强制电流法阴极保护设计
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W——一个保护站的辅助阳极质量 （kg）； Ka——阳极消耗率（kg/(A.a)） ； I1——一个保护站的输出电流（A）。
23:18 2011/6/28 28/30
X.Z.Lin
（2）校核
Tg > Ts—— 阴极保护有效且合理 Tg < Ts—— 阴极保护无效
（辅助阳极消耗过快，达不到设计要求）
23:18 2011/6/28
18/30
X.Z.Lin
（2.2）辅助阳极接地电阻
a. 单支立式阳极接地电阻的计算：
2 La RV 1 ln 2La Da 4t 3La 4t La (t Da ), ( Da La )
b．单支水平阳极接地电阻的计算
β——阳极利用系数（常取0.7~0.85）
23:18 2011/6/28
21/30
X.Z.Lin
d．组合阳极接地电阻的计算：
Ra RZ F n
式中：RZ——阳极组接地电阻，Ω； n——阳极支数，支； F——电阻修正系数； Ra——单支阳极接地电阻，Ω。 其中，电阻修正系数的计算如下：
F 1
ρ ——土壤电阻率（Ω·m）。
23:18 2011/6/28
20/30
X.Z.Lin
计算阳极接地电阻时需已知阳极几何参数，即先选 定阳极规格，可根据阳极设计寿命及所需输出电流等计 算出阳极重量，然后据此初选合适的阳极规格及阳极数 量。
W
K a I1 Ts
式中：W——一个保护站所需阳极质量 （kg） Ka——阳极消耗率（kg/(A.a)） Ts——阳极设计寿命（a）
<自学> 说明：很多内容与牺牲阳极法相似，自学时注意二者的区别。
23:18 2011/6/28 31/30
X.Z.Lin
基本要求
（1）根据设计任务单，完成两种方法的阴极保护设计
设计中所需的大多数参数已在参数表中给出，未给 出的参数应根据上课内容自行选定。
（2）完成设计说明书设计说明书应至少包括以下内容：
第三部分
强制电流法阴极保护设计
23:18 2011/6/28
1/30
X.Z.Lin
23:18 2011/6/28
2/30
X.Z.Lin
主 要 步 骤
1. 辅助阳极材料、规格选择 2. 工艺计算（包括电源、辅助阳 极） 3. 辅助阳极地床设计 4. 电源的选择 5. 其他辅助设施 6. 施工要求 7. 维护管理
8/30
X.Z.Lin
23:18 2011/6/28
9/30
X.Z.Lin
2 2、工艺计算 、工艺计算
2.1 概述
（1）计算目的：确定电源参数和阳极（站）需求量及 其分布等。 （2）设计思路：用强制电流法实现阴极保护，关键是 所用外加电源能为被保护物提供稳定、足够而又恰当的 阴极保护电流，并通过辅助阳极（站）的合理设计使电 流较均匀的分布在整个被保护物（管道）上，电位都处 于保护电位范围内。 作为外加电源，所能提供的电流是可任意调节的。 因此，设计应从管道上的电位分布入手，使整个管道均 处于保护电位范围内。
式中：R’——单位长度管道纵向电阻（Ω/m） Rgl g g R 2 2 l S
4 ( Dg外 Dg内 ）
ρg——管材电阻率（ Ωmm2/m）
S——管道横截面积（mm2） Dg内， Dg外——管道内外径（mm）
G’——单位长度管道对地散流电阻（Ω.m）
G
R pl l
s Ra
ln 0.66n
式中： ρ——阳极区土壤电阻率，Ω·m。 s——阳极间距，m；
Ra——单支阳极接地电阻，Ω。
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n——每组阳极支数，支；
22/30
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23/30
X.Z.Lin
e．连续焦炭屑水平地床接地电阻的计算：
解决办法：选择更大规格的阳极或换用消耗 率更低的阳极 ，重新设计。
Tg >> Ts—— 阴极保护有效但不经济（辅助阳极浪费）
解决办法：选择更小规格的阳极或换用质量 更差消耗率更高的阳极 ，重新设计。
23:18 2011/6/28
29/30
X.Z.Lin
3 3、电源选择 、电源选择
根据电源设计结果、实际地理环境、气候条件、 市电供应情况等进行选择。
阴极保护的一般性介绍，两种方法的比较等； 两种方法的设计过程与结果（包括方法选择、阳极与电源的选 择、工艺计算、地床设计、辅助设施、施工要求、维护管理等）； 对两种保护方法的设计结果进行比较（从技术上）； 学习与设计体会，参考文献等。
（3）以课堂教学内容为基础，对阴极保护方法，特别是埋 地钢质管道的阴极保护设计进行较系统的学习，学习 成果应在设计说明书中有所体现。 选做内容：设计结果还可从经济上进行比较
式中：I1——一个阳极站需提供的保护电流（A） I0——一个阳极站单侧保护电流（A） Dg’——管道外径（m） L0——一个阳极站的单侧保护长度（m） Js——管道所需的最小保护电流密度（A/m2）
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X.Z.Lin
（2）电源输出电压
Rc Rc Rs ) Vt V I1 R总 Vt I1 ( Ra Ra
R Rgl l
0
g
S
4
g
( D外 D内 ）
13/30
2 2
ρg——管材电阻率（ Ωmm2/m）
S——管道横截面积（mm2） D内， D外——管道内外径（mm）
X.Z.Lin
23:18 2011/6/28
Js的选取
Js的选取是设计的关键，其影响因素很多（包括：管道防 腐绝缘层的材质，施工质量以及土壤参数等），因此，理论计 算很难（误差大），实际工程中常常根据经验选取，有条件 时，可用实验测定。 本次设计，根据经验，参照绝缘层电阻率与Js的关系，由 下表选取，处于两值之间的用插值法求取。
6/30
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7/30
X.Z.Lin
1.2 阳极规格选取
方法一：
主要根据土壤电阻率和绝缘层电阻率凭经验选 择，然后进行后续设计并检验初选是否合适，若不 合适可重选。
方法二：（见后）
根据阳极寿命和需要的输出电流计算阳极重 量，然后进行初选。
23:18 2011/6/28
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14/30
X.Z.Lin
2.3 保护站分布
（1）阳极地床（保护站）个数：
Lg N C 1 L1
（即Lg/LHale Waihona Puke Baidu向上取整）
式中： L1——一个保护站的保护长度（m） Lg——管道总长度（m）
（2）阳极保护站分布方案： 2m 1 lm Lg 2NC
η——电源效率（取0.7）。
23:18 2011/6/28
27/30
X.Z.Lin
2.5 校核
——用辅助阳极工作寿命与设计寿命比较进行校核 （对于根据设计寿命选择阳极规格的情况可不校 核）
（1）辅助阳极工作寿命：
W Tg K a I1
式中： Tg——阳极工作寿命（a）；
β——阳极利用系数（常取0.7~0.85）；
2 La RH ln 2La t Da
(t La ), ( Da La )
c．深井埋设式阳极接地电阻地计算：
2 La RV 2 ln 2La Da
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(t La )
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式中：RV1——单支立式阳极接地电阻（Ω）； RV2 ——深埋式阳极接地电阻（Ω）； RH ——单支水平式阳极接地电阻（Ω）； La——阳极长度（含填料）（m）； Da——阳极等效直径（含填料）（m）； t ——埋深（填料顶部距地表面）（m）；
式中：R总——回路总电阻（Ω）； Ra——阳极接地电阻（Ω） ； Rc——阴极对地过渡电阻（Ω）； Ra’——阳极引线电阻（Ω）； Rc’——阴极引线电阻（Ω）； Rs——土壤电阻（Ω）； 可忽略？？？ Vt——采用石墨阳极或焦炭回填物时的反电动势 [常取2V]；
I1——一个保护站的输出电流（A）。
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1 1、辅助阳极材料、规格选择 、辅助阳极材料、规格选择
1.1 本设计可供选择的主要材料
高硅铸铁 石墨
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4/30
X.Z.Lin
材料性能
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5/30
X.Z.Lin
23:18 2011/6/28
式中： lm——第m个阴极保护站到起点的距离（km） NC——管道沿线阴极保护站的数目； m——小于n的一个正整数；
23:18 2011/6/28
km）。 Lg——实施阴极保护的管道长度（ 15/30
X.Z.Lin
2.4 保护站电源设计
（1）一个阳极站需提供的电流
L0 I1 2 I 0 2 J s S 表 2 J s Dg
本设计可不对电源具体选择，但要求在设计说明 书中对各种电源的特点、适用范围、选择原则进行分 析讨论。
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30/30
X.Z.Lin
4 4、辅助阳极地床设计 、辅助阳极地床设计 5 5、其他辅助设施与技术要求 、其他辅助设施与技术要求 6 6、施工要求 、施工要求 7 7、维护管理 、维护管理
R' G' Rc 2th( L0 )
式中：R‘——单位长度管道纵向电阻（Ω/m）； G‘——单位长度管道对地散流电阻（Ω·m）；
α——管道衰减系数；
L0——通电点一侧的保护长度（m）。
23:18 2011/6/28
25/30
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衰减系数计算方法
（与牺牲阳极法相同）
R G
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X.Z.Lin
（2.1）导线电阻
——根据导线长度和导线电阻率计算
推荐导线： 阳极连接电缆：VV29-0.5kV/1×16，电阻率：1.12Ω/km 阴极连接电缆：VV29-0.5kV/1×35，电阻率：0.519Ω/km 架空线： LGJ-50钢芯铝绞线，电阻率：0.65Ω/km
p
P
p Dg外
ρp——管道覆盖层面电阻（ Ωm2）
P——管道覆盖层周长
23:18 2011/6/28
Dg外——管道外径（m）
26/30
X.Z.Lin
（3）一个保护站的电源设备输出功率
P＝
I1V
式中：P——强制电流阴极保护的电源功率（W）； I1——一个保护站需要提供的保护电流（A）； V——电源的输出电压（V）；
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（3）电流、电位分布
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11/30
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12/30
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2.2 强制电流一个保护站的保护长度
L1 2 L0 8VL0
Dg J s R'
式中： L1——一个保护站的保护长度（m）； L0——一个保护站的单侧保护长度（m）； △VL ——L0长管道上电压降（V）； Dg——管道外径（m）； Js——保护电流密度（A/m2）； R’——单位长度管道纵向电阻（Ω/m）。
（自学“阴极保护的经济性分析”）
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X.Z.Lin
lt Rt ln 2lt t d
2
式中：Rt——连续焦炭屑水平地床接地电阻（Ω）；
ρ——土壤电阻率（Ω·m）；
lt——连续地床的长度（m）； d——阳极直径（含填料）（m）； t——埋深（填料顶部距地表面）（m）。
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24/30
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（2.3）阴极（管道）接地电阻
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（2）校核
Tg > Ts—— 阴极保护有效且合理 Tg < Ts—— 阴极保护无效
（辅助阳极消耗过快，达不到设计要求）
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（2.2）辅助阳极接地电阻
a. 单支立式阳极接地电阻的计算：
2 La RV 1 ln 2La Da 4t 3La 4t La (t Da ), ( Da La )
b．单支水平阳极接地电阻的计算
β——阳极利用系数（常取0.7~0.85）
23:18 2011/6/28
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d．组合阳极接地电阻的计算：
Ra RZ F n
式中：RZ——阳极组接地电阻，Ω； n——阳极支数，支； F——电阻修正系数； Ra——单支阳极接地电阻，Ω。 其中，电阻修正系数的计算如下：
F 1
ρ ——土壤电阻率（Ω·m）。
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计算阳极接地电阻时需已知阳极几何参数，即先选 定阳极规格，可根据阳极设计寿命及所需输出电流等计 算出阳极重量，然后据此初选合适的阳极规格及阳极数 量。
W
K a I1 Ts
式中：W——一个保护站所需阳极质量 （kg） Ka——阳极消耗率（kg/(A.a)） Ts——阳极设计寿命（a）
<自学> 说明：很多内容与牺牲阳极法相似，自学时注意二者的区别。
23:18 2011/6/28 31/30
X.Z.Lin
基本要求
（1）根据设计任务单，完成两种方法的阴极保护设计
设计中所需的大多数参数已在参数表中给出，未给 出的参数应根据上课内容自行选定。
（2）完成设计说明书设计说明书应至少包括以下内容：
第三部分
强制电流法阴极保护设计
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主 要 步 骤
1. 辅助阳极材料、规格选择 2. 工艺计算（包括电源、辅助阳 极） 3. 辅助阳极地床设计 4. 电源的选择 5. 其他辅助设施 6. 施工要求 7. 维护管理
8/30
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2 2、工艺计算 、工艺计算
2.1 概述
（1）计算目的：确定电源参数和阳极（站）需求量及 其分布等。 （2）设计思路：用强制电流法实现阴极保护，关键是 所用外加电源能为被保护物提供稳定、足够而又恰当的 阴极保护电流，并通过辅助阳极（站）的合理设计使电 流较均匀的分布在整个被保护物（管道）上，电位都处 于保护电位范围内。 作为外加电源，所能提供的电流是可任意调节的。 因此，设计应从管道上的电位分布入手，使整个管道均 处于保护电位范围内。
式中：R’——单位长度管道纵向电阻（Ω/m） Rgl g g R 2 2 l S
4 ( Dg外 Dg内 ）
ρg——管材电阻率（ Ωmm2/m）
S——管道横截面积（mm2） Dg内， Dg外——管道内外径（mm）
G’——单位长度管道对地散流电阻（Ω.m）
G
R pl l
s Ra
ln 0.66n
式中： ρ——阳极区土壤电阻率，Ω·m。 s——阳极间距，m；
Ra——单支阳极接地电阻，Ω。
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n——每组阳极支数，支；
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23/30
X.Z.Lin
e．连续焦炭屑水平地床接地电阻的计算：
解决办法：选择更大规格的阳极或换用消耗 率更低的阳极 ，重新设计。
Tg >> Ts—— 阴极保护有效但不经济（辅助阳极浪费）
解决办法：选择更小规格的阳极或换用质量 更差消耗率更高的阳极 ，重新设计。
23:18 2011/6/28
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3 3、电源选择 、电源选择
根据电源设计结果、实际地理环境、气候条件、 市电供应情况等进行选择。
阴极保护的一般性介绍，两种方法的比较等； 两种方法的设计过程与结果（包括方法选择、阳极与电源的选 择、工艺计算、地床设计、辅助设施、施工要求、维护管理等）； 对两种保护方法的设计结果进行比较（从技术上）； 学习与设计体会，参考文献等。
（3）以课堂教学内容为基础，对阴极保护方法，特别是埋 地钢质管道的阴极保护设计进行较系统的学习，学习 成果应在设计说明书中有所体现。 选做内容：设计结果还可从经济上进行比较
式中：I1——一个阳极站需提供的保护电流（A） I0——一个阳极站单侧保护电流（A） Dg’——管道外径（m） L0——一个阳极站的单侧保护长度（m） Js——管道所需的最小保护电流密度（A/m2）
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（2）电源输出电压
Rc Rc Rs ) Vt V I1 R总 Vt I1 ( Ra Ra
R Rgl l
0
g
S
4
g
( D外 D内 ）
13/30
2 2
ρg——管材电阻率（ Ωmm2/m）
S——管道横截面积（mm2） D内， D外——管道内外径（mm）
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Js的选取
Js的选取是设计的关键，其影响因素很多（包括：管道防 腐绝缘层的材质，施工质量以及土壤参数等），因此，理论计 算很难（误差大），实际工程中常常根据经验选取，有条件 时，可用实验测定。 本次设计，根据经验，参照绝缘层电阻率与Js的关系，由 下表选取，处于两值之间的用插值法求取。
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1.2 阳极规格选取
方法一：
主要根据土壤电阻率和绝缘层电阻率凭经验选 择，然后进行后续设计并检验初选是否合适，若不 合适可重选。
方法二：（见后）
根据阳极寿命和需要的输出电流计算阳极重 量，然后进行初选。
23:18 2011/6/28
23:18 2011/6/28
14/30
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2.3 保护站分布
（1）阳极地床（保护站）个数：
Lg N C 1 L1
（即Lg/LHale Waihona Puke Baidu向上取整）
式中： L1——一个保护站的保护长度（m） Lg——管道总长度（m）
（2）阳极保护站分布方案： 2m 1 lm Lg 2NC
η——电源效率（取0.7）。
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2.5 校核
——用辅助阳极工作寿命与设计寿命比较进行校核 （对于根据设计寿命选择阳极规格的情况可不校 核）
（1）辅助阳极工作寿命：
W Tg K a I1
式中： Tg——阳极工作寿命（a）；
β——阳极利用系数（常取0.7~0.85）；
2 La RH ln 2La t Da
(t La ), ( Da La )
c．深井埋设式阳极接地电阻地计算：
2 La RV 2 ln 2La Da
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(t La )
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式中：RV1——单支立式阳极接地电阻（Ω）； RV2 ——深埋式阳极接地电阻（Ω）； RH ——单支水平式阳极接地电阻（Ω）； La——阳极长度（含填料）（m）； Da——阳极等效直径（含填料）（m）； t ——埋深（填料顶部距地表面）（m）；
式中：R总——回路总电阻（Ω）； Ra——阳极接地电阻（Ω） ； Rc——阴极对地过渡电阻（Ω）； Ra’——阳极引线电阻（Ω）； Rc’——阴极引线电阻（Ω）； Rs——土壤电阻（Ω）； 可忽略？？？ Vt——采用石墨阳极或焦炭回填物时的反电动势 [常取2V]；
I1——一个保护站的输出电流（A）。
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1 1、辅助阳极材料、规格选择 、辅助阳极材料、规格选择
1.1 本设计可供选择的主要材料
高硅铸铁 石墨
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材料性能
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23:18 2011/6/28
式中： lm——第m个阴极保护站到起点的距离（km） NC——管道沿线阴极保护站的数目； m——小于n的一个正整数；
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km）。 Lg——实施阴极保护的管道长度（ 15/30
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2.4 保护站电源设计
（1）一个阳极站需提供的电流
L0 I1 2 I 0 2 J s S 表 2 J s Dg
本设计可不对电源具体选择，但要求在设计说明 书中对各种电源的特点、适用范围、选择原则进行分 析讨论。
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4 4、辅助阳极地床设计 、辅助阳极地床设计 5 5、其他辅助设施与技术要求 、其他辅助设施与技术要求 6 6、施工要求 、施工要求 7 7、维护管理 、维护管理
R' G' Rc 2th( L0 )
式中：R‘——单位长度管道纵向电阻（Ω/m）； G‘——单位长度管道对地散流电阻（Ω·m）；
α——管道衰减系数；
L0——通电点一侧的保护长度（m）。
23:18 2011/6/28
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衰减系数计算方法
（与牺牲阳极法相同）
R G
23:18 2011/6/28 17/30
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（2.1）导线电阻
——根据导线长度和导线电阻率计算
推荐导线： 阳极连接电缆：VV29-0.5kV/1×16，电阻率：1.12Ω/km 阴极连接电缆：VV29-0.5kV/1×35，电阻率：0.519Ω/km 架空线： LGJ-50钢芯铝绞线，电阻率：0.65Ω/km
p
P
p Dg外
ρp——管道覆盖层面电阻（ Ωm2）
P——管道覆盖层周长
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Dg外——管道外径（m）
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（3）一个保护站的电源设备输出功率
P＝
I1V
式中：P——强制电流阴极保护的电源功率（W）； I1——一个保护站需要提供的保护电流（A）； V——电源的输出电压（V）；
23:18 2011/6/28 10/30
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（3）电流、电位分布
23:18 2011/6/28
11/30
X.Z.Lin
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2.2 强制电流一个保护站的保护长度
L1 2 L0 8VL0
Dg J s R'
式中： L1——一个保护站的保护长度（m）； L0——一个保护站的单侧保护长度（m）； △VL ——L0长管道上电压降（V）； Dg——管道外径（m）； Js——保护电流密度（A/m2）； R’——单位长度管道纵向电阻（Ω/m）。
（自学“阴极保护的经济性分析”）
23:18 2011/6/28 32/30
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lt Rt ln 2lt t d
2
式中：Rt——连续焦炭屑水平地床接地电阻（Ω）；
ρ——土壤电阻率（Ω·m）；
lt——连续地床的长度（m）； d——阳极直径（含填料）（m）； t——埋深（填料顶部距地表面）（m）。
23:18 2011/6/28
24/30
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（2.3）阴极（管道）接地电阻