隨著北京地區埋地燃氣管網服役時間的延長以及服役環境的日益復雜,管線陰極保護狀況及管線防腐蝕狀況整體并不樂觀[1]。由于城市地理位置的限制,北京地鐵與燃氣管道交叉或者并行鋪設的現象越來越普遍,導致燃氣管道周圍的雜散電流越來越多,其面臨的動態直流干擾風險也越來越大,多處管道電位發生大幅波動,波動幅值可達幾伏至幾十伏,存在很大腐蝕風險[2]。 

為緩解地鐵直流干擾,城市燃氣管道的腐蝕緩解措施多采用犧牲陽極與極性排流器組合的方式。其中,極性排流器使雜散電流只可由管道流經犧牲陽極排向外部,而無法由外部經犧牲陽極流入管道,如此既實現排流效果又避免了犧牲陽極引雜散電流入管道[3]。目前,國內外常用的極性排流器為肖特基二極管+電容+浪涌保護器型。金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)+電容+浪涌保護器型極性排流器為自主研發。這兩種排流器的性能不同,從而對地鐵直流干擾緩解效果和管道的陰極保護電位造成不同的影響。 

為了弄清不同類型極性排流器對管道動態直流干擾排流效果的影響規律和作用機制,作者利用實驗室測試和現場測試相結合的方法對兩種極性排流器的服役性能進行了研究,以期為極性排流器的合理選擇提供借鑒。 

1.   極性排流器原理

肖特基二極管+電容+浪涌保護器型(簡稱1號)極性排流器中肖特基二極管是以貴金屬(金、銀、鋁、鉑等)為正極,以N型半導體為負極,利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導體器件,其原理圖見圖1[4]。因為N型半導體中存在大量的電子,而貴金屬中僅有極少量的自由電子,所以電子便從含量高的“N區域”向含量低的“金屬區”擴散。隨著電子不斷從“N區域”擴散到“金屬區”,“N區域”表面電子含量逐漸降低,表面電中性被破壞,于是就形成勢壘,其電場方向為“N區域”→“金屬區”。但在該電場作用之下,“金屬區”的電子也會產生從“金屬區”向“N區域”漂移運動,從而削弱了由于擴散運動而形成的電場[5]。當建立起一定寬度的空間電荷區后,電場引起的電子漂移運動和含量不同引起的電子擴散運動達到平衡,便形成了肖特基勢壘[6]。肖特基二極管是一種低功耗超高速半導體器件,正向導通壓降在0.3~0.4 V。 

圖  1  肖特基二極管原理示意圖

Figure  1.  Schematic diagram of principle of Schottky diode

金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)+電容+浪涌保護器型(簡稱2號)極性排流器中MOSFET是在一塊摻雜含量較低的P型硅襯底(提供大量可動空穴)上,制作兩個高摻雜含量的N+區(N+區域中有為電流流動提供大量自由電子的電子源),并用金屬鋁引出兩個電極,分別作為漏極D和源極S,然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層,在漏極和源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極(通常是多晶硅),作為柵極G,在襯底上也引出一個電極B,構成N溝道增強型MOS管,如圖2所示[7]。MOS管的漏極D和源極S之間有兩個背靠背的PN結。當柵源電壓VGS為0時,即使加上漏極和源電壓VDS,不論VDS極性如何,總有一個PN結處于反偏狀態,漏極和源極間沒有導電溝道,所以這時漏極電流iD≈0；當VGS>0,則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個電場,電場方向垂直于半導體表面由柵極指向襯底,這個電場能排斥空穴而吸引電子。當VGS數值較小且吸引電子能力不強時,漏極和源極之間仍無導電溝道出現,處于截止狀態,當VGS≥VT(開啟電壓)時形成導電溝道,在漏極和源極間正向電壓VDS下產生漏極電流[8]。為保障MOS管在低閾值電壓下導通,2號極性排流器需與比較器組合使用,當比較器識別到毫伏級正向電壓VDS時即輸出一個遠大于開啟電壓VT的漏-源電壓VDS,以保障MOS管低阻導通。 

圖  2  N溝道增強型MOS管結構圖

Figure  2.  Structure diagram of N channel enhanced MOS transistor

2.   實驗室測試

2.1   實驗室試驗

在實驗室對兩種極性排流器開展關鍵性能指標檢測,測試內容包括閾值電壓、直流阻抗、平均穩態電流、反向抑制電壓與平均交流阻抗。圖3(a)為極性排流器閾值電壓與直流阻抗測試電路,在不同電源電壓(20、100、200、400、600、1 000 mV)下,利用定值電阻串聯分壓原理,測試極性排流器兩端的導通電流,計算直流阻抗變化,進而確定其閾值電壓；圖3(b)為極性排流器反向抑制電壓測試電路,將極性排流器與電源反接,在不同電源電壓(20、40、60 V)下,測試極性排流器兩端的導通電流,計算直流阻抗變化,確定其反向抑制電壓。 

圖  3  極性排流器關鍵性能指標檢測電路

Figure  3.  Test circuit for key performance indexes of polarized electric drainagers: (a) threshold voltage and DC impedance; (b) reverse suppression voltage

2.2   實驗室測試結果與分析

圖4為兩種極性排流器直流伏安特性曲線。由圖4可見,兩種極性排流器的伏安特性不同,1號極性排流器的排流量隨兩端電壓呈曲線變化,隨著電壓增大曲線斜率增大,即排流器兩端電壓越大其直流阻抗越小,當電壓達到301 mV時,伏安特性曲線變為直線,直流阻抗達到穩定值,可知1號極性排流器閾值電壓為301 mV；2號極性排流器的排流量隨兩端電壓呈線性變化,即直流阻抗穩定且閾值電壓很低,閾值電壓低于35 mV。 

圖  4  兩種極性排流器直流伏安特性曲線

Figure  4.  DC volt ampere characteristic curves of two polarized electric drainagers

圖5為兩種極性排流器在不同電壓下的直流阻抗變化曲線。由圖5可見,當1號極性排流器兩端電壓為301 mV時,直流阻抗為4.98 Ω,當電壓達到430 mV時,直流阻抗穩定為2.79 Ω；2號極性排流器的直流阻抗較小,且隨直流電壓變化很小,直流阻抗穩定在1.2~1.6 Ω。 

圖  5  兩種極性排流器在不同電壓下的直流阻抗變化曲線

Figure  5.  DC impedance curves of two polarized electric drainagers under different voltages

圖6為兩種極性排流器在反向直流電壓下的伏安特性曲線。由圖6可見,當反向電壓為10 V與20 V時,兩種排流器無電流,不導通；當反向電壓為30 V時,兩種排流器有輕微漏流,其中1號極性排流器漏流量較小,為15 μA,2號極性排流器漏流量較大,為60 μA。 

圖  6  兩種極性排流器在反向直流電壓下的伏安特性曲線

Figure  6.  Volt ampere characteristic curves of two polarized electric drainagers under reverse DC voltage

兩種極性排流器性能參數對比如表1所示。由表1可見,2號極性排流器的閾值電壓與直流阻抗均低于1號極性排流器,這說明2號極性排流器排流性能更優；1號極性排流器與2號極性排流器的反向抑制電壓相當,反向電壓為30 V時,1號極性排流器漏流量小于2號極性排流器,可見1號極性排流器的反向阻隔效果略好于2號極性排流器。 

3.   現場測試

3.1   現場試驗

為了明確兩種極性排流器的現場應用效果,在現場相同位置分別對兩種極性排流器進行現場試驗。在現場選取一處排流地床與極性排流器組合排流點作為試驗位置,該處土壤電阻率為96.7 Ω·m,排流地床接地電阻為0.8 Ω,開路電位(相對于CSE)為－1.507 V。圖7為排流點與地鐵相對位置關系,該管段與地鐵5號線、15號線并行,并行間距為1~2 km,與地鐵13號線交叉并行,檢測兩種排流器工作時管道通斷電電位、交流電壓、排流器排流量與兩端電壓。 

圖  7  排流點與地鐵相對位置

Figure  7.  Relative position between three drainage point and subway

3.1.1   通斷電電位和交流電壓

在管道周圍埋設極化試片(面積6.5 cm2),極化試片與管道連接極化24 h；將數據記錄儀與管道、參比電極(CSE)和試片相連接,參比電極置于管道正上方；將數據記錄儀參數設置為每秒記錄一組數據,試片通斷電周期設置為5 s,斷電時間設置為1 s,記錄管道的通電電位,斷電電位和測試時間以及測試的位置；測試24 h后,將數據記錄儀數據導出,繪制每個監測點的管道通斷電電位圖。 

3.1.2   排流電流和兩端電壓

將排流器斷開,在排流回路中串聯一個0.1 Ω或者0.01 Ω的標準電阻,標準電阻的兩個電流接線柱分別接管道和排流接地體的接線柱,兩個電位接線柱分別接電壓記錄儀。電壓記錄儀測試標準電阻兩端的電壓,電壓除以標準電阻,得到排流電流。在排流器并聯一個電壓記錄儀,測試極性排流器兩端電壓。 

3.2   現場測試結果與討論

通過兩種極性排流器現場實測,分析排流器現場應用效果并與實驗室測試結果對比。圖8為現場應用時兩種極性排流器兩端電壓及排流電流,表2為兩種極性排流器夜間穩態數據對比。由圖8可見,夜間排流器兩端電壓及排流電流處于穩態,通過夜間穩態數據計算可得,1號極性排流器實際應用內阻為3.682 Ω,2號極性排流器內阻為0.611 Ω,兩種極性排流器實際應用內阻與實驗室測試結果相匹配。 

圖  8  現場應用時兩種極性排流器兩端電壓及排流電流

Figure  8.  Voltage between both ends (a) and drained current (b) of two polarized electric drainagers in field application

圖9為現場應用時兩種極性排流器兩端電壓及管道電位的波動曲線。由圖9可見,排流器兩端電壓與管道電位波動幾乎同步。當排流器兩端電壓為負值時,其與管道電位波動幅度相當；當排流器兩端電壓為正值并超過一定數值后,其波動曲線變得特別平緩。這是由極性排流器正向導通引起的,此時排流器兩端電壓為其閾值電壓。圖10為兩種排流器應用時兩端電壓與管道電位的關系曲線。由圖10可見,當1號極性排流器兩端電壓為260 mV時,其與管道電位的關系曲線出現拐點；當2號極性排流器兩端電壓為17 mV時,其與管道電位的關系曲線出現拐點。由此得到,現場實測1號極性排流器的閾值電壓為260 mV,2號極性排流器閾值電壓為17 mV,這與實驗室測試結果相匹配。 

圖  9  現場應用時兩種極性排流器兩端電壓及管道電位的波動曲線

Figure  9.  Fluctuation curves of voltage between both ends of polarized electric drainagers No.1 (a) and No.2 (b) and pipeline potential in field application

圖  10  現場應用時管道電位與兩種排流器兩端電壓的關系曲線

Figure  10.  Relation curves between pipeline potential and voltage between both ends of two polarized electric drainagers in field application

圖11為兩種極性排流器正向排流時兩端電壓及排流電流,圖12為兩種極性排流器現場應用時排流數據對比。由圖11與圖12(a)可見,正向排流時,1號極性排流器兩端電壓大于2號極性排流器,但其日均排流電流小于2號極性排流器,這與前述2號極性排流器內阻小且閾值電壓低有關；由圖12(b)可見,兩種極性排流器日總排流時間大于排流地床,這可能與極性排流器避免了排流地床陰極極化反應有關,當排流地床由雜散電流流入狀態變換為流出狀態時,其表面由陰極極化轉為陽極極化,此時需要額外能量將流出地床表面電子扭轉為流入地床表面,此效應造成排流延遲,進而造成排流時間減少。由圖12(c)可見,在現場的動態直流排流條件下,排流地床日總排流電量為46 855 C；1號極性排流器日總排流電量為29 806 C,為排流地床的64%；2號極性排流器日總排流電量為48 166 C,為排流地床的103%。動態直流排流條件下,2號極性排流器日總排流量最高、排流效果最好,與前述其內阻小、閾值電壓低且日總排流時間長有關。 

圖  11  兩種極性排流器正向排流時兩端電壓及排流電流

Figure  11.  Voltage between both ends of two polarized electric drainagers (a) and drained current (b) in forward drainage

圖  12  排流地床及兩種極性排流器排流數據對比

Figure  12.  Comparison of drainage data of drainage ground bed and two polarized electric drainagers: (a) daily average drained current; (b) daily total drainage time; (c) daily total drained electric quantity

圖13為兩種極性排流器反向絕緣時漏流電流及日總漏流電量。由圖13可見,1號極性排流器漏流電流波動幅值較小,日總漏流電量較小,為3.4 C；2號極性排流器漏流電流波動幅值較大,日總漏流電量較大,為30.1 C,為1號極性排流器的8.9倍。1號極性排流器反向絕緣性能更好,這與實驗室測試結果一致。 

圖  13  兩種極性排流器反向絕緣時漏流電流及日漏流電量

Figure  13.  Leakage current (a) and daily total electric quantity (b) of two polarized electric drainagers during reverse insulation

圖14為排流地床斷開、直連及兩種極性排流器現場應用時管道直流干擾數據。由圖14(a)~(c)可見,排流地床直連時,其對管道電位波動幅值緩解效果最優,管道電位波動幅值減小35%；2號極性排流器排流時,管道電位波動幅值減小17%；1號極性排流器排流時,管道電位波動幅值減小13%。管道電位波動幅值緩解效果分布與圖12(a)日平均排流電流分布規律相似,管道電位波動幅值緩解效果可能與日平均排流電流有關。由圖14(d)可見,2號極性排流器對管道陰極保護效果最優,極化電位正于－0.85 V即欠保護時間所占比例減小16%；1號極性排流器排流時,欠保護時間所占比例減小13%；排流地床直連時,欠保護時間所占比例減小11%。這表明不同排流形式對陰極保護效果的影響。 

圖  14  不同排流條件下管道直流干擾數據

Figure  14.  DC interference data of pipeline under different electric drainage conditions: (a) pipeline potential; (b) maximum and minimum of turn-on potential; (c) amplitude of turn-on potential; (d) time percentage of lack protection

圖15為排流地床斷開、直連及兩種極性排流器現場應用時管道交流干擾數據。由圖15可見,排流系統對交流干擾有緩解作用,管道交流電壓平均值明顯降低。其中,排流地床直連對管道交流干擾緩解效果最優,交流電壓減小51%；其次是2號極性排流器排流時,交流電壓減小42%；1號極性排流器排流時,交流電壓減小34%。這是因為兩種極性排流器內部存在隔直通交的電容元件,其可保障極性排流器導通交流電流,進而起到緩解交流干擾作用。 

圖  15  不同排流條件下管道交流干擾數據

Figure  15.  AC interference data of pipeline under different electric drainage conditions: (a) AC voltage curves; (b) average of AC voltage

4.   結論

（1）通過實驗室正反向伏安特性測試可以獲得極性排流器的正向導通閾值電壓、正向導通阻抗和反向抑制電壓,從而對極性排流器的服役性能進行預測,因此未來極性排流器選型可以先對其進行實驗室測試。 

（2）1號極性排流器正向導通閾值電壓高、排流阻抗大,2號極性排流器閾值電壓低、排流阻抗小,1號極性排流器排流量不及2號極性排流器,2號極性排流器排流效果與直連排流地床相當,排流效果更好。 

（3）1號極性排流器漏通電流波動幅值較小,日總漏流電量較小；2號極性排流器漏通電流波動幅值較大,日總漏流電量較大；1號極性排流器反向絕緣性能更好。 

（4）兩種極性排流器連接排流地床均對管道直流干擾與交流干擾具有緩解作用,且2號極性排流器緩解效果更優。

文章來源——材料與測試網