专利名称：用于保护电杆和镀锌锚固件避免电偶腐蚀的方法
技术领域：
本发明涉及保护电杆、塔架、接地铜排以及镀锌锚固件(anchor)避免在腐蚀性土壤中加速腐蚀的方法。
发明内容
本发明认识到具有比变电站附近的镀锌钢杆的本地(native)电位(_1，IOOmV)正电性更强的本地电位(-200mV)的变电站接地网形成电偶腐蚀电池，其导致镀锌钢杆的加速腐蚀。为了应对这种情况，邻近接地网来安装阳极，并建立外加电流，以便使接地网的有效电位(瞬断电位)偏移到约_1050mV。在该外加电流施加到接地网的情况下，金属杆不再将接地网“看作”为大正电性阴极，这消除了杆的电化学腐蚀的动力，从而保护杆避免受到腐蚀。
图1是目前现有技术电线杆(以及塔架)和变电站(具有铜接地网)装备的局部剖开的示意性侧视图；图2是类似于图1的但是根据本发明应用外加电流阴极保护系统的示意性侧视图；图3是图2的装备的示意性平面图；以及图4是对于镀锌杆而言的使用寿命随电位偏移而变化的曲线图。
具体实施例方式图1示出现有技术电力变电站10，其包括在变电站10下方的较大的地下铜接地网12。在典型的现有技术电力变电站中，接地线16从变电站10延伸到最近的电杆14，然后从一个电杆14延伸到下一个电杆，以及成系列的电杆14中的每一个经由尾线(wirepigtail)18电连接到该接地线16。(应当指出的是,在附图中的电杆14可表示电线杆或塔架，而且在该说明书中词语“杆”的使用还涵盖塔架)。接地线16电连接到变电站10 (BP,其与变电站10处于电连续性)，变电站10接着经由接合线13电连接到铜接地网12，接地线
16根据需要也可以是用于电子电路或防雷击的中性回路线或屏蔽线。每个电线杆14也牢固地埋入到土地(土壤20)内。本发明认识到这种布置导致使得杆以及连接到杆的任何金属锚固件加速腐蚀的电偶腐蚀电池，其原因在于杆14不管它们是否被镀锌都具有比变电站10的铜接地网12的负电性更强的本地电位。从杆14到变电站10的接地线16以及从变电站10到接地网12的接地线13提供从每一杆14到铜接地网12的电通路(电连续性)，而土壤20本身提供用 于完成电化学电路的离子通路。电线杆14 (以及连接到杆14的任何金属锚固件)有效地将 变电站的铜接地网12 “看作”为阴极，其具有比杆14 (以及锚固件)的正电性更强的电位， 而杆14 (以及锚固件)则成为该腐蚀电池的阳极。这意味着杆14 (以及锚固件)失去电子 并受到腐蚀。因此，杆14 (以及锚固件)到变电站10和铜接地网12的连接由于电偶作用 而导致电线杆14 (以及锚固件)的加速腐蚀。
铜接地网12的本地接地电位通常为约-200毫伏(mV)，然而对于镀锌钢杆而言的 本地接地电位通常为从-700至-1lOOmV,这取决于存在的具体金属间化合物层。当接地网 12和杆14通过经由尾线18、线16、变电站10以及接合线13结合而电连通时，在所有电连通 的结构上获得约_650mV的混合金属电位，其是根据如下计算出来的算术平均值:(_1，100+ (-200))/2=-650mV。该电位会随着土壤腐蚀特性而改变。电位的该较大差异形成原电池， 导致镀锌钢杆14加速腐蚀，其中负电性更强的金属(处于-1，IOOmV本地电位下的镀锌杆14 以及锚固件)作为阳极以及正电性更强的金属(处于-200本地电位mV下的接地网12)作为 阴极。
当然，上述是在将杆14通过变电站10到腐蚀性土壤中的铜接地网12的接地过程 中出现的意想不到的后果。
图2和图3示意性地示出为本发明主题的解决方案。如在图3中最佳意识到的那 样，外加电流阳极22设置在接地网12周围以便包围接地网12。在该特定实施例中，外力口 电流阳极22在接地网12每一侧的大约中点处以及在接地网以外大约十英尺的距离处设置 在接地网12的北侧、南侧、东侧以及西侧。在该实施例中，将四个阳极在主方向(N -S-Ε-ff)上设置于接地网周围以及设置在距离为L/3.5 (其中L是接地网给定侧的长度)的 距离处是合适的。在其它情况下，可期望利用更多数量的阳极或由于来自各个阳极的所计 算出的电流输出而将阳极与接地网的距离最小化。可替换地，连续的线性阳极有时会是期 望的，这些阳极被邻近接地网犁耕埋入或挖沟槽埋入。除了实用性之外，在理论上没有为何 阳极不能设置在接地网内侧的理由，如果变电站设在那里，则安装或修复会对现有设备造 成太多的干扰。外加电流阳极可由任何合适的材料制成。适于外加电流阳极的常用材料包 括石墨、铸造硅铁或混合金属氧化物线。多数类型是可商购的。
这些阳极22经由电线24电彼此连接，电线24又经由电线28电连接到直流(DC) 电源26的正极(+ )端子，在这种情况下，其是阴极保护整流器26。另一电线30将直流电源 26的负极(_)端子连接到接地网12。
利用这种布置，外加电流通过直流整流器26施加到接地网12，以降低接地网12的 电化学电位。在这种情况下,如在接地网12处测量的那样，施加外加电流，其导致约-850 至-1050mV的瞬断电位的无IR极化电位。这一瞬断电位接近于但负电性略小于镀锌钢杆 14的本地电位(如果施加的电位负电性比杆14的-1lOOmV的电位更强，其会导致土壤的pH 值变化，导致杆14上的镀锌覆层的加速腐蚀)。该外加电流有效地将如由镀锌杆14“看作” 的接地网12的电位降低至几乎回到杆14的本地电位。这意味着在杆14和接地网12之间 不再有电偶腐蚀电池动力，因此接地网12不再造成杆14的加速腐蚀。
相对于铜一硫酸铜参考电池来测量标准瞬断电位。当阴极保护电流(CP电流)中 断时捕获瞬断测量值，以及土壤中的IR降消失，以呈现最佳地接近结构与所接触土壤之间的极化的CP电位稳定状态(长达半秒)。在这种情况下，该结构是接地网12。为了在接地网12处获得所需水平的外加电流，整流器26被通电，并且调整电压和安培输出，直到接地网12处的瞬间断电读数为所需读数为止。瞬间断电电位与无IR电位(其中V=IR表示电压=电流(I)x电阻(R))相同，以及IR部分是作为在参考电池(设置于土壤上)和结构之间流动的阴极保护电流而测量的电位贡献。应当指出，这一布置还给铜接地网12提供保护，接地网12由于由杆14已经形成的原电池而易于在腐蚀性土壤中加速腐蚀。虽然在用于建立接地网12和杆14的所需程度保护的协议可以有所变化，但是典型的协议概述如下:1-识别待测试和修改的连续变电站(这些变电站是处于受到保护的杆14组之间的所有变电站10，其中杆14与变电所10处于电连续性)。2-测量每个变电站10周围的土壤电阻率，并利用此信息来确定阳极位置和适于该变电站10的电压整流要求。有利地将阳极22设置在每个接地网12的周围且设置于电阻率最低的土壤中，以便使得整流器26所需的电压最小。3-在每个变电站10处测量铜接地网12的本地电位。4-测量变电站10之间的选定镀锌杆14的本地电位。该选择可以是杆14的随机分布，或者，如果需要的话可测量所有杆14。5-形成适于每个变电站10的在整流器26处使用的电流。作为第一次迭代，该电流可计算为在相应变电站10的接地网12中的每平方英尺裸铜线的表面积为4毫安。在每个相应的变电站10处应用各自的外加电流(IC)阴极保护系统，将每个相应整流器26的正极端子连接到相应的阳极22，以及将每个相应整流器26的负极端子连接到每个变电站10处的接地网12，其中每个相应的变电站10具有如图3所示的设置。6-在接地网周围的多个不同点处获取一系列读数。读数包括本地电位(NP)，“接通”电位、以及“瞬断”电位。7-针对每个位置计算极化，其中:极化(P)= “瞬断”电位-本地电位8-计算平均极化(AP)，其中:平均极化(AP)=平均本地电位-平均“断开”电位9-上述AP图是将第一次迭代电流(见上文第4项)施加到整流器26处时达到的极化。10-在变电站10处的接地网12的所需极化对于具有-1lOOmV本地电位的杆而言应该处于-1050mV的量级上，因此现在可以计算极化的所需偏移以实现该所需极化。接地网的所需偏移=接地网的所需极化-接地网的平均本地极化11-利用简单的比例，计算用于实现所需偏移的所需电流，其中:在第一次迭代中的AP/实际电流=极化的所需偏移/X其中X=用于实现极化的所需偏移的所需电流。示例:在实际的现场试验中，在变电站处在整流器处使用的初始电流为1.8安培。测得的平均本地电位(将在变电站A的接地网12周围的多个位置处所测得的本地电位取平均)为542mV，以及测得的平均“瞬断”电位(将所测得的瞬断电位取平均)为729mV。
然后计算平均极化(AP):
AP=平均“瞬断”电位-平均本地电位
AP=729-542=187mV。
然后计算所需偏移:
所需偏移=所需极化-平均的本地极化
所需偏移=1050mV-542mV=508mV
最后，利用比例:
AP /实际电流=所需偏移/所需电流
187mV+l.8A=508mV+所需电流
对该方程求解产生对于变电站A而言在整流器26中使用的4.89安培的所需电 流，因此在该特定的变电站A处将5安培的电流用作外加电流。
12-设定整流器26的输出以便获得在接地网12上的_1300mVCSE (硫酸铜参考电 极)电位(目的是获得约-850至-1050mV的瞬断电位)。
13-测量所选定杆上的阴极保护“接通”电位和“瞬断”电位以便确认已经获得了 电位的足够的偏移。优选地，在接地网12已经由它们的各自整流器26通电至少24小时之 后获取这些测量值。
14-考虑对各个电杆14处的阴极保护进行补足，通过安装附加的局部阴极保护 (诸如在单个电杆14处的局部设置的镁牺牲阳极)示出电位小于_800mV。预计对于变电站 10附近的电杆14而言获得几乎100%的防腐蚀保护。然而，距离变电站10非常远距离定 位的杆14可具有有限的电位偏移(在30至60mV范围内的偏移)，因此仅获得部分保护。即 使对于距离变电站很远的杆而言偏移较低电位，这可以转化为那些镀锌杆使用寿命的大幅 增加。
图4是示出对于镀锌杆或结构而言的使用寿命的曲线图，其中在零点偏移电位处 以8年使用寿命开始。可以意识到约为_60mV的电位偏移导致80年的使用寿命，在杆的使 用寿命上在幅度上增加了 一个量级。
15-可安装无线发射器以便监测来自参考电极的测量选定杆14处的电位的数据， 以便检测可表明杆14周围的环境或物理条件变化的不规律性，上述环境或物理条件变化 会影响其阴极保护水平。
电化学电位指示腐蚀活动性，这样所述数据可用于监测杆14的腐蚀活动性、阴极 保护的有效性、保护水平、在杆14周围的土壤腐蚀性的变化，以及屏蔽线16的不规律性。
前述曲线图(参见图4)与监测选定杆(或所有杆)14处的电化学电位的无线监测 相结合可用于评估杆14的剩余使用寿命。
对于本领域的那些技术人员而言，在不脱离如所主张的本发明范围的情况下可以 对上述实施例进行变型。
权利要求
1.一种用于保护位于变电站附近的多个电杆的方法，包括以下步骤:在所述变电站下方提供接地网，所述接地网与地接触；将所述变电站电接地到所述接地网；将多个电杆电接地到公共地线以及将所述公共地线电接地到所述接地网；在所述接地网附近提供至少一个外加电流阳极；提供具有正极端子和负极端子的直流电源；将所述直流电源的所述负极端子电连接到所述接地网以及将所述直流电源的所述正极端子电连接到所述至少一个外加电流阳极；以及使用所述直流电源来施加减小所述接地网的有效电位的直流电流。
2.根据权利要求1所述的用于保护多个电杆的方法，还包括以下步骤:以外加电流阳极围绕所述接地网；以及将所述阳极彼此电连接并且将所述阳极电连接到所述直流电源。
3.根据权利要求1所述的用于保护多个电杆的方法，还包括以下步骤:针对所述电杆中的至少一些测量本地电位；在施加第一次迭代电流之前测量所述接地网的所述本地电位；然后，施加来自所述直流电源的第一次迭代电流；然后，去除所述第一次迭代电流并获取所述接地网的“瞬断”电位读数；以及然后，调整所述直流电源以获得用于保护所述杆的所需网极化。
4.根据权利要求3所述的用于保护多个电杆的方法，还包括以下步骤:测量所述电杆中的至少一些上的阴极保护“接通”和“瞬断”电位以确认已经获得足够的电位偏移；以及通过调整所述接地网的所述有效电位，在所述电杆中未被充分保护的一些处设置附加的局部阴极保护。
5.根据权利要求3所述的用于保护多个电杆的方法，还包括以下步骤:邻近所述电杆中的至少一些提供参考电极；测量所述参考电极处的电位；将无线发射器连接到所述参考电极；通过所述无线发射器发送来自所述参考电极的包括所测量电位的数据；以及监测来自所述参考电极的所述数据以检测表明会影响所述电杆的阴极保护水平的条件变化的不规律性。
6.根据权利要求1所述的用于保护多个电杆的方法，还包括以下步骤:通过所述直流电源提供电流，以获得用于保护所述杆的所需网极化。
7.根据权利要求2所述的用于保护多个电杆的方法，还包括以下步骤:通过所述直流电源提供电流，以获得用于保护所述杆的所需网极化。
8.根据权利要求6所述的用于保护多个电杆的方法，还包括以下步骤:测量所述电杆中的 至少一些上的阴极保护“接通”和“瞬断”电位以确认已经获得足够的电位偏移；以及通过调整所述接地网的所述有效电位，在所述电杆中未被充分保护的一些处设置附加的局部阴极保护。
9.根据权利要求6所述的用于保护多个电杆的方法，还包括以下步骤: 邻近所述电杆中的至少一些提供参考电极； 测量所述参考电极处的电位； 将无线发射器连接到所述参考电极； 通过所述无线发射器发送来自所述参考电极的包括所测量电位的数据和所述参考电极的识别；以及 监测来自所述参考电极的所述数据以检测表明会影响所述电杆的阴极保护水平的条件变化的不规律 性。
全文摘要
用于保护多个金属电杆以及接地铜排避免在腐蚀土壤中电偶腐蚀的方法包括将杆电互连到接地网以及提供外加电流阳极用于接地网的阴极保护。
文档编号H05B37/00GK103210700SQ201180055136
公开日2013年7月17日 申请日期2011年11月15日 优先权日2010年11月16日
发明者M·扎马扎德, G·O·罗兹 申请人:迈特克服务公司