專(zhuān)利名稱(chēng)：用于保護(hù)電桿和鍍鋅錨固件避免電偶腐蝕的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及保護(hù)電桿、塔架、接地銅排以及鍍鋅錨固件(anchor)避免在腐蝕性土壤中加速腐蝕的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明認(rèn)識(shí)到具有比變電站附近的鍍鋅鋼桿的本地(native)電位(_1，IOOmV)正電性更強(qiáng)的本地電位(-200mV)的變電站接地網(wǎng)形成電偶腐蝕電池，其導(dǎo)致鍍鋅鋼桿的加速腐蝕。為了應(yīng)對(duì)這種情況，鄰近接地網(wǎng)來(lái)安裝陽(yáng)極，并建立外加電流，以便使接地網(wǎng)的有效電位(瞬斷電位)偏移到約_1050mV。在該外加電流施加到接地網(wǎng)的情況下，金屬桿不再將接地網(wǎng)“看作”為大正電性陰極，這消除了桿的電化學(xué)腐蝕的動(dòng)力，從而保護(hù)桿避免受到腐蝕。


圖1是目前現(xiàn)有技術(shù)電線(xiàn)桿(以及塔架)和變電站(具有銅接地網(wǎng))裝備的局部剖開(kāi)的示意性側(cè)視圖；圖2是類(lèi)似于圖1的但是根據(jù)本發(fā)明應(yīng)用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；圖3是圖2的裝備的示意性平面圖；以及圖4是對(duì)于鍍鋅桿而言的使用壽命隨電位偏移而變化的曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出現(xiàn)有技術(shù)電力變電站10，其包括在變電站10下方的較大的地下銅接地網(wǎng)12。在典型的現(xiàn)有技術(shù)電力變電站中，接地線(xiàn)16從變電站10延伸到最近的電桿14，然后從一個(gè)電桿14延伸到下一個(gè)電桿，以及成系列的電桿14中的每一個(gè)經(jīng)由尾線(xiàn)(wirepigtail)18電連接到該接地線(xiàn)16。(應(yīng)當(dāng)指出的是,在附圖中的電桿14可表示電線(xiàn)桿或塔架，而且在該說(shuō)明書(shū)中詞語(yǔ)“桿”的使用還涵蓋塔架)。接地線(xiàn)16電連接到變電站10 (BP,其與變電站10處于電連續(xù)性)，變電站10接著經(jīng)由接合線(xiàn)13電連接到銅接地網(wǎng)12，接地線(xiàn)
16根據(jù)需要也可以是用于電子電路或防雷擊的中性回路線(xiàn)或屏蔽線(xiàn)。每個(gè)電線(xiàn)桿14也牢固地埋入到土地(土壤20)內(nèi)。本發(fā)明認(rèn)識(shí)到這種布置導(dǎo)致使得桿以及連接到桿的任何金屬錨固件加速腐蝕的電偶腐蝕電池，其原因在于桿14不管它們是否被鍍鋅都具有比變電站10的銅接地網(wǎng)12的負(fù)電性更強(qiáng)的本地電位。從桿14到變電站10的接地線(xiàn)16以及從變電站10到接地網(wǎng)12的接地線(xiàn)13提供從每一桿14到銅接地網(wǎng)12的電通路(電連續(xù)性)，而土壤20本身提供用 于完成電化學(xué)電路的離子通路。電線(xiàn)桿14 (以及連接到桿14的任何金屬錨固件)有效地將 變電站的銅接地網(wǎng)12 “看作”為陰極，其具有比桿14 (以及錨固件)的正電性更強(qiáng)的電位， 而桿14 (以及錨固件)則成為該腐蝕電池的陽(yáng)極。這意味著桿14 (以及錨固件)失去電子 并受到腐蝕。因此，桿14 (以及錨固件)到變電站10和銅接地網(wǎng)12的連接由于電偶作用 而導(dǎo)致電線(xiàn)桿14 (以及錨固件)的加速腐蝕。
銅接地網(wǎng)12的本地接地電位通常為約-200毫伏(mV)，然而對(duì)于鍍鋅鋼桿而言的 本地接地電位通常為從-700至-1lOOmV,這取決于存在的具體金屬間化合物層。當(dāng)接地網(wǎng) 12和桿14通過(guò)經(jīng)由尾線(xiàn)18、線(xiàn)16、變電站10以及接合線(xiàn)13結(jié)合而電連通時(shí)，在所有電連通 的結(jié)構(gòu)上獲得約_650mV的混合金屬電位，其是根據(jù)如下計(jì)算出來(lái)的算術(shù)平均值:(_1，100+ (-200))/2=-650mV。該電位會(huì)隨著土壤腐蝕特性而改變。電位的該較大差異形成原電池， 導(dǎo)致鍍鋅鋼桿14加速腐蝕，其中負(fù)電性更強(qiáng)的金屬(處于-1，IOOmV本地電位下的鍍鋅桿14 以及錨固件)作為陽(yáng)極以及正電性更強(qiáng)的金屬(處于-200本地電位mV下的接地網(wǎng)12)作為 陰極。
當(dāng)然，上述是在將桿14通過(guò)變電站10到腐蝕性土壤中的銅接地網(wǎng)12的接地過(guò)程 中出現(xiàn)的意想不到的后果。
圖2和圖3示意性地示出為本發(fā)明主題的解決方案。如在圖3中最佳意識(shí)到的那 樣，外加電流陽(yáng)極22設(shè)置在接地網(wǎng)12周?chē)员惆鼑拥鼐W(wǎng)12。在該特定實(shí)施例中，外力口 電流陽(yáng)極22在接地網(wǎng)12每一側(cè)的大約中點(diǎn)處以及在接地網(wǎng)以外大約十英尺的距離處設(shè)置 在接地網(wǎng)12的北側(cè)、南側(cè)、東側(cè)以及西側(cè)。在該實(shí)施例中，將四個(gè)陽(yáng)極在主方向(N -S-Ε-ff)上設(shè)置于接地網(wǎng)周?chē)约霸O(shè)置在距離為L(zhǎng)/3.5 (其中L是接地網(wǎng)給定側(cè)的長(zhǎng)度)的 距離處是合適的。在其它情況下，可期望利用更多數(shù)量的陽(yáng)極或由于來(lái)自各個(gè)陽(yáng)極的所計(jì) 算出的電流輸出而將陽(yáng)極與接地網(wǎng)的距離最小化?？商鎿Q地，連續(xù)的線(xiàn)性陽(yáng)極有時(shí)會(huì)是期 望的，這些陽(yáng)極被鄰近接地網(wǎng)犁耕埋入或挖溝槽埋入。除了實(shí)用性之外，在理論上沒(méi)有為何 陽(yáng)極不能設(shè)置在接地網(wǎng)內(nèi)側(cè)的理由，如果變電站設(shè)在那里，則安裝或修復(fù)會(huì)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備造 成太多的干擾。外加電流陽(yáng)極可由任何合適的材料制成。適于外加電流陽(yáng)極的常用材料包 括石墨、鑄造硅鐵或混合金屬氧化物線(xiàn)。多數(shù)類(lèi)型是可商購(gòu)的。
這些陽(yáng)極22經(jīng)由電線(xiàn)24電彼此連接，電線(xiàn)24又經(jīng)由電線(xiàn)28電連接到直流(DC) 電源26的正極(+ )端子，在這種情況下，其是陰極保護(hù)整流器26。另一電線(xiàn)30將直流電源 26的負(fù)極(_)端子連接到接地網(wǎng)12。
利用這種布置，外加電流通過(guò)直流整流器26施加到接地網(wǎng)12，以降低接地網(wǎng)12的 電化學(xué)電位。在這種情況下,如在接地網(wǎng)12處測(cè)量的那樣，施加外加電流，其導(dǎo)致約-850 至-1050mV的瞬斷電位的無(wú)IR極化電位。這一瞬斷電位接近于但負(fù)電性略小于鍍鋅鋼桿 14的本地電位(如果施加的電位負(fù)電性比桿14的-1lOOmV的電位更強(qiáng)，其會(huì)導(dǎo)致土壤的pH 值變化，導(dǎo)致桿14上的鍍鋅覆層的加速腐蝕)。該外加電流有效地將如由鍍鋅桿14“看作” 的接地網(wǎng)12的電位降低至幾乎回到桿14的本地電位。這意味著在桿14和接地網(wǎng)12之間 不再有電偶腐蝕電池動(dòng)力，因此接地網(wǎng)12不再造成桿14的加速腐蝕。
相對(duì)于銅一硫酸銅參考電池來(lái)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)瞬斷電位。當(dāng)陰極保護(hù)電流(CP電流)中 斷時(shí)捕獲瞬斷測(cè)量值，以及土壤中的IR降消失，以呈現(xiàn)最佳地接近結(jié)構(gòu)與所接觸土壤之間的極化的CP電位穩(wěn)定狀態(tài)(長(zhǎng)達(dá)半秒)。在這種情況下，該結(jié)構(gòu)是接地網(wǎng)12。為了在接地網(wǎng)12處獲得所需水平的外加電流，整流器26被通電，并且調(diào)整電壓和安培輸出，直到接地網(wǎng)12處的瞬間斷電讀數(shù)為所需讀數(shù)為止。瞬間斷電電位與無(wú)IR電位(其中V=IR表示電壓=電流(I)x電阻(R))相同，以及IR部分是作為在參考電池(設(shè)置于土壤上)和結(jié)構(gòu)之間流動(dòng)的陰極保護(hù)電流而測(cè)量的電位貢獻(xiàn)。應(yīng)當(dāng)指出，這一布置還給銅接地網(wǎng)12提供保護(hù)，接地網(wǎng)12由于由桿14已經(jīng)形成的原電池而易于在腐蝕性土壤中加速腐蝕。雖然在用于建立接地網(wǎng)12和桿14的所需程度保護(hù)的協(xié)議可以有所變化，但是典型的協(xié)議概述如下:1-識(shí)別待測(cè)試和修改的連續(xù)變電站(這些變電站是處于受到保護(hù)的桿14組之間的所有變電站10，其中桿14與變電所10處于電連續(xù)性)。2-測(cè)量每個(gè)變電站10周?chē)耐寥离娮杪?，并利用此信息?lái)確定陽(yáng)極位置和適于該變電站10的電壓整流要求。有利地將陽(yáng)極22設(shè)置在每個(gè)接地網(wǎng)12的周?chē)以O(shè)置于電阻率最低的土壤中，以便使得整流器26所需的電壓最小。3-在每個(gè)變電站10處測(cè)量銅接地網(wǎng)12的本地電位。4-測(cè)量變電站10之間的選定鍍鋅桿14的本地電位。該選擇可以是桿14的隨機(jī)分布，或者，如果需要的話(huà)可測(cè)量所有桿14。5-形成適于每個(gè)變電站10的在整流器26處使用的電流。作為第一次迭代，該電流可計(jì)算為在相應(yīng)變電站10的接地網(wǎng)12中的每平方英尺裸銅線(xiàn)的表面積為4毫安。在每個(gè)相應(yīng)的變電站10處應(yīng)用各自的外加電流(IC)陰極保護(hù)系統(tǒng)，將每個(gè)相應(yīng)整流器26的正極端子連接到相應(yīng)的陽(yáng)極22，以及將每個(gè)相應(yīng)整流器26的負(fù)極端子連接到每個(gè)變電站10處的接地網(wǎng)12，其中每個(gè)相應(yīng)的變電站10具有如圖3所示的設(shè)置。6-在接地網(wǎng)周?chē)亩鄠€(gè)不同點(diǎn)處獲取一系列讀數(shù)。讀數(shù)包括本地電位(NP)，“接通”電位、以及“瞬斷”電位。7-針對(duì)每個(gè)位置計(jì)算極化，其中:極化(P)= “瞬斷”電位-本地電位8-計(jì)算平均極化(AP)，其中:平均極化(AP)=平均本地電位-平均“斷開(kāi)”電位9-上述AP圖是將第一次迭代電流(見(jiàn)上文第4項(xiàng))施加到整流器26處時(shí)達(dá)到的極化。10-在變電站10處的接地網(wǎng)12的所需極化對(duì)于具有-1lOOmV本地電位的桿而言應(yīng)該處于-1050mV的量級(jí)上，因此現(xiàn)在可以計(jì)算極化的所需偏移以實(shí)現(xiàn)該所需極化。接地網(wǎng)的所需偏移=接地網(wǎng)的所需極化-接地網(wǎng)的平均本地極化11-利用簡(jiǎn)單的比例，計(jì)算用于實(shí)現(xiàn)所需偏移的所需電流，其中:在第一次迭代中的AP/實(shí)際電流=極化的所需偏移/X其中X=用于實(shí)現(xiàn)極化的所需偏移的所需電流。示例:在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，在變電站處在整流器處使用的初始電流為1.8安培。測(cè)得的平均本地電位(將在變電站A的接地網(wǎng)12周?chē)亩鄠€(gè)位置處所測(cè)得的本地電位取平均)為542mV，以及測(cè)得的平均“瞬斷”電位(將所測(cè)得的瞬斷電位取平均)為729mV。
然后計(jì)算平均極化(AP):
AP=平均“瞬斷”電位-平均本地電位
AP=729-542=187mV。
然后計(jì)算所需偏移:
所需偏移=所需極化-平均的本地極化
所需偏移=1050mV-542mV=508mV
最后，利用比例:
AP /實(shí)際電流=所需偏移/所需電流
187mV+l.8A=508mV+所需電流
對(duì)該方程求解產(chǎn)生對(duì)于變電站A而言在整流器26中使用的4.89安培的所需電 流，因此在該特定的變電站A處將5安培的電流用作外加電流。
12-設(shè)定整流器26的輸出以便獲得在接地網(wǎng)12上的_1300mVCSE (硫酸銅參考電 極)電位(目的是獲得約-850至-1050mV的瞬斷電位)。
13-測(cè)量所選定桿上的陰極保護(hù)“接通”電位和“瞬斷”電位以便確認(rèn)已經(jīng)獲得了 電位的足夠的偏移。優(yōu)選地，在接地網(wǎng)12已經(jīng)由它們的各自整流器26通電至少24小時(shí)之 后獲取這些測(cè)量值。
14-考慮對(duì)各個(gè)電桿14處的陰極保護(hù)進(jìn)行補(bǔ)足，通過(guò)安裝附加的局部陰極保護(hù) (諸如在單個(gè)電桿14處的局部設(shè)置的鎂犧牲陽(yáng)極)示出電位小于_800mV。預(yù)計(jì)對(duì)于變電站 10附近的電桿14而言獲得幾乎100%的防腐蝕保護(hù)。然而，距離變電站10非常遠(yuǎn)距離定 位的桿14可具有有限的電位偏移(在30至60mV范圍內(nèi)的偏移)，因此僅獲得部分保護(hù)。即 使對(duì)于距離變電站很遠(yuǎn)的桿而言偏移較低電位，這可以轉(zhuǎn)化為那些鍍鋅桿使用壽命的大幅 增加。
圖4是示出對(duì)于鍍鋅桿或結(jié)構(gòu)而言的使用壽命的曲線(xiàn)圖，其中在零點(diǎn)偏移電位處 以8年使用壽命開(kāi)始。可以意識(shí)到約為_(kāi)60mV的電位偏移導(dǎo)致80年的使用壽命，在桿的使 用壽命上在幅度上增加了 一個(gè)量級(jí)。
15-可安裝無(wú)線(xiàn)發(fā)射器以便監(jiān)測(cè)來(lái)自參考電極的測(cè)量選定桿14處的電位的數(shù)據(jù)， 以便檢測(cè)可表明桿14周?chē)沫h(huán)境或物理?xiàng)l件變化的不規(guī)律性，上述環(huán)境或物理?xiàng)l件變化 會(huì)影響其陰極保護(hù)水平。
電化學(xué)電位指示腐蝕活動(dòng)性，這樣所述數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測(cè)桿14的腐蝕活動(dòng)性、陰極 保護(hù)的有效性、保護(hù)水平、在桿14周?chē)耐寥栏g性的變化，以及屏蔽線(xiàn)16的不規(guī)律性。
前述曲線(xiàn)圖(參見(jiàn)圖4)與監(jiān)測(cè)選定桿(或所有桿)14處的電化學(xué)電位的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè) 相結(jié)合可用于評(píng)估桿14的剩余使用壽命。
對(duì)于本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員而言，在不脫離如所主張的本發(fā)明范圍的情況下可以 對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變型。
權(quán)利要求
1.一種用于保護(hù)位于變電站附近的多個(gè)電桿的方法，包括以下步驟:在所述變電站下方提供接地網(wǎng)，所述接地網(wǎng)與地接觸；將所述變電站電接地到所述接地網(wǎng)；將多個(gè)電桿電接地到公共地線(xiàn)以及將所述公共地線(xiàn)電接地到所述接地網(wǎng)；在所述接地網(wǎng)附近提供至少一個(gè)外加電流陽(yáng)極；提供具有正極端子和負(fù)極端子的直流電源；將所述直流電源的所述負(fù)極端子電連接到所述接地網(wǎng)以及將所述直流電源的所述正極端子電連接到所述至少一個(gè)外加電流陽(yáng)極；以及使用所述直流電源來(lái)施加減小所述接地網(wǎng)的有效電位的直流電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于保護(hù)多個(gè)電桿的方法，還包括以下步驟:以外加電流陽(yáng)極圍繞所述接地網(wǎng)；以及將所述陽(yáng)極彼此電連接并且將所述陽(yáng)極電連接到所述直流電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于保護(hù)多個(gè)電桿的方法，還包括以下步驟:針對(duì)所述電桿中的至少一些測(cè)量本地電位；在施加第一次迭代電流之前測(cè)量所述接地網(wǎng)的所述本地電位；然后，施加來(lái)自所述直流電源的第一次迭代電流；然后，去除所述第一次迭代電流并獲取所述接地網(wǎng)的“瞬斷”電位讀數(shù)；以及然后，調(diào)整所述直流電源以獲得用于保護(hù)所述桿的所需網(wǎng)極化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于保護(hù)多個(gè)電桿的方法，還包括以下步驟:測(cè)量所述電桿中的至少一些上的陰極保護(hù)“接通”和“瞬斷”電位以確認(rèn)已經(jīng)獲得足夠的電位偏移；以及通過(guò)調(diào)整所述接地網(wǎng)的所述有效電位，在所述電桿中未被充分保護(hù)的一些處設(shè)置附加的局部陰極保護(hù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于保護(hù)多個(gè)電桿的方法，還包括以下步驟:鄰近所述電桿中的至少一些提供參考電極；測(cè)量所述參考電極處的電位；將無(wú)線(xiàn)發(fā)射器連接到所述參考電極；通過(guò)所述無(wú)線(xiàn)發(fā)射器發(fā)送來(lái)自所述參考電極的包括所測(cè)量電位的數(shù)據(jù)；以及監(jiān)測(cè)來(lái)自所述參考電極的所述數(shù)據(jù)以檢測(cè)表明會(huì)影響所述電桿的陰極保護(hù)水平的條件變化的不規(guī)律性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于保護(hù)多個(gè)電桿的方法，還包括以下步驟:通過(guò)所述直流電源提供電流，以獲得用于保護(hù)所述桿的所需網(wǎng)極化。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于保護(hù)多個(gè)電桿的方法，還包括以下步驟:通過(guò)所述直流電源提供電流，以獲得用于保護(hù)所述桿的所需網(wǎng)極化。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于保護(hù)多個(gè)電桿的方法，還包括以下步驟:測(cè)量所述電桿中的 至少一些上的陰極保護(hù)“接通”和“瞬斷”電位以確認(rèn)已經(jīng)獲得足夠的電位偏移；以及通過(guò)調(diào)整所述接地網(wǎng)的所述有效電位，在所述電桿中未被充分保護(hù)的一些處設(shè)置附加的局部陰極保護(hù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于保護(hù)多個(gè)電桿的方法，還包括以下步驟: 鄰近所述電桿中的至少一些提供參考電極； 測(cè)量所述參考電極處的電位； 將無(wú)線(xiàn)發(fā)射器連接到所述參考電極； 通過(guò)所述無(wú)線(xiàn)發(fā)射器發(fā)送來(lái)自所述參考電極的包括所測(cè)量電位的數(shù)據(jù)和所述參考電極的識(shí)別；以及 監(jiān)測(cè)來(lái)自所述參考電極的所述數(shù)據(jù)以檢測(cè)表明會(huì)影響所述電桿的陰極保護(hù)水平的條件變化的不規(guī)律 性。
全文摘要
用于保護(hù)多個(gè)金屬電桿以及接地銅排避免在腐蝕土壤中電偶腐蝕的方法包括將桿電互連到接地網(wǎng)以及提供外加電流陽(yáng)極用于接地網(wǎng)的陰極保護(hù)。
文檔編號(hào)H05B37/00GK103210700SQ201180055136
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者M·扎馬扎德, G·O·羅茲 申請(qǐng)人:邁特克服務(wù)公司