随着北京地区埋地燃气管网服役时间的延长以及服役环境的日益复杂,管线阴极保护状况及管线防腐蚀状况整体并不乐观[1]。由于城市地理位置的限制,北京地铁与燃气管道交叉或者并行铺设的现象越来越普遍,导致燃气管道周围的杂散电流越来越多,其面临的动态直流干扰风险也越来越大,多处管道电位发生大幅波动,波动幅值可达几伏至几十伏,存在很大腐蚀风险[2]。 

为缓解地铁直流干扰,城市燃气管道的腐蚀缓解措施多采用牺牲阳极与极性排流器组合的方式。其中,极性排流器使杂散电流只可由管道流经牺牲阳极排向外部,而无法由外部经牺牲阳极流入管道,如此既实现排流效果又避免了牺牲阳极引杂散电流入管道[3]。目前,国内外常用的极性排流器为肖特基二极管+电容+浪涌保护器型。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)+电容+浪涌保护器型极性排流器为自主研发。这两种排流器的性能不同,从而对地铁直流干扰缓解效果和管道的阴极保护电位造成不同的影响。 

为了弄清不同类型极性排流器对管道动态直流干扰排流效果的影响规律和作用机制,作者利用实验室测试和现场测试相结合的方法对两种极性排流器的服役性能进行了研究,以期为极性排流器的合理选择提供借鉴。 

1.   极性排流器原理

肖特基二极管+电容+浪涌保护器型(简称1号)极性排流器中肖特基二极管是以贵金属(金、银、铝、铂等)为正极,以N型半导体为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件,其原理图见图1[4]。因为N型半导体中存在大量的电子,而贵金属中仅有极少量的自由电子,所以电子便从含量高的“N区域”向含量低的“金属区”扩散。随着电子不断从“N区域”扩散到“金属区”,“N区域”表面电子含量逐渐降低,表面电中性被破坏,于是就形成势垒,其电场方向为“N区域”→“金属区”。但在该电场作用之下,“金属区”的电子也会产生从“金属区”向“N区域”漂移运动,从而削弱了由于扩散运动而形成的电场[5]。当建立起一定宽度的空间电荷区后,电场引起的电子漂移运动和含量不同引起的电子扩散运动达到平衡,便形成了肖特基势垒[6]。肖特基二极管是一种低功耗超高速半导体器件,正向导通压降在0.3~0.4 V。 

金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)+电容+浪涌保护器型(简称2号)极性排流器中MOSFET是在一块掺杂含量较低的P型硅衬底(提供大量可动空穴)上,制作两个高掺杂含量的N+区(N+区域中有为电流流动提供大量自由电子的电子源),并用金属铝引出两个电极,分别作为漏极D和源极S,然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,在漏极和源极间的绝缘层上再装上一个铝电极(通常是多晶硅),作为栅极G,在衬底上也引出一个电极B,构成N沟道增强型MOS管,如图2所示[7]。MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN结。当栅源电压VGS为0时,即使加上漏极和源电压VDS,不论VDS极性如何,总有一个PN结处于反偏状态,漏极和源极间没有导电沟道,所以这时漏极电流iD≈0；当VGS>0,则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场,电场方向垂直于半导体表面由栅极指向衬底,这个电场能排斥空穴而吸引电子。当VGS数值较小且吸引电子能力不强时,漏极和源极之间仍无导电沟道出现,处于截止状态,当VGS≥VT(开启电压)时形成导电沟道,在漏极和源极间正向电压VDS下产生漏极电流[8]。为保障MOS管在低阈值电压下导通,2号极性排流器需与比较器组合使用,当比较器识别到毫伏级正向电压VDS时即输出一个远大于开启电压VT的漏-源电压VDS,以保障MOS管低阻导通。 

2.   实验室测试

2.1   实验室试验

在实验室对两种极性排流器开展关键性能指标检测,测试内容包括阈值电压、直流阻抗、平均稳态电流、反向抑制电压与平均交流阻抗。图3(a)为极性排流器阈值电压与直流阻抗测试电路,在不同电源电压(20、100、200、400、600、1 000 mV)下,利用定值电阻串联分压原理,测试极性排流器两端的导通电流,计算直流阻抗变化,进而确定其阈值电压；图3(b)为极性排流器反向抑制电压测试电路,将极性排流器与电源反接,在不同电源电压(20、40、60 V)下,测试极性排流器两端的导通电流,计算直流阻抗变化,确定其反向抑制电压。 

2.2   实验室测试结果与分析

图4为两种极性排流器直流伏安特性曲线。由图4可见,两种极性排流器的伏安特性不同,1号极性排流器的排流量随两端电压呈曲线变化,随着电压增大曲线斜率增大,即排流器两端电压越大其直流阻抗越小,当电压达到301 mV时,伏安特性曲线变为直线,直流阻抗达到稳定值,可知1号极性排流器阈值电压为301 mV；2号极性排流器的排流量随两端电压呈线性变化,即直流阻抗稳定且阈值电压很低,阈值电压低于35 mV。 

图5为两种极性排流器在不同电压下的直流阻抗变化曲线。由图5可见,当1号极性排流器两端电压为301 mV时,直流阻抗为4.98 Ω,当电压达到430 mV时,直流阻抗稳定为2.79 Ω；2号极性排流器的直流阻抗较小,且随直流电压变化很小,直流阻抗稳定在1.2~1.6 Ω。 

图6为两种极性排流器在反向直流电压下的伏安特性曲线。由图6可见,当反向电压为10 V与20 V时,两种排流器无电流,不导通；当反向电压为30 V时,两种排流器有轻微漏流,其中1号极性排流器漏流量较小,为15 μA,2号极性排流器漏流量较大,为60 μA。 

两种极性排流器性能参数对比如表1所示。由表1可见,2号极性排流器的阈值电压与直流阻抗均低于1号极性排流器,这说明2号极性排流器排流性能更优；1号极性排流器与2号极性排流器的反向抑制电压相当,反向电压为30 V时,1号极性排流器漏流量小于2号极性排流器,可见1号极性排流器的反向阻隔效果略好于2号极性排流器。 

3.   现场测试

3.1   现场试验

为了明确两种极性排流器的现场应用效果,在现场相同位置分别对两种极性排流器进行现场试验。在现场选取一处排流地床与极性排流器组合排流点作为试验位置,该处土壤电阻率为96.7 Ω·m,排流地床接地电阻为0.8 Ω,开路电位(相对于CSE)为－1.507 V。图7为排流点与地铁相对位置关系,该管段与地铁5号线、15号线并行,并行间距为1~2 km,与地铁13号线交叉并行,检测两种排流器工作时管道通断电电位、交流电压、排流器排流量与两端电压。 

3.1.1   通断电电位和交流电压

在管道周围埋设极化试片(面积6.5 cm2),极化试片与管道连接极化24 h；将数据记录仪与管道、参比电极(CSE)和试片相连接,参比电极置于管道正上方；将数据记录仪参数设置为每秒记录一组数据,试片通断电周期设置为5 s,断电时间设置为1 s,记录管道的通电电位,断电电位和测试时间以及测试的位置；测试24 h后,将数据记录仪数据导出,绘制每个监测点的管道通断电电位图。 

3.1.2   排流电流和两端电压

将排流器断开,在排流回路中串联一个0.1 Ω或者0.01 Ω的标准电阻,标准电阻的两个电流接线柱分别接管道和排流接地体的接线柱,两个电位接线柱分别接电压记录仪。电压记录仪测试标准电阻两端的电压,电压除以标准电阻,得到排流电流。在排流器并联一个电压记录仪,测试极性排流器两端电压。 

3.2   现场测试结果与讨论

通过两种极性排流器现场实测,分析排流器现场应用效果并与实验室测试结果对比。图8为现场应用时两种极性排流器两端电压及排流电流,表2为两种极性排流器夜间稳态数据对比。由图8可见,夜间排流器两端电压及排流电流处于稳态,通过夜间稳态数据计算可得,1号极性排流器实际应用内阻为3.682 Ω,2号极性排流器内阻为0.611 Ω,两种极性排流器实际应用内阻与实验室测试结果相匹配。 

图9为现场应用时两种极性排流器两端电压及管道电位的波动曲线。由图9可见,排流器两端电压与管道电位波动几乎同步。当排流器两端电压为负值时,其与管道电位波动幅度相当；当排流器两端电压为正值并超过一定数值后,其波动曲线变得特别平缓。这是由极性排流器正向导通引起的,此时排流器两端电压为其阈值电压。图10为两种排流器应用时两端电压与管道电位的关系曲线。由图10可见,当1号极性排流器两端电压为260 mV时,其与管道电位的关系曲线出现拐点；当2号极性排流器两端电压为17 mV时,其与管道电位的关系曲线出现拐点。由此得到,现场实测1号极性排流器的阈值电压为260 mV,2号极性排流器阈值电压为17 mV,这与实验室测试结果相匹配。 

图11为两种极性排流器正向排流时两端电压及排流电流,图12为两种极性排流器现场应用时排流数据对比。由图11与图12(a)可见,正向排流时,1号极性排流器两端电压大于2号极性排流器,但其日均排流电流小于2号极性排流器,这与前述2号极性排流器内阻小且阈值电压低有关；由图12(b)可见,两种极性排流器日总排流时间大于排流地床,这可能与极性排流器避免了排流地床阴极极化反应有关,当排流地床由杂散电流流入状态变换为流出状态时,其表面由阴极极化转为阳极极化,此时需要额外能量将流出地床表面电子扭转为流入地床表面,此效应造成排流延迟,进而造成排流时间减少。由图12(c)可见,在现场的动态直流排流条件下,排流地床日总排流电量为46 855 C；1号极性排流器日总排流电量为29 806 C,为排流地床的64%；2号极性排流器日总排流电量为48 166 C,为排流地床的103%。动态直流排流条件下,2号极性排流器日总排流量最高、排流效果最好,与前述其内阻小、阈值电压低且日总排流时间长有关。 

图13为两种极性排流器反向绝缘时漏流电流及日总漏流电量。由图13可见,1号极性排流器漏流电流波动幅值较小,日总漏流电量较小,为3.4 C；2号极性排流器漏流电流波动幅值较大,日总漏流电量较大,为30.1 C,为1号极性排流器的8.9倍。1号极性排流器反向绝缘性能更好,这与实验室测试结果一致。 

图14为排流地床断开、直连及两种极性排流器现场应用时管道直流干扰数据。由图14(a)~(c)可见,排流地床直连时,其对管道电位波动幅值缓解效果最优,管道电位波动幅值减小35%；2号极性排流器排流时,管道电位波动幅值减小17%；1号极性排流器排流时,管道电位波动幅值减小13%。管道电位波动幅值缓解效果分布与图12(a)日平均排流电流分布规律相似,管道电位波动幅值缓解效果可能与日平均排流电流有关。由图14(d)可见,2号极性排流器对管道阴极保护效果最优,极化电位正于－0.85 V即欠保护时间所占比例减小16%；1号极性排流器排流时,欠保护时间所占比例减小13%；排流地床直连时,欠保护时间所占比例减小11%。这表明不同排流形式对阴极保护效果的影响。 

图15为排流地床断开、直连及两种极性排流器现场应用时管道交流干扰数据。由图15可见,排流系统对交流干扰有缓解作用,管道交流电压平均值明显降低。其中,排流地床直连对管道交流干扰缓解效果最优,交流电压减小51%；其次是2号极性排流器排流时,交流电压减小42%；1号极性排流器排流时,交流电压减小34%。这是因为两种极性排流器内部存在隔直通交的电容元件,其可保障极性排流器导通交流电流,进而起到缓解交流干扰作用。 

4.   结论

（1）通过实验室正反向伏安特性测试可以获得极性排流器的正向导通阈值电压、正向导通阻抗和反向抑制电压,从而对极性排流器的服役性能进行预测,因此未来极性排流器选型可以先对其进行实验室测试。 

（2）1号极性排流器正向导通阈值电压高、排流阻抗大,2号极性排流器阈值电压低、排流阻抗小,1号极性排流器排流量不及2号极性排流器,2号极性排流器排流效果与直连排流地床相当,排流效果更好。 

（3）1号极性排流器漏通电流波动幅值较小,日总漏流电量较小；2号极性排流器漏通电流波动幅值较大,日总漏流电量较大；1号极性排流器反向绝缘性能更好。 

（4）两种极性排流器连接排流地床均对管道直流干扰与交流干扰具有缓解作用,且2号极性排流器缓解效果更优。