動態直流雜散電流是指大小和方向始終變化的雜散電流。典型的干擾源是直流供電的地鐵或輕軌。動態直流雜散電流對周邊埋地管道干擾主要表現為管道通電電位的持續波動。直流雜散電流隨列車運行時間而變化，干擾時間段與地鐵運行時段高度吻合。由于傳統管道陰極保護恒電位儀控制模式的限制，動態直流雜散電流引起的管地電位持續變化使恒電位儀輸出波動，嚴重影響了陰極保護效果。

恒電位儀是強制電流陰極保護系統的核心設備，傳統恒電位儀主要工作模式為“恒電位”（通電電位恒定）和“恒電流”。“恒電位”模式是最為常用的運行模式，其通過調節恒電位儀輸出電流，使得恒電位儀采樣控制點處的通電電位與預置電位保持一致。測量管道電位時，參比電極與被測對象之間土壤中的動態直流雜散電流使測量回路中電壓降（簡稱IR降）持續波動，故管道通電電位無法準確反映管道的真實保護狀況。這是傳統恒電位儀“恒電位”模式運行的重要缺陷，其提供的保護電位也不符合相關標準的要求。此外，通電電位波動會導致恒電位儀在“恒電位”模式不能正常運行，此時會將恒電位儀調整到“恒電流”模式，但在該模式下恒電位儀將無法根據管道保護電位需要自動調整輸出電流。

根據工程檢測經驗，在多數受動態直流雜散電流干擾的環境中，管道斷電電位波動相對較小，因此根據斷電電位控制恒電位儀的輸出更為合理，但現有恒電位儀無法實現該功能。

新型數控高頻開關恒電位儀

01  系統架構

新型數控高頻開關恒電位儀采用模塊化結構，共分為5個功能單元模塊。

主控模塊主要負責參數設定與存儲、算法、通信、狀態監測等功能。每套電源配置1個主控模塊。

電源模塊主要負責將市電電源變換成陰極保護所需的直流電，輸出電流大小根據主控模塊指令確定。每套電源可以配置1~6個電源模塊。

采樣模塊主要負責通電電位、斷電電位的數據采集，每套電源可以配置1~12個采樣模塊。

顯示操作單元主要負責數據及狀態顯示，以及參數設置鍵盤，包括液晶屏、指示燈、薄膜按鍵等，每套電源配置1個顯示操作單元。

供電單元主要負責將市電電源分配給電源模塊，以及為控制系統供電。每套電源配置1個供電單元。

主控模塊、采樣模塊、電源模塊，通過高速CAN總線連接。新型恒電位儀對外通信接口有RS-485和以太網，其架構如圖1所示。

圖1 新型恒電位儀架構示意圖

02   工作模式的控制原理

新型恒電位儀的恒通電電位模式（傳統恒電位儀的恒電位模式）、恒電流模式、恒電壓模式與傳統恒電位儀相同，此處不再重復說明。該新型恒電位儀新增了恒斷電電位的工作模式，以下將對其控制原理進行重點介紹。

恒斷電電位模式是給每路輸出指定一個主控采樣模塊，并設定一個斷電電位控制目標（預置斷電電位），每路輸出的預置斷電電位可以不同。斷電電位數據通過試片通斷法進行測量，其主要的工作參數是通電時間、斷電時間、斷電電位采樣點時間間隔。這3個工作參數可以在恒電位儀上進行設定。

在恒斷電電位模式運行時，新型恒電位儀首先檢測斷電電位，再將測量出的斷電電位與預置斷電電位進行比較，根據兩者之間的偏差，調整恒電位儀的輸出電流。

03   安裝模式

新型恒電位儀可采用單機獨立機箱安裝或控制柜組裝兩種方式。當采用機箱安裝時，該新型恒電位儀支持1~2路輸出，而采用控制柜組裝時，最高可提供6路輸出。

使用者可根據使用環境選擇不同的安裝方式：機箱安裝的方式適用于長輸管道陰極保護；控制柜組裝方式適用于需要多路綜合輸出進行保護的情況，一般常用于大型輸油氣站場或罐區的陰極保護。

新型數控高頻開關恒電位儀的應用

某天然氣管道距起點84～110 km管段受到地鐵嚴重的動態直流雜散電流干擾，管理單位前期檢測結果顯示：沿線電位測試樁通電電位波動大，最大波動幅度達5 V。大部分測試樁斷電電位平均值不滿足陰極保護標準要求（低于-0.85 V）。干擾段內有陰保間1座，位于4號閥室，但由于通電電位波動較大，恒電位儀采用恒電位（恒通電電位）模式運行時持續報警，電流輸出不平穩，陰極保護效果欠佳。將新型恒電位儀應用于受動態直流雜散電流嚴重干擾的管段，現場測試該新型恒電位儀的應用效果。

斷電電位檢測方法選擇

如以斷電電位作為控制電位，其前提是斷電電位需相對穩定，不能存在較大波動，否則與傳統恒電位儀控制缺陷類似，效果也將不理想。

在動態直流雜散電流干擾下，同步通斷法不適用于斷電電位的測量，常見的測試方法為極化頭探頭法和土壤管法。極化探頭可維護性較低，且存在硫酸銅污染極化試片（近參比電極）的問題，其工程應用存在諸多弊端，因此近年來土壤管法應用較多。

土壤管一般采用PVC、PE或PC管，極化試片安裝在土壤管一側，管道填充低電阻率的土壤或其他鹽類，測量時將參比電極放置在管內，通過通/斷極化試片測量通/斷電電位。由于土壤管管材采用絕緣材料，能很好地屏蔽土壤中的電位梯度，從而消除了土壤IR降。此外，參比電極與試片距離較遠時，能大大減輕試片受硫酸銅污染的問題。

測試方法

將4號閥室原恒電位儀更換為新型高頻數控開關恒電位儀，但保留原陰極保護系統的陽極地床、管道零位電纜、陰極電纜。在采樣控制點處安裝土壤管，將連接參比電極的電纜和連接試片的電纜均引至恒電位儀并與相應的端子連接。測試系統安裝如圖2所示。

圖2 新型恒電位儀測試系統安裝圖

測試時，采用恒斷電控制模式，設置目標斷電電位為-1.10 V，試片通/斷周期為通4 s/斷1 s，斷電電位采樣時間為500 ms。管道零位線與極化試片線在新型恒電位儀內部進行連接，斷電電位測量時，通過隔離開關將試片與管道零位線斷開，斷開500 ms后測量試片的斷電電位。新型恒電位儀將斷電電位的測量值與預置值進行比較，調整輸出電流，使兩者達到一致。

新型恒電位儀運行24 h后，在線路采樣控制點、管程85 km以及104 km處進行電位連續測試，分析陰極保護效果，評價新型恒電位儀的應用效果。

恒電位儀參數設置

在測試周期內，新型恒電位儀的運行參數設置如下：

運行模式：恒斷電電位

預置斷電電位1：-1.10 V（2021.1.21 15:25至2021.1.22 8:15）

預置斷電電位2：-1.18 V（2021.1.22 8:15至2021.1.22 14:00）

試片通斷周期：通4 s，斷1 s

斷電電位采樣延遲時間：500 ms

恒電位儀參數采集頻率：1條/min

現場測試結果

01   輸出電流和輸出電壓

在測試周期內，新型恒電位儀的輸出電流與輸出電壓變化詳見圖3，可見當預置斷電電位為-1.10 V時，輸出電流運行平穩，波動較小。由于管道與陽極地床之間土壤中存在雜散電流引起的IR降，輸出電壓受雜散電流干擾存在波動。當預置斷電電位為-1.18 V時，輸出電流及輸出電壓隨之升高。相比傳統恒電位儀的恒通電電位控制，新型恒電位儀在恒斷電電位模式下，輸出波動小，運行穩定，輸出電流能根據預置斷電電位進行調整。

圖3 新型恒電位儀輸出電流及輸出電壓曲線

02   線路陰極保護效果

新型恒電位儀穩定運行后，在線路采樣控制點、管程85 km以及104 km處進行了電位連續監測，測量結果如圖4~6所示，結果表明：測試點存在明顯的動態直流雜散電流干擾，干擾時間段與地鐵運行時間一致，可初步認定干擾源為地鐵；用土壤管測量斷電電位時，土壤中雜散電流屏蔽較為明顯，斷電電位波動較小；恒斷電電位工作模式下，采樣控制點斷電電位與新型恒電位儀預置斷電電位基本一致，設備測量控制準確；恒斷電電位工作模式下，當預置斷電電位調整至-1.18 V后，管程85 km斷電電位最正值負于-0.85 V，電位提升效果明顯；管程104 km處電位測試樁位于兩個陰保站之間，調整4號閥室新型恒電位儀輸出對其電位無明顯影響。雖然此處斷電電位平均值滿足標準要求，但還應根據AS 2832.1-2015標準評價其受干擾程度，必要時應增加直流干擾防護措施。

圖4 采樣控制點電位連續檢測曲線

圖5 管程85 km處電位連續檢測曲線

圖6 管程104 km處電位連續檢測曲線

結論

動態直流雜散電流干擾引起的管道通電電位波動嚴重影響了恒電位儀輸出穩定性以及陰極保護效果。基于管道斷電電位控制恒電位儀的輸出可很大程度減輕通電電位持續變化引起的輸出波動，從而提升陰極保護效果。該新型恒電位儀的研制與應用將為動態直流干擾下的長輸管道陰極保護控制難點提供更為合理的解決方案。