電力電纜鋼導(dǎo)管的陰極保護(hù)

在110kV的高壓電網(wǎng)中，通常將充氣電纜(內(nèi)部充氣和外部充氣的電纜)敷設(shè)在鋼導(dǎo)管中。使用時(shí)，鋼管內(nèi)充裝氣體壓力為(15~16)X10Pa(15~16bar)的氣。如圖14-1所示為外部充氣的充氣電纜的剖視圖。

為此，應(yīng)將鋼導(dǎo)管兩端密封并與接地裝置絕緣，這樣，承載高壓電纜的鋼導(dǎo)管與所有其他與大地接觸的金屬構(gòu)筑物實(shí)現(xiàn)電絕緣。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，為防止出現(xiàn)超標(biāo)的接觸電壓，必須經(jīng)由直流去耦器件連接到站內(nèi)的接地系統(tǒng)上(見(jiàn)圖14-2)[6]。

圖14-1外部充氣的充氣電纜的剖視圖

14.2.1(在套管與接地之間)直流去耦器件的要求

在正常運(yùn)行中以及電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，直流去耦器件必須滿足以下要求:

(1)它們決不容許產(chǎn)生任何不允許的危險(xiǎn)電壓;

(2)在熱力學(xué)和力學(xué)性能上它們必須維持恒定不變的電流;

(3)它們必須設(shè)計(jì)成能夠應(yīng)對(duì)預(yù)期的瞬時(shí)過(guò)電壓;

(4)必須確保陰極保護(hù)的有效性;

(5)它們應(yīng)有盡可能低的電阻，一旦發(fā)生短路時(shí)能夠維持管子的還原作用。在高壓裝置上開(kāi)關(guān)操作時(shí)會(huì)引起瞬時(shí)過(guò)電壓。其結(jié)果，如在接地導(dǎo)體中，能夠發(fā)生瞬間高電壓和高電流。在瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)，常常出現(xiàn)幾千赫茲至幾兆赫茲頻率的回波震蕩。與

開(kāi)啟式裝置相比，在六氟化硫(SF)氣體絕緣的裝置上往往更容易發(fā)生與頻率和振幅有關(guān)的較高的瞬時(shí)過(guò)電壓。

在考慮允許的接觸電壓的限制條件時(shí)，必須把機(jī)械負(fù)荷與熱力負(fù)荷考慮在內(nèi)[2]。如圖 14-3所示為允許的接觸電壓隨電流故障的時(shí)間長(zhǎng)短的變化情況。從鋼管與接地裝置到直流去耦器件的連接線應(yīng)越短越好，電感應(yīng)當(dāng)越小越好，這樣可以減少在電纜密封端絕緣部件上發(fā)生飛弧的概率。

14.2.2 直流去耦器件的類(lèi)型與電路

14.2.2.1 低歐姆電阻

如圖14-4所示為約0.01的低歐姆電阻直流去耦器件的電路。采用這樣的去耦器件，甚至是在高故障電流時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生不允許的接觸電壓。在接地短路電流高達(dá)15kA、故障時(shí)間長(zhǎng)達(dá)0.5s的情況下，造成的150V接觸電壓仍在容許范圍以?xún)?nèi)。要實(shí)施陰極保護(hù)可借助直流電壓電源在單個(gè)電阻或一組電阻上造成大約1V的電壓降(見(jiàn)14.2.3節(jié))，使鋼導(dǎo)管與接地裝置實(shí)現(xiàn)必要的直流電壓分離[6]。

14.2.2.2 高歐姆電阻

在本節(jié)中，大約 100m 就理解為高歐姆電阻。這些電阻不能像10mΩ 那樣承受高的負(fù)荷。為防止這些高歐姆電阻受到過(guò)電壓，應(yīng)并聯(lián)連接一個(gè)擊穿保險(xiǎn)絲(電壓保險(xiǎn)絲)。一旦該電阻上的電壓降達(dá)到擊穿保險(xiǎn)絲的標(biāo)稱(chēng)值，該保險(xiǎn)絲會(huì)立刻熔斷。圖14-5即為這樣的放電器的電路。

14.2.2.2 高歐姆電阻

在有諧振接地的電網(wǎng)中，一旦發(fā)生電流故障，剩余接地故障電流或線圈電流或它們的一部分會(huì)用好幾個(gè)小時(shí)流過(guò)此電阻。根據(jù)電網(wǎng)規(guī)模，此線圈電流能夠高達(dá)400A。陰極保護(hù)的管子上的故障電流和電壓的詳細(xì)說(shuō)明參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]。

連接一個(gè)由縱向扼流圈與橫向電容器組成的π元件，就能夠避免通過(guò)瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)擊穿保險(xiǎn)絲不必要的加載。所謂鐵芯扼流圈大多用于串聯(lián)扼流圈，這是電力電子學(xué)中常用的器件。最好在π元件的輸人與輸出配一個(gè)67的阻尼元件。

14.2.2.3 采用鎳鎘電池的直流去耦器件

鎳鎘電池的交流電阻非常低，只有1m2。電池的充電狀態(tài)是次要的。鎳鎘電池必須有足夠的電流容量和電流穩(wěn)定性。它們能夠直接用作直流去耦器件(見(jiàn)圖14-6)[6]。

正常運(yùn)行時(shí)，熔斷保險(xiǎn)絲是不連接的，因?yàn)榧偃缌钇鋭?dòng)作，電池就會(huì)發(fā)生短路而被破壞。當(dāng)電纜通電工作且陰極保護(hù)站中斷時(shí)，將此開(kāi)關(guān)閉合就使保險(xiǎn)絲連接上了。拆下隔離連接線就能隔開(kāi)1.2V的鎳鎘電池。最終，閉合接地匯流線，建立直接接地。此電池的安裝步驟與此相反。

在運(yùn)行中，必須使電池的充電狀態(tài)維持0.9~1.2V的電池電壓[6]。因?yàn)樗畷?huì)電解分解并析出氣體，所以要避免電池過(guò)量充電。因此，電池電壓不得超過(guò)1.4V。陰極保護(hù)站應(yīng)在此電池電壓理想的范圍內(nèi)工作。14.2.2.4 極化電池

極化電池是一個(gè)電化學(xué)組件，其中，鎳電極或不銹鋼電極浸沒(méi)在50%KOH溶液中[9]。在交流電作用下，因?yàn)殡娊庖河辛己玫膶?dǎo)電性，并且具有電子導(dǎo)電性鈍化層的鈍化材料有很低的極化阻抗，所以，極化電池有一個(gè)幾毫歐姆數(shù)量級(jí)的電阻。比較高的幾十歐姆的直流電阻相當(dāng)于無(wú)氧化還原介質(zhì)中鈍化電極的高極化電阻，假如按照式(2-9)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，或因?yàn)榘l(fā)生式(2-17)和式(2-18)的電化學(xué)反應(yīng)而使極化電池的電壓超過(guò)水的分解電壓(按照?qǐng)D2-2是1.23V)，該電阻就會(huì)被擊穿。

在運(yùn)行中，因?yàn)椴豢杀苊獾卮嬖诤哿康难趸€原物質(zhì)(如空氣中的氧)，所以會(huì)有最多1mA的少量擴(kuò)散電流在流動(dòng)。當(dāng)處于交流作用下，通常有一個(gè)反向電容充電。但是有足夠高的電壓振幅時(shí)，因?yàn)樗l(fā)生電解，會(huì)有感應(yīng)電流在流動(dòng)。為了保持足夠小的感應(yīng)電流，交流電長(zhǎng)時(shí)間不得大于最大允許短路電流的0.1%。否則，極化狀態(tài)會(huì)被破壞，直

必須定期(如每年2次)檢查極化電池，檢查其是否因?yàn)殡娊馐顾畵p失很多。如有必要，應(yīng)添加去離子水到正確液位。此外，每4年應(yīng)更換1次電解液。為了盡可能減小陰極保護(hù)的負(fù)荷，建議將直流去耦器件設(shè)計(jì)成使預(yù)期最大的故障電流量能夠流過(guò)的盡可能小的極化電池。

14.2.2.5 采用硅二極管的直流去耦器件如壁題資中

 向傳輸方向加載達(dá)到閾電壓為+0.7V時(shí)，硅二極管的內(nèi)阻非常高。假如超出該電壓，內(nèi)阻就減小。如圖14-8所示非對(duì)稱(chēng)反向并聯(lián)電路中，當(dāng)電壓值介于一2.8V(電壓的4倍)與約+0.7V(電壓)之間時(shí)，直去器件前后的電壓會(huì)增大

由于鋼導(dǎo)管比接地裝置大約負(fù)1V，所以此鋼導(dǎo)管有必要實(shí)施陰極保護(hù)。假如不超過(guò)二極管的閾電壓，此二極管就構(gòu)成高電阻連接。當(dāng)電纜結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)或電網(wǎng)故障時(shí)，由于該電纜的對(duì)稱(chēng)負(fù)荷，該鋼導(dǎo)管中的感應(yīng)電壓能夠超過(guò)這個(gè)閾電壓。然后，這個(gè)不對(duì)稱(chēng)的二極管布置會(huì)起作用，因此有任何高交流干擾時(shí)，此鋼導(dǎo)管保持比接地裝置負(fù)大約1V。這涉及一個(gè)平均直流電壓，它造成交流電壓正半周期間在支路上的直流去耦器件變成低歐姆這樣，鋼導(dǎo)管與接地裝置之間的電壓可以達(dá)到約十0.7V。在交流電壓負(fù)半周期間，這個(gè)電壓大約為-2.8V。因此，算術(shù)平均值為一1.05V(見(jiàn)圖14-9)[10]。要達(dá)到其他電壓值,只有1個(gè)二極管的支路應(yīng)保持不變，而另一支路上的二極管數(shù)量可以相應(yīng)變動(dòng)[見(jiàn)式(23-45)。

孫直流去耦器件帶有對(duì)稱(chēng)的反并聯(lián)電路是不合邏輯的，因?yàn)樵阡搶?dǎo)管與接地裝置之間通常存在50Hz的交流電壓。采用對(duì)稱(chēng)二極管電路時(shí)，在每一支路中必須串聯(lián)相當(dāng)多的二極管，才能使鋼導(dǎo)管與接地裝置之間的交流電壓保持在低于串聯(lián)的那些二極管的閾電壓總和，否則，平均電壓等于零。那么就再也不可能實(shí)施鋼導(dǎo)管的陰極保護(hù)了。14.2.3 陰極保護(hù)站的安裝

假如鋼導(dǎo)管的陰極保護(hù)至多需要10mA的小電流，只要其對(duì)接地或?qū)εc之連接的裝置沒(méi)有明顯的陽(yáng)極性損壞危險(xiǎn)，就可以將變壓整流器的正極接到陰極保護(hù)站的接地上。在這種情況中，當(dāng)開(kāi)啟陰極保護(hù)站時(shí)，接地裝置的電位朝正向偏移不超過(guò)10mV[6]。當(dāng)需要更大的電流量時(shí)，陰極保護(hù)站里需要配備額外的整流器，這樣就抵消了陰極保護(hù)站接地的陽(yáng)極性負(fù)荷。采用深井陽(yáng)極形式，必須利于強(qiáng)制電流輔助陽(yáng)極的安裝(見(jiàn)9.1.3節(jié)和12.3節(jié))。

低電阻直流去耦器件需要的電流量總是非常大。為了經(jīng)由陰極保護(hù)站里的電阻直接注人保護(hù)電流，有必要選用一臺(tái)低輸出電壓和高電流的整流器。采用鎳鎘電池或硅二極管的低電阻直流去耦器件時(shí)，可以沿電纜走向分布腐蝕防護(hù)站。采用鎳鎘電池的直流去耦器件時(shí)，如果保護(hù)電流需要量也很低，就可以安裝整流器來(lái)維持該電池電壓。當(dāng)直流去耦器件采用極化電池或硅二極管時(shí)，在陰極保護(hù)中也可以包括犧牲陽(yáng)極。

為了對(duì)陰極保護(hù)實(shí)施調(diào)節(jié)和監(jiān)管，電纜沿線必須有測(cè)試點(diǎn)(見(jiàn)10.3.2節(jié))。這些測(cè)試點(diǎn)可以很方便地安裝在電纜套管上。測(cè)試點(diǎn)之間的距離大約為0.5km。安裝測(cè)量導(dǎo)管電流的測(cè)試點(diǎn)也能方便地確定事故性接觸的確切位置。

14.2.4 陰極保護(hù)的控制與維護(hù)

  不能用斷電電位控制陰極保護(hù)。只有在直流去耦器件與接地裝置隔離的條件下，進(jìn)行測(cè)量才是正確的。但是，裝置在運(yùn)行時(shí)這是不允許的。假如直流去耦器件沒(méi)有隔離，由于均衡的電流、電化學(xué)電容電流或由于整流的交流電流就會(huì)得出不真實(shí)的斷電電位(見(jiàn)23.5.4.2節(jié))。為在運(yùn)行期間測(cè)量無(wú)IR降電位，惟一可以考慮的方法就是使用3.3.3.2節(jié)中的外部測(cè)量探頭。因此，在建立裝置后，應(yīng)立即將其安裝到位。

在試運(yùn)行前以及在臨時(shí)停工時(shí)，能夠在外部充氣電纜上測(cè)量斷電電位。一般說(shuō)來(lái)，進(jìn)行 U和U。測(cè)量能夠得出陰極保護(hù)有效性的比較信息。如果偏離這些參照值，通常能夠查出有外部接觸。在這方面，與外部線路交叉、套管和直流去耦器件故障都是可能的原因。

為評(píng)價(jià)陰極保護(hù)，除了電阻率非常高的土壤外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要采用Ucucuso,=-1.5V的通電電位平均值。采用該值，沒(méi)有發(fā)生過(guò)雜散電流造成的危險(xiǎn)[61。