这种均匀的方式可以非常透明和简单明了地输入数据,并且离散附于模型的架空系统。能够根据它们特定的空间特征或者电气特征,识别不同类型的涉及铁轨、架空电力线、配电站、埋地管道和保护系统。结果,此软件的原始数据结构不需要重大改变就能够处理地上问题。
二、            案例研究:受到直流牵引机车杂散电流干扰的管道
3.1      问题的概况
让我们研究图6所示的实际情况。一条30英寸的输气管道,全长大约
60 km,用两个直立安置的地床CS1和CS2实施保护。这些地床分别在6.15V和6.5 V电压下输出1.43 A和1.75 A电流。在管子的左边,在某些不同的距离,有铁路与管道发生交叉。用PS1至PS4表示的配电站在1500 V电压下工作,它们的位置平均间隔距离约15 km。土壤电阻率取100Ωm。
图6阴极保护系统以及阳极、配电站、铁路和排流点
         沿着此管道得出的管地电位(PSP)将取决于钢的极化作用、所用防腐层的特性,以及当地的土壤电阻率。图7所示是裸钢的极化曲线。此曲线考虑到阳极性腐蚀、氢气的析出以及氧的还原作用(由氧的极限电流决定)的组合效应。
图7裸钢的极化曲线
         表1列出了规定防腐层质量的各种参数。它们包括防腐层厚度、防腐层电阻、漏涂点百分比以及漏涂点的平均直径(注意,将防腐层缺陷模拟成圆盘状)。
表1规定防腐层质量的各种参数

 

防腐层参数
数值
防腐层厚度,m
1.00 x 10-3
防腐层电阻,Ωm
1.30 x 107
漏涂点百分比,%
7.00 x 10-6
漏涂点直径,m
1.00 x 10-3

 

3.2 均匀的土壤电阻率且没有杂散电流的状况(无列车影响)
         在第一次计算时,计算了没有杂散电流的状况(列车和电流排流暂时不起作用)。整条管道用上述规定的两个地床加以保护。图8所示是第一次计算的部分结果。对于此管道网络的每条支线(管子、阳极或者轨道)标绘出总的电流和平均电流密度。
图8计算结果列出管子、阳极和轨道的总的电流
在图9中,标绘出沿着此展开的管道的管地电位PSP(左)和轴向电流(右)。最小的管地电位大约为-0.87 V(在管子中央附近),在阳极附近区域得到最大保护电位(分别为-1.13 V和-1.17 V)。
         已经规定轴向电流从左向右为正。结果,当图9中的电流为负时(右),电流朝相反方向流动。轴向电流中的两处跳跃是地床造成的,从管子分别引出1.43 A和1.75 A电流。
图9沿着管道长度的管地电位PSP(左)和轴向电流(右)
3.3    变化的土壤电阻率且没有杂散电流的状况(无列车影响)
         在接着进行的计算中,将研究变化的当地土壤电阻率的影响。沿着管道5-7与12-13的位置上(见图6),土壤电阻率从11Ωm下降到只有10Ωm。图10所示就是这些计算的结果。
图10     沿着管道长度的电流密度(左)和管地电位PSP(右)
         在降低土壤电阻率的地方,电流密度增加。然而在其他管段,得到比以前更低的值(注意,总的保护电流维持与以前一样)。结果,正如图10右边所示的管地电位(PSP)曲线那样,采用与以前相同的保护电流却不再保证整条管道的充分保护。在降低土壤电阻率的第一区域附近,平均管地电位(PSP)值只有-0.82 V,而以前大约为-0.9 V。根据图11的轴向电流曲线(左)也能够确定降低土壤电阻率的区域。在那些位置,表达沿着管道长度的轴向电流的曲线比较陡,因为通过降低土壤电阻率的区域聚集的电流值比较高。最终,如图11(右)所示,此软件也能够得出衰减状况。值得注意沿着此条管道总的电压降只有80 mV。
图11     轴向电流(左)和沿着管道长度的衰减状况(右)
3.4      直流牵引机车杂散电流的影响(均匀的土壤电阻率)
在下文中,沿着图6代表的轨道,列车TR1和TR2(见图中的菱形)处在不同的位置。所有馈电器和铁轨的电阻率分别为1.75 x10-8Ωm和1.6 x 10-7Ωm,并且,铁轨与土壤之间的转移电阻为10000Ωm。配电站输出1500 V的直流电压,代表牵引机车电流的载荷电阻取1Ω。
         现在研究处在位置1的列车TR1。此列车从电流馈电器得到1470 A电流。这是由配电站PS2(1090A)、PS2(342A)和PS3(34.1A)输出的电流。电流主要经由铁轨返回配电站。然而,看看图12(左)沿着管道的过电位,显然,部分很重要的电流在管道与铁轨交叉处流进了管道。这是如下的事实造成的:在列车TR1的位置,轨道的电压升高到10.3 V,而在交叉处(图12右边位置52)电压值为7.9 V。由于在那个位置的管子电位低得多,所以,电流就从铁轨输送到管子了。这个效应局部诱发了相当于地床作用的阴极保护。这样截取的电流沿着重要部分离开管子。在阳极地床CS 1与交叉点之间,电流离开管子,并经由铁轨流回配电站PS1和(少量)PS2。到北部,杂散电流离开管子,流进铁轨,再流回到配电站PS3。在配电站PS3与PS4之间的铁轨发挥了重要的作用,在56 km处铁轨与管子的距离是最短的,在此位置附近能够观察到保护水平的下降。幸好,但不是碰巧,阳极地床CS2的位置显著降低了这个影响。
图12     沿着管道的管地电位PSP(左)及沿着铁轨的电压(右)
         图13所示是由第一段铁轨(从配电站PS1到PS2)和其上方的架空电力线构成了外部网络。图中显示了流过铁轨上所有外部构件(配电PS1、PS2和列车TR1)的电流概况(左),以及在架空电力线中的电流。视图管理器(右)给出了所有配电站的电流和电位。
图13     第一段铁轨的网络显示了流经配电站和列车的电流
     下文研究处于位置2的列车2。此列车从电流馈电器得到1177 A电流。大部分电流是由配电站PS3(730 A)和配电站PS4(300 A)输出的,并且主要经由铁轨返回配电站。图14(左)显示了沿着管道相应的过电位。部分重要的牵引机车电流在管道与铁轨交叉处离开了管子,并且,经由铁轨返回配电PS3。从图14(右)可见,第一段铁轨处于大约-40 V的平均电位,比管子的电位低得多。结果,管道与铁轨交叉处附近的部分管子变成阳极性(电流从管子输出到铁轨),由此发生了严重的腐蚀(管地电位PSP只有-0.32 V!)。杂散电流在阳极地床CS2附近进入管道,因为此处铁轨与管子的间隔距离很小。杂散电流的效应增加到阳极地床CS2的效应上。阳极地床CS1附近的区域几乎不受这种情况的影响。
图14          沿着管道的管地电位PSP(左)及沿着铁轨的电压(右)
         图15所示是第二段铁轨(从接点JO2跨越配电站PS3到PS4)和其上方架空电力线构成的外部网络。
图15     第二段铁轨的网络显示流过配电站和列车的电流
         为消除牵引机车杂散电流的影响,强力建议采取电流排流措施(二极管与电阻R串联),实际上也存在这样的排流措施。已经分别以R等于电阻10.0Ω和2.0Ω进行了计算。在第一种情况,管道与铁轨交叉处附近的管地电位PSP值增加到-0.58 V(图16左),依然足够提供需要的保护。这是因为如下的事实,由于高电阻,排流电流只有3.7 A,从与管子的所有外部连接通道图中可以看到这点(图16右)。
图16     与管子外部连接通道里的管地电位(PSP)和电流
(二极管电阻=10.0Ω)
         当二极管电阻降到2.0Ω时,从图17很容易看到排流电流增加到17 A,这比没有杂散电流的情况达到更好的阴极保护。
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