя мощности;
на фиг. 6 показано, как может быть использовано подсоединение регулируемого трансформатора в качестве альтернативы генерированию тока в секции подачи компенсирующего напряжения;
на фиг. 7 и 8 - альтернативный способ регулировки тока в секции подачи компенсирующего напряжения трубопровода.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства компенсации разности потенциалов, выполненного согласно изобретению. На чертеже показана секция 1 металлического трубопровода для перекачки природного газа, расположенная под землей, снабженная электроизоляционной оболочкой и электрически изолированная от соседних секций трубопровода с помощью электроизолирующих соединений 11 и 12. Для обеспечения измерения электрического напряжения, которое может быть наведено в секции 1 от линии электропередачи, проходящей полностью или частично параллельно секции трубопровода и вблизи нее, предусмотрен измерительный проводник 2, изолированный от земли. Этот проводник может быть расположен в земле, на земле или над землей. Измерительный проводник 2 соответствующим образом располагается параллельно трубопроводу и вблизи него. Длина измерительного проводника может быть небольшой относительно длины секции 1, но, если желательно, чтобы проводник давал измеренный сигнал достаточной величины, или для того, чтобы измеренный сигнал был достаточно показательным для напряжения, индуцированного в секции трубопровода, длина проводника может составлять значительную часть длины секции. Измерительный проводник может быть проложен вдоль всей секции A-B подачи компенсирующего напряжения трубопровода, или вдоль ее части, или, как показано на чертеже, он может быть смещен относительно трубопровода. Проводник 2 изолирован от земли, но может быть заземлен в подходящей точке. Напряжение u_s, индуцированное в проводнике 2, подается на измерительный усилитель 3, выходной сигнал которого обозначен u'_s. Вследствие расположения измерительного проводника 2 параллельно секции 1 трубопровода и рядом с ней сигналы u_s и u'_s становятся надежной мерой напряжения, индуцированного в секции трубопровода рабочим током линии электропередачи. Сигнал u'_s от измерительного усилителя 3 подается на амплитудно-чувствительный элемент, например, генератор 4 абсолютных значений, и фазочувствительный элемент, например, фазовый детектор 5. Генератор 4 абсолютных значений выдает сигнал U, пропорциональный амплитуде напряжения u_s, индуцированного в измерительном проводнике 2. Фазовый детектор 5 выдает сигнал ϕ, пропорциональный разности фаз между сигналом u'_s и опорным напряжением u_ref. Опорный сигнал является переменным сигналом той же частоты, что и ток, протекающий по линии электропередачи, и вызывающий индуцированное напряжение в трубопроводе. Как показано на фиг. 1, опорное напряжение может быть получено простейшим образом от локальной сети 6, относящейся к той же силовой сети, что и вышеупомянутая линия электропередачи, и следовательно, оно имеет ту же частоту.

Сигналы U и ϕ подаются на источник 7 переменного тока, подключенный к двум контактным точкам А и B трубопровода. Эта часть трубопровода, или секция подачи компенсирующего напряжения, расположенная между точками А и B, соединена с источником переменного тока (имеющим выходное напряжение u₁) с переменным током i₁, вызывающим на указанной секции подачи падение напряжения du_AB. Амплитуда падения напряжения пропорциональна амплитуде тока i₁, а коэффициент пропорциональности выражается абсолютным значением полного сопротивления секции подачи компенсирующего напряжения. Полное сопротивление типового трубопровода составляет порядка 0,3 Ом/км, и это полное сопротивление (импеданс) практически целиком определяется его индуктивной составляющей, так как его активное сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с индуктивным.

Как показано на фиг. 1, источник 7 переменного тока может содержать преобразователь переменного напряжения, например, промежуточный соединительный преобразователь с регулируемым выпрямителем, подключенный к сети 6, промежуточное звено постоянного напряжения, и автоматический инвертор, дающий на выходе переменное напряжение с регулируемой частотой и следовательно, с регулируемой фазой. В таком исполнении управляющего устройства (источника 7) напряжение U может управлять промежуточным звеном постоянного напряжения и, следовательно, амплитудой напряжения u₁ на выходе преобразователя, а сигнал ϕ может управлять инвертором так, что напряжение u₁ получает желаемое положение фазы относительно опорного напряжения. Так как полное сопротивление секции подачи компенсирующего напряжения практически целиком определяется его индуктивной составляющей, падение напряжения du_AB по длине секции подачи компенсирующего напряжения имеет опережение по фазе почти 90^o относительно тока i₁. Амплитуда и положение фазы напряжения u₁ регулируются так, что указанное падение напряжения находится по существу в противофазе к напряжению, индуцированному в секции трубопровода, и имеет соответствующую величину относительно индуцированного напряжения. В связи с этим должны быть приняты во внимание значения полного сопротивления линий между источником 7 тока и соединительными точками A и B. Так как эти значения полного сопротивления и полное сопротивление секции подачи трубопровода могут рассматриваться как почти постоянные величины, это обстоятельство может быть учтено при управлении источником 7 тока таким образом, что амплитуда напряжения u₁ равна по величине амплитуде индуцированного напряжения u_s, умноженной на первую константу, а значение фазы напряжения u₁ равно фазе индуцированного напряжения, прибавленной ко второй константе.

При правильном выборе двух вышеуказанных констант, как следует из вышеупомянутого, падение напряжения du_AB будет находиться в противофазе к э.д.с., наведенной в трубопроводе линией электропередачи. Эти две э.д.с. будут таким образом противодействовать друг другу, и с помощью правильно сконструированного и отрегулированного устройства, выполненного согласно изобретению, может быть получена хорошая компенсация напряжений, индуцированных в трубопроводе 1 протекающим в линии электропередачи током, т.е. значительное снижение максимального напряжения между трубопроводом и землей, и таким образом - значительное уменьшение или полное устранение риска коррозии. Две вышеуказанные константы выбраны и введены в управляющую систему так, что достигается желаемая степень подавления напряжения, индуцированного в трубопроводе. Константы могут быть определены расчетным путем, измерением или практическими тестами.

Если необходимо, сигнал от измерительного проводника 2 может быть отфильтрован с помощью полосового фильтра, настроенного на частоту напряжения линии электропередачи, с тем чтобы устранить воздействие напряжений, вызванных в измерительном проводнике другими, отличными от линии электропередачи, источниками.

На фиг. 2 в виде графика показано напряжение u_rg в трубопроводе относительно земли, на расстоянии X от одного конца секции трубопровода. Принимается, что секция имеет длину, равную 1, и заземлена в ее центре, например через повреждение электроизоляции трубопровода. Линия, обозначенная на чертеже буквой а, показывает напряжение между трубопроводом и землей, которое могло бы возникнуть от линии электропередачи, проходящей параллельно секции трубопровода вдоль всей ее длины. Напряжение принимает максимальную величину ±u_m в точках на концах секции. Если секция A - B подачи компенсирующего напряжения согласно изобретению расположена в центральной части секции трубопровода, и на ней в трубопроводе создается падение напряжения du_AB, то график напряжения будет иметь вид, соответствующий линии b, где u_AB - это напряжение, индуцированное в трубопроводе между точками A и B. Как ясно видно из чертежа, благодаря изобретению достигается значительное снижение максимального напряжения между трубопроводом и землей.

На примере, показанном на фиг. 2, ток i₁ в секции A - B подачи компенсирующего напряжения, и, следовательно, падение напряжения du_AB, выбраны в зависимости от величины индуцированного напряжения так, что максимальное напряжение между трубопроводом и землей (которое наблюдается в точках A и B на концах секции подачи компенсирующего напряжения) становится низким, насколько это возможно. В зависимости от конкретных обстоятельств, разумеется, падение напряжения на длине указанной секции подачи может быть установлено иным образом.

Дальнейшее снижение максимального напряжения между трубопроводом и землей может быть достигнуто при использовании нескольких секций подачи компенсирующего напряжения со своими источниками тока, расположенных вдоль секции трубопровода. На фиг. 3 показана часть такой секции трубопровода. Первое компенсирующее устройство PD1 соединено с соединительными точками A и B. Указанное устройство содержит измерительный проводник 21 и подает, в зависимости от величины индуцированного в измерительном проводнике напряжения, ток i₁ к первой секции подачи компенсирующего напряжения. Соответственно, второе компенсирующее устройство PD2 соединено с соединительными точками C и D и содержит измерительный проводник 22, индуцированное напряжение которого управляет током i₂ устройства. Далее, третье компенсирующее устройство соединено с соединительными точками E и F и содержит измерительный проводник 23, индуцированное напряжение которого управляет током i₃ устройства. Как показано на фиг. 4, линия b показывает результирующее напряжение между трубопроводом и грунтом. Как видно из чертежа, таким образом может быть получено более полное уменьшение величины максимального напряжения. На фиг. 4 для простоты, падения напряжения du_AB, du_CD, du_EF созданные тремя компенсирующими устройствами, показаны одинаковыми по величине. На практике, однако, сигналы измерительных проводников будут отличаться друг от друга по величине и, следовательно, отличаться будут и величины падения напряжения по трем секциям подачи, однако, таким образом достигается наилучшая возможная компенсация наведенного напряжения.

Возможно, что три компенсирующих устройства, показанные на фиг. 3, могут управляться и от одного общего измерительного проводника. Возможно также, что управляющее оборудование (блоки 3, 4, 5 на фиг. 1) может быть общим для трех устройств, которые при этом будут иметь раздельные выходные ступени (соответствующие источнику 7 на фиг. 1). Возможно, выходная ступень может также быть общей, в этом случае, однако, она должна быть соединена с секциями подачи компенсирующего напряжения через трансформаторы для получения необходимой гальванической развязки.

Также в случае, показанном на фиг. 1 и 3 с одним отдельным компенсирующим устройством на каждую секцию подачи, может быть целесообразным подключение компенсирующего устройства к секции через трансформатор для согласования источника переменного тока, с учетом уровней тока и напряжения, с нагрузкой (секцией подачи компенсирующего напряжения).

На фиг. 5 показан альтернативный вариант выполнения изобретения. Сигнал u'_s от измерительного усилителя 3 подается к усилителю мощности 9, подающему к секции A - B подачи компенсирующего напряжения ток i₁, пропорциональный измеренному сигналу. С помощью контура соответствующей конструкции падение напряжения по длине секции подачи будет находиться в противофазе напряжению, индуцированному линией электропередачи, и путем регулировки коэффициента усиления усилителя, в принципе, может быть получено полное подавление напряжений, индуцированных в трубопроводе 1, независимо от их частоты. В качестве усилителя 9 может быть, например, использован усилитель с переключением диапазонов мощности известного типа.

На фиг. 6 показано, как может быть использовано соединение обмоток трансформаторов для создания компенсирующего напряжения на секции подачи. Это соединение содержит два однофазных трансформатора 22 и 23. Первичная обмотка трансформатора 22 соединена с фазами S и T локальной сети 6, а первичная обмотка трансформатора 23 подключена между фазой R и нейтральным проводом O сети. Амплитуда выходного напряжения каждого трансформатора может регулироваться непрерывно или ступенчато. Трансформаторы могут, например, быть выполнены в виде регулируемых трансформаторов с приводом от серводвигателей, или трансформаторов, снабженных переключателями ответвлений обмоток. В показанном соединении выходное напряжение U_A от трансформатора 23 будет иметь сдвиг по фазе 90^o относительно выходного напряжения U_B трансформатора 22. Так как вторичные обмотки двух трансформаторов соединены последовательно, их выходные напряжения векторно суммируются, а их результирующий вектор образует компенсирующее напряжение u₁, приложенное к секции подачи. Если выходное напряжение каждого трансформатора может изменяться от максимальной амплитуды в одном значении фазы до максимальной амплитуды в противофазе, выходное напряжение u₁ может известным образом произвольно регулироваться относительно как амплитуды, так и положения фазы в пределах всех четырех квадрантов. Для управления трансформаторами в управляющее устройство 21 подаются сигналы U и ϕ (фиг. 1), указанное устройство 21 выдает управляющие сигналы si и s2 к исполнительным органам трансформаторов. Управляющее устройство может, например, выдавать такие управляющие сигналы s1 и s2 к трансформаторам, что их выходные напряжения будут иметь вид

С помощью соответствующего выбора констант k₁ и k₂ компенсирующее напряжение u₁ в секции подачи компенсирующего напряжения секции трубопровода может иметь такие значения амплитуды и фазы, что падение напряжения в секции подачи компенсирующего напряжения компенсирует индуцированное напряжение.

Управление устройством, выполненным согласно изобретению, может осуществляться также иными путями, чем тот, что был описан выше. Например, как показано на фиг. 7, индуцированное напряжение может быть измерено в нескольких местах, распределенных вдоль трубопровода. В примере на фиг. 7 это сделано с помощью нескольких измерительных проводников 21, 22, 23, индуцированные напряжения которых подаются на измерительные усилители 31, 32, 33. Выходные сигналы u'_s1, u'_s2, 4 и u'_s3 измерительных усилителей подаются к блоку 34 оптимизации (фиг. 8). Последний, в свою очередь, выдает управляющий сигнал s3 к управляющему устройству (источнику 7). Управляющий сигнал s3 влияет на амплитуду и фазу напряжения u₁, созданного управляющим устройством и, соответственно, на амплитуду и фазу тока i₁, подаваемого на секцию подачи компенсирующего напряжения. Блок 34 оптимизации может, например, содержать соответственно запрограммированное вычислительное устройство, способное влиять на величину тока i₁ через управляющий сигнал s3 так, в зависимости от измеренных сигналов, что риск коррозии трубопровода сводится к минимуму.

Использование описанных выше измерительных проводников 2 основано на одном способе измерения напряжения, индуцированного в трубопроводе. Возможны также другие способы. В частности, напряжение, индуцированное в трубопроводе, по величине и фазе напрямую зависит от тока нагрузки в силовой линии электропередачи. В тех случаях, где возможно и целесообразно измерение этого тока, он может быть непосредственно использован как мера напряжения, индуцированного в трубопроводе.

В приведенном выше описании предполагалось, что ток нагрузки в линии электропередачи и, следовательно, индуцированное в трубопроводе напряжение является по форме чистой синусоидой без других гармоник. На практике ток нагрузки может содержать и другие гармоники, которые будут возбуждать переменные напряжения соответствующей частоты в трубопроводе. Эти напряжения таким же образом, как и основная гармоника, могут создавать риск коррозии. Устройство, выполненное как показано на фиг. 5, автоматически компенсирует также и другие гармоники индуцированного напряжения, так как ток i₁, подаваемый к секции подачи компенсирующего напряжения, является по форме сигнала воспроизведением измеренного сигнала u_s, полученного от измерительного проводника 2, с противоположным знаком. Гармоники индуцированного напряжения могут, разумеется, быть компенсированы и другими способами. Так, например, основная гармоника и рассматриваемые гармоники более высоких порядков могут быть выделены из измеренного сигнала с помощью полосовых фильтров и определены каждая по амплитуде и фазе, после чего желаемое напряжение u₁ и/или ток i₁ для подавления всех принятых составляющих синтезируются с помощью соответствующих электронных контуров.

Кроме того, вместо подключения источника 7, показанного на фиг. 1, и вместо трансформаторного соединения, показанного на фиг. 6, может быть использовано каскадное соединение индукционного регулятора и регулируемого трансформатора, причем индукционный регулятор используется для регулировки значения фазы компенсирующего напряжения, подаваемого к секции подачи компенсирующего напряжения, а регулируемый трансформатор используется для регулировки величины амплитуды напряжения.

В описанных выше вариантах выполнения изобретения выходное напряжение (u_s) измерительного проводника управляет напряжением (u₁) источника переменного тока с помощью системы управления без обратной связи. Однако, может быть использована и система управления с обратной связью. В этом случае, например, ток (i₁), подаваемый источником переменного тока, может определяться и сравниваться по амплитуде и фазе с измеренным сигналом или с опорным значением, полученным из измеренного сигнала.

Изобретение относится к области защиты металлов от коррозии. В металлическом трубопроводе, расположенном в земле, могут быть индуцированы переменные напряжения от проходящей вблизи линии электропередачи, вызывающие коррозию. Для уменьшения риска коррозии, с помощью компенсирующего устройства подается переменный ток, протекающий по трубопроводу и вызывающий падение напряжения, противодействующее индуцированным напряжениям. Измерительный проводник выдает сигнал, являющийся мерой индуцированного напряжения. Этот сигнал управляет амплитудой и фазой переменного напряжения, которое создается с помощью источника переменного тока, подключенного к соединительным точкам трубопровода, и вызывает протекание по трубопроводу переменного тока. 8 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для компенсации переменного напряжения, индуцированного в металлическом трубопроводе и направленного вдоль указанного трубопровода, расположенного в среде и окруженного слоем или оболочкой электроизоляционного материала, содержащее регулируемый источник переменного тока, выходы которого подсоединены к двум соединительным точкам на трубопроводе, расположенным на некотором расстоянии одна от другой вдоль трубопровода, отличающееся тем, что оно снабжено средством для формирования сигнала с амплитудой и фазой, соответствующими переменному напряжению, индуцированному в трубопроводе в продольном направлении, выходы которого подсоединены к входам регулируемого источника переменного тока, при этом регулируемый источник переменного тока выполнен с возможностью формирования в зависимости от указанного сигнала переменного тока, протекающего вдоль с такими амплитудой и фазой, что ток стремится уменьшить разность напряжений между трубопроводом и средой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для формирования сигнала с амплитудой и фазой, соответствующими переменному напряжению, индуцированному в трубопроводе в продольном направлении, содержит измерительный проводник, расположенный в указанной среде вблизи трубопровода и изолированный от среды, при этом указанный сигнал формируется из переменного напряжения, индуцированного в измерительном проводнике. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что средство для формирования сигнала с амплитудой и фазой, соответствующими переменному напряжению, индуцированному в трубопроводе в продольном направлении, содержит амплитудно-чувствительный элемент для формирования амплитудного сигнала, соответствующего амплитуде индуцированного напряжения, а также фазочувствительный элемент для формирования сигнала фазы, соответствующего фазе индуцированного напряжения, выходы амплитудно-чувствительного и фазочувствительного элемента соединены с входами источника переменного тока, при этом источник переменного тока выполнен с возможностью формирования в зависимости от амплитудного и фазового сигналов переменного тока с амплитудой, соответствующей амплитудному сигналу, и с фазой, соответствующей сигналу фазы. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что фазочувствительный элемент выполнен с возможностью формирования сигнала фазы в зависимости от фазы индуцированного напряжения относительно опорного переменного напряжения, а источник переменного тока выполнен с возможностью генерирования переменного тока с частотой опорного переменного напряжения и с фазой относительно опорного переменного напряжения, зависящей от сигнала фазы. 5. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что оно снабжено несколькими регулируемыми источниками переменного тока, а на трубопроводе имеются несколько пар соединительных точек, при этом выходы каждого регулируемого источника переменного тока подсоединены к одной из пар соединительных точек. 6. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что источник переменного тока выполнен с несколькими парами выходов, а на трубопроводе имеются несколько пар соединительных точек, при этом каждая пара выходов источника переменного тока подсоединена к одной из пар соединительных точек. 7. Устройство по пп.1 - 6, отличающееся тем, что источник переменного тока содержит схему статического преобразователя. 8. Устройство по пп.1 - 6, отличающееся тем, что источник переменного тока содержит усилитель мощности. 9. Устройство по пп.1 - 6, отличающееся тем, что источник переменного тока содержит регулируемое соединение обмоток трансформатора.