电力电缆钢导管的阴极保护

在110kV的高压电网中，通常将充气电缆(内部充气和外部充气的电缆)敷设在钢导管中。使用时，钢管内充装气体压力为(15~16)X10Pa(15~16bar)的气。如图14-1所示为外部充气的充气电缆的剖视图。

为此，应将钢导管两端密封并与接地装置绝缘，这样，承载高压电缆的钢导管与所有其他与大地接触的金属构筑物实现电绝缘。当电网发生故障时，为防止出现超标的接触电压，必须经由直流去耦器件连接到站内的接地系统上(见图14-2)[6]。

图14-1外部充气的充气电缆的剖视图

14.2.1(在套管与接地之间)直流去耦器件的要求

在正常运行中以及电网发生故障时，直流去耦器件必须满足以下要求:

(1)它们决不容许产生任何不允许的危险电压;

(2)在热力学和力学性能上它们必须维持恒定不变的电流;

(3)它们必须设计成能够应对预期的瞬时过电压;

(4)必须确保阴极保护的有效性;

(5)它们应有尽可能低的电阻，一旦发生短路时能够维持管子的还原作用。在高压装置上开关操作时会引起瞬时过电压。其结果，如在接地导体中，能够发生瞬间高电压和高电流。在瞬时过电压时，常常出现几千赫兹至几兆赫兹频率的回波震荡。与

开启式装置相比，在六氟化硫(SF)气体绝缘的装置上往往更容易发生与频率和振幅有关的较高的瞬时过电压。

在考虑允许的接触电压的限制条件时，必须把机械负荷与热力负荷考虑在内[2]。如图 14-3所示为允许的接触电压随电流故障的时间长短的变化情况。从钢管与接地装置到直流去耦器件的连接线应越短越好，电感应当越小越好，这样可以减少在电缆密封端绝缘部件上发生飞弧的概率。

14.2.2 直流去耦器件的类型与电路

14.2.2.1 低欧姆电阻

如图14-4所示为约0.01的低欧姆电阻直流去耦器件的电路。采用这样的去耦器件，甚至是在高故障电流时，也不会产生不允许的接触电压。在接地短路电流高达15kA、故障时间长达0.5s的情况下，造成的150V接触电压仍在容许范围以内。要实施阴极保护可借助直流电压电源在单个电阻或一组电阻上造成大约1V的电压降(见14.2.3节)，使钢导管与接地装置实现必要的直流电压分离[6]。

14.2.2.2 高欧姆电阻

在本节中，大约 100m 就理解为高欧姆电阻。这些电阻不能像10mΩ 那样承受高的负荷。为防止这些高欧姆电阻受到过电压，应并联连接一个击穿保险丝(电压保险丝)。一旦该电阻上的电压降达到击穿保险丝的标称值，该保险丝会立刻熔断。图14-5即为这样的放电器的电路。

14.2.2.2 高欧姆电阻

在有谐振接地的电网中，一旦发生电流故障，剩余接地故障电流或线圈电流或它们的一部分会用好几个小时流过此电阻。根据电网规模，此线圈电流能够高达400A。阴极保护的管子上的故障电流和电压的详细说明参见参考文献[8]。

连接一个由纵向扼流圈与横向电容器组成的π元件，就能够避免通过瞬时过电压时击穿保险丝不必要的加载。所谓铁芯扼流圈大多用于串联扼流圈，这是电力电子学中常用的器件。最好在π元件的输人与输出配一个67的阻尼元件。

14.2.2.3 采用镍镉电池的直流去耦器件

镍镉电池的交流电阻非常低，只有1m2。电池的充电状态是次要的。镍镉电池必须有足够的电流容量和电流稳定性。它们能够直接用作直流去耦器件(见图14-6)[6]。

正常运行时，熔断保险丝是不连接的，因为假如令其动作，电池就会发生短路而被破坏。当电缆通电工作且阴极保护站中断时，将此开关闭合就使保险丝连接上了。拆下隔离连接线就能隔开1.2V的镍镉电池。最终，闭合接地汇流线，建立直接接地。此电池的安装步骤与此相反。

在运行中，必须使电池的充电状态维持0.9~1.2V的电池电压[6]。因为水会电解分解并析出气体，所以要避免电池过量充电。因此，电池电压不得超过1.4V。阴极保护站应在此电池电压理想的范围内工作。14.2.2.4 极化电池

极化电池是一个电化学组件，其中，镍电极或不锈钢电极浸没在50%KOH溶液中[9]。在交流电作用下，因为电解液有良好的导电性，并且具有电子导电性钝化层的钝化材料有很低的极化阻抗，所以，极化电池有一个几毫欧姆数量级的电阻。比较高的几十欧姆的直流电阻相当于无氧化还原介质中钝化电极的高极化电阻，假如按照式(2-9)发生氧化还原反应，或因为发生式(2-17)和式(2-18)的电化学反应而使极化电池的电压超过水的分解电压(按照图2-2是1.23V)，该电阻就会被击穿。

在运行中，因为不可避免地存在痕量的氧化还原物质(如空气中的氧)，所以会有最多1mA的少量扩散电流在流动。当处于交流作用下，通常有一个反向电容充电。但是有足够高的电压振幅时，因为水发生电解，会有感应电流在流动。为了保持足够小的感应电流，交流电长时间不得大于最大允许短路电流的0.1%。否则，极化状态会被破坏，直

必须定期(如每年2次)检查极化电池，检查其是否因为电解使水损失很多。如有必要，应添加去离子水到正确液位。此外，每4年应更换1次电解液。为了尽可能减小阴极保护的负荷，建议将直流去耦器件设计成使预期最大的故障电流量能够流过的尽可能小的极化电池。

14.2.2.5 采用硅二极管的直流去耦器件如壁题资中

 向传输方向加载达到阈电压为+0.7V时，硅二极管的内阻非常高。假如超出该电压，内阻就减小。如图14-8所示非对称反向并联电路中，当电压值介于一2.8V(电压的4倍)与约+0.7V(电压)之间时，直去器件前后的电压会增大

由于钢导管比接地装置大约负1V，所以此钢导管有必要实施阴极保护。假如不超过二极管的阈电压，此二极管就构成高电阻连接。当电缆结构不对称或电网故障时，由于该电缆的对称负荷，该钢导管中的感应电压能够超过这个阈电压。然后，这个不对称的二极管布置会起作用，因此有任何高交流干扰时，此钢导管保持比接地装置负大约1V。这涉及一个平均直流电压，它造成交流电压正半周期间在支路上的直流去耦器件变成低欧姆这样，钢导管与接地装置之间的电压可以达到约十0.7V。在交流电压负半周期间，这个电压大约为-2.8V。因此，算术平均值为一1.05V(见图14-9)[10]。要达到其他电压值,只有1个二极管的支路应保持不变，而另一支路上的二极管数量可以相应变动[见式(23-45)。

孙直流去耦器件带有对称的反并联电路是不合逻辑的，因为在钢导管与接地装置之间通常存在50Hz的交流电压。采用对称二极管电路时，在每一支路中必须串联相当多的二极管，才能使钢导管与接地装置之间的交流电压保持在低于串联的那些二极管的阈电压总和，否则，平均电压等于零。那么就再也不可能实施钢导管的阴极保护了。14.2.3 阴极保护站的安装

假如钢导管的阴极保护至多需要10mA的小电流，只要其对接地或对与之连接的装置没有明显的阳极性损坏危险，就可以将变压整流器的正极接到阴极保护站的接地上。在这种情况中，当开启阴极保护站时，接地装置的电位朝正向偏移不超过10mV[6]。当需要更大的电流量时，阴极保护站里需要配备额外的整流器，这样就抵消了阴极保护站接地的阳极性负荷。采用深井阳极形式，必须利于强制电流辅助阳极的安装(见9.1.3节和12.3节)。

低电阻直流去耦器件需要的电流量总是非常大。为了经由阴极保护站里的电阻直接注人保护电流，有必要选用一台低输出电压和高电流的整流器。采用镍镉电池或硅二极管的低电阻直流去耦器件时，可以沿电缆走向分布腐蚀防护站。采用镍镉电池的直流去耦器件时，如果保护电流需要量也很低，就可以安装整流器来维持该电池电压。当直流去耦器件采用极化电池或硅二极管时，在阴极保护中也可以包括牺牲阳极。

为了对阴极保护实施调节和监管，电缆沿线必须有测试点(见10.3.2节)。这些测试点可以很方便地安装在电缆套管上。测试点之间的距离大约为0.5km。安装测量导管电流的测试点也能方便地确定事故性接触的确切位置。

14.2.4 阴极保护的控制与维护

  不能用断电电位控制阴极保护。只有在直流去耦器件与接地装置隔离的条件下，进行测量才是正确的。但是，装置在运行时这是不允许的。假如直流去耦器件没有隔离，由于均衡的电流、电化学电容电流或由于整流的交流电流就会得出不真实的断电电位(见23.5.4.2节)。为在运行期间测量无IR降电位，惟一可以考虑的方法就是使用3.3.3.2节中的外部测量探头。因此，在建立装置后，应立即将其安装到位。

在试运行前以及在临时停工时，能够在外部充气电缆上测量断电电位。一般说来，进行 U和U。测量能够得出阴极保护有效性的比较信息。如果偏离这些参照值，通常能够查出有外部接触。在这方面，与外部线路交叉、套管和直流去耦器件故障都是可能的原因。

为评价阴极保护，除了电阻率非常高的土壤外，根据经验，要采用Ucucuso,=-1.5V的通电电位平均值。采用该值，没有发生过杂散电流造成的危险[61。