动态直流杂散电流是指大小和方向始终变化的杂散电流。典型的干扰源是直流供电的地铁或轻轨。动态直流杂散电流对周边埋地管道干扰主要表现为管道通电电位的持续波动。直流杂散电流随列车运行时间而变化，干扰时间段与地铁运行时段高度吻合。由于传统管道阴极保护恒电位仪控制模式的限制，动态直流杂散电流引起的管地电位持续变化使恒电位仪输出波动，严重影响了阴极保护效果。

恒电位仪是强制电流阴极保护系统的核心设备，传统恒电位仪主要工作模式为“恒电位”（通电电位恒定）和“恒电流”。“恒电位”模式是最为常用的运行模式，其通过调节恒电位仪输出电流，使得恒电位仪采样控制点处的通电电位与预置电位保持一致。测量管道电位时，参比电极与被测对象之间土壤中的动态直流杂散电流使测量回路中电压降（简称IR降）持续波动，故管道通电电位无法准确反映管道的真实保护状况。这是传统恒电位仪“恒电位”模式运行的重要缺陷，其提供的保护电位也不符合相关标准的要求。此外，通电电位波动会导致恒电位仪在“恒电位”模式不能正常运行，此时会将恒电位仪调整到“恒电流”模式，但在该模式下恒电位仪将无法根据管道保护电位需要自动调整输出电流。

根据工程检测经验，在多数受动态直流杂散电流干扰的环境中，管道断电电位波动相对较小，因此根据断电电位控制恒电位仪的输出更为合理，但现有恒电位仪无法实现该功能。

新型数控高频开关恒电位仪

01  系统架构

新型数控高频开关恒电位仪采用模块化结构，共分为5个功能单元模块。

主控模块主要负责参数设定与存储、算法、通信、状态监测等功能。每套电源配置1个主控模块。

电源模块主要负责将市电电源变换成阴极保护所需的直流电，输出电流大小根据主控模块指令确定。每套电源可以配置1~6个电源模块。

采样模块主要负责通电电位、断电电位的数据采集，每套电源可以配置1~12个采样模块。

显示操作单元主要负责数据及状态显示，以及参数设置键盘，包括液晶屏、指示灯、薄膜按键等，每套电源配置1个显示操作单元。

供电单元主要负责将市电电源分配给电源模块，以及为控制系统供电。每套电源配置1个供电单元。

主控模块、采样模块、电源模块，通过高速CAN总线连接。新型恒电位仪对外通信接口有RS-485和以太网，其架构如图1所示。

图1 新型恒电位仪架构示意图

02   工作模式的控制原理

新型恒电位仪的恒通电电位模式（传统恒电位仪的恒电位模式）、恒电流模式、恒电压模式与传统恒电位仪相同，此处不再重复说明。该新型恒电位仪新增了恒断电电位的工作模式，以下将对其控制原理进行重点介绍。

恒断电电位模式是给每路输出指定一个主控采样模块，并设定一个断电电位控制目标（预置断电电位），每路输出的预置断电电位可以不同。断电电位数据通过试片通断法进行测量，其主要的工作参数是通电时间、断电时间、断电电位采样点时间间隔。这3个工作参数可以在恒电位仪上进行设定。

在恒断电电位模式运行时，新型恒电位仪首先检测断电电位，再将测量出的断电电位与预置断电电位进行比较，根据两者之间的偏差，调整恒电位仪的输出电流。

03   安装模式

新型恒电位仪可采用单机独立机箱安装或控制柜组装两种方式。当采用机箱安装时，该新型恒电位仪支持1~2路输出，而采用控制柜组装时，最高可提供6路输出。

使用者可根据使用环境选择不同的安装方式：机箱安装的方式适用于长输管道阴极保护；控制柜组装方式适用于需要多路综合输出进行保护的情况，一般常用于大型输油气站场或罐区的阴极保护。

新型数控高频开关恒电位仪的应用

某天然气管道距起点84～110 km管段受到地铁严重的动态直流杂散电流干扰，管理单位前期检测结果显示：沿线电位测试桩通电电位波动大，最大波动幅度达5 V。大部分测试桩断电电位平均值不满足阴极保护标准要求（低于-0.85 V）。干扰段内有阴保间1座，位于4号阀室，但由于通电电位波动较大，恒电位仪采用恒电位（恒通电电位）模式运行时持续报警，电流输出不平稳，阴极保护效果欠佳。将新型恒电位仪应用于受动态直流杂散电流严重干扰的管段，现场测试该新型恒电位仪的应用效果。

断电电位检测方法选择

如以断电电位作为控制电位，其前提是断电电位需相对稳定，不能存在较大波动，否则与传统恒电位仪控制缺陷类似，效果也将不理想。

在动态直流杂散电流干扰下，同步通断法不适用于断电电位的测量，常见的测试方法为极化头探头法和土壤管法。极化探头可维护性较低，且存在硫酸铜污染极化试片（近参比电极）的问题，其工程应用存在诸多弊端，因此近年来土壤管法应用较多。

土壤管一般采用PVC、PE或PC管，极化试片安装在土壤管一侧，管道填充低电阻率的土壤或其他盐类，测量时将参比电极放置在管内，通过通/断极化试片测量通/断电电位。由于土壤管管材采用绝缘材料，能很好地屏蔽土壤中的电位梯度，从而消除了土壤IR降。此外，参比电极与试片距离较远时，能大大减轻试片受硫酸铜污染的问题。

测试方法

将4号阀室原恒电位仪更换为新型高频数控开关恒电位仪，但保留原阴极保护系统的阳极地床、管道零位电缆、阴极电缆。在采样控制点处安装土壤管，将连接参比电极的电缆和连接试片的电缆均引至恒电位仪并与相应的端子连接。测试系统安装如图2所示。

图2 新型恒电位仪测试系统安装图

测试时，采用恒断电控制模式，设置目标断电电位为-1.10 V，试片通/断周期为通4 s/断1 s，断电电位采样时间为500 ms。管道零位线与极化试片线在新型恒电位仪内部进行连接，断电电位测量时，通过隔离开关将试片与管道零位线断开，断开500 ms后测量试片的断电电位。新型恒电位仪将断电电位的测量值与预置值进行比较，调整输出电流，使两者达到一致。

新型恒电位仪运行24 h后，在线路采样控制点、管程85 km以及104 km处进行电位连续测试，分析阴极保护效果，评价新型恒电位仪的应用效果。

恒电位仪参数设置

在测试周期内，新型恒电位仪的运行参数设置如下：

运行模式：恒断电电位

预置断电电位1：-1.10 V（2021.1.21 15:25至2021.1.22 8:15）

预置断电电位2：-1.18 V（2021.1.22 8:15至2021.1.22 14:00）

试片通断周期：通4 s，断1 s

断电电位采样延迟时间：500 ms

恒电位仪参数采集频率：1条/min

现场测试结果

01   输出电流和输出电压

在测试周期内，新型恒电位仪的输出电流与输出电压变化详见图3，可见当预置断电电位为-1.10 V时，输出电流运行平稳，波动较小。由于管道与阳极地床之间土壤中存在杂散电流引起的IR降，输出电压受杂散电流干扰存在波动。当预置断电电位为-1.18 V时，输出电流及输出电压随之升高。相比传统恒电位仪的恒通电电位控制，新型恒电位仪在恒断电电位模式下，输出波动小，运行稳定，输出电流能根据预置断电电位进行调整。

图3 新型恒电位仪输出电流及输出电压曲线

02   线路阴极保护效果

新型恒电位仪稳定运行后，在线路采样控制点、管程85 km以及104 km处进行了电位连续监测，测量结果如图4~6所示，结果表明：测试点存在明显的动态直流杂散电流干扰，干扰时间段与地铁运行时间一致，可初步认定干扰源为地铁；用土壤管测量断电电位时，土壤中杂散电流屏蔽较为明显，断电电位波动较小；恒断电电位工作模式下，采样控制点断电电位与新型恒电位仪预置断电电位基本一致，设备测量控制准确；恒断电电位工作模式下，当预置断电电位调整至-1.18 V后，管程85 km断电电位最正值负于-0.85 V，电位提升效果明显；管程104 km处电位测试桩位于两个阴保站之间，调整4号阀室新型恒电位仪输出对其电位无明显影响。虽然此处断电电位平均值满足标准要求，但还应根据AS 2832.1-2015标准评价其受干扰程度，必要时应增加直流干扰防护措施。

图4 采样控制点电位连续检测曲线

图5 管程85 km处电位连续检测曲线

图6 管程104 km处电位连续检测曲线

结论

动态直流杂散电流干扰引起的管道通电电位波动严重影响了恒电位仪输出稳定性以及阴极保护效果。基于管道断电电位控制恒电位仪的输出可很大程度减轻通电电位持续变化引起的输出波动，从而提升阴极保护效果。该新型恒电位仪的研制与应用将为动态直流干扰下的长输管道阴极保护控制难点提供更为合理的解决方案。