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第七节阴保设备

PS-1LC恒电位仪

1　概述

1.1　前言　

PS－1LC恒电位仪是采用国际标准设计的新一代产品，符合中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T0036－99和企标Q/MDEC020-2002（等效采用GB/T3859.1）的要求，产品的技术指标和品质得到了有效的保证。

PS－1LC恒电位仪广泛应用于对土壤、海水、化工等介质中的管道、电缆、码头、贮罐、舰船、冷却器等金属构筑物实施外加电流阴极保护。

通过PS－1LC恒电位仪的配套产品CBZ－3阴极保护控制台，还可实现数据远传和仪器的远控功能，达到智能化管理的目的。

1.2　仪器的特点

1.2.1　数字显示输出电压、输出电流、控制电位和保护电位值。

1.2.2　机上装有假负载，便于仪器自检和维修。

1.2.3　仪器具有软起动、防雷击余波、抗50Hz工频干扰，以及限流、误差报警等功能。

1.2.4　仪器具有运行状态自动切换功能，当无法进行恒电位控制时（如参比电极回路开路），恒电位仪会自动从恒电位工作状态切换到恒电流工作状态，并恒定在预先设定的电流值上。

2　主要技术指标

2.1　使用环境：

温　　度：

－15℃～45℃

　　　　　　　相对湿度：

20%～90%

　　　　　　　气　　压：

60～106KPa

2.2　输出电压：

额定输出电压分10V、15V、30V、40V、54V、60V等规格，输出电压在额定输出电压的1%～100％范围内可调。

2.3　输出电流：

额定输出电流分10A、15A、20A、25A、30A、35A、40A、50A等规格，输出电流在额定输出电流的1%～100%范围内可调。

2.4　恒电位范围：

－300mV～－3000mV

2.5　恒电位精度：

优于±5mV

2.6　恒电流精度：

优于±2%

2.7　流经参比电流：

≤3μA

2.8　误差报警：

±30mV～±100mV之间

2.9　抗50Hz干扰：

≤AC30V

2.10　纹波系数：

≤5%

2.11　电源：

单相AC220±10%　50Hz±5%

3　基本工作原理

3.1　原理方框图：

3.2　恒电位仪基本工作原理

当仪器处于“自动”工作状态时，给定信号（控制信号）和经阻抗变换器隔离后的参比信号一起送入比较放大器，经高精度、高稳定性的比较放大器比较放大，输出误差控制信号，将此信号送入移相触发器，移相触发器根据该信号的大小，自动调节脉冲的移相时间，通过脉冲变压器输出触发脉冲调整极化回路中可控硅的导通角，改变输出电压、电流的大小，使保护电位等于设定的给定电位，从而实现恒电位保护。

3.3　运行状态的转换

当仪器工作在恒电位状态而因参比失效或其它故障致使仪器不能实现恒电位控制时，经一定时间延迟后，仪器确认采集到的信号实属恒电位失控的误差信号，就将自动转换为恒电流工作状态。

恒电流给定信号和经阻抗变换后输出电流取样信号一起送入比较放大器，比较放大器输出误差控制信号通过移相触发器调整可控硅的导通角的大小使仪器的输出电流恒定在预先设定的电流值上。

3.4　仪器电气原理（参看电原理图）

本仪器主要由三部分组成，一是极化电源用以输出破坏被保护体的腐蚀电池的保护电流。

二是自动控制部分，使保护体达到最佳保护电位。

三是辅助电路使仪器方便管理，现将各部份原理分述如下：

3.5.1极化电源：

将交流电源变成所需大小的直流保护电流。

交流电源经L1、L2、C16防雷环节后，由KA万能转换开关及BX1输入保险丝送到极化电源变压器的原边。

由B2极化电源变压器变压到各额定的规格。

由SCR1、SCR2、D8、D9组成半控桥式整流，将交流电变成脉动直流电。

由ZL1、ZL2、C17、C18组成滤波电路，将脉动直流电变成平滑直流电。

BX2为输出保险丝，C20、C21、G1、G2、L3、L4为输出防雷环节。

G1、G2为放电管。

FL1为电流表采样用分流器（该分流器也同时作为过流保护采样）。

该分流器当通过额定电流值时为300mV采样信号，因此，可直接送入灵敏度2V的数字电压表，显示仪器的输出电流。

R43、W7、C19组成电压采样信号，其采样信号送入灵敏度为2V的数字电压表。

万能转换开关当仪器工作在自检状态时，为KA1、KA2接通，KA3、KA4开路；KA5、KA6接通，KA7、KA8实际电路为直接短接，所以，自检时要先脱开现场的阳极线。

万能转换开关当仪器工作在输出状态时，为KA1、KA2开路。

KA3、KA4接通；KA5、KA6开路。

3.5.2控制电路

a.　移相触发器：

根据比较放大器输出的控制电压大小，调整触发脉冲产生的时间（即移相），控制可控硅的导通角。

由D5、R27、R28、R29、R30、IC8、R31、BG2、D6组成触发同步电路。

与极化电源同相的交流同步电压经D5整流后变成100周半波，经R27、R28分压后得V1送到IC8的3脚，－15V电压经R29、R30分压后得V2送到IC8的2脚，当V2大于V1时，IC输出负电压，当V2小于V1时，IC输出正电压，使BG2饱和导通，C10上的电量经D6、BG2放电。

由BG3、BG4组成R的可变电阻，它们与C10构成RC时间常数。

BG3基极电位正移，则BG3集电极电位下降，对BG4（PNP管）Ib加大，BG27的IC加大（即内阻变小），向C10充电加快，BG5提前达到峰点电压放电，脉冲前移，使主电路可控硅导通角加大，输出平均电压加大。

由R38、BG6、R39、C11、B1组成脉冲功率放大。

工作过程：

当无脉冲时，BG6截止，+15V经R39对C11充电，由于R39、C11时间常数小，C11很快充上近15V电压。

当脉冲加到BG6基数时，BG6饱和导通，C11通过BG6、B1急速放电，在B1次级感应得到的脉冲经D7加到SCR1、2控制极。

在手动状态时，加到BG3基极的控制电压由W8取得。

b.　差动比较放大器

将参比电位与控制信号进行比较，对误差信号进行放大，输出与误差大小成比例的控制电压。

差动放大器由IC1完成，IC1接成开环状态，通过C1、C2的反馈，一方面可以消除交流干扰，一方面降低频率响应。

本电路增益极高。

由R1、R2、W1、DW1组成控制电位采样环节。

DW1为温度自动补偿稳压管，保证了控制电位基准的低漂移。

为保证参比信号输入的高阻抗，并滤除50Hz工频干扰，由IC9进行阻抗变换，由R40、R41、Ｒ42、C12、C13、C14、C15组成抗干扰环节。

IC9接成跟随器形式，从理论上讲，其输入阻抗将接近100M。

由于输入端有RC滤波器，所以电路的输入阻抗为C12～C15的漏电阻的并联值。

3.5.3辅助电路

a.　稳压电源

其任务是为控制电路及面板表提供电源。

D11~D14、D17、D19、D21组成整流电路，提供各组稳压器的输入端电压。

控制电路±15V的稳压电源由IC10、IC11提供，其型号分别为7815、7915，均为三端集成稳压电路。

面板表的＋5V电源由IC12、IC13、IC14提供，分别提供三个面板表使用。

型号为7805，为三端集成稳压电路。

C22～C41为这5组电源的滤波电容及消除高频干扰电容。

D15、D16、D18、D20、D22分别为各IC的保护二极管。

b.　限流电路

当仪器输出超载甚至短路，仪器输出电流能自动恒定在事先欲定的限流值上，达到保护仪器又保护阴极体的目的。

来自分流器的采样信号P+、P－经IC7、IC6电流放大后，得到一个可以与本机共地的XV电信号。

将这个信号送到IC5，与W3设定的门限电压进行比较，当XV信号小于设定门限值时，IC5放大器输出正电压，该电压大于比较器输出电压。

D1截止，对比较放大器工作无影响。

当超载时，XV信号大于设定门限值时，则IC5放大器输出电压下降到低于比较放大输出值，D1导通，对比较放大器的输出起嵌位作用。

仪器的输出电流便被限在这个值上，即仪器工作在恒流状态。

c.　误差报警电路

当仪器工作不正常或阴极保护系统故障时，仪器发出告警。

本电路由IC2、IC3、IC4、BG1、FM组成。

IC2、IC3为100倍放大器，保护电位和控制值交叉迭进IC2、IC3放大器，输出端分别由D2、D3导向输出，保护电位不论是高于或低于控制电位，总有一个放大器输出正电压，输送给比较器IC4与门限电压比较。

当误差电压高于门限值时，IC4输出高电位，使BG1导通，FM发出报警声。

门限值由W5设定。

d.　延时启动电路

仪器每次开机，延时几秒输出，清除冲击电流。

本电路由V3、R56、R57、C53、C54组成。

IC1正电源由V3提供，刚开机时，V3截止，正15V电源经R56向C53充电，V3由截止到导通，最后达到饱和导通。

R56、C53的时间常数决定V3从截止达到饱和导通的时间。

e.恒电流转换电路：

由IC15、IC16、BG6、K4~K6、D26等组成。

IC15稳+12V电源供IC16、K4~K6使用，刚开机时，IC16输入端为低电位，其输出端为高电位，BG6截止，K4~K6无工作电压，然后+12V通过R47对C44充电，其电位上升到一定值时，通过D26、R58放电，使IC16输入端始终保持在低电位，当恒电位出现故障报警，D26截止，C44无法向D26、R58放电，其电位继续升高超过IC16的阀值电压时，IC16输出低电位，使BG6饱和导通，K4~K6吸合，仪器由恒电位转为恒电流的方式工作。

从接收到报警信号到转为恒电流工作的时间由R47、C44的时间常数决定。

f.自检电路：

模拟现场负载的电路由R45、R46、RL组成。

其中RL为假负载，其阻值为3Ω，功率为100W，替代现场阴、阳极的回路电阻，R45、R46的分压做为机内参比信号，送到参比输入回路，替代现场参比电极。

4　运行指南

4.1　PS-1LC面板与接线板示意图

4.2基本操作方法

4.2.1　将面板上“控制调节”旋钮反时针旋到底，将“工作方式”开关置“自动”挡，“测量选择”置“控制”挡。

4.2.2　将电源开关扳到“自检”档，仪器电源指示灯亮，状态指示灯显示橙色，各面板表应均有显示。

顺时针旋动“控制调节”旋钮，将控制电位调到欲控值上，此时，仪器工作于“自检”状态，“测量选择”开关在“控制”档与“保护”档之间切换，电位表显示值基本一致，表明仪器正常。

4.2.3　将电源开关扳至“工作”档，此时仪器对被保护体通电。

根据现场管道实际情况，旋动“控制调节”旋钮使管道电位达到欲控值。

4.2.4　若要“手动”工作,将“工作方式”开关拨至“手动”档，顺时针旋动“输出调节”旋钮，使输出电流达到欲控值。

4.2.5　恒电流设定：

打开后门揿动安装板上恒流设定开关，此时面板状态指示灯显示黄色表明进入恒电流状态，根据现场管道实际电流，调节屏蔽盒内“恒流调节”电位器，使电流达到欲控值（出厂时设定在仪器额定电流的30%），恒电流设定完毕，将仪器关机再开机。

4.3　使用条件及注意事项

4.3.1　手动输出调节电位器应反时针旋到底，以免在由“自动”转“手动”时输出电流过大。

4.3.2　当仪器需“自检”时，工作方式开关应置“自动”档禁止置“手动”档。

因机内假负载可承受的功率较小，若置“手动”档时，有可能把机内假负载烧毁。

4.3.3　仪器从“手动”档切换到“自动”档时，应先关机，将“工作方式”开关置“自动”后再开机。

因仪器在“手动”工作时，自动控制部份处于失衡状态，此时如直接切换到“自动”档仪器工作将不正常。

4.3.4当仪器需“自检”时，应事先将仪器后板的输出阳极连线断开。

5　印刷电路组成

PS-1LC远控恒电位仪的印刷线路有“稳压电源板”、“移相触发板”、“比较限流板”、“功能转换板”和“防雷板”等几块板组成。

防雷印刷板元件示意图

　稳压电源印刷板元件示意图

移相触发印刷板元件示意图

比较、限流印刷板元件示意图

功能转换印刷板元件示意图

6恒电位仪线路中电位器功能一览表：

序号

安装位置

功能

型号

W1

恒电位仪面板

控制电位调节

WXD3-13-1K

W2

比较板

控制与保护电位平衡调节

W3296-10K

W3

比较板

限流门限设定

W3296-5K

W5

比较板

报警门限设定

W3296-2K

W6

比较板

参比信号跟随器调零

W3296-10K

W7

防雷板

输出电压表校正

WS2-2-15K

W8

恒电位仪面板

“手动”输出调节

WXD3-13-2.2K

W9

功能转换板

恒流值设定

W3006P-1K

7　故障判断和处理方法一览表

序号

故障现场

原因

处理方法

1

开机无输出，指示灯不亮，数字面板表不显示。

⑴　电源开路

⑵输入保险管断或稳压电源变压器保险管断。

⑴　查输入电源并重新接好。

⑵　更换保险管。

2

输出电流、输出电压突然变小，仪器本身“自检”正常。

参比失效或参比井土壤干燥或零位接阴线断。

更换参比、重埋参比或接好零位接阴线。

3

输出电流突然增大，恒电位仪正常。

⑴　水或土壤潮气使阳极电阻降低。

⑵　与未保护管线接触

⑶　绝缘法兰两边管道搭接。

⑴　可以暂时不改变装置，夏季电阻会回升。

⑵　对未保护管线采取措施　⑶　对绝缘法兰处不正常搭接进行处理。

4

无电压、电流输出，“保护电位”比“控制电位”高，声光报警20S后切换到恒电流工作。

“自检”正常。

⑴　参比电极断线。

⑵　参比电极损坏。

（3）预控值电位比自然电位低或太接近自然电位。

⑴更换参比。

⑵更换参比。

（3）适当抬高预控值电位。

5

输出电压变大，输出电流变小，恒电位仪正常。

⑴　阳极损耗。

⑵　阳极床土壤干燥或发生“气阻”。

⑴　更换阳极

⑵　夏季定期对阳极床注水。

6

有输出电压，无输出电流，声光报警20S后转入恒电流状态，恒电流也无法工作，仪器“自检”正常。

一般是现场阳极电缆开路,不排除阴极线被人为破坏。

重新接线。

7

故障现象同上，但仪器“自检”也不正常。

机内输出保险管熔断。

更换保险管。

8

仪器无法输出额定电流，到某一电流值仪器报警，“控制”电位比“保护”电位高,20S后转到恒流工作。

⑴　限流值太小。

⑵　IC6、IC7坏。

⑴调节比较板有关参数将限流值放宽

⑵　更换IC6、IC7

9

输出电流、输出电压最大，电位显示“１”（满载）报警20S后，转入恒流。

比较器IC1坏或阻抗变换器IC9坏。

更换比较板上的IC1或IC9

CBZ-3/B阴极保护控制台

1、概述

CBZ－3/B阴极保护控制台用于外加电流阴极保护系统中，对控制室内恒电位仪的工作机和备用机进行转换，并对有关参数进行测量显示，控制台内带有防雷器，可抗雷击余波，使阴极保护系统更可靠运行。

设有数据远传接口，可将阴极保护参数隔离转换成4～20mA标准工业信号输出，提供给计算机使用，同时还设有远控通断接口，计算机可同步对多台仪器进行通断电测试。

2、使用条件

2.1　使用环境条件

　　温度：

-15℃～+45℃

　　相对温度：

20%～90%

　　气压：

60～106KPa

2.2　电源

　单相AC220V±10%　50Hz±5%

3、主要功能和性能

可任意选择控制室内的二台恒电位仪，一台作为工作机，一台为备用机。

工作一段时间后（如一个月）更换运行，以延长仪器的使用寿命。

为了保证仪器正常运行本机设有互锁装置。

3.1　安装有电流表、电压表和电位表。

可检测正在运行中的恒电位仪的主要参数。

3.2　装有交流电压表可对交流电压进行监测。

3.3　装有交流电度表对使用功耗进行计算。

3.4　可选择手动或远控使仪器处于阴极保护电流通12秒断３秒间歇工作状态。

3.5　具有远控接口：

在“远控通断”接口施加高电平（+24V）或低电平（0V）,可控制仪器进入“测试”或正常“工作”状态。

3.6　远传数据接口

3.6.1　电位接口：

将0～-3000mV管地电位，隔离变换为标准工业信号4～20mA输出，隔离耐压不低于500VDC，输出负载电阻不大于600Ω，变换误差≤2%。

3.6.2　电流接口：

输出零至仪器额定输出电流，隔离变换为标准工业信号4～20mA输出，隔离耐压不低于500VDC，输出负载电阻不大于600Ω，变换误差≤2%。

3.6.3　电压接口：

输出零至仪器额定输出电压，隔离变换为标准工业信号4～20mA输出，隔离耐压不低于500VDC，输出负载电阻不大于600Ω，变换误差≤2%。

3.7　防雷击保护

当阳极线、管道受雷击影响时，阳、阴极线之间的瞬时过电压衰减限制到150V以下，在仪器输出阳极、阴极端上能承受幅度为（1.5～2.0）万伏，脉冲宽度为25μs、重复周期为（1～5）S、时间1min的模似感应雷的冲击。

4、基本工作原理

4.1　原理方框图（见图１）

4.2　控制台基本工作原理

　　来自现场的阳极线、保护体的阴极线和零位、参比电极线，通过控制台的防雷器和抗干扰系统后，再进行信号取样，变换器将信号变换为标准工业信号输出。

通过开关转换工作机或备用机投入运行。

12S“通”，3S“断”测试状态是由时钟电路产生。

4.3　电路简介（参看电原理图）

4.3.1开关转换：

由空气开关S1、S2和参比切换继电器K2、K1和互锁继电器K3等组成。

4.3.2信号取样：

由分流器FL2和N6、RP3等组成。

4.3.3工业信号变换器：

电流经FL2取样、电压经RP1取样和电位经N6取样后，再经B1、B2、B3模块转换为标准工业信号。

4.3.4通断时间控制板：

由G1、D1和D2、D3等电路组成。

D5、V5、V6等为外控信号隔离电路。

V8为输出“通”“断”器。

4.3.5稳压电源：

由N3、N4等组成+15V电源，N5、N1等组成二组24V电源。

N2等组成12V电源供时间控制板使用。

5、印刷电路组成：

CBZ-3/B控制台的印刷电路由“稳压电源板”、“变换器接口板”、“时间控制板”组成。

稳压电源印刷板元件示意图

6、安装及使用

6.1CBZ-3/B面板及后板示意图

面板示意图

后板示意图

6.1　安装前应检查两台恒电位仪及控制台内部紧固件，连接线有否松动，如有松动应将其固定好。

所有开关均放在“关”或“停”的位置。

两台恒电位仪分别摆在控制台的左边和右边，以便接线。

6.2　根据安装接线图5，将控制台和恒电位仪的线接好。

附件中已提供从控制台到仪器的接线电缆，粗的线为输出阳极、阴极线，另二条较细点的线为AC220V交流电源线，一条6mm2的黑线为机壳接地线，二条细线为参比和零位接阴线。

注意接完后反复检查，控制台到仪器的线要一一对应。

6.3　到“现场”的线指来自被保护体的阴极线和零位接阴线，来自阳极的阳极线，来自参比电极的参比线，来自电源的电源线，这些线用户自备。

6.4　控制室计算机和控制台的连线。

将远控通断和RTU的电流信号、电压信号、电位信号线按本控制台后接线板铭牌和安装接线图5所示将线接好，计算机接口的连线必须使用屏蔽线。

6.5　接通控制台1＃机或2＃机的电源开关，此时控制台电压表、电流表为零输出，电位表指示为管地自然电位。

然后使恒电位仪投入运行（见恒电位仪使用说明书操作）。

6.6　埋地管道电位测试

控制台设有“测试”和“远控通断”两种方式，可对埋地管道保护电位进行测量

a.　“测试”方法测量

将控制台面板上的“工作方式”置“测试”，仪器此时自动进入输出电流“通”12秒,“断”3秒的间歇状态工作。

在输出“断”3秒时用饱和硫酸铜参比电极测埋地管道的保护电位。

测试结束后，应将“工作方式”置回“工作”。

b.　“远控通断”方式测量

控制台面板上的“工作方式”应置在“工作”档，仪器处在正常工作状态。

计算机同时向多台控制台的“远控通断”端输入高电平（电压应DC24V正信号）时，仪器将自动同步后转为输出电流“通”12秒，“断”3秒的间歇状态工作。

若计算机向控制台的“远控通断”端输入低电平（电压为零信号）后，仪器转入正常保护状态。

在“远控通断”方式测量时，须2小时恢复仪器正常工作一次，再转入“测试状态”，以保证多台仪器的输出电流能同步“通”与“断”。

6.7　控制台将恒电位仪的输出电压、输出电流、保护电位通过相应的数据接口传送给计算机，远传数据的信号为4～20mA标准工业信号。

a.　远传给计算机的电流信号和实际输出电流的关系式：

I0＝［4mA+16mA×　　　　　　］　　

b.　远传给计算机的电流信号和实际输出电压的关系式：

　　I0＝［4mA+16mA×　　　　　　］　　

c.远传给计算机的电流信号和保护电位的关系式：

I0＝［4mA+16mA×　

］

注意事项

　控制台和恒电位仪的机壳接地必须接到大地的地桩上，不能接到电网的零线上，以保证仪器使用安全和有效的防雷。

　7　检修指南

电位传送器

1概述

电位传送器可将埋地金属管道的管地电位信号隔离变换成标准工业信号（4~20mA）输出，便于站控系统进行数据采集和处理。

2主要技术性能指标

2.1　运行条件

　　a）　环境温度：

-15℃～+45℃；

　　b）　相对湿度：

15%～90%；

c）　大气压力：

86KPa～106KPa；

2.2直流供电电源：

87.5%EdN～117%EdN（标称值为EdN=24V）；　

2.3安全要求

2.3.1　绝缘电阻：

电源输入端对机壳间的绝缘电阻应不小于2MΩ。

2.3.2　抗电强度：

电源对机壳施加DC500V试验电压，历时1min，不应出现闪络和击穿。

2.4　管地电位输入范围：

0~3.0V；

2.5　输入阻抗：

直流阻抗不小于1MΩ；

2.6　输出电流：

（4~20）mA标准工业信号；

2.7　输出负载电阻范围：

0~600Ω；

2.8　管地电位输入端承受1KV瞬时（20μs）直流高压后，能正常工作；

2.9电位-电流变换精度误差不大于1%；

2.10隔离耐压：

电位输入端、电流输出端、供电电源三者间施加DC500V试验电压，历时1min，不应出现闪络和击穿；

2.11外型尺寸：

338mm×193mm×56mm，见图１外形图

3电路原理　

“DC－1E电路原理图”见附图。

该电路由逆变、稳压、输入网络、阻抗变换、隔离变换等部分组成。

推挽逆变器将直流电源隔离变换成两组交流电源，经整流滤波、稳压产生两组直流电压，一组±12V电压作为输入单元电路的电源，另一组24V电压作为输出单元电路的电源。

输入单元由抗干扰网络电路和阻抗变换电路组成，抗干扰网络用于提高传送器的输入端抗瞬时干扰、防雷击余波破坏的能力；阻抗变换电路用于提高传送器的输入阻抗。

输出单元由电压—电流变换模块组成，变换模块将0～3V的管地电位隔离变换成4～20mA的电流信号输出。

4印刷电路组成：

印刷电路板由AP1、AP2、AP3组成

5运行

5.1　接线

将传送器下面的螺钉（见图１外形图）取下，按铭牌的指示，将相应的线接上（见图3）。

为使抗干扰及防雷电路起作用，接地线必须接上，且导线截面积应达到6mm2以上，接地电阻小于10Ω。

接地可就近接地；

5.2　运行

5.2.1将各连接线检查一遍，保证正确无误。

5.2.2检查电源电压应符合产品的要求。

检查“电位信号输出”端的负载电阻符合产品的要求。

5.2.3接通电源开关，指示灯亮，电位传送器即投入工作。

6校准

电位传送器出厂时已校准，