Устройство для компенсации переменного напряжения, возникающего между средой и металлическим трубопроводом, находящимся в этой среде

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ,ВОЗНИКАЮЩЕГО МЕЖДУ СРЕДОЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТРУБОПРОВОДОМ, НАХОДЯЩИМСЯ В ЭТОЙ СРЕДЕ(57) 1. Устройство для компенсации переменного напряжения, возникающего между средой и металлическим трубопроводом, индуцированного в продольном направлении в трубопроводе, расположенном в среде и окруженном слоем или оболочкой из электроизоляционного материала, содержащее первые элементы для формирования первой величины, источник тока, подключенный к соединительным точкам, размещенным на трубопроводе на некотором расстоянии друг от друга в продольном его направлении, отличающееся тем,что первые элементы выполнены с возможностью формирования первой величины, соответствующей переменному напряжению, индуцированному в продольном направлении в трубопроводе, а источник тока выполнен в виде регулируемого источника переменного тока с возможностью получения сигнала,соответствующего первой величине, и, в зависимости от нее, обеспечения протекания по трубопроводу в продольном направлении переменного тока с такой амплитудой и фазой, что падение напряжения вдоль трубопровода, вызванное током в трубопроводе, стремится уменьшить разность напряжений между трубопроводом и средой. Фиг. 1 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первые элементы содержат изолированный от среды измерительный проводник, расположенный в среде вблизи трубопровода, а первая величина соответствует переменному напряжению, индуцируемому в измерительном проводнике. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что первые элементы содержат амплитудночувствительные элементы, выполненные с возможностью формирования амплитудного сигнала, соответст 3247 1 вующего амплитуде индуцированного напряжения, и фазочувствительные элементы, выполненные с возможностью формирования сигнала фазы, соответствующего фазе индуцированного напряжения, причем указанные сигналы подаются к регулируемому источнику переменного тока, который в свою очередь подает к трубопроводу переменный ток с амплитудой, соответствующей амплитудному сигналу, и фазой, соответствующей сигналу фазы. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что фазочувствительные элементы выполнены с возможностью формирования сигнала фазы в зависимости от фазы индуцированного напряжения относительно опорного переменного напряжения, а регулируемый источник переменного тока выполнен с возможностью генерирования переменного тока той же частоты, что и опорное переменное напряжение, и с фазой относительно опорного сигнала, зависящей от сигнала фазы. 5. Устройство по одному из пп. 1-4, отличающееся тем, что трубопровод имеет множество пар соединительных точек, а источник переменного тока соединен с каждой парой соединительных точек. 6. Устройство по одному из пп. 1-5, отличающееся тем, что регулируемый источник переменного тока содержит статическую преобразующую схему. 7. Устройство по одному из пп. 1-5, отличающееся тем, что регулируемый источник переменного тока содержит усилитель мощности. 8. Устройство по одному из пп. 1-5, отличающееся тем, что регулируемый источник переменного тока содержит управляемую трансформаторную схему. Изобретение относится к устройству для компенсации переменного напряжения, возникающего между средой и металлическим трубопроводом, находящимся в этой среде и окруженным слоем (оболочкой) электроизоляционного материала. Известно устройство для компенсации переменного напряжения, возникающего между средой и металлическим трубопроводом 1, индуцированного в продольном направлении в трубопроводе, расположенном в среде и окруженном слоем или оболочкой из электроизоляционного материала, содержащее первые элементы для формирования первой величины, источник тока, подключенный к соединительным точкам, размещенным на трубопроводе на некотором расстоянии друг от друга в продольном его направлении. Это устройство предназначено для защиты трубопровода от коррозии, вызванной разностью потенциалов в среде, окружающей трубопровод (разностью потенциалов земли). Устройство главным образом применимо в тех случаях, когда разность потенциалов земли вызвана электрическим током, протекающим в среде и обычно возникающим от силовых установок постоянного тока. Разность потенциалов земли между двумя точками на трубопроводе определяется с помощью заземляющих электродов, расположенных вблизи трубопровода. Источник постоянного тока подсоединен к двум точкам трубопровода так, чтобы обеспечить прохождение тока через трубопровод между этими двумя точками. Ток регулируется в зависимости от определенной разности потенциалов так, что падение напряжения, вызванное протеканием тока через трубу, соответствует разности потенциалов земли. Устройство может быть применено для защиты от коррозии и в тех случаях, когда токи земли являются переменными. Разность потенциалов при этом представляет собой переменное напряжение, и вместо источника постоянного тока для передачи соответствующего переменного тока через трубопровод используется источник переменного тока. Известное устройство обеспечивает защиту от коррозии для тех случаев, когда риск коррозии возникает от разности потенциалов земли. Однако устройство совершенно не обеспечивает защиты от коррозии, вызванной индуцированным напряжением в металлическом трубопроводе. Задачей настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего надежную защиту от коррозии, вызванной переменными напряжениями, индуцированными в металлическом трубопроводе. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для компенсации переменного напряжения, возникающего между средой и металлическим трубопроводом, индуцированного в продольном направлении в трубопроводе, расположенном в среде и окруженном слоем или оболочкой из электроизоляционного материала, содержащем первые элементы для формирования первой величины, источник тока, подключенный к соединительным точкам, размещенным на трубопроводе на некотором расстоянии друг от друга в продольном его направлении, согласно изобретению, первые элементы выполнены с возможностью формирования первой величины, соответствующей переменному напряжению, индуцированному в продольном направлении в трубопроводе, а источник тока выполнен в виде регулируемого источника переменного тока с возможностью получения сигнала, соответствующего первой величине, и, в зависимости от нее, обеспечения протекания по трубопроводу в продольном направлении переменного тока с такой амплитудой и фазой, что 3247 1 падение напряжения вдоль трубопровода, вызванное током в трубопроводе, стремится уменьшить разность напряжений между трубопроводом и средой. Первые элементы содержат изолированный от среды измерительный проводник, расположенный в среде вблизи трубопровода, а первая величина соответствует переменному напряжению, индуцируемому в измерительном проводнике. Первые элементы содержат также амплитудно-чувствительные элементы, выполненные с возможностью формирования амплитудного сигнала, соответствующего амплитуде индуцированного напряжения, и фазочувствительные элементы, выполненные с возможностью формирования сигнала фазы, соответствующего фазе индуцированного напряжения, причем указанные сигналы подаются к регулируемому источнику переменного тока, который в свою очередь подает к трубопроводу переменный ток с амплитудой, соответствующей амплитудному сигналу, и фазой, соответствующей сигналу фазы. Фазочувствительные элементы выполнены с возможностью формирования сигнала фазы в зависимости от фазы индуцированного напряжения относительно опорного переменного напряжения, а регулируемый источник переменного тока выполнен с возможностью генерирования переменного тока той же частоты, что и опорное переменное напряжение, и с фазой относительно опорного сигнала, зависящей от сигнала фазы. Трубопровод имеет множество пар соединительных точек, а источник переменного тока соединен с каждой парой соединительных точек. Регулируемый источник переменного тока содержит также статическую преобразующую схему. Регулируемый источник переменного тока содержит усилитель мощности. Регулируемый источник переменного тока содержит управляемую трансформаторную схему. Предлагаемая конструкция устройства для компенсации переменного напряжения, возникающего между средой и металлическим трубопроводом, находящимся в этой среде, обеспечивает надежную защиту от коррозии, вызванной переменными напряжениями, индуцированными в металлическом трубопроводе. На фиг. 1 а изображена блок-схема примера выполнения устройства согласно изобретению на фиг. 1 изображено уменьшение напряжения между трубопроводом и окружающей средой на фиг. 2 а - несколько компенсирующих устройств и секций подачи компенсирующего напряжения установлен вдоль секции трубопровода на фиг. 2 - функционирование устройства, на фиг. 2 а на фиг. 3 - другой пример исполнения, в котором ток в секции подачи компенсирующего напряжения получен с помощью усилителя мощности на фиг. 4 - использование подсоединения регулируемого трансформатора в качестве альтернативы генерированию тока в секции подачи компенсирующего напряжения, и на фиг. 5 а и 5 изображен альтернативный способ регулировки тока в секции подачи компенсирующего напряжения трубопровода. Секция 1 металлического трубопровода для перекачки природного газа (фиг. 1 а) расположена под землей, снабжена электроизоляционной оболочкой и электрически изолирована от соседних секций трубопровода с помощью электроизолирующих соединений 2 и 3. Для обеспечения измерения электрического напряжения, которое может быть наведено в секции 1 от линии электропередачи, проходящей полностью или частично параллельно секции трубопровода и вблизи нее, устройство снабжено первыми элементами для формирования первой величины, содержащими измерительный проводник 4, изолированный от земли. Этот проводник может быть расположен в земле, на земле или над землей. Измерительный проводник 4 соответствующим образом располагается параллельно трубопроводу и вблизи него. Длина измерительного проводника может быть небольшой относительно длины секции 1, но, если необходимо, чтобы проводник давал измеренный сигнал достаточной величины, или для того, чтобы измеренный сигнал был достаточно показательным для напряжения, индуцированного в секции трубопровода, длина проводника может составлять значительную часть длины секции. Измерительный проводник может быть продолжен вдоль секции А-В подачи компенсирующего напряжения трубопровода или вдоль ее части, или, как показано на чертеже, он может быть смещен относительно трубопровода. Проводник 4 изолирован от земли, но может быть заземлен в подходящей точке. Напряжение , индуцированное в проводнике 4, подается на измерительный усилитель 5,выходной сигнал которого обозначен . Вследствие расположения измерительного проводника 4 параллельно секции 1 трубопровода и рядом с ней сигналыистановятся надежной мерой напряжения, индуцированного в секции трубопровода рабочим током линии электропередачи. Сигналот измерительного усилителя 5 подается на амплитудно-чувствительный элемент, например, генератор 6 абсолютных значений,и фазочувствительный элемент, например фазовый детектор 7. Генератор 6 абсолютных значений выдает сигнал , пропорциональный амплитуде напряжения , индуцированного в измерительном проводнике 4. Фазовый детектор 7 выдает сигнал , пропорциональный разности фаз между сигналоми опорным напряжением . Опорный сигнал является переменным сигналом той же частоты, что и ток, протекающий по линии электропередачи и вызывающий индуцированное напряжение в трубопроводе. Как показано на чертеже, опорное напряжение может быть получено простейшим образом от локальной сети 8, относящейся к 3247 1 той же силовой сети, что и вышеупомянутая линия электропередачи, и, следовательно, оно имеет ту же частоту. Сигналыиподаются на источник 9 переменного тока, подключенный к двум контактным точкам А и В трубопровода. Эта часть трубопровода, или секция подачи компенсирующего напряжения, расположенная между точками А и В, соединена с источником переменного тока (имеющим выходное напряжение 1) с переменным током 1, вызывающим на указанной секции подачи падение напряжения . Амплитуда падения напряжения пропорциональна амплитуде тока 1, а коэффициент пропорциональности выражается абсолютным значением полного сопротивления секции подачи компенсирующего напряжения. Полное сопротивление типового трубопровода составляет порядка 0,3 ом/км, и это полное сопротивление практически целиком определяется его индуктивной составляющей, так как его активное сопротивление мало по сравнению с индуктивным. Источник 9 переменного тока (фиг. 1 а) может содержать преобразователь переменного напряжения, например промежуточный соединительный преобразователь с регулируемым выпрямителем, подключенный к сети 8, промежуточное звено постоянного напряжения и автоматический инвертор, дающий на выходе переменное напряжение с регулируемой частотой и, следовательно, с регулируемой фазой. В таком исполнении управляющего устройства (источника 9) напряжениеможет управлять промежуточным звеном постоянного напряжения и, следовательно, амплитудой напряжения 1 на выходе преобразователя, а сигналможет управлять инвертором так, что напряжение 1 получает желаемое положение фазы относительно опорного напряжения. Так как полное сопротивление секции подачи компенсирующего напряжения практически целиком определяется его индуктивной составляющей, падение напряженияпо длине секции подачи компенсирующего напряжения имеет опережение по фазе почти 90 относительно тока 1. Амплитуда и положение фазы напряжения 1 регулируются так, что указанное падение напряжения находится по существу в противофазе к напряжению, индуцированному в секции трубопровода, и имеет соответствующую величину относительно индуцированного напряжения. В связи с этим должны быть приняты во внимание значения полного сопротивления линий между источником 9 тока и соединительными точками А и В. Так как эти значения полного сопротивления и полное сопротивление секции подачи трубопровода могут рассматриваться как почти постоянные величины, это обстоятельство может быть учтено при управлении источником 9 тока таким образом, что амплитуда напряжения 1 равна по величине амплитуде индуцированного напряжения , умноженной на первую константу, а значение фазы напряжения 1 равно фазе индуцированного напряжения, прибавленной ко второй константе. При правильном выборе двух вышеуказанных констант, падение напряжениябудет находиться в противофазе к электродвижущей силе (э.д.с.), наведенной в трубопроводе линией электропередачи. Две э.д.с. будут таким образом противодействовать друг другу, и, с помощью устройства, выполненного согласно изобретению, может быть получена хорошая компенсация напряжений, индуцированных в трубопроводе 1 протекающим в линии электропередачи током, т.е. значительное снижение максимального напряжения между трубопроводом и землей, и, таким образом, значительное уменьшение или полное устранение риска коррозии. Две вышеуказанные константы выбраны и введены в управляющую систему так, что достигается желаемая степень подавления напряжения, индуцированного в трубопроводе. Константы могут быть определены расчетным путем, измерением или практическими тестами. Если необходимо, сигнал от измерительного проводника 4 может быть отфильтрован с помощью полосового фильтра, настроенного на частоту напряжения линии электропередачи, с тем чтобы устранить воздействие напряжений, вызванных в измерительном проводнике другими, отличными от линии электропередачи,источниками. В виде графика (фиг. 1) показано напряжениев трубопроводе относительно земли на расстоянии х от одного конца секции трубопровода показано на фиг. 1. Принимается, что секция имеет длину, равную 1, и заземлена в ее центре, например, через повреждение электроизоляции трубопровода. Линия, обозначенная буквой а, показывает напряжение между трубопроводом и землей, которое могло бы возникнуть от линии электропередачи, проходящей параллельно секции трубопровода вдоль всей ее длины. Напряжение принимает максимальную величинув точках на концах секции. Если секция А - В подачи компенсирующего напряжения расположена в центральной части секции трубопровода и на ней в трубопроводе создается падение напряжения , то график напряжения будет иметь вид, соответствующий линии , где- это напряжение, индуцированное в трубопроводе между точками А и В. Благодаря изобретению достигается значительное снижение максимального напряжения между трубопроводом и землей. Ток 1 в секции А-В подачи компенсирующего напряжения и, следовательно, падение напряжения(фиг. 1) выбраны в зависимости от величины индуцированного напряжения так, что максимальное напряжение между трубопроводом и землей (которое наблюдается в точках А и В на концах секции подачи компенсирующего напряжения) становится низким, насколько это возможно. Дальнейшее снижение максимального напряжения между трубопроводом и землей может быть достигнуто при использовании нескольких секций подачи компенсирующего напряжения со своими источниками тока, расположенными вдоль секции трубопровода. На фиг. 2 показана часть такой секции трубопровода. 4 3247 1 Первое компенсирующее устройство 1 соединено с соединительными точками А и В. Указанное устройство содержит измерительный проводник 10 и подает, в зависимости от величины индуцированного в измерительном проводнике напряжения, ток 1 к первой секции подачи компенсирующего напряжения. Соответственно, второе компенсирующее устройство 2 соединено с соединительными точками С ии содержит измерительный проводник 11, индуцированное напряжение которого управляет током 2 устройства. Далее, третье компенсирующее устройство соединено с соединительными точками Е ии содержит измерительный проводник 12, индуцированное напряжение которого управляет током 3 устройства. Как показано на фиг. 2, линияпоказывает результирующее напряжение между трубопроводом и грунтом. Как видно на фигуре, таким образом может быть получено более полное уменьшение величины максимального напряжения. На фиг. 2, для простоты, падения напряжения , , , созданные тремя компенсирующими устройствами, показаны одинаковыми по величине. На практике, однако, сигналы измерительных проводников будут отличаться друг от друга по величине и, следовательно, отличаться будут и величины падения напряжения по трем секциям подачи, однако таким образом достигается наилучшая возможная компенсация наведенного напряжения. Три компенсирующих устройства (фиг. 2 а) могут управляться и от одного общего измерительного проводника. Возможно также, что управляющее оборудование (блоки 5, 6, 7 на фиг. ) может быть общим для трех устройств, которые при этом будут иметь раздельные выходные ступени (соответствующие источнику 9 на фиг. 1 а). Возможно, выходная ступень может также быть общей, в этом случае, однако, она должна быть соединена с секциями подачи компенсирующего напряжения через трансформаторы для получения необходимой гальванической развязки. Также в случае (фиг. 1 а и 2 а) с одним отдельным компенсирующим устройством на каждую секцию подачи может быть целесообразным подключение компенсирующего устройства к секции через трансформатор для согласования источника переменного тока, с учетом уровней тока и напряжения, с нагрузкой(секцией подачи компенсирующего напряжения). При альтернативном варианте выполнения изобретения (фиг. 3) сигналот измерительного усилителя 5 подается к усилителю мощности 13, подающему к секции А и В подачи компенсирующего напряжения ток 1, пропорциональный измеренному сигналу. С помощью контура соответствующей конструкции падение напряжения по длине секции подачи будет находиться в противофазе напряжению, индуцированному линией электропередачи, и путем регулировки коэффициента усиления усилителя в принципе может быть получено полное подавление напряжений, индуцированных в трубопроводе 1, независимо от их частоты. В качестве усилителя 13 может быть, например, использован усилитель с переключением диапазонов мощности известного типа. Соединение обмоток трансформаторов для создания компенсирующего напряжения на секции подачи(фиг. 4) содержит два однофазных трансформатора 11 и 12. Первичная обмотка трансформатора 11 соединена с фазамии Т локальной сети 8, а первичная обмотка трансформатора 12 подключена между фазойи нейтральным проводом (0) сети. Амплитуда выходного напряжения каждого трансформатора может регулироваться непрерывно или ступенчато. Трансформаторы могут, например, быть выполнены в виде регулируемых трансформаторов с приводом от серводвигателей или трансформаторов, снабженных переключателями ответвлений обмоток. В показанном соединении выходное напряжениеот трансформатора 12 будет иметь сдвиг по фазе 90 относительно выходного напряжениятрансформатора 11. Так как вторичные обмотки двух трансформаторов соединены последовательно, их выходные напряжения векторно суммируются, а их результирующий вектор образует компенсирующее напряжение 1, приложенное к секции подачи. Если выходное напряжение каждого трансформатора может изменяться от максимальной амплитуды в одном значении фазы до максимальной амплитуды в противофазе, выходное напряжение 1 может известным образом произвольно регулироваться относительно как амплитуды, так и положения фазы в пределах всех четырех квадрантов. Для управления трансформаторами в управляющее устройство 10 подаются сигналыи(фиг. 1), указанное устройство 10 выдает управляющие сигналы 1 и 2 к исполнительным органам трансформаторов. Управляющее устройство может, например, выдавать такие управляющие сигналы 1 и 2 к трансформаторам, что их выходные напряжения будут иметь вид 1(2)(2). С помощью соответствующего выбора констант 1 и 2 компенсирующее напряжение 1 в секции трубопровода может иметь такие значения амплитуды и фазы, что падение напряжения в секции подачи компенсирующего напряжения компенсирует индуцированное напряжение. Индуцированное напряжение может быть измерено в нескольких местах, распределенных вдоль трубопровода (фиг. 5 а) с помощью нескольких измерительных проводников 10, 11, 12, индуцированные напряжения которых подаются на измерительные усилители 14, 15, 16. Выходные сигналы 1, 2, 43 измерительных усилителей подаются к блоку 17 оптимизации (фиг. 5). Последний в свою очередь выдает управляющий сигнал 3 к управляющему устройству (источнику 9). Управляющий сигнал 3 влияет на амплитуду и фазу напряжения 1, созданного управляющим устройством, и, соответственно, на амплитуду и фазу тока 1, подаваемого на секцию подачи компенсирующего напряжения. Блок 17 оптимизации может, напри 5 3247 1 мер, содержать соответственно запрограммированное вычислительное устройство, способное влиять на величину тока 1 через управляющий сигнал 3 так, в зависимости от измеренных сигналов, что риск коррозии трубопровода сводится к минимуму. Использование описанных выше измерительных проводников 4 основано на одном способе измерения напряжения, индуцированного в трубопроводе. Возможны также другие способы. В частности, напряжение,индуцированное в трубопроводе, по величине и фазе напрямую зависит от тока нагрузки в силовой линии электропередачи. В тех случаях, где возможно и целесообразно измерение этого тока, он может быть непосредственно использован как мера напряжения, индуцированного в трубопроводе. В приведенном выше описании предполагалось, что ток нагрузки в линии электропередачи и, следовательно, индуцированное в трубопроводе напряжение является по форме чистой синусоидой без других гармоник. На практике ток нагрузки может содержать и другие гармоники, которые будут возбуждать переменные напряжения соответствующей частоты в трубопроводе. Эти напряжения таким же образом, как и основная гармоника, могут создавать риск коррозии. Устройство (фиг. 3) автоматически компенсирует также и другие гармоники индуцированного напряжения, так как ток 1, подаваемый к секции подачи компенсирующего напряжения, является по форме сигнала воспроизведением измеренного сигнала , полученного от измерительного проводника 4, с противоположным знаком. Гармоники индуцированного напряжения могут,разумеется, быть компенсированы и другими способами. Так, например, основная гармоника и рассматриваемые гармоники более высоких порядков могут быть выделены из измеренного сигнала с помощью полосовых фильтров и определены каждая по амплитуде и фазе, после чего желаемое напряжение 1 и/или ток 1 для подавления всех принятых составляющих синтезируются с помощью соответствующих электронных контуров. Кроме того, вместо подключения источника 9 (фиг. 1) и вместо трансформаторного соединения (фиг. 4),может быть использовано каскадное соединение индукционного регулятора и регулируемого трансформатора, причем индукционный регулятор используется для регулировки значения фазы компенсирующего напряжения, подаваемого к секции подачи компенсирующего напряжения, а регулируемый трансформатор используется для регулировки величины амплитуды напряжения. В описанных выше вариантах выполнения изобретения выходное напряжениеизмерительного проводника управляет напряжением (1) источника переменного тока с помощью системы управления без обратной связи. Однако может быть использована и система с обратной связью. В этом случае, например, ток(1), подаваемый источником переменного тока, может определяться и сравниваться по амплитуде и фазе с измеренным сигналом или с опорным значением, полученным из измеренного сигнала. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 7