Станция катодной защиты является источником внешнего тока в системе катодной защиты.

Станции используются для электрохимической защиты от коррозии металлических объектов методом катодной поляризации. Обычно они применяются для защиты:

• подземных нефтепроводов и газопроводов;
• трубопроводов водоснабжения и теплосетей;
• оболочек электрических кабелей;
• металлических резервуаров, крупных объектов;
• подземных сооружений;
• судов от коррозии в воде;
• стальной арматуры в фундаментах, в железобетонных сваях.

 

Основными потребителями станций являются:

• предприятия газового, нефтяного и энергетического комплексов;
• предприятия химической промышленности;
• предприятия коммунального хозяйства;
• другие отрасли промышленности.

Станции катодной защиты бывают разными. Стройной классификации не существует.

Четко разграничиваются только трансформаторные и инверторные устройства. Остальные отличия это различные функциональные возможности и технические характеристики. Я подробно опишу каждый из параметров и сравню по нему трансформаторные и инверторные станции катодной защиты.

• Трансформаторные и инверторные станции.
• Параметры и функциональные возможности станций катодной защиты.
• 1. Режимы стабилизации.
• 2. Энергетические выходные параметры.
• 3. Коэффициент полезного действия.
• 4. Коэффициент пульсаций.
• 5. Коэффициент мощности.
• 6. Диапазон напряжения и частота питающей сети.
• 7. Защитные функции.
• 8. Диапазон регулировки параметров.
• 9. Точность стабилизации параметров.
• 10. Входное сопротивление измерителя потенциала.
• 11. Степень защиты от внешних воздействий.
• 12. Температура окружающей среды.
• 13. Механическая конструкция.
• 14. Система GSM телемеханики.
• 15. Параметры функций, технологические установки.
• СТО ГАЗПРОМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ 5.2-1-2013.
• Обзор станций катодной защиты.
  • ИСТ-750М
  • серия ИСТ-XXXX
  • серия "ТИЭЛЛА"

 

Трансформаторные и инверторные станции.

Прежде всего, станции делятся по принципу действия: трансформаторные и инверторные.

Инверторные станции постепенно вытесняют трансформаторные из-за своих высоких технических характеристик и значительно более широких функциональных возможностей. Тем не менее, трансформаторные устройства до сих пор выпускают и устанавливают даже на новых объектах электрохимической защиты.

Трансформаторные станции состоят из низкочастотного ( 50 Гц ) трансформатора и тиристорного выпрямителя.

Устройство управления тиристорами может быть самым простым фазоимпульсным регулятором мощности, а может использоваться контроллер с функциями стабилизации выходного тока, напряжения, защитного потенциала.

Одним из основных недостатков трансформаторных устройств катодной защиты является несинусоидальная форма тока, как на выходе, так и тока потребления от питающей сети. Это приводит к большому уровню пульсаций на выходе и низкому коэффициенту мощности. Для улучшения этих параметров в схему устройства добавляют низкочастотный дроссель. Неприятное решение, т.к. размеры и вес дросселя примерно такие же, как и у силового трансформатора. При этом коэффициенты пульсаций и мощности у станций со сглаживающем дросселем, все равно, значительно хуже, чем у инверторных.

Инверторные станции катодной защиты строятся на основе высокочастотных импульсных преобразователей.

Главный выигрыш в технических характеристиках инверторных станций происходит из-за того, что размеры силового трансформатора практически обратно пропорционально зависят от частоты преобразования. Увеличив частоту, можно уменьшить размеры трансформатора, а значит уменьшить вес устройства, длину проводов обмоток, тепловые потери и т.д. Кроме того высокая частота сигнала позволяет (опять же пропорционально) уменьшить индуктивности и емкости сглаживающих фильтров, уменьшить уровень пульсаций на выходе устройства.

Вот типичная структурная схема и диаграмма работы инверторной станции катодной защиты серии ”ТИЭЛЛА” (изготовитель НПП ”СИЭЛ”, г. Новочеркасск, sielectr.ru).

Входное напряжение питающей сети выпрямляется, сглаживается, в результате чего получается постоянное напряжение 300 – 400 В. Далее оно преобразуется инвертором в переменное напряжение высокой частоты прямоугольной формы и поступает на силовой трансформатор. Трансформатор осуществляет гальваническую развязку выходной и входной цепей и снижает напряжение до нужного уровня. Далее следуют высокочастотный выпрямитель и фильтр. В результате на выходе устройства вырабатывается постоянный ток. Частота преобразования у современных инверторных станций катодной защиты 20 – 50 кГц, но в некоторых разработках достигает 100 кГц.

При той же мощности размеры высокочастотных трансформаторов на много меньше низкочастотных. Вот фотография высокочастотного силового трансформатора мощностью 1500 Вт станции серии ”ТИЭЛЛА”.

Он работает на частоте 100 кГц, т.е. частота преобразования в 2000 раз выше, чем у классического трансформатора 50 Гц. Поэтому размеры трансформатора 50 x 50 мм, а вторичная обмотка - всего 4 витка (при выходном напряжении 60 В). Это провод длиной примерно 50 см. А длина провода вторичной обмотки низкочастотного трансформатора – несколько метров.

Для обеспечения синусоидальной формы тока потребления от питающей сети в инверторных станциях применяют активные корректоры коэффициента мощности. При использовании этих устройств коэффициент мощности достигает 0,99. Но бывают инверторные станции и без корректора. Коэффициент мощности в таких устройствах, как правило, не превышает 0,7.

 

Параметры и функциональные возможности станций катодной защиты.

 1. Режимы стабилизации.

Раньше станции делили на автоматические и ручные. Имелось в виду, что автоматические устройства что-то стабилизируют (ток или потенциал), а в ручных станциях выходные параметры выставляются обходчиком для конкретных условий. С изменением окружающих условий (колебания напряжения питающей среды, изменение состояния анодного заземления, дождь, мороз …), выходные параметры ручных станций меняются.

Для современных станций правильнее называть конкретные параметры, которые стабилизирует устройство. Могут быть следующие варианты:

• Станция не стабилизирует ничего, ток защиты регулируется в ручном режиме. Это совсем старые варианты устройств, но они до сих пор работают и даже производятся.
• Стабилизация выходного тока. При изменении сопротивления нагрузки, напряжения питающей сети, выходной ток остается неизменным, на заданном уровне. Достаточно распространенный режим.
• Стабилизация выходного напряжения. При изменении окружающих условий неизменным остается напряжение. Такой режим используется редко.
• Стабилизация защитного потенциала. Устройство поддерживает стабильным потенциал электрода сравнения.
• Стабилизация одновременно всех выше перечисленных параметров. Например, потенциал на уровне 0,8 В, если ток не превысит 10 А, а напряжение должно быть не выше 30 В.

В принципе, все эти режимы могут быть как у трансформаторных, так и у инверторных станций. Но у инверторных устройств функциональные возможности, как правило, шире. Трудно представить инверторную станцию без стабилизации хотя бы тока.

 2. Энергетические выходные параметры.

• Номинальная выходная мощность.
• Номинальный выходной ток.
• Номинальное выходное напряжение.

Значения тока, напряжения и мощности на выходе станции определяются конкретными условиями эксплуатации. Устройство должно обеспечить эти параметры в заявленных пределах. Например, станция с выходными параметрами 1200 Вт, 24 А, 50 В должна в номинальном режиме (т.е. сколь угодно долго) обеспечивать ток до 24 А, если напряжение не превысит 50 В. При слишком высоком сопротивлении нагрузки, например 3 Ом, и заданном токе 20 А, устройство может не обеспечить требуемый ток, т.к. для тока 20 А напряжение должно быть 20 А * 3 Ом = 60 В, а в параметрах указано только 50 В.

Большая часть станций в газовой промышленности имеет выходную мощность 1 – 3 кВт, хотя встречаются устройства до 10 кВт. Самое распространенное выходное напряжение 50 В и 100 В.

 3. Коэффициент полезного действия.

Параметр, определяющий экономичность станций. Расход электроэнергии зависит именно от него.

Трансформаторные устройства значительно проигрывают по этому параметру инверторным.

Тип станции	Типичный КПД
Трансформаторная без сглаживающего дросселя	70 %
Трансформаторная со сглаживающим дросселем	80 %
Инверторная	85 - 90 %
Требование “ГАЗПРОМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ”	не ниже 85 %

Дело не только в этих конкретных значениях. Проблема трансформаторных станций в том, что с уменьшением выходной мощности их КПД резко падает, вплоть до 20 – 30 %. Это связано в первую очередь с тем, что потери на перемагничивание магнитопровода трансформатора не зависят от выходной мощности. Поэтому, при меньшей мощности они становятся более весомыми.

Выходная мощность устройств катодной защиты зависит от сопротивления нагрузки, т.е. от состояния анодного заземления. При хорошем состоянии заземления (низком сопротивлении) требуется меньшее напряжение, а значит и меньшая мощность, чтобы обеспечить заданный ток. Со временем анодные электроды зарастают, сопротивление увеличивается, и устройство должно повышать выходную мощность. Но большую часть времени станции катодной защиты работают на пониженной мощности. И именно в этом режиме трансформаторные устройства имеют низкий КПД.

У инверторных станций, при уменьшении выходной мощности, КПД снижается незначительно.

По данным РСТОВГОРГАЗА при замене трансформаторных станций на инверторные ИСТ-750М, экономия электроэнергии на одно устройство в месяц достигала 800 руб. в ценах 2003 г.

В некоторых рекламных статьях об инверторных преобразователях катодной защиты указывается значение КПД до 96 %. Ответственно заявляю, что на современных полупроводниковых приборах такой КПД получить невозможно. Простой расчет даже только активных потерь приводит к такому утверждению. Особенно это касается устройств с корректором коэффициента мощности. Известно, что КПД последовательно соединенных устройств умножается, т.е. уменьшается, т.к. КПД каждого устройства всегда меньше 1. Лично мне удалось добиться:

• КПД = 91,6 % для станции ”ТИЭЛЛА” 15 А, 100 В ;
• КПД = 90,7 % для выходных параметров 30 А, 50 В.

Оба преобразователя с корректором коэффициента мощности. Но это на частоте 100 кГц, с MOSFET транзисторами и карбид кремниевыми диодами Шоттки.

 

 4. Коэффициент пульсаций.

В инверторных станциях уровень пульсаций составляет 2- 5 %. Достигается это достаточно просто. В выходном фильтре используются дроссель и конденсаторы небольших размеров из-за высокой частоты преобразования.

Дроссель инверторной станции "ТИЭЛЛА" мощностью 1500 Вт имеет размеры всего 70 x 70 x 50 мм.

В трансформаторных устройствах этот параметр можно уменьшить до 10 % установкой громадного дросселя, размерами и весом не меньше силового трансформатора. Без дросселя коэффициент пульсаций вполне может достигать и 90 %, при уменьшении выходной мощности.

“ГАЗПРОМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ” требует коэффициент пульсаций не более 3 %.

 5. Коэффициент мощности.

Это показатель, характеризующий искажения формы тока, потребляемого от электросети. От него зависят потери в проводах питающей сети.

Я посвящу коэффициенту мощности отдельную статью, подробно расскажу, что это такое, как он измеряется, как влияет на работу электросети.

Тип станции	Коэффициент мощности
Трансформаторная без сглаживающего дросселя	0,7 (только при максимальной нагрузке)
Трансформаторная со сглаживающим дросселем	0,85
Инверторная без корректора коэффициента мощности	0,7
Инверторная с корректором коэффициента мощности	0,95 - 0,99
Требование “ГАЗПРОМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ”	не ниже 0,9

Корректор коэффициента мощности сложный силовой узел. К тому же он снижает общий КПД устройства. Поэтому существует достаточное количество инверторных станций без корректора коэффициента мощности. Тем не менее, в технической документации на эти устройства коэффициент мощности растет вслед за требованиями нормативных документов. Одним из признаков наличия в инверторной станции активного корректора мощности является высокое верхнее значение диапазона напряжения питающей сети, не менее 260 В.

 

 6. Диапазон напряжения и частота питающей сети.

Большое преимущество по этому параметру имеют инверторные устройства с корректором коэффициента мощности.

Тип станции	Напряжение и частота питающей сети
Трансформаторная	220 В ± 10 %, 50 ± 2 Гц
Инверторная без корректора коэффициента мощности	220 В ± 10 %, 50 ± 5 Гц
Инверторная с корректором коэффициента  мощности	220 В ± 20 %, 50 ± 5 Гц
Требование “ГАЗПРОМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ”	220 В ± 10 %

 7. Защитные функции.

Станции катодной защиты работают в тяжелых условиях, с часто возникающими нештатными ситуациями. Поэтому обработка аварийных режимов - крайне важная функция.

• Защита от короткого замыкания.

На трансформаторных станциях реализуется с помощью плавкого предохранителя. При каждом замыкании возникают ударные токи, снижающие надежность тиристоров, и необходимо менять предохранитель.

В инверторных станциях применяют разные схемотехнические решения для защиты. Некоторые из них ведут к появлению в момент замыкания ударных токов полупроводниковых приборов, что снижает надежность устройства. Некоторые устройства выключаются после короткого замыкания и требуют дополнительного включения, другие включаются автоматически.

В станциях серии ”ТИЭЛЛА” инверторный преобразователь является источником тока, а не напряжения. Источник тока не боится коротких замыканий. Более того работа на замкнутый выход является для него самым легким режимом работы. В результате станция ”ТИЭЛЛА” при коротком замыкании продолжает работать, только выходная мощность падает практически до нуля из-за нулевого напряжения на выходе. Никаких перегрузок в момент замыкания не происходит и, при восстановлении нагрузки, устройство автоматически переходит в нормальный режим работы.

• Защита от обрыва нагрузки.

Обрыв нагрузки не может привести к поломкам станции. Опасность этой ситуации только в том, что на выходе устройства появляется довольно высокое напряжение порядка 60 – 120 В, которое может привести к поражению электрическим током. В своих станциях я обрабатываю эту ситуацию и выключаю инвертор при обрыве. На трансформаторных и многих инверторных станциях режим обрыва нагрузки не обрабатывается.

• Защита от перегрузки по выходной мощности и защита устройства от перегрева.

Ограничение выходной мощности станций, как правило, разработчики не предусматривают. Заявляется, что выходная мощность устройства не менее определенного значения, но может быть и несколько больше. На моих станциях есть функция ограничения выходной мощности. Достаточно включить одновременно режимы стабилизации по току и напряжению.

Слишком большая выходная мощность может привести к перегреву устройства. Также перегрев может произойти из-за повышенной температуры окружающей среды.

Инверторные станции, как правило, контролируют температуру радиатора силовых элементов и ограничивают мощность, или выключают устройство при перегреве. В станциях серии ”ТИЭЛЛА” контролируется температура в пяти точках, в том числе и температура воздуха в корпусе устройства.

В трансформаторных станциях обычно функции защиты от перегрева нет.

• Защита от обрыва измерительной цепи электрода сравнения.

В режиме стабилизации потенциала обратная связь на регулятор станции поступает от внешнего электрода сравнения. Провод к этому электроду может оборваться. Станция измерит значение потенциала на оборванном проводе. Скорее всего, оно будет равно нулю. Пытаясь повысить потенциал, устройство перейдет на режим полной выходной мощности.

Устройства с интеллектуальным управлением обрабатывают такую ситуацию. Мои станции переходят в режим стабилизации тока.

• Защита от перенапряжения.
  • Питающей сети.
  • Выходной цепи.
  • Измерительной цепи.

Обязательная защитная функция станций. Как правило, используются варисторы, которые замыкают цепь при повышении напряжения. Иногда применяются дополнительные блоки защиты от импульсных помех.

В станциях ”ТИЭЛЛА” варисторы применяются как штатная защита, а в качестве дополнительной защиты могут использоваться блоки на пробивных стабилитронах (супрессорах) и плавких предохранителях. Очень эффективная защита, хотя и требует замены предохранителей.

 

 8. Диапазон регулировки параметров.

Почти во всех станциях параметры (выходной ток, напряжение) задаются в диапазоне 5 -100 %. У трансформаторных станций это связано с тем, что при малых значения угла открывания, тиристоры работают нестабильно. У инверторных устройств задавать параметры от нуля, скорее всего, мешает то, что длительность импульсов управления силовыми транзисторами не может быть меньше определенной величины (обычно 1 мкс).

В моих станциях все параметры регулируются от нуля (0 – 100 %). При малых значениях выходной мощности инвертор с режима широтно-импульсной модуляции переходит на релейный режим.

Требования “ГАЗПРОМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ” говорят, что пределы регулирования выходного тока или напряжения должны быть по крайней мере 5 -100 %.

 9. Точность стабилизации параметров.

Требования “ГАЗПРОМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ” допускают отклонение параметров стабилизации не более чем на 2 %. Обычно такую точность регулировки и обеспечивают станции. На станциях ”ТИЭЛЛА” погрешность стабилизации параметров не более 1%. Потребители не особенно обращают внимание на этот параметр.

 10. Входное сопротивление измерителя потенциала.

Разработчики медно-сульфатных электродов сравнения требуют, чтобы входное сопротивление цепи измерителя было не менее 10 мОм.

Далеко не все устройства обеспечивают этот параметр. Трудно реализовать такое высокое входное сопротивление и точность измерения в широком диапазоне температур. В моих станциях удалось обеспечить этот параметр за счет применения АЦП с входным сопротивлением 3000 мОм и автокалибровкой.

 11. Степень защиты от внешних воздействий.

Станции катодной защиты работают на открытом воздухе. Поэтому требуется исполнение корпуса со степенью защитой IP34. Большинство производителей выпускает устройства именно такого исполнения.

В серии ”ТИЭЛЛА” есть станции и в корпусах IP54. Это пылезащищенное исполнение, без вентиляционных щелей. Правда, это устройства небольшой мощности, до 1 кВт.

 12. Температура окружающей среды.

У большинства станций диапазон рабочих температур -40 … +45 °C.

 13. Механическая конструкция.

Станции катодной защиты делают в самых разных корпусах, разной конструкции, разной формы, разных размеров.

Для потребителя, конечно, важны вес и размеры устройства. От этих параметров зависят расходы по транспортировке, хранению, обслуживанию. Например, станция ”ТИЭЛЛА” мощностью 1200 Вт и исполнением IP34 весит меньше 12 кг. Понятно, что для перевозки такой станции достаточно легкового автомобиля, нет необходимости в подъемном кране, требуется минимальное число монтажников и т.д.

Не менее важен другой вопрос. Устройства становятся все сложнее. Что делать в случае поломки. В чистом поле их не отремонтировать. Станцию небольших размеров легко демонтировать и отвезти в мастерскую. Но к ней подключена питающая сеть 220 В. А подключение и отключение сети требует согласования с энергетиками. Поэтому современные станции должны обеспечивать быструю замену внутренних модулей непосредственно на объекте и без монтажных операций со счетчиком электроэнергии. Потребители станций все чаще обращают внимание на такую функцию.

 

 14. Система GSM телемеханики.

Станции должны иметь возможность подключения к системе телемеханики. В принципе, любую станцию можно подключить к контроллеру GSM телеметрии. Есть контроллеры, допускающие прямое подключение токового шунта, выхода устройства, счетчика электроэнергии, датчика открывания двери и т.п. Но для управления станцией она должна иметь интерфейс телемеханики.

На трансформаторных станциях либо интерфейса телемеханики нет, либо это архаичные аналоговые сигналы 0 … 5 В, 0 … 10 В, 0 … 20 мА, 4 … 20 мА. В некоторых инверторных станциях появились цифровые последовательные интерфейсы. Они позволяют обмениваться контроллеру телеметрии и станции практически неограниченным количеством данных. Самым распространенным интерфейсом является RS 485.

Станции ”ТИЭЛЛА” содержат три равнозначных цифровых интерфейса с полным доступом ко всем ресурсам устройства. Можно считать или записать любую ячейку оперативной памяти контроллера, посмотреть любой параметр.

 15. Параметры функций, технологические установки.

У всех, перечисленных выше функций много параметров. Эти параметры содержатся в энергонезависимой памяти контроллера станции. Интеллектуальные устройства дают возможность пользователям менять эти параметры для создания оптимальной конфигурации системы.

Станции серии ”ТИЭЛЛА” позволяют опытным пользователям устанавливать калибровочные коэффициенты, коэффициенты регуляторов, пороги срабатывания защит  и многие другие.

 

Требования к параметрам устройств катодной защиты приведены из документа:

СТО ГАЗПРОМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ 5.2-1-2013.
ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ СИСТЕМ ПРОТИВОКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ СЕТЕЙ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ.

Следующая серия статей посвящена обзору конкретных станций катодной защиты разных производителей.

Обзор станций катодной защиты.

Тип станции	Производитель	Принцип действия	Выходная мощность	Состояние производства
ИСТ-750 М	НПП "Энергобионик”, г. Новочеркасск	инверторная	750 Вт	выпуск прекратился в 2014 г.
ИСТ-750, ИСТ-1000, ИСТ-1500, ИСТ-3000	НПП "Энергобионик”, г. Новочеркасск	инверторная	750 – 3000 Вт	выпуск прекратился в 2014 г.
Серия ”ТИЭЛЛА”	НПП ”СИЭЛ”, г. Новочеркасск, sielectr.ru	инверторная	600 – 3000 Вт	производится
УКЗТ, УЭДЗ	НПП "Дон", г. Ростов на Дону	трансформаторная	240 - 5000 Вт	производится
УКЗТ-А	НПП "Дон", г. Ростов на Дону	трансформаторная	300 - 5000 Вт	производится