摘要：目前管道业界在固态去耦合器产品的选型、应用设计和检测中存在诸多空白和误区，相关的技术标准编制工作也严重滞后于工程应用。通过对固态去耦合器内部结构和元件进行分析，结合现场检测数据，对固态去耦合器产品的直流电流泄漏量、交流阻抗和故障安全等技术指标进行了探讨；对埋地钢质管道故障电流防护和电磁感应干扰防护中不合理的设计与应用进行分析并提出了对应的解决方案；对使用固态去耦合器进行交流干扰防护后对管道外检测的影响进行了阐述。固态去耦合器产品在管道交流干扰防护工程中存在一定程度的滥用问题，既增加了工程投资又对管道的腐蚀防护造成负面影响，应尽快出台相应的技术标准和规范以指导其合理应用。（图9，表2，参10）
关键词：固态去耦合器；交流干扰；阴极保护
埋地钢质管道在受到严重的交流干扰时，管道设备和人身安全以及阴极保护的有效性均会受到一定程度的影响。国内外诸多标准对交流干扰电压和交流电流密度等关键参数提出了相应的要求[1-3]。缓解交流干扰的一个有效措施是接地排流，通过接地降低管道的交流电压和腐蚀风险，确保管道安全。
在实施交流干扰缓解时，如果将排流地床与管道直接连接，可能会对管道阴极保护产生负面影响：在使用同类金属或相对惰性的金属材料作为接地时，易导致管道阴极保护电流大量漏失；在存在直流干扰的区段，直流杂散电流可以通过接地材料进出管道。近年来，工程上普遍采用了固态去耦合器连接管道和排流地床的做法。
固态去耦合器用于交流干扰排流，可为交流电流提供低阻抗通道，而在一定范围内阻止阴极保护电流及直流杂散电流的导通，起到“通交流阻直流”的作用。该产品从北美引入我国后，在国内管道交流干扰排流工程中得到大量的应用。但是目前国内在产品选型、缓解设计、安装中存在诸多技术空白与误区，造成了固态去耦合器产品一定程度上的滥用。
1 工作原理
固态去耦合器一般由电容、晶闸管（或二极管）以及浪涌保护装置并联构成（图1）。该产品的品名起源于与早期液态极化电池的对比，最早一代的去耦合器产品将不锈钢或者镍板浸入KOH 溶液，实现“阻直通交”功能，目前固态去耦合器产品内部采用固态电子元件，在性能和免维护方面具有优势。
固态去耦合器内部元件的功能有：电容元件导通稳态交流干扰电流，排流地床对稳态交流干扰的缓解功能即通过此电容来实现；晶闸管或二极管阻止直流电流通过，但是当两端的压差达到阈值（隔离电压）时导通，主要用于故障电流的导通，并为电容提供钳压保护；浪涌保护装置多由气体放电管构成，用于导通雷电、浪涌等大电流。
目前国内尚无对固态去耦合器产品的技术规格进行规范指导的标准，仅有某油气储运项目设计规定可供参考，规定中提出了主要的技术指标及要求（表1）。
常见的固态去耦合器隔离电压即直流导通阈值分为+2 V/-2 V 和+1 V/-3 V 两种。隔离电压意味着直流电流在该电压范围内无法导通，只有当固态去耦合器两个端子之间电压差超出隔离电压后，直流电流才可能导通。隔离电压为“+2 V/-2 V”即指当固态去耦合器两个端子之间的电压差超过+2 V 或者-2 V 时，直流电流可以通过固态去耦合器导通。固态去耦合器对直流电流的导通/隔离功能是通过晶闸管或者二极管来实现的。晶闸管的直流电流泄漏量较小；而二极管具有伏安特性，即使其两端的电压差没有达到导通电压，也会有少量的直流电流泄漏，因此二极管型固态去耦合器的直流电流泄漏量稍大。
交流故障电流指标是用于交流输电线路铁塔接地极附近的埋地钢质管道防护时的一项技术指标，一般要求固态去耦合器可以通过3.5 kA 的故障电流而不发生损坏。
2 使用中的常见问题
2.1 固态去耦合器性能对管道阴极保护的影响
2.1.1 直流电流泄漏量
考量固态去耦合器性能的一个重要指标是其对管道阴极保护电位的影响。直流电流泄漏量过大，是采用固态去耦合器进行交流干扰排流后管道阴极保护电位异常变动的重要原因之一，因此相关的设计规范中对固态去耦合器的直流电流泄漏量均有限制。由两种固态去耦合器在安装后对管道阴极保护通电电位的影响（图2）可知，固态去耦合器A 对管道通电电位的影响较小，介于1~21 mV；固态去耦合器B对管道通电电位的影响巨大，最大时达到529 mV。
对比A、B 两种固态去耦合器产品的直流电流泄漏量（图3）可知，A 产品的直流电流泄漏量最大为25 mA，而B 产品的直流电流泄漏量达到690 mA。
2.1.2 内部二极管不对称
如果固态去耦合器产品内部双向二极管的数量不对称，在固态去耦合器交流阻抗较大时会造成管道阴极保护电位的变化。图1b 中正反二极管的数量不同，将导致交流电流在一个周期内正反两个方向导通的时间不同，从而影响管道的阴极保护电位。钳位式排流器即采用该原理，在为交流电流提供泄放通道的同时，试图为管道阴极保护提供额外补充。
2.1.3 交流阻抗
固态去耦合器的交流阻抗过大，也是影响交流干扰排流效果和阴极保护的重要因素之一。无论是晶闸管模式还是二极管模式的固态去耦合器产品，晶闸管/二极管导通与否取决于两端的电压差。这个电压差是指交流电压峰值Vpeak 与直流电压VDC 之和。
流经固态去耦合器的交流电流可能令直流电流意外导通。假定设备的交流阻抗为0.14 Ω，导通稳态交流干扰电流10 A，则设备两端的交流电压峰值为1.98 V。该工况很容易导致阈值为-2 V/+2 V 的固态去耦合器发生直流导通，造成阴极保护电流的漏失或外界直流杂散干扰电流的窜入。此外，如果交流阻抗太大，在两个端子之间的压降也会较大，会导致前述二极管不对称效应加强，对阴极保护电位的影响增大。
一般来说，固态去耦合器的交流阻抗控制在10~15 mΩ 为宜。由国内某重点管道工程上采用的多种型号固态去耦合器的交流阻抗数值（表2）可见，其中某些国产产品的性能尚有待提升。
截至目前，国内相关的设计规范中尚未对固态去耦合器的交流阻抗做出规定，而交流阻抗是影响排流综合效果的一个重要的选型指标。
2.1.4 铜接地与失效安全（Fail-Safe）功能
在目前国内外的交流干扰排流实践中，常用的接地排流材料为裸铜线、锌带、角钢、锌阳极等。在使用电位偏正的材料做接地时，应特别注意可能对管道带来的电偶腐蚀风险。目前国内广泛使用的进口固态去耦合器产品均具备Fail-Safe 功能，即“失效安全”，当固态去耦合器因雷电冲击等原因导致故障时保持短路状态，直流电流和交流电流都可以通过固态去耦合器。如果采用裸铜线作为接地材料，在固态去耦合器出现故障短路时，就会存在电偶腐蚀的风险，管道防腐层破损点处可能发生较快的钢铁腐蚀。在之前的管道工程中，因为使用铜、铜包钢以及石墨接地模块等腐蚀电位偏正的材料接地而导致站场埋地管道快速腐蚀穿孔的案例并不鲜见[4]。
从防止电偶腐蚀的角度来看，使用锌带或者锌包钢等负电位性金属做接地材料更优。对于已经使用铜做接地的排流工程，应加强对固态去耦合器直流导通量以及管道电位的测试，及时发现并解决问题。
铜是许多接地工程的优选材料，其中一个原因就是其“自腐蚀速率较低，使用年限长”。铜在土壤中的自腐蚀速率并不比其他接地材料低很多，只不过由于与铜连接的金属结构物的腐蚀电位往往比铜更负，因此铜作为腐蚀原电池中阴极得到保护，其自腐蚀速率就显得很低。如果铜与管道通过固态去耦合器连接，在正常情况下铜接地与管道不会形成腐蚀原电池，铜得不到来自管道的腐蚀电流的“保护”，其使用寿命有可能大大缩短。这也是国外某些公司在使用铜接地进行交流干扰防护时要对铜追加牺牲阳极保护的原因。
关于使用铜以及锌材料作为交流干扰防护接地极时的使用寿命，目前业界还没有全面的检测数据，有待进一步的研究，已经采用了铜/锌材料进行管道交流干扰防护的业主可以对缓解地床定期开控，检测验证排流接地极的腐蚀速率。
此外，在国内相关的设计规范中尚未对固态去耦合器的“故障安全”功能提出强制性要求。国内某些厂家的固态去耦合器在出现故障时呈断路状态。从设备接地安全的角度来看，应强制要求固态去耦合器具有故障安全（短路）功能。
2.2 干扰源故障电流防护设计存在的问题
2.2.1 故障电流危害及防护
交流输电线路发生故障时，故障电流会通过杆塔的接地泄放入地，可能击穿临近的管道涂层，甚至将管壁熔化或导致管壁穿孔。但因故障电流导致埋地管道管壁熔化、穿孔的事件并不多见。
造成交流输电线路故障的原因很多，如大风、暴雪、雷击等，较常见的原因是雷击杆塔导致相对地绝缘失效，相电流绕过绝缘子顺着金属塔身入地。在雷击导致线路故障时，雷击电流入地产生电弧。但是雷电电弧的能量通常不足以对管道构成威胁，除非后续发生的相对地故障电流令该电弧持续放电。
通过Sunde 公式可以计算得到输电线路受雷击后杆塔入地雷电流引起的电弧放电距离[5]：
式中：r 为产生雷电电弧的距离，m；ρ 为土壤电阻率，Ω·m；I f 为雷击电流，一般不超过100 kA。
当I f 取100 kA，ρ 取100 Ω·m 时，计算得到r 为8 m，即雷击电流泄放入地后产生电弧的距离为8 m。若管道与接地极的距离小于8 m，则有可能受到损伤。
上述中雷击电流造成的电弧因为能量小，不足以对管道造成损伤。管道是否受到负面影响主要看后续的故障电流是否能维持电弧放电。在计算得到雷击电流的电弧距离后，如果埋地管道与杆塔接地极的距离小于该距离，则应根据相应公式来计算故障电流令电弧持续的临界距离。如果管道与接地极的实际距离小于该临界距离，则需要进行故障电流防护。
对于埋地钢质管道临近交流输电杆塔的故障电流防护，有以下方案可供选择[5]：①埋地管道尽量远离输电线路杆塔。②如果电力部门允许，停用现有的杆塔接地，给杆塔重新安装距离管道较远的接地（如深井接地），使管道与接地之间的距离达到安全距离。③在管道上安装高密度聚乙烯绝缘（HDPE）套管，令套管未覆盖的管段与杆塔接地的距离大于临界距离。如果采取该措施，应使用绝缘材料填充套管与主管间的空隙并将套管两端密封，防止电解质溶液进入环形空间发生腐蚀。④采取电屏蔽措施，在管道与杆塔接地间埋设一条裸金属屏蔽带，并将其与管道电连接，使屏蔽带与管道成为等电势体，从而避免管道电弧烧蚀、击穿。
电屏蔽防护措施具有很大的负面作用。由于在管道上连接了裸金属，其接地电阻很低，因此会吸收更多的故障电流。故障电流从屏蔽带进入管道后，将向管道轴向两侧流动，造成管道对地电位升高，无论是管道上附属设备的安全还是管道工作人员的安全都受到更大的威胁。
由管道临近杆塔接地时的故障电流屏蔽防护设置图[5]（图4）可知，屏蔽带的长度取决于杆塔接地与管道的垂直距离。
L s=2×1.73×S＋W （3）
式中：L s 为屏蔽带长度，m；S 为管道与杆塔接地的垂直距离，m；W 为杆塔脚间距，m。
2.2.2 干扰防护中的误区
第一个误区：只要管道与杆塔接地距离较近，即采取固态去耦合器加屏蔽带（接地）的方式进行防护；第二个误区：屏蔽带数量、长度，固态去耦合器数量均存在过量设计。
由目前国内常见的故障电流防护设计图（即强电冲击屏蔽防护安装设计，图5）可知，该设计方案在管道的两侧分别敷设了长度为300 m 的裸铜线，且使用2 台固态去耦合器连接管道与裸铜线。
在实际应用中，当管道与交流输电杆塔临近时，应采用相关计算公式计算临界距离，如果管道与杆塔接地的实际距离小于临界距离，才需要考虑故障电流冲击的防护。电屏蔽方法不是进行故障电流冲击防护的最佳方案，即使采用电屏蔽带的方法，仅在管道与杆塔接地之间敷设单条屏蔽带即可，不需要在管道两侧敷设裸铜线，另外，不使用固态去耦合器或仅安装单台固态去耦合器就足够，安装2 台无论从技术性还是经济性上都没有必要。
2.3 固态去耦合器安装用导线长度的选取
固态去耦合器可以用于绝缘装置的防护，在不影响外管道阴极保护的情况下，将交流感应电流、雷电、故障电流等通过非阴极保护端的接地安全泄放。当使用固态去耦合器对绝缘装置进行雷电过电压防护时，绝缘装置两侧的两个连接点之间的电压差由两部分组成，一部分是固态去耦合器的残压，另一部分是导线上的压降。导线上的压降又包括电阻压降和感应电压，在考虑雷电冲击工况时，导线的电阻压降远小于感应电压，可以忽略不计。为了实现有效防护，绝缘装置两侧的电压差须低于绝缘装置的耐受电压。
不同类型避雷器产品在受到雷电冲击时的残压水平差异很大。国外某些固态去耦合器产品在雷电冲击时残压一般只有几伏特，而电火花间隙避雷器的雷电冲击残压一般是几百到上千伏特。
金属导线在导通雷电冲击电流时，由于电流变化率很大，造成导线上的感应电压很大。导线感应电压的计算式为：
式中：L 为导线的电感，μH；为电流变化率，A/μs。
基于国外产品的相关数据，单位长度导线的电感可取0.656 μH/m，电流变化率取13 000 A/μs。由此计算得到单位长度导线的感应电压为8 528 V/m。假定绝缘装置雷电防护产品（固态去耦合器或电火花间隙等）的冲击残压为500 V，2 个端子的连接导线长度之和为2 m，计算在发生雷电冲击时绝缘装置两侧的最大压差为17 556 V。由此可见，绝缘装置两侧的压差大小主要是由保护装置的连接电缆的长度决定，在很多绝缘装置失效的案例中，其失效并不是由于保护装置性能缺陷造成的，而是由于导线过长。
增加导线截面积不能降低感应电压，降低导线感应电压的主要手段是缩短连接电缆长度。国外某产品的推荐方法是将固态去耦合器的接线柱直接固定在绝缘法兰上，或使用长度分别不超过150 mm 的2 根导线将固态去耦合器连到绝缘法兰的两侧（图6）。
SY/T 0086-2012《阴极保护管道的电绝缘》第5.2.5 条中对去耦隔直装置的安装要求是“去耦隔直装置两端的连接电缆应采用截面积不小于35mm2 的多股铜芯电缆。
为避免强电冲击时引起过高的感抗，连接电缆宜短、直”[6]。关于防雷用浪涌保护器的安装，GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中第5.4.1 条规定，浪涌保护器的连接导线应当平直，其长度不宜超过0.5m；GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》第6.4.4条规定，电涌保护器的最大箝压加上其两端引线上的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致。
目前国内管道工程中绝缘装置的过电压防护中，通常使用绝缘测试桩、防爆接线盒安装固态去耦合器。从固态去耦合器引出2根导线，一根接外管道，另一根接非阴极保护端管道甚至连接到接地网。以上安装方式中，连接导线的长度往往较长（超过2 m）。在发生雷击电流冲击时会因导线的电感作用导致绝缘装置两侧的电压差过大，有可能对绝缘装置造成击穿破坏，也可能导致绝缘装置产生电火花引起严重的安全问题。
2.4 缓解管道交流干扰的设计
埋地钢质管道的电磁感应交流干扰可以分为与干扰相关的安全问题和干扰引起的腐蚀问题。德国在1986 年发生过一起因交流干扰造成的管道腐蚀。此后在美国、加拿大等地也陆续出现过数个交流腐蚀案例[7-8]。交流腐蚀问题是目前国内外管道界的研究热点之一，但并不是威胁管道安全运行的最重要因素。从相关标准来看，GB/T 50698-2011 和DD CEN/TS15280：2006 从交流电压、交流电流密度方面提出了交流腐蚀的控制要求；而在北美腐蚀界尚未出现关于交流腐蚀控制的规范，NACE SP0177-2007 仅从设备和人身安全的角度提出了对交流干扰进行缓解，提出人员可接触到管道部位的交流电压应控制在15 V 以下。
在国内目前的埋地钢质管道交流腐蚀防护实践中，过于突出预防性防护设计、设计冗余量过大，将交流腐蚀防护的重要性过度放大。
对于排流点较少的交流干扰防护工程，可以参考文献[9] 采用理论公式设计方法。
式中：Vo 为排流前管道交流电压，V；Vmit 为缓解目标电压，V；|Z | 为管道特征阻抗，Ω；R 为缓解地床的接地电阻，Ω。
根据式（5）可以倒推出缓解地床的接地电阻，再进行地床的长度或深度设计。
对于较为复杂的交流干扰防护工程，可以通过建模计算进行干扰缓解方案的设计。在GB/T 50698-2011 中要求对已建管道应进行管道交流电压、交流电流密度和土壤电阻率测量，对设计阶段的新建管道可采用专业分析软件，对干扰源正常和故障条件下管道可能受到的干扰进行计算。干扰减缓系统设计时可参照国际大电网委员会报告《高压电力系统对金属管线的影响导则-1995》进行计算或采用专用软件进行建模计算分析，如用于公用走廊电磁干扰和接地分析的CDEGS 软件。美国雪佛龙公司的标准CPM-DU-6020《AC 干扰抑制系统》中明确规定了对新建管道在设计中必须采用专业软件（SES-CDEGS 和Right-of-Way）进行AC 干扰建模计算。
在模拟软件辅助交流干扰防护设计中采用了3 种不同的缓解方案（图7），均使用水平敷设锌带进行缓解。其中，方案A 的排流地床数量最少（10 处排流点，锌带总长度5 km）；方案C 的排流地床数量最多（30 处排流点，锌带总长度14 km）。结果表明：使用方案C，30 处排流点，即可将全线数百千米管道的交流电压缓解至业主要求的10V 以下。
目前国内新建管道的电磁感应交流干扰防护仍以依靠经验制定方案为主。相对于电磁干扰分析软件辅助设计，以经验为主导的设计相对粗放，通常导致管道上安装了过量的排流设施，既增加了工程投资，又对管道投产后的外检测以及腐蚀控制产生不利影响。
某长输管道在管道与交流输电线路的121 处交叉、平行处都安装了水平排流地床，地床材质为铜，长度均为300 m，排流地床通过固态去耦合器与管道连接。检测数据（图8）表明，在断开排流地床与管道的连接后，仅有6 处交流干扰电压超过了4V。根据GB/T 50698-2011 的规定，当管道交流干扰电压低于4V 时，可不采取交流干扰防护措施，即使交流干扰电压超过4 V，也要计算相应的交流电流密度，当交流电流密度较高时再采取交流干扰防护措施。该管道至少有超过95％的排流点是不必要的。
埋地钢质管道受到的交流干扰程度取决于管道和交流输电线路、交流供电电气化铁路等干扰源的相对位置关系，可以通过技术手段在合理投资的前提下取得最佳的防护效果。在管道或者干扰源未投产/未运行阶段，采用电磁干扰模拟软件进行辅助设计，优化排流点的位置与数量；在管道与干扰源投产运行后，通过现场测试确认需要排流的管段位置和数量，然后进行干扰的排流设计和施工。
2.5 固态去耦合器对管道外检测的影响
固态去耦合器的过度应用对管道的防腐层检测和阴极保护电位检测都造成了负面影响。在埋地钢质管道的外腐蚀直接评估中常用的间接检测技术方法包括管中电流法、交流电位梯度法和密间隔电位测试。管中电流法用于评价管道防腐层的绝缘性能；交流电位梯度法用于查找防腐层破损点；密间隔电位测试用于沿管道测试通电电位和断电电位，评价管道的阴极保护有效性。
当管道通过固态去耦合器连接了诸多排流地床后，由于管中电流法和交流电位梯度法使用的低频交流信号可以通过固态去耦合器导通，因此这两种方法的检测准确度会受到严重影响，导致对防腐层绝缘性能、防腐层破损点的数量和位置产生误判。
固态去耦合器的存在会影响密间隔电位测试中的断电电位测试。在固态去耦合器内部构件中有一个电容元件，用于导通稳态交流电流，当管道的阴极保护系统运行时，该电容处于被充电状态；当管道阴极保护系统断电时，该电容开始放电。电容放电电流通过排流接地极进入土壤，然后流入管道防腐层破损点。如果在电容放电电流还没有衰减到可以忽略不计的时候就进行断电电位的测试，所测量得到的断电电位里含有因电容放电电流造成的IR 降，测量得到的断电电位比实际情况要偏负。
对比了某排流桩安装固态去耦合器和未安装固态去耦合器两种工况下管道的断电电位[10]（图9）。在安装固态去耦合器时，管道的断电电位较断开固态去耦合器时的电位更负，经过较长的一段时间令电容放电电流衰减后，2 条断电电位曲线的数值才接近一致。
对于电容的充放电可以定义一个时间常数τ =RC，其中R 为放电回路电阻，C 为电容的容抗。当放电时间达到4~5τ 时，放电电流衰减到可以忽略不计的程度，此时断电电位中的IR 降可以忽略不计。以图9 中电容放电为例，在阴极保护系统断电约2.3 s 后，电容放电对断电电位的测试影响才消除。由于R和C两个参数不便确定，因此难以通过计算公式确定电容放电的衰减时间。
在对连接有固态去耦合器排流装置的管道进行密间隔电位测试时，若不采取相应措施消除IR 降，将导致测试电位数据偏负，错误地判断阴极保护的有效性。
2.6 产品检测和使用寿命
目前固态去耦合器在第三方认证检验、现场安装后的性能检验方面存在着标准和规范的盲点。固态去耦合器的稳态交流电流导通性能、直流限流性能、交流阻抗以及对管道阴极保护的影响，在实验室、安装现场都能实施检测。但是其故障电流以及雷电的耐受能力只能在高压电力实验室采用专用设备进行测试，对于已经安装在管道工程现场并且经过多次雷电、浪涌冲击后的固态去耦合器，目前尚没有简便易行的方法对大电流冲击后的性能进行检测。
大电流冲击也涉及到固态去耦合器的使用寿命，国外对使用寿命的描述是：只要不是在短时间内连续冲击，固态去耦合器对于低于其额定值的故障电流或雷击电流的耐受次数几乎是无限的。目前，国内标准以及固态去耦合器产品自身均未明确使用寿命，对于已经安装的固态去耦合器，很难确认冲击电流是否在短时间内连续发生，也很难确认冲击固态去耦合器的故障电流和雷电电流都低于其额定值。因此，对于固态去耦合器的使用寿命很难做出确切的规定，有必要研究适用于现场的检测方法。
3 结论
管道接地是对交流感应干扰进行缓解的有效措施，在使用正电性材料接地或者外界存在直流杂散电流干扰时，可通过固态去耦合器阻断管道与接地间的直流通路。在固态去耦合器产品的选型指标、产品检验检测及现场安装等方面，亟需专业的技术规范指导：
（1）在设备选型时应对固态去耦合器产品的直流电流泄漏量严格要求，以避免交流干扰防护设施对管道阴极保护产生影响；固态去耦合器的某些重要技术指标，如交流阻抗，在设备选型中尚未获得足够重视；Fail-Safe 功能应作为固态去耦合器的强制指标要求。
（2）接地材料铜和锌用于交流干扰防护时的腐蚀寿命问题，尚待继续研究；对于已经采用铜作为接地材料的管道排流点，应加强对管道电位和固态去耦合器性能的检测、跟踪。
（3）产品性能的第三方检验、安装后的性能检验，尚待继续研究。
（4）用于绝缘装置的过电压防护时，存在安装导线过长的问题。目前国内管道业界在交流干扰防护方面的设计理念较为粗放。在进行故障电流以及电磁感应交流干扰防护时，排流点的数量及设计工程量远超过实际需求，既造成了工程投资的巨大浪费，又给管道后续的防腐层和阴极保护检测带来负面影响。
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