管道的强制电流法阴极保护主要由外加直流电源和辅助阳极接地床构成。基典型系统如图10-32所示。
 

图10-32 管道的强制电流阴极保护系统
1—整流器 2—连接头 3—阳极电缆 4—交流输入 5—焦炭　6—辅助阳极 7—参比电极 8—管道 9—接电压表阴极

一、强制电流保护的设备与装置

　　强制电流保护的设备与附属装置，如图10-33所示。它包括直流电源、辅助阳级、绝缘法兰、测试桩和检查片。
 

图10-33 管道阴极保护示意
1—流电源 2—整流器 3—阳极 4—被保护管线　5—绝缘法兰 6—测试桩 7—检查片

　　(一)电源设备
　　阴极保护系统中，需要稳定的直流电源，能保证长期持久的供电。阴极保护电源是阴极保护的重要设施，低电压、大电流是其特点。一般情况下应优先考虑市电，或各类站、场稳定可靠的交流电源。当使用农用电时，必须装有备用电源或不间断供电的专门设备。
　　对于无市电地区，强制电流阴极保护电源还可以选择太阳能电池、高容量蓄电池、无人管理的密闭循环发电机组等。这些电源设备都应具备；输出电压、电流可调；可长期连续供电，可靠性高；寿命长；易于维修保养；对环境适应性强；具有过载、防雷、故障保护装置。
　　1.整流器的类型 整流器是一种将交流电转变为直流电的装置。它结构简单，易于安装，无转动元件，操作维护都方便。
　　自然空冷式整流器元件的选择取决于所需性能及周围温度和天气的影响。目前常用的整流元件特性如表10-52所示。
 

　　硒整流器仅允许有相当低的电流，因此所需空间大，仍经常在阴极保护装置里使用是因为它经得住足够的工作温度，对过载和过压不敏感。在交流线路里快速熔断保险丝和直流输出端的慢速熔断丝足以应付过载情况。
　　锗整流元件不能用于阴极保护，因为它只能制成低功率的二极管。有时，将二极管装在杂散电流导体上以切断反向电流，但很明显，在过载时易在两个方向上导通。
　　硅整流元件是阴极保护整流设备中最常用的。它具有很高的电流容量和整流电压，所需空间很小。现行的硅二极管均为封闭式的，因此不受外界气候的影响。但是，硅二极管对超压和过载很敏感，应在变压器和整流元件之间串入特快熔断器，并在输出端提供过载保护。在正常的气候条件下和低环境温度下，硅整器和低效率的硒整流器一样经济。
　　2.恒电流式整流器 杂散电流保护用整流器为磁饱和电抗器或可控硅整流器，电流排放时不受外部电阻或反向电压的支配。带有限流或滤波的整流器有一个增大的内部阻抗，像一个恒电流稳流器。这种整流器特别适用于强制排除覆盖层相当差的管线的杂散电流，这种管线的管一地电位通常与排出的电流成比例。安装恒电流保护装置时，管—地电位即使出现相当小的波动，也应予以考虑。
　　恒电流控制的整流器有时用于敷设在正向电车轨道下面的管道的阴极保护。一般应当将杂散电流朝自然流向排流，即最后在铁轨交叉点的两边若干千米远处实现强制电流阴极保护。
　　3.恒是位式整流器 管一地电位，特别是良好覆盖层管线的管一地电位，在下流电电气铁道影响范围内经常波动很大。因此，非可控保护装置的平均管一地电位，必须大幅度减少，以便杂散电流高时维持一个适当的保护电位。过负的管一地电全不仅增加电功损耗，而且还对其他管线产生不利影响。电化学试验长期使用恒电位法来保持电极电位的恒定。同样，能够用磁放大器或控制整流器的闸流管来控制管线和参比电极之间的电侠。用专门设计的参比电极作为埋地装置的控制电极。例如自然电位比较稳定的金属铁、铜、锌或镁。如果可能，控制电极应安装于管一地电位最不利的地方(如铁路交叉点)，并靠近管道，以便在测量结果中包括的土壤电位降最小。
　　图10-34是磁放大恒电位控制器的基本电路。整流器中的电压表是用以调整管线给定电位的。实际测得的管一地电位的电压与这个参比电压相比得一电压差，此电压差通过磁饱和电抗器控制整流器变压器的输出。如果管一地电位从参比值向正向偏移，则保护电流增加；若向负向偏移，则保护电流减少。几个并联运行的装置的响应时间必须可调，以避免感应振荡。当管一地电位恒定时，在铁轨电位极负时则经常产生很高的电流峰值。因此，控制装置的整流板通常要做成能通过相当于变压器电流两倍的电流。
 

图10-34 可控电位整流器的排流方框图
1—交流电源 2—磁饱和输入 3—参与电极　4—磁饱和输出 5—整流输出 6—轨道或阳极 7—管道

　　 4．可控硅恒电位仪 阴极保护过程中。金属管道的一地是位往往因各种因素而变化。如供电电网的电压波动、气候的变化、管道防腐层的老化变质、杂散电流的干扰、土壤含水量的变化等，均可使管道的电位发生波动。
　　为维持管道电位永远处于一最佳的电位范围内，就需经常调节供电电源的电位与输出电流，使管道电位恒定在一规定的范围内。这就需要采用恒电位仪自动控制。
　　恒电位仪可在无人值守的情况下自动调节电流和电压，使管道阴极保护通电点电位恒定在控制电位内，达到最佳保护效果。
　　(1)原理可控硅恒电位仪利用可控硅整流器作电源，自动改变电解中被控制对象的电流密度，使其处于某一最佳控制电位。其基本原理如图10-35所示。
图10-35 恒电位仪的方框原理
1—参比电极 2—研究电极 3—辅助电极
　　当外界条件(介质成分、温度、湿度等)发生变化时，引起研究电极电位的偏移(即管道的电位)，此偏移可由参比电极取值经与控制基准电位在比较器比较，输出一个不平衡信号给放大器，经放大后输入调整器，调节极化电流的大小，从而使研究电极恢复到所控制的电位值，做到电位恒定。
　　恒电位仪在室内工作，目前我国在长输管道上已实现微机管理。全部做到自动化。
　　(2)恒电位仪的性能指标
　　给定是位连续可调：-0．5V～一2．0V。
　　电位控制精度：≤±20mV。
　　绝缘电阻(电源进线对地)：>100MΩ。
　　输入阻抗：≥1MΩ。
　　抗交流干扰能力：≥12V。
　　耐电压：≥750V(电源线对机壳)。
　　负载波纹系数：单相≤5％；
　　　　　　　　　三相≤8％。
　　(3)恒电位仪性能 目前，在长输管道中所使用的KSW-D微机管理恒电位仪性能。它能满足上述恒电位仪基本性能要求。
　　微机管理部分有百年日历、时钟、定时和间隔打印，正常保护打印，故障打印，恒电位仪关机打印和自动切换备用机等。
　　打印内容有时期、时间、输出电压U₀、输出电流I₀、控制电位C、保护电位φ、正常时间累计∑、故障时间累计∑_E、故障标志E_ERR和机名。
　　(二)其他形式电源
　　在交流电缺乏的边远地区，可利用的电源种类很多，如风力发电机、太阳能电池、闭路循环蒸汽涡轮机、热电发生器、蓄电池等，它们统称为第二电源。其中，太阳能电池和闭路循环蒸汽涡轮机可靠性较好，寿命均可达20年以上，费用也很经济。
　　1.硅太阳能电池 太阳能电池是利用半导体器件的光电转换原理，将光能转变为电能的一种装置。可以产生太阳能电池的半导体的材料有单晶硅、硫化镉、砷化镓等，其中，硅薄膜电池的工艺较为成熟。
　　地面阴极保护用的太阳能为P-N型硅太阳能电池。电池在热平衡状态下，当光线照射在半导体换能器P-N结上时，在负载上就有电流流过，直接把光能转换成电能。硅太阳能电池的转换效率一般为8％～12％，最高可达15%。太阳能电池在光电转换中不发生化学反应。本身物质不消耗，无污梁，无噪声、性能可靠，适用温度范围宽(-60～120℃)，在国外应用较多。
　　硅太阳能电池可串联、并联组成电池组。常称为硅太阳能电池方阵。它适用于恶劣环境，如高温或低温、潮湿、盐雾地区。其优点是重量轻、使用方便、可靠性高，耐冲击和震动、寿命长，但价格较贵。
图10-36是硅太阳能电池电源阴极保护结构的原理图。
　　2．直流发电机组 直流发电机能提供无脉动的电力，其输出电压可精确调节和控制。其低电压、大电流的输出特性更适合于作阴极保护用电源。
　　3．热电发生器 热电发生器原理与一般热电偶相同。它是利用两种不同金属在连接点上加热，产生温差电势、输出电流的电源装置。提高连接点一侧的温差材料的温度，另一端由于散热片的作用，温度低，这就存在着温差电势，接上负载后就有电流输出。
　　常用的温差半导体材料有碲化铅等。实际使用中，由于用一对温差材料发电功率太小，通常使用多对温差材料并联起来。组成大功率的热电发生器。
　　热电发生器利用油、气管道本身输送的介质作为燃料，使温差材料发电。因而适用于无电或经常停电的阴极保护站。国内生产的热电发生器功率可达100W，使用寿命达2年，但价格较贵。