一种基于动态电位的阴极保护系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于动态电位的阴极保护系统，包括大功率交流电源、变压器、交流电测量端、管状导体和信号采集装置，大功率交流电源通过变压器与管状导体连接，信号采集装置分别与交流电测量端和管状导体电性连接；系统工作包括以下过程：步骤S1：推导并建立交流内阻抗计算模型，并通过管状导体电路测量接地环境下导体交流内阻抗的分布区间；步骤S2：建立管状导体接地环境下动态电位的数学模型，设立阴极保护指标；步骤S3：基于阴极保护指标确立阴极保护系统的涉及思路，并完成相关装置数据验证；在采用动态电位阴极保护系统后，地下电缆不会因为土壤pH值变化导致电缆被腐蚀，进而减少材料消耗，提高电缆使用寿命，降低电缆系统使用和维护成本。使用和维护成本。使用和维护成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态电位的阴极保护系统


[0001]本专利技术涉及电化学领域，尤其是涉及一种基于动态电位的阴极保护系统。

技术介绍

[0002]阴极保护技术原理如下：向被腐蚀的金属结构表面施加一个外加电流，使被保护结构物成为阴极，抑制电子迁移现象，避免或减弱金属腐蚀。具体而言，外加电流阴极保护是通过外加直流电源与辅助阳极，给金属补充大量电子，使被保护金属整体处于电子过剩状态，将金属表面各点变为同一负电位，使被保护金属结构电位低于周围环境。该方式主要对大型金属结构进行保护，如长输埋地管道、大型油罐群等。阴极保护的直流电压可调节，亦可采用交流电供能(交流型阴极保护装置常由电源变压器、桥型整流器组成，变压器与整流器将交流电转换成直流电)。常规阴极保护装置将负电极接至金属外皮，正电极接地，确保线缆外皮对地保持适当负电位，避免线缆金属外皮被腐蚀，但对电源负荷较大。因此，为了优化并改善阴极保护效果，有必要研究评估环境电位的分布，在此基础上，设计出一种新的阴极保护系统，降低电源负荷与导电材料的消耗。
[0003]例如，一种在中国专利文献上公开的“一种低下管道智能阴极保护系统及其控制方法”，其公开号为CN14540821A，包括电源负荷和导电材料消耗较大，导致系统使用成本上升。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了克服现有技术中，电路电源在工作过程中，导电材料消耗较大，电力系统使用成本上升的问题，提供一种基于动态电位的阴极保护系统，以管状导体电路模拟长输埋地管道等，分析计算交流内阻抗，判断其分布区间；考虑野外环境下交流电波动对频率的影响，进行合理假设并取有效微元段；最后结合傅里叶变换与超松弛迭代算法，完成阴极保护系统相关参数的最终计算与数据验证。
[0005]为了实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于动态电位的阴极保护系统，包括大功率交流电源、变压器、交流电测量端、管状导体和信号采集装置，所述大功率交流电源通过变压器与管状导体连接，信号采集装置分别与所述交流电测量端和管状导体电性连接。
[0006]作为优选，系统工作包括以下过程：步骤S1：推导并建立交流内阻抗计算模型，并通过管状导体电路测量接地环境下导体交流内阻抗的分布区间；步骤S2：建立管状导体接地环境下动态电位的数学模型，进行合理假设并取有效微元段，设立阴极保护指标；步骤S3：基于阴极保护指标确立阴极保护系统的涉及思路，并完成相关装置数据验证。
[0007]作为优选，所述步骤S1通过管状导体电路模拟长输埋地管道，进行交流内阻抗的
计算，判断分布区间，步骤S3的通过傅里叶变换和超松弛迭代算法完成相关装置的数据验证。
[0008]3.根据权利要求1或2所述的一种基于动态电位的阴极保护系统，其特征是，步骤S1基于麦克斯韦电磁场方程组与涡流场仿真方程，将导体电流瞬间值代入欧姆定律计算，推导建立交流内阻抗计算模型，所述交流内阻抗计算模型如下所示：其中，Z为交流内阻抗，Ω；U
d
为阴极保护的导体两端电势差，V；I
d
为交流电路峰值，A；ω为交流电路角频率，Hz；t为时间，s；θ为电流相角，
°
；j为虚数单位，无量纲；V为阴极保护的导体视体积，m3；C为电容，F；E为电场强度，V/m；B为磁感应强度，T；J为电流密度，A/m；D为电位移，m；A、φ分别为磁位矢量与电位标量，无量纲；ε、σ分别为介电常数与导体电导率，以无量纲形式计。
[0009]作为优选，所述步骤S2运用叠加原理，对各次频率下的电势差下降梯度与任意位置处、任意时间下的电流向量进行傅里叶变换，通过上述过程得到导体电路中动态电位的分布数学模型，所述电流向量傅里叶变换表达式如下：所述动态电位的分布数学模型如下：其中，ΔU为电势差下降梯度，V/m；λ为某频率对应的交流电测量端间距，m；L为电感，H；F表示傅里叶变换过程，无量纲；U
h
表示管状导体电路于接地环境中的任意点电压大小，V；x表示管状导体电路中某点位置距阴极保护端的长度，m。
[0010]作为优选，所述步骤S3包括以下步骤：步骤S3
‑
1：阴极保护装置接收信号后，与转换部分形成反馈通路传送数据到动态电位检测器；步骤S3
‑
2：完成数据传送后，通过微控制器对转换的电势差参比数据和给定范围进行分析并通过傅里叶变换处理与超松弛迭代算法后，控制整个阴极保护系统向管道输出最优电压；
步骤S3
‑
3：根据步骤S3
‑
2输出的最优电压，提供合理布局电极接口位置的依据，对阴极装置性能进行优化改善。
[0011]作为优选，所述麦克斯韦电磁场方程组如下所示：所述涡流场仿真方程如下所示：作为优选，所述步骤S2中合理假设并取有效微元段的操作步骤为：步骤S2
‑
1：考虑野外环境下交流电可能波动形成多种频率，假设管状导体位置x处、频率ω下的电流向量为I1，对地电压向量为U1；位置x+dx处则为I2、U2；解耦后得到管状导体接地环境等值电路；步骤S2：在长度X的管状导体电路中，按基尔霍夫定律计算，沿电流方向的电势差下降梯度如下所示：因此，本专利技术具有以下有益效果：在采用动态电位阴极保护系统后，地下电缆不会因为土壤pH值变化导致电缆被腐蚀，进而减少电缆的材料消耗，提高地下电缆使用寿命，进而降低电缆系统使用和维护成本。
附图说明
[0012]图1为管状导体交流内阻抗测量电路图；图2为管状导体接地环境等值电路微分段示意图；图3为基于动态电位的阴极保护系统布局示意图；图4为参比电位反馈部件原理展示图；图5为阴极保护系统微观电路图。
具体实施方式
[0013]下面将结合附图，对本专利技术做进一步具体的描述。
[0014]实施例1本实施例的技术方案是：基于麦克斯韦电磁场方程组与涡流场仿真方程，将导体电流瞬时值带入欧姆定律计算，推导建立交流内阻抗计算模型。然后，在长度X的管状导体电路中，按基尔霍夫定律计算，沿电流方向计算电势差下降梯度，经傅里叶变换，得到动态
电位的分布数学模型。最后，基于阴极保护指标，设计并完成阴极保护系统。具体包括以下操作步骤：S1、推导建立交流内阻抗计算模型，并根据管状导体电路测量接地环境下导体交流内阻抗的分布区间；以管状导体电路模拟长输埋地管道等，当直接采用直流电供能时，一定直流电压下的电路总电阻易于测得。但若采用交流电供能时，交流型阴极保护装置将交流电转换成直流电，此过程中会产生交流内阻抗。所谓交流内阻抗，狭义为交流电路阻碍电流通过能力的物理量，常为复数形式，其数值与交流电频率大小有关。
[0015]进一步的技术方案是，基于麦克斯韦电磁场方程组与涡流场仿真方程，将导体电流瞬时值带入欧姆定律计算，推导建立交流内阻抗计算模型。
[0016]所述麦克斯韦电磁场方程组为：所述涡流场仿真方程为：所述交流内阻抗计算模型：式中：Z为交流内阻抗，Ω；U
d
为阴极保护的导体两端电势差，V；I
d
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态电位的阴极保护系统，其特征是，包括大功率交流电源、变压器、交流电测量端、管状导体和信号采集装置，所述大功率交流电源通过变压器与管状导体连接，信号采集装置分别与所述交流电测量端和管状导体电性连接。2.根据权利要求1所述的一种基于动态电位的阴极保护系统，其特征是，系统工作包括以下过程：步骤S1：推导并建立交流内阻抗计算模型，并通过管状导体电路测量接地环境下导体交流内阻抗的分布区间；步骤S2：建立管状导体接地环境下动态电位的数学模型，进行合理假设并取有效微元段，设立阴极保护指标；步骤S3：基于阴极保护指标确立阴极保护系统的设计思路，并完成相关装置数据验证。3.根据权利要求2所述的一种基于动态电位的阴极保护系统，其特征是，所述步骤S1通过管状导体电路模拟长输埋地管道，进行交流内阻抗的计算，判断分布区间，步骤S3通过傅里叶变换和超松弛迭代算法完成相关装置的数据验证。4.根据权利要求2或3所述的一种基于动态电位的阴极保护系统，其特征是，步骤S1基于麦克斯韦电磁场方程组与涡流场仿真方程，将导体电流瞬间值代入欧姆定律计算，推导建立交流内阻抗计算模型，所述交流内阻抗计算模型如下所示：其中，Z为交流内阻抗，Ω；U
d
为阴极保护的导体两端电势差，V；I
d
为交流电路峰值，A；ω为交流电路角频率，Hz；t为时间，s；θ为电流相角，
°
；j为虚数单位，无量纲；V为阴极保护的导体视体积，m3；C为电容，F；E为电场强度，V/m；B为磁感应强度，T；J为电流密度，A/m；D为电位移，m；A、φ分别为磁位矢量与电位标量，无量纲；ε、σ分别为介电常数与导体电导率，以无量纲形式计。5.根据权利要求2或3所述的一种基于动态电位的阴极保护系统，其特征是，所述步骤S2运用叠加原理，对各次频率下的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：周斌，王堃，单童，钟杰，金马驹，林霄航，胡金宝，周亚单，郭立晓，刘洋，
申请(专利权)人：浙江浙能天然气管网有限公司，
类型：发明
国别省市：