隨著北京地區(qū)埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)服役時(shí)間的延長(zhǎng)以及服役環(huán)境的日益復(fù)雜,管線陰極保護(hù)狀況及管線防腐蝕狀況整體并不樂(lè)觀[1]。由于城市地理位置的限制,北京地鐵與燃?xì)夤艿澜徊婊蛘卟⑿袖佋O(shè)的現(xiàn)象越來(lái)越普遍,導(dǎo)致燃?xì)夤艿乐車(chē)碾s散電流越來(lái)越多,其面臨的動(dòng)態(tài)直流干擾風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大,多處管道電位發(fā)生大幅波動(dòng),波動(dòng)幅值可達(dá)幾伏至幾十伏,存在很大腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[2]。

為緩解地鐵直流干擾,城市燃?xì)夤艿赖母g緩解措施多采用犧牲陽(yáng)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(jīng)犧牲陽(yáng)極排向外部,而無(wú)法由外部經(jīng)犧牲陽(yáng)極流入管道,如此既實(shí)現(xiàn)排流效果又避免了犧牲陽(yáng)極引雜散電流入管道[3]。目前,國(guó)內(nèi)外常用的極性排流器為肖特基二極管+電容+浪涌保護(hù)器型。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)+電容+浪涌保護(hù)器型極性排流器為自主研發(fā)。這兩種排流器的性能不同,從而對(duì)地鐵直流干擾緩解效果和管道的陰極保護(hù)電位造成不同的影響。

為了弄清不同類(lèi)型極性排流器對(duì)管道動(dòng)態(tài)直流干擾排流效果的影響規(guī)律和作用機(jī)制,作者利用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)兩種極性排流器的服役性能進(jìn)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(hù)器型(簡(jiǎn)稱1號(hào))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(dǎo)體為負(fù)極,利用二者接觸面上形成的勢(shì)壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件,其原理圖見(jiàn)圖1[4]。因?yàn)镹型半導(dǎo)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(qū)域”向含量低的“金屬區(qū)”擴(kuò)散。隨著電子不斷從“N區(qū)域”擴(kuò)散到“金屬區(qū)”,“N區(qū)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(shì)壘,其電場(chǎng)方向?yàn)?ldquo;N區(qū)域”→“金屬區(qū)”。但在該電場(chǎng)作用之下,“金屬區(qū)”的電子也會(huì)產(chǎn)生從“金屬區(qū)”向“N區(qū)域”漂移運(yùn)動(dòng),從而削弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場(chǎng)[5]。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后,電場(chǎng)引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和含量不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡,便形成了肖特基勢(shì)壘[6]。肖特基二極管是一種低功耗超高速半導(dǎo)體器件,正向?qū)▔航翟?.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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)+電容+浪涌保護(hù)器型(簡(jiǎn)稱2號(hào))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(dòng)空穴)上,制作兩個(gè)高摻雜含量的N+區(qū)(N+區(qū)域中有為電流流動(dòng)提供大量自由電子的電子源),并用金屬鋁引出兩個(gè)電極,分別作為漏極D和源極S,然后在半導(dǎo)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(gè)鋁電極(通常是多晶硅),作為柵極G,在襯底上也引出一個(gè)電極B,構(gòu)成N溝道增強(qiáng)型MOS管,如圖2所示[7]。MOS管的漏極D和源極S之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵源電壓VGS為0時(shí),即使加上漏極和源電壓VDS,不論VDS極性如何,總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài),漏極和源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道,所以這時(shí)漏極電流iD≈0；當(dāng)VGS>0,則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng),電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面由柵極指向襯底,這個(gè)電場(chǎng)能排斥空穴而吸引電子。當(dāng)VGS數(shù)值較小且吸引電子能力不強(qiáng)時(shí),漏極和源極之間仍無(wú)導(dǎo)電溝道出現(xiàn),處于截止?fàn)顟B(tài),當(dāng)VGS≥VT(開(kāi)啟電壓)時(shí)形成導(dǎo)電溝道,在漏極和源極間正向電壓VDS下產(chǎn)生漏極電流[8]。為保障MOS管在低閾值電壓下導(dǎo)通,2號(hào)極性排流器需與比較器組合使用,當(dāng)比較器識(shí)別到毫伏級(jí)正向電壓VDS時(shí)即輸出一個(gè)遠(yuǎn)大于開(kāi)啟電壓VT的漏-源電壓VDS,以保障MOS管低阻導(dǎo)通。

圖 2N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)圖

Figure 2.Structure diagram of N channel enhanced MOS transistor

2. 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)兩種極性排流器開(kāi)展關(guān)鍵性能指標(biāo)檢測(cè),測(cè)試內(nèi)容包括閾值電壓、直流阻抗、平均穩(wěn)態(tài)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(cè)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(lián)分壓原理,測(cè)試極性排流器兩端的導(dǎo)通電流,計(jì)算直流阻抗變化,進(jìn)而確定其閾值電壓；圖3(b)為極性排流器反向抑制電壓測(cè)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(cè)試極性排流器兩端的導(dǎo)通電流,計(jì)算直流阻抗變化,確定其反向抑制電壓。

圖 3極性排流器關(guān)鍵性能指標(biāo)檢測(cè)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)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(jiàn),兩種極性排流器的伏安特性不同,1號(hào)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(dāng)電壓達(dá)到301 mV時(shí),伏安特性曲線變?yōu)橹本€,直流阻抗達(dá)到穩(wěn)定值,可知1號(hào)極性排流器閾值電壓為301 mV；2號(hào)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(wěn)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(jiàn),當(dāng)1號(hào)極性排流器兩端電壓為301 mV時(shí),直流阻抗為4.98 Ω,當(dāng)電壓達(dá)到430 mV時(shí),直流阻抗穩(wěn)定為2.79 Ω；2號(hào)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(wěn)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(jiàn),當(dāng)反向電壓為10 V與20 V時(shí),兩種排流器無(wú)電流,不導(dǎo)通；當(dāng)反向電壓為30 V時(shí),兩種排流器有輕微漏流,其中1號(hào)極性排流器漏流量較小,為15 μA,2號(hào)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(shù)對(duì)比如表1所示。由表1可見(jiàn),2號(hào)極性排流器的閾值電壓與直流阻抗均低于1號(hào)極性排流器,這說(shuō)明2號(hào)極性排流器排流性能更優(yōu)；1號(hào)極性排流器與2號(hào)極性排流器的反向抑制電壓相當(dāng),反向電壓為30 V時(shí),1號(hào)極性排流器漏流量小于2號(hào)極性排流器,可見(jiàn)1號(hào)極性排流器的反向阻隔效果略好于2號(hào)極性排流器。

3. 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了明確兩種極性排流器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果,在現(xiàn)場(chǎng)相同位置分別對(duì)兩種極性排流器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在現(xiàn)場(chǎng)選取一處排流地床與極性排流器組合排流點(diǎn)作為試驗(yàn)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(kāi)路電位(相對(duì)于CSE)為－1.507 V。圖7為排流點(diǎn)與地鐵相對(duì)位置關(guān)系,該管段與地鐵5號(hào)線、15號(hào)線并行,并行間距為1~2 km,與地鐵13號(hào)線交叉并行,檢測(cè)兩種排流器工作時(shí)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(diǎn)與地鐵相對(duì)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?chē)裨O(shè)極化試片(面積6.5 cm2),極化試片與管道連接極化24 h；將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)記錄儀參數(shù)設(shè)置為每秒記錄一組數(shù)據(jù),試片通斷電周期設(shè)置為5 s,斷電時(shí)間設(shè)置為1 s,記錄管道的通電電位,斷電電位和測(cè)試時(shí)間以及測(cè)試的位置；測(cè)試24 h后,將數(shù)據(jù)記錄儀數(shù)據(jù)導(dǎo)出,繪制每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(kāi),在排流回路中串聯(lián)一個(gè)0.1 Ω或者0.01 Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻,標(biāo)準(zhǔn)電阻的兩個(gè)電流接線柱分別接管道和排流接地體的接線柱,兩個(gè)電位接線柱分別接電壓記錄儀。電壓記錄儀測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓,電壓除以標(biāo)準(zhǔn)電阻,得到排流電流。在排流器并聯(lián)一個(gè)電壓記錄儀,測(cè)試極性排流器兩端電壓。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與討論

通過(guò)兩種極性排流器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),分析排流器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果并與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果對(duì)比。圖8為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)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(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖8可見(jiàn),夜間排流器兩端電壓及排流電流處于穩(wěn)態(tài),通過(guò)夜間穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算可得,1號(hào)極性排流器實(shí)際應(yīng)用內(nèi)阻為3.682 Ω,2號(hào)極性排流器內(nèi)阻為0.611 Ω,兩種極性排流器實(shí)際應(yīng)用內(nèi)阻與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果相匹配。

圖 8現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)兩種極性排流器兩端電壓及管道電位的波動(dòng)曲線。由圖9可見(jiàn),排流器兩端電壓與管道電位波動(dòng)幾乎同步。當(dāng)排流器兩端電壓為負(fù)值時(shí),其與管道電位波動(dòng)幅度相當(dāng)；當(dāng)排流器兩端電壓為正值并超過(guò)一定數(shù)值后,其波動(dòng)曲線變得特別平緩。這是由極性排流器正向?qū)ㄒ鸬?此時(shí)排流器兩端電壓為其閾值電壓。圖10為兩種排流器應(yīng)用時(shí)兩端電壓與管道電位的關(guān)系曲線。由圖10可見(jiàn),當(dāng)1號(hào)極性排流器兩端電壓為260 mV時(shí),其與管道電位的關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)；當(dāng)2號(hào)極性排流器兩端電壓為17 mV時(shí),其與管道電位的關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。由此得到,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)1號(hào)極性排流器的閾值電壓為260 mV,2號(hào)極性排流器閾值電壓為17 mV,這與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果相匹配。

圖 9現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)兩種極性排流器兩端電壓及管道電位的波動(dòng)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)管道電位與兩種排流器兩端電壓的關(guān)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(shí)兩端電壓及排流電流,圖12為兩種極性排流器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)排流數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖11與圖12(a)可見(jiàn),正向排流時(shí),1號(hào)極性排流器兩端電壓大于2號(hào)極性排流器,但其日均排流電流小于2號(hào)極性排流器,這與前述2號(hào)極性排流器內(nèi)阻小且閾值電壓低有關(guān)；由圖12(b)可見(jiàn),兩種極性排流器日總排流時(shí)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(yīng)有關(guān),當(dāng)排流地床由雜散電流流入狀態(tài)變換為流出狀態(tài)時(shí),其表面由陰極極化轉(zhuǎn)為陽(yáng)極極化,此時(shí)需要額外能量將流出地床表面電子扭轉(zhuǎn)為流入地床表面,此效應(yīng)造成排流延遲,進(jìn)而造成排流時(shí)間減少。由圖12(c)可見(jiàn),在現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)直流排流條件下,排流地床日總排流電量為46 855 C；1號(hào)極性排流器日總排流電量為29 806 C,為排流地床的64%；2號(hào)極性排流器日總排流電量為48 166 C,為排流地床的103%。動(dòng)態(tài)直流排流條件下,2號(hào)極性排流器日總排流量最高、排流效果最好,與前述其內(nèi)阻小、閾值電壓低且日總排流時(shí)間長(zhǎng)有關(guān)。

圖 11兩種極性排流器正向排流時(shí)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(shù)據(jù)對(duì)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(shí)漏流電流及日總漏流電量。由圖13可見(jiàn),1號(hào)極性排流器漏流電流波動(dòng)幅值較小,日總漏流電量較小,為3.4 C；2號(hào)極性排流器漏流電流波動(dòng)幅值較大,日總漏流電量較大,為30.1 C,為1號(hào)極性排流器的8.9倍。1號(hào)極性排流器反向絕緣性能更好,這與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果一致。

圖 13兩種極性排流器反向絕緣時(shí)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(kāi)、直連及兩種極性排流器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)管道直流干擾數(shù)據(jù)。由圖14(a)~(c)可見(jiàn),排流地床直連時(shí),其對(duì)管道電位波動(dòng)幅值緩解效果最優(yōu),管道電位波動(dòng)幅值減小35%；2號(hào)極性排流器排流時(shí),管道電位波動(dòng)幅值減小17%；1號(hào)極性排流器排流時(shí),管道電位波動(dòng)幅值減小13%。管道電位波動(dòng)幅值緩解效果分布與圖12(a)日平均排流電流分布規(guī)律相似,管道電位波動(dòng)幅值緩解效果可能與日平均排流電流有關(guān)。由圖14(d)可見(jiàn),2號(hào)極性排流器對(duì)管道陰極保護(hù)效果最優(yōu),極化電位正于－0.85 V即欠保護(hù)時(shí)間所占比例減小16%；1號(hào)極性排流器排流時(shí),欠保護(hù)時(shí)間所占比例減小13%；排流地床直連時(shí),欠保護(hù)時(shí)間所占比例減小11%。這表明不同排流形式對(duì)陰極保護(hù)效果的影響。

圖 14不同排流條件下管道直流干擾數(shù)據(jù)

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(kāi)、直連及兩種極性排流器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)管道交流干擾數(shù)據(jù)。由圖15可見(jiàn),排流系統(tǒng)對(duì)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(duì)管道交流干擾緩解效果最優(yōu),交流電壓減小51%；其次是2號(hào)極性排流器排流時(shí),交流電壓減小42%；1號(hào)極性排流器排流時(shí),交流電壓減小34%。這是因?yàn)閮煞N極性排流器內(nèi)部存在隔直通交的電容元件,其可保障極性排流器導(dǎo)通交流電流,進(jìn)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(shù)據(jù)

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

4. 結(jié)論

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)室正反向伏安特性測(cè)試可以獲得極性排流器的正向?qū)ㄩ撝惦妷骸⒄驅(qū)ㄗ杩购头聪蛞种齐妷?從而對(duì)極性排流器的服役性能進(jìn)行預(yù)測(cè),因此未來(lái)極性排流器選型可以先對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

（2）1號(hào)極性排流器正向?qū)ㄩ撝惦妷焊摺⑴帕髯杩勾?2號(hào)極性排流器閾值電壓低、排流阻抗小,1號(hào)極性排流器排流量不及2號(hào)極性排流器,2號(hào)極性排流器排流效果與直連排流地床相當(dāng),排流效果更好。

（3）1號(hào)極性排流器漏通電流波動(dòng)幅值較小,日總漏流電量較小；2號(hào)極性排流器漏通電流波動(dòng)幅值較大,日總漏流電量較大；1號(hào)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(duì)管道直流干擾與交流干擾具有緩解作用,且2號(hào)極性排流器緩解效果更優(yōu)。

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