管道的強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)主要由外加直流電源和輔助陽(yáng)極接地床構(gòu)成。基典型系統(tǒng)如圖10-32所示。
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圖10-32 管道的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)
1—整流器 2—連接頭 3—陽(yáng)極電纜 4—交流輸入 5—焦炭　6—輔助陽(yáng)極 7—參比電極 8—管道 9—接電壓表陰極

一、強(qiáng)制電流保護(hù)的設(shè)備與裝置

　　強(qiáng)制電流保護(hù)的設(shè)備與附屬裝置，如圖10-33所示。它包括直流電源、輔助陽(yáng)級(jí)、絕緣法蘭、測(cè)試樁和檢查片。
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圖10-33 管道陰極保護(hù)示意
1—流電源 2—整流器 3—陽(yáng)極 4—被保護(hù)管線　5—絕緣法蘭 6—測(cè)試樁 7—檢查片

　　(一)電源設(shè)備
　　陰極保護(hù)系統(tǒng)中，需要穩(wěn)定的直流電源，能保證長(zhǎng)期持久的供電。陰極保護(hù)電源是陰極保護(hù)的重要設(shè)施，低電壓、大電流是其特點(diǎn)。一般情況下應(yīng)優(yōu)先考慮市電，或各類(lèi)站、場(chǎng)穩(wěn)定可靠的交流電源。當(dāng)使用農(nóng)用電時(shí)，必須裝有備用電源或不間斷供電的專(zhuān)門(mén)設(shè)備。
　　對(duì)于無(wú)市電地區(qū)，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)電源還可以選擇太陽(yáng)能電池、高容量蓄電池、無(wú)人管理的密閉循環(huán)發(fā)電機(jī)組等。這些電源設(shè)備都應(yīng)具備；輸出電壓、電流可調(diào)；可長(zhǎng)期連續(xù)供電，可靠性高；壽命長(zhǎng)；易于維修保養(yǎng)；對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；具有過(guò)載、防雷、故障保護(hù)裝置。
　　1.整流器的類(lèi)型 整流器是一種將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷难b置。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)元件，操作維護(hù)都方便。
　　自然空冷式整流器元件的選擇取決于所需性能及周?chē)鷾囟群吞鞖獾挠绊?。目前常用的整流元件特性如?0-52所示。
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　　硒整流器僅允許有相當(dāng)?shù)偷碾娏?，因此所需空間大，仍經(jīng)常在陰極保護(hù)裝置里使用是因?yàn)樗?jīng)得住足夠的工作溫度，對(duì)過(guò)載和過(guò)壓不敏感。在交流線路里快速熔斷保險(xiǎn)絲和直流輸出端的慢速熔斷絲足以應(yīng)付過(guò)載情況。
　　鍺整流元件不能用于陰極保護(hù)，因?yàn)樗荒苤瞥傻凸β实亩O管。有時(shí)，將二極管裝在雜散電流導(dǎo)體上以切斷反向電流，但很明顯，在過(guò)載時(shí)易在兩個(gè)方向上導(dǎo)通。
　　硅整流元件是陰極保護(hù)整流設(shè)備中最常用的。它具有很高的電流容量和整流電壓，所需空間很小?，F(xiàn)行的硅二極管均為封閉式的，因此不受外界氣候的影響。但是，硅二極管對(duì)超壓和過(guò)載很敏感，應(yīng)在變壓器和整流元件之間串入特快熔斷器，并在輸出端提供過(guò)載保護(hù)。在正常的氣候條件下和低環(huán)境溫度下，硅整器和低效率的硒整流器一樣經(jīng)濟(jì)。
　　2.恒電流式整流器 雜散電流保護(hù)用整流器為磁飽和電抗器或可控硅整流器，電流排放時(shí)不受外部電阻或反向電壓的支配。帶有限流或?yàn)V波的整流器有一個(gè)增大的內(nèi)部阻抗，像一個(gè)恒電流穩(wěn)流器。這種整流器特別適用于強(qiáng)制排除覆蓋層相當(dāng)差的管線的雜散電流，這種管線的管一地電位通常與排出的電流成比例。安裝恒電流保護(hù)裝置時(shí)，管—地電位即使出現(xiàn)相當(dāng)小的波動(dòng)，也應(yīng)予以考慮。
　　恒電流控制的整流器有時(shí)用于敷設(shè)在正向電車(chē)軌道下面的管道的陰極保護(hù)。一般應(yīng)當(dāng)將雜散電流朝自然流向排流，即最后在鐵軌交叉點(diǎn)的兩邊若干千米遠(yuǎn)處實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。
　　3.恒是位式整流器 管一地電位，特別是良好覆蓋層管線的管一地電位，在下流電電氣鐵道影響范圍內(nèi)經(jīng)常波動(dòng)很大。因此，非可控保護(hù)裝置的平均管一地電位，必須大幅度減少，以便雜散電流高時(shí)維持一個(gè)適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電位。過(guò)負(fù)的管一地電全不僅增加電功損耗，而且還對(duì)其他管線產(chǎn)生不利影響。電化學(xué)試驗(yàn)長(zhǎng)期使用恒電位法來(lái)保持電極電位的恒定。同樣，能夠用磁放大器或控制整流器的閘流管來(lái)控制管線和參比電極之間的電俠。用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的參比電極作為埋地裝置的控制電極。例如自然電位比較穩(wěn)定的金屬鐵、銅、鋅或鎂。如果可能，控制電極應(yīng)安裝于管一地電位最不利的地方(如鐵路交叉點(diǎn))，并靠近管道，以便在測(cè)量結(jié)果中包括的土壤電位降最小。
　　圖10-34是磁放大恒電位控制器的基本電路。整流器中的電壓表是用以調(diào)整管線給定電位的。實(shí)際測(cè)得的管一地電位的電壓與這個(gè)參比電壓相比得一電壓差，此電壓差通過(guò)磁飽和電抗器控制整流器變壓器的輸出。如果管一地電位從參比值向正向偏移，則保護(hù)電流增加；若向負(fù)向偏移，則保護(hù)電流減少。幾個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的裝置的響應(yīng)時(shí)間必須可調(diào)，以避免感應(yīng)振蕩。當(dāng)管一地電位恒定時(shí)，在鐵軌電位極負(fù)時(shí)則經(jīng)常產(chǎn)生很高的電流峰值。因此，控制裝置的整流板通常要做成能通過(guò)相當(dāng)于變壓器電流兩倍的電流。
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圖10-34 可控電位整流器的排流方框圖
1—交流電源 2—磁飽和輸入 3—參與電極　4—磁飽和輸出 5—整流輸出 6—軌道或陽(yáng)極 7—管道

　　 4．可控硅恒電位儀 陰極保護(hù)過(guò)程中。金屬管道的一地是位往往因各種因素而變化。如供電電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、氣候的變化、管道防腐層的老化變質(zhì)、雜散電流的干擾、土壤含水量的變化等，均可使管道的電位發(fā)生波動(dòng)。
　　為維持管道電位永遠(yuǎn)處于一最佳的電位范圍內(nèi)，就需經(jīng)常調(diào)節(jié)供電電源的電位與輸出電流，使管道電位恒定在一規(guī)定的范圍內(nèi)。這就需要采用恒電位儀自動(dòng)控制。
　　恒電位儀可在無(wú)人值守的情況下自動(dòng)調(diào)節(jié)電流和電壓，使管道陰極保護(hù)通電點(diǎn)電位恒定在控制電位內(nèi)，達(dá)到最佳保護(hù)效果。
　　(1)原理可控硅恒電位儀利用可控硅整流器作電源，自動(dòng)改變電解中被控制對(duì)象的電流密度，使其處于某一最佳控制電位。其基本原理如圖10-35所示。
圖10-35 恒電位儀的方框原理
1—參比電極 2—研究電極 3—輔助電極
　　當(dāng)外界條件(介質(zhì)成分、溫度、濕度等)發(fā)生變化時(shí)，引起研究電極電位的偏移(即管道的電位)，此偏移可由參比電極取值經(jīng)與控制基準(zhǔn)電位在比較器比較，輸出一個(gè)不平衡信號(hào)給放大器，經(jīng)放大后輸入調(diào)整器，調(diào)節(jié)極化電流的大小，從而使研究電極恢復(fù)到所控制的電位值，做到電位恒定。
　　恒電位儀在室內(nèi)工作，目前我國(guó)在長(zhǎng)輸管道上已實(shí)現(xiàn)微機(jī)管理。全部做到自動(dòng)化。
　　(2)恒電位儀的性能指標(biāo)
　　給定是位連續(xù)可調(diào)：-0．5V～一2．0V。
　　電位控制精度：≤±20mV。
　　絕緣電阻(電源進(jìn)線對(duì)地)：>100MΩ。
　　輸入阻抗：≥1MΩ。
　　抗交流干擾能力：≥12V。
　　耐電壓：≥750V(電源線對(duì)機(jī)殼)。
　　負(fù)載波紋系數(shù)：?jiǎn)蜗唷?％；
　　　　　　　　　三相≤8％。
　　(3)恒電位儀性能 目前，在長(zhǎng)輸管道中所使用的KSW-D微機(jī)管理恒電位儀性能。它能滿(mǎn)足上述恒電位儀基本性能要求。
　　微機(jī)管理部分有百年日歷、時(shí)鐘、定時(shí)和間隔打印，正常保護(hù)打印，故障打印，恒電位儀關(guān)機(jī)打印和自動(dòng)切換備用機(jī)等。
　　打印內(nèi)容有時(shí)期、時(shí)間、輸出電壓U₀、輸出電流I₀、控制電位C、保護(hù)電位φ、正常時(shí)間累計(jì)∑、故障時(shí)間累計(jì)∑_E、故障標(biāo)志E_ERR和機(jī)名。
　　(二)其他形式電源
　　在交流電缺乏的邊遠(yuǎn)地區(qū)，可利用的電源種類(lèi)很多，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池、閉路循環(huán)蒸汽渦輪機(jī)、熱電發(fā)生器、蓄電池等，它們統(tǒng)稱(chēng)為第二電源。其中，太陽(yáng)能電池和閉路循環(huán)蒸汽渦輪機(jī)可靠性較好，壽命均可達(dá)20年以上，費(fèi)用也很經(jīng)濟(jì)。
　　1.硅太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體器件的光電轉(zhuǎn)換原理，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置?？梢援a(chǎn)生太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體的材料有單晶硅、硫化鎘、砷化鎵等，其中，硅薄膜電池的工藝較為成熟。
　　地面陰極保護(hù)用的太陽(yáng)能為P-N型硅太陽(yáng)能電池。電池在熱平衡狀態(tài)下，當(dāng)光線照射在半導(dǎo)體換能器P-N結(jié)上時(shí)，在負(fù)載上就有電流流過(guò)，直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率一般為8％～12％，最高可達(dá)15%。太陽(yáng)能電池在光電轉(zhuǎn)換中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。本身物質(zhì)不消耗，無(wú)污梁，無(wú)噪聲、性能可靠，適用溫度范圍寬(-60～120℃)，在國(guó)外應(yīng)用較多。
　　硅太陽(yáng)能電池可串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。常稱(chēng)為硅太陽(yáng)能電池方陣。它適用于惡劣環(huán)境，如高溫或低溫、潮濕、鹽霧地區(qū)。其優(yōu)點(diǎn)是重量輕、使用方便、可靠性高，耐沖擊和震動(dòng)、壽命長(zhǎng)，但價(jià)格較貴。
圖10-36是硅太陽(yáng)能電池電源陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)的原理圖。
　　2．直流發(fā)電機(jī)組 直流發(fā)電機(jī)能提供無(wú)脈動(dòng)的電力，其輸出電壓可精確調(diào)節(jié)和控制。其低電壓、大電流的輸出特性更適合于作陰極保護(hù)用電源。
　　3．熱電發(fā)生器 熱電發(fā)生器原理與一般熱電偶相同。它是利用兩種不同金屬在連接點(diǎn)上加熱，產(chǎn)生溫差電勢(shì)、輸出電流的電源裝置。提高連接點(diǎn)一側(cè)的溫差材料的溫度，另一端由于散熱片的作用，溫度低，這就存在著溫差電勢(shì)，接上負(fù)載后就有電流輸出。
　　常用的溫差半導(dǎo)體材料有碲化鉛等。實(shí)際使用中，由于用一對(duì)溫差材料發(fā)電功率太小，通常使用多對(duì)溫差材料并聯(lián)起來(lái)。組成大功率的熱電發(fā)生器。
　　熱電發(fā)生器利用油、氣管道本身輸送的介質(zhì)作為燃料，使溫差材料發(fā)電。因而適用于無(wú)電或經(jīng)常停電的陰極保護(hù)站。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的熱電發(fā)生器功率可達(dá)100W，使用壽命達(dá)2年，但價(jià)格較貴。