阴极保护用变压整流器及其远程监控系统江小雪

阴极保护用变压整流器及其远程监控系统
江小雪*，何小松，杨太年
东方建设（天津）防腐工程有限公司，天津，300457
1.引言
海工钢结构、地下管线和埋地储罐等无时无刻不在遭受着介质不同程度的腐蚀，这带来了巨大的经济损失。

英美等发达国家在上世纪60年代发表腐蚀调查报告，揭示腐蚀损失总量可达到整个国家GDP的 2.9 ～4.2％，此后防腐引起世界各国的关注和重视。

外加电流阴极保护是通过直流电源向被保护金属结构通以阴极电流使之发生阴极极化，实现保护金属结构物的一种方法。

历经100多年的发展，外加电流阴极保护技术取得了长足发展，该项技术的应用领域广泛，涉及到港口码头的钢结构、钢筋混凝土中的钢筋、石油管线、储罐、化工容器、埋地管道等【1】。

在外加电流阴极保护系统中，直流电源为阴极保护系统提供保护电流，是整个系统的心脏，这就决定了可靠性是电源设备的首要问题。

为满足海工钢结构以及石油管线等各领域钢结构外加电流阴极保护的需求，特为此研发设计了外加电流阴极保护系统的电源：变压整流器；同时，为了适应现代化管理的要求，特为本系统设计开发了一套基于GPRS的智能远程监控及其软件系统。

实施后的该系统能很好的保证外加电流阴极保护系统安全运行、提高运行效率、确保保护效果、延长受保护体使用寿命、方便系统管理控制、降低系统管理运行费用等。

本文详细介绍了这套专为外加电流阴极保护系统研发的变压整流器及其智能远程监控系统。

2.外加电流阴极保护原理
海水、土壤等介质环境中，各种钢结构在遭受着不同程度的腐蚀。

电位相对较负的区域是这个电池的阳极，金属发生氧化反应而腐蚀溶解；电位较正的区域为该电池的阴极，在金属表面发生还原反应；海水或土壤中的水为电流提供了回路，形成了金属的腐蚀。

外加电流阴极保护的原理如图1所示。

人为地将需要保护的钢结构作为阴极,另用不溶性的物质作阳极(辅助阳极),在两极之间外加与原电池极性相反的直流电源，这样在通电后,大量电子被强制流向需要保护的钢结构,使钢铁表面产生负电荷(电子)的积累,这就抑制了钢结构发生失去电子的作用,从而达到防止钢铁腐蚀的目的。

【2】
*江小雪（1981－）：重庆市璧山县人，2003年毕业于天津大学材料学院，获工学硕士学位，现从事阴极保护行业技术工作。

Email：grace.jiang@.
图1 外加电流阴极保护原理示意图
在外加电流阴极保护系统中，直流电源是系统正常运行的关键所在。

因此选择经久耐用而又安全可靠的直流电源是外加电流阴极保护系统设计中的重要环节。

3.变压整流器
3.1 概述
目前，变压整流器是外加电流阴极保护系统最常用的电源，变压整流器结构简单、安全可靠、能长期稳定运行、操作维护简单、价格便宜。

本文专为外加电流阴极保护系统用电源研发的油冷型变压整流器采用晶闸管初级调压、变压器降压、次级整流管整流技术，具有输出调节平滑，损耗小、效率高的特点，并留有较高的电流裕度,是一种理想的阴级保护用直流电源【3】。

3.2 变压整流器结构
该设备由整流变压器、晶闸管调压单元、整流管整流单元、滤波电感及控制组件构成。

其中整流变压器、整流管整流单元和滤波电感放置在变压器油箱内，油箱内较小的温差延长了这些电子器件的使用寿命；其它器件放置在控制箱内，以便与监控系统之间的联系，同时也方便部件维修。

针对在海洋环境下使用的特殊情况，对设备箱体进行了相应的特殊处理，如加强壳体的耐腐蚀能力、加强防护等级（IP65）等，以保证设备的安全稳定运行。

3.3 变压整流器调节原理
变压整流器的运行状态（输出电流、输出电压、油温等）通过监控系统传递到中央控制中心，方便用户随时随地观察设备的运行状况。

变压整流器一旦出现故障，中控中心会立即向用户发出报警并同时对故障进行分析处理，然后将调整策略下达到变压整流器控制组件，调整变压整流器的运行参数，使之恢复正常运行。

另外，监控系统合理的调节策略对延长变压整流器的使用寿命和平稳运行提供了保障。

4.远程监控系统
4.1 概述
监控系统对每个外加电流阴极保护系统的三个参比电极（同时提供备用采样通道，以便
适应各种阴极保护系统的要求）的电位进行采样，按照既定的控制策略对变压整流器的输出进行控制，使阴极保护系统的保护效果满足相关的标准规范【4】。

实施后的采集控制系统遵循可管理性、实用性、灵活性、可扩充性、模块化和可靠性的原则。

所有基础设施（材料、部件、设备）都采用国际统一标准（EIA/TIA 568）。

因此，无论将来的网络设备随技术发展到何种水平，只要它们符合标准，就能够很方便的连入本布线系统中。

4.2 控制原理
本系统的网络结构基于系统灵活性和安全性的设计原则，采用广泛应用于工业网络的总线网络拓扑结构。

这种网络形式具有很好的稳定性、可靠性和安全性，既能良好得满足数据传输工作任务，也保留将来的系统扩充的需求。

多个采集点通过双绞线接入NCC-0808型网络通讯控制器。

如图2所示：
图2 远程监控系统网络结构示意
恒电位控制器的各种校准参数和控制策略，可由人机对话方式人工录入或由远程的中央控制室下传到本机，本机将其存放到电子磁盘中，以便运行时使用。

采样的参比电极电位，送给主板上的键盘和采样协处理器，再由协处理器拆包后送给主处理器。

同时主处理器与被控电源进行交互，根据各个参比电极电压、被控电源的输出电压和输出电流以及电子盘中由人工录入或由中央控制室下传的控制策略对被控电源进行控制。

另外，主处理器会按中央控制室指定的时间间隔通过网络通讯协处理器向网络通讯控制器上传测量结果。

网络通讯控制器是一台可将至多8个各种全／半双工的串行工业现场总线集合在一起,
并通过通用串行总线(Universal Serial Bus) USB或RS232／485与个人计算机（PC）或其他标准的数字通讯网进行快速数据交换的智能化设备, 可用于分布式或集中式的多级工业自动化测控系统中，作为各个智能化结点的数据交换纽带。

4.3 相关应用软件
针对外加电流阴极保护系统为开发的远程监控系统应用软件主要包括以下几项功能：
（1） 数据的采集发送与接收
实时采集相关参数（参比电极电位、变压整流器工作状态等），并通过GPRS向中央控制室发送；实时处理相关数据；反馈中央控制室下达的各种控制指令，对变压整流器进行控制，使外加电流阴极保护系统处于良好的运行状态。

（2） 远程监控软件系统
监控软件系统具有以下几个主要功能：
①实时控制现场数据的上传，以图表和动态曲线的形式显示系统现场运行参数的动态变化情况，并对接收到的数据或指令及时处理、保存。

②当参数超限或出现异常时，及时报警，显示故障设备的具体信息（故障设备的编号、地点、日期和时间、所属部门、责任人等），并按照规定的调整策略向故障设备控制系统发出相应的调整信息。

③数据库的管理，包括静态资料性数据的录入、动态数据的存储、按条件分类、查询、浏览、数据的导入与导出、历史数据的维护、按条件分析处理并打印数据等。

（3） 采集数据的WEB发布系统
将控制中心的数据发布到特定的Web Server上，以便业主或承包商等使用人员按照权限随时随地掌握外加电流阴极保护系统的运行状况。

同时，如果遇到特殊故障，授权的专业技术人员可以通过 Internet及时对故障进行处理，保障系统的安全稳定运行。

5.结束语
本文介绍了专为外加电流阴极保护系统设计的变压整流器及其远程监控系统。

该系统可用到各种安全区的外加电流阴极保护系统中以保证外加电流阴极保护系统安全运行、提高运行效率、确保保护效果、延长受保护体使用寿命、方便系统管理控制、降低系统管理运行费用。

尤其适合现场偏远、对仪器的管理和维护比较困难以及安装分散等情况。

该系统使业主或承包商等使用人员按照权限随时随地掌握外加电流阴极保护系统的运行状况，并对系统故障进行及时处理。

该系统已在天津港集装箱三期钢管桩外加电流阴极保护系统中得到有效地利用，获得了良好的运行效果。

该套系统遵循了可管理性、实用性、灵活性、可扩充性、模块化和可靠性的原则，很好的适应了现代工业的发展趋势，在未来的阴极保护系统中具有很好的应用前景。

参考文献
（1） 武烈, 我国阴极保护技术的发展及其高新技术化的探索, 腐蚀与防护, 2006, 27（3）: 136～139.
（2） 胡士信, 阴极保护工程手册, 化学工业出版社, 北京, 2003年10月.
（3） 程增艳, 一种阴极保护电源的设计, 工业特种电源, 2004, 7: 30～32.
（4） 袁佑新, 黄锴, 常雨芳等, 防腐电源监控系统设计与实现, 武汉理工大学学报, 2005, 27（7）: 77～79.。