1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29977
(51) C23F 13/02 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2014/0346.1
(22) 18.03.2014
(45) 15.06.2015, бюл. №6
(72) Брейдо Иосиф Вульфович; Каверин Владимир
Викторович; Войткевич Софья Валентиновна
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Карагандинский
государственный технический университет"
Министерства образования и науки Республики
Казахстан
(56) Патент РФ №2486289, 2013
(54) СИСТЕМА КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ
ЭЛЕМЕНТОВ ОПОР УЧАСТКОВ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
(57) Изобретение относится к области
электрохимической защиты подземных сооружений
от коррозии, применительно к элементам опор
участков высоковольтных линий электропередач,
находящихся под землей.
Система для катодной защиты элементов опор
участков высоковольтных линий электропередач,
содержит грозозозащитный трос с воздушными
ограничителями перенапряжений и состоит из
модулей, каждый модуль содержит выпрямитель,
выход которого подключен ко входу стабилизатора
постоянного напряжения и к первому входу блока
формирования импульсов, положительный выход
которого соединен с анодом, а отрицательный
выход подключен ко входу датчика тока катода,
первый выход которого подключен к катоду -
подземному защищаемому элементу опоры, а
второй выход - к первому входу регулятора тока
катода, второй вход которого подключен к выходу
стабилизатора постоянного напряжения, а третий
вход регулятора тока катода соединен с выходом
задатчика тока катода. В систему введены фильтр
низких частот, вход которого подключен к
грозозащитному тросу с воздушными
ограничителями перенапряжений, а выход соединен
с блоком гальванической развязки и ограничения
переменного напряжения, выход которого
подключен ко входу выпрямителя.
При этом фильтр низких частот выполнен в виде
L-C фильтра четвертого порядка, а блок
гальванической развязки и ограничения
переменного напряжения выполнен в виде
двухобмоточного трансформатора насыщения.
Кроме того, каждый модуль системы
устанавливается для каждой опоры, где требуется
реализовать электрохимическую защиту
металлических элементов конструкции опоры
воздушных линий электропередач, расположенных
под землёй.
Технический результат достигается тем, что
система обеспечивает снижение стоимости и
повышение стабильности электрохимической
защиты находящихся под землей элементов опор
участков воздушных высоковольтных линий
электропередач, а также снижение эксплутационных
затрат на потребление электроэнергии для питания
модулей катодных станций.
(19)KZ(13)A4(11)29977

2. 29977
2
Предполагаемое изобретение относится к
области электрохимической защиты подземных
сооружений от коррозии, применительно к
элементам опор участков высоковольтных линий
электропередач, находящихся под землей.
Известна модульная установка для катодной
защиты, содержащая источник питания, усилитель
мощности, датчик тока, датчик потенциала, причем
установка содержит набор идентичных модулей,
подключаемых автоматически в зависимости от
необходимой мощности, которая изменяется при
изменении условий эксплуатации. В установке
обеспечивается надежная и эффективная защита
подземных сооружений и экономия электроэнергии
(Патент РФ №2293139, 10.02.2007 C23F 13/04).
Недостатком модульной установки является
необходимость источника электроэнергии,
подключаемого к сети, для электропитания
устройства катодной защиты, поэтому устройство
неприменимо для защиты элементов опор участков
высоковольтных линий электропередач. Катодная
защита должна обеспечивать защиту элементов
каждой опоры, поэтому требуется проведение
дополнительных сетей электроснабжения вдоль
линий электропередач, размещаемых
преимущественно вне населённых пунктов. Однако
вдольтрассовые линии электропередач напряжением
6-10 кВ, используемые для питания катодных
станций, вследствие большой протяженности
высоковольтных линий, сложного профиля трасс и
сложных климатических условий обходятся очень
дорого, а в большинстве случаев это технически
неосуществимо.
Кроме того, электропитание катодной защиты
постоянным током приводит к ускоренному износу
анода.
Известно устройство защиты от коррозии
импульсным током металлических сооружений,
размещенных в токопроводящей среде, которое
содержит источник электроэнергии постоянного
тока, подсоединенный через импульсный усилитель
к защищаемому сооружению и к установленному в
токопроводящей среде на заданном расстоянии от
защищаемого сооружения заземляющему
устройству. Устройство также содержит
помещенные в токопроводящую среду электрод
измерения потенциала защищаемого сооружения и
электрод измерения потенциала поляризации,
соединенные со схемой формирования импульсов,
выход которой подсоединен к управляющему входу
импульсного усилителя. Устройство позволяет в
несколько раз снизить расход электроэнергии и
устранить развитие коррозии, увеличить
межремонтный интервал защищаемого сооружения
(Патент РФ №2223346, 10.02.2004 C23F 13/00).
Однако по причинам, изложенным выше, оно не
может быть применено для защиты элементов опор
участков высоковольтных линий электропередач из-
за невозможности организации электропитания
катодных станций для каждой опоры.
Известна также ветроэлектростанция для
катодной защиты трубопроводов, включающая
ветродвигатель, генератор, блок аккумуляторов и
электрическую систему преобразования тока, а
также блок формирования амплитуды импульсов
напряжения поляризации с переменной
длительностью нецелесообразно (Патент РФ
№2117184, 10.08.1998 F03D 9/00).
Наличие возобновляемого источника энергии на
основе ветроэлектростанции позволяет обеспечить
автономное электропитание катодных станций. В
тоже время, ветрогенераторы обладают
недостаточной стабильностью для электропитания
катодных станций опор, что обусловлено
нерегулярным поступлением электроэнергии от
ветрогенератора. Кроме того, ветрогенератор
является дорогостоящим устройством, и
применение ветрогенераторов для каждой опоры
экономически.
Наиболее близким по технической сущности
является устройство для катодной защиты с
автономным питанием.
Устройство содержит ветрогенератор, солнечную
батарею, развязывающие диоды, аккумулятор, блок
формирования амплитуды импульсов, блок
управления резервом со встроенным GSM-модемом
с выносной антенной, блокировку, протектор,
размыкатель, резистор, анодный заземлитель,
электрод сравнения.
В устройстве электропитание катодной защиты
осуществляется от ветрогенератора и (или) от
солнечной батареи, а также от аккумулятора. При
снижении напряжения питания ниже нормы
(отсутствие ветра, солнца и разряженных
аккумуляторах) происходит автоматическое
переключение на пассивную защиту от протектора с
передачей информации через GSM- модем.
Устройство позволяет повысить надежность
электрохимической защиты трубопровода (Патент
РФ №2486289, 27.06.2013 C23F 13/02).
Недостатком устройства является необходимость
использования предварительно заряженного
аккумулятора и двух нестабильных автономных
источников электропитания катодных станций, двух
типов защит: активной и пассивной, что снижает
эффективность защиты. С учетом необходимости
размещения катодных станций для каждой опоры
защищаемого участка такое техническое решение
нецелесообразно. Нецелесообразно оно также
экономически из-за высокой суммарной стоимости
аккумулятора, ветрогенератора и солнечной
батареи.
Задачей изобретения является устранение
вышеуказанных недостатков, а так же создание
такой системы, которая позволила бы получить
следующие технические результаты.
Техническим результатом предполагаемого
изобретения является создание стабильной
электрохимической защиты находящихся под
землей элементов опор участков высоковольтных
линий электропередач за счет электропитания на
основе наводимой в грозозащитном тросе
электродвижущей силы, возникающей при
транспортировке электроэнергии. Наиболее
уязвимым подземным элементом опоры,
находящимся под воздействием электрохимической

3. 29977
3
коррозии, является анкерный узел крепления опоры.
Так же результатом является снижение стоимости и
снижение эксплутационных затрат на потребление
электроэнергии для питания модулей катодных
станций.
Сущность изобретения заключается в том, что в
систему для катодной защиты элементов опор
участков высоковольтных линий электропередач,
содержащую грозозащитный трос с воздушными
ограничителями перенапряжений, и состоящую из
однотипных модулей, каждый модуль содержит
выпрямитель, выход которого подключен ко входу
стабилизатора постоянного напряжения и к первому
входу блока формирования импульсов,
положительный выход которого соединен с анодом,
а отрицательный выход подключен ко входу
датчика тока катода, первый выход которого
подключен к подземному защищаемому элементу
опоры - катоду, а второй выход - к первому входу
регулятора тока катода, второй вход которого
подключен к выходу стабилизатора постоянного
напряжения, а третий вход регулятора тока катода
соединен с выходом задатчика тока катода,
характеризующаяся тем, что согласно изобретению,
введены фильтр низких частот, вход которого
подключен к грозозащитному тросу с воздушными
ограничителями перенапряжений, а выход соединен
с блоком гальванической развязки и ограничения
переменного напряжения, выход которого
подключен ко входу выпрямителя.
При этом фильтр низких частот выполнен в виде
L-C фильтра четвертого порядка, а стабилизатор
переменного напряжения выполнен в виде
двухобмоточного трансформатора насыщения.
Кроме того, каждый модуль системы
устанавливается для каждой опоры защищаемого
участка высоковольтных линий электропередач.
Причинно-следственную связь между
существенными признаками и полученным
результатом можно охарактеризовать следующим
образом.
Совокупность существенных признаков
изобретения, содержащих фильтр низких частот,
подключенный к грозозащитному тросу с
воздушными ограничителями перенапряжений, и
блок гальванической развязки и ограничения
переменного напряжения, а также связи между
ними; выполнение фильтра низких частот в виде
L-C фильтра четвертого порядка, а блока
гальванической развязки и ограничения
переменного напряжения - в виде двухобмоточного
трансформатора насыщения и размещение каждого
модуля системы для каждой опоры защищаемого
участка высоковольтных линий электропередач,
обеспечивает достижение технической задачи по
созданию стабильной электрохимической защиты
находящихся под землей элементов опор участков
высоковольтных линий электропередач за счет
электропитания на основе наводимой в
грозозащитном тросе электродвижущей силы,
возникающей при транспортировке электроэнергии.
Совокупность изложенных существенных
признаков изобретения обеспечивает также
достижение заявленного технического результата:
снижение стоимости и повышение стабильности
электрохимической защиты находящихся под
землей элементов опор участков высоковольтных
линий электропередач и снижение эксплутационных
затрат на потребление электроэнергии для питания
модулей катодных станций.
Взаимодействие фильтра низких частот с
грозозащитным тросом, укомплектованным
воздушными ограничителями перенапряжений, и с
блоком гальванической развязки и ограничения
переменного напряжения, выполненным в виде
двухобмоточного трансформатора насыщения,
обеспечивает возможность электропитания каждого
модуля катодной защиты для каждой опоры
защищаемого участка высоковольтной линии
электропередач, ЭДС, наводимая в грозозащитном
тросе, относится к безвозвратным потерям энергии,
поэтому ее преобразование в активную
электроэнергию и использование для
электропитания катодной защиты не
сопровождается эксплутационными затратами на
потребление электроэнергии.
Тем самым обеспечивается причинно-
следственная связь между существенными
признаками и полученным результатом.
Представленные причинно-следственные связи
между существенными признаками заявляемого
изобретения и ожидаемым техническим результатом
не очевидны, не следуют явным образом из уровня
техники, что позволяет сделать вывод о
соответствии изобретения условию
патентоспособности «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная
применимость» подтверждено на примере
конкретного осуществления системы.
Сущность изобретения поясняется чертежами,
где на фиг.1 представлены условные изображения
составных частей заявляемой системы и условные
изображения защищаемого анкерного узла
крепления опоры - катода, а также грозозащитного
троса и воздушных ограничителей перенапряжений,
а на фиг.2 - элементы конструкции защищаемой
опоры высоковольтной линии электропередачи.
Позиции на фиг.2 соответствуют позициям на
фиг.1.
Система для катодной защиты элементов опор
участков высоковольтных линий электропередач
содержит грозозащитный трос 1 с воздушными
ограничителями перенапряжений 2 и состоит из
однотипных модулей 3. Каждый модуль содержит
выпрямитель 4, выход которого подключен ко входу
стабилизатора постоянного напряжения 5 и к
первому входу блока формирования импульсов 6,
положительный выход которого соединен с анодом
7, а отрицательный выход подключен ко входу
датчика тока катода 8, первый выход которого
подключен к подземному защищаемому элементу
опоры - катоду 9, а второй выход - к первому входу
регулятора тока катода 10, второй вход которого
подключен к выходу стабилизатора постоянного
напряжения 5, а третий вход регулятора тока катода
10 соединен с выходом задатчика тока катода 11, в

4. 29977
4
устройство введен фильтр низких частот 12, вход
которого подключен к грозозащитному тросу 1 с
воздушными ограничителями перенапряжений 2, а
выход соединен с блоком гальванической развязки и
ограничения переменного напряжения 13, выход
которого подключен ко входу выпрямителя 4.
Фильтр низких частот 12 выполнен в виде L-C
фильтра четвертого порядка, а блок гальванической
развязки и ограничения переменного напряжения 13
выполнен в виде двухобмоточного трансформатора
насыщения.
Каждый модуль системы 3 устанавливается для
каждой опоры защищаемого участка
высоковольтных линий электропередач.
Система работает следующим образом.
Электропитание каждой катодной станции,
входящей в состав однотипных модулей 3,
осуществляется по цепи грозозащитный трос 1 с
воздушными ограничителями перенапряжений 2 -
фильтр низких частот 12 - стабилизатор
переменного напряжения 13 - выпрямитель 4.
Фильтр низких частот 12 выделяет низкочастотную
составляющую наводимой в грозозащитном тросе
электродвижущей силы, частота которой равна
50 Гц, и защищает вход блока гальванической
развязки и ограничения переменного напряжения 13
от всплесков высокочастотных составляющих
большой амплитуды, вызванных грозовыми
разрядами и коммутационными процессами в цепи
нагрузки высоковольтной линии электропередач,
которые ограничиваются в грозозащитном тросе 1
воздушным ограничителем перенапряжений 2 до 40
кВ.
Так как грозозащитный трос на протяжении
всего участка высоковольтной линии
электропередач, подвешен на изоляторах и один его
конец заземлён, то величина наводимого
напряжения на нем будет увеличиваться с
увеличением расстояния от заземлённого конца. С
целью обеспечения гальванической развязки цепей,
гальванически связанных через фильтр низких
частот 12 с электрической цепью грозозащитного
троса 1, а также для ограничения переменного
напряжения питания для каждого модуля 3 на
выходе фильтра низких частот 12 установлен блок
гальванической развязки и ограничения
переменного напряжения 13, выполненный на базе
двухобмоточного трансформатора насыщения.
Использование режима насыщения позволяет
обеспечить гальваническую развязку и ограничение
амплитуды переменного напряжения для модулей 3
системы катодной защиты опор, расположенных
ближе к началу незаземленного конца
грозозащитного троса 1. Для модулей 3 системы
катодной защиты опор, расположенных ближе к
заземлённому концу грозозащитного троса,
амплитуда переменного напряжения уменьшается и
обеспечивается только гальваническая развязка.
Выходной сигнал блока гальванической
развязки и ограничения переменного напряжения 13
выпрямляется в двухполупериодном выпрямителе 4.
Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителя 4
поступает на стабилизатор постоянного напряжения
5 и блок формирования импульсов 6.
Стабилизатор постоянного напряжения 5
обеспечивает стабилизацию напряжения питания
регулятора тока катода 10, на входе которого по
сигналам задатчика тока катода 11 и датчика тока
катода 8 формируется разностный сигнал. В
функции этого разностного сигнала регулятором
тока катода 10 вычисляется сигнал управляющего
воздействия поступающего на вход блока
формирования импульсов 6, обеспечивающего
стабилизацию среднего значения тока катода 9.
Величина среднего значения тока катода 9
определяется величиной сигнала задания,
формируемого задатчиком тока катода 11. Выходы
блока формирования импульсов 6 с положительным
и отрицательным потенциалом подключаются к
аноду 7 и к катоду, который является защищаемым
элементом опоры 9, расположенным под землей -
через датчик тока катода 8 соответственно. Таким
образом, обеспечивается катодная защита анкерного
узла, наиболее уязвимого подземного элемента
опоры, находящегося под воздействием
электрохимической коррозии.
Фильтр низких частот 12 выполнен в виде L-C
фильтра четвертого порядка, представляющего
собой последовательное соединение 2-х фильтров
низких частот 2 -го порядка для выделения сигнала
промышленной частоты 50 Гц с подавлением
высокочастотного сигнала 80 децибел на декаду, что
дает его подавление в 10000 раз при увеличении его
частоты в 10 раз. С учетом того, что частота
высокочастотного сигнала наведенного в
протяженном грозотросе грозового разряда
составляет мегагерцы, а его амплитуда воздушными
ограничителями перенапряжения ограничивается до
40 кВ и подавляется до приемлемого уровня, то при
этом защищается вход блока гальванической
развязки и ограничения переменного напряжения
13.
Площадь защищаемого расположенного под
землёй анкерного узла - элемента конструкции
опоры ПБ 500-800 воздушной высоковольтной
линии электропередач с напряжением токоведущих
элементов 500 кВ (ВЛЭП - 500кВ), не превышает
0,2м2
. В связи с этим мощность управляемого
источника постоянного тока не должна превышать
5Вт. Поэтому для обеспечения питания каждого
модуля системы катодной защиты достаточно
электроэнергии, наведённой в грозозащитном тросе.
Измерения, выполненные на грозозащитном тросе
воздушной высоковольтной линии электропередач с
напряжением токоведущих элементов 500 кВ,
показали, что амплитуда наведенного напряжения
достигает 400 В при токе короткого замыкания 2 А.
Выходная цепь блока гальванической развязки и
ограничения переменного напряжения 13 имеет
гальваническую развязку, что позволяет
использовать стандартную двухполупериодную
схему для выпрямителя 4. Стабилизатор
постоянного напряжения 5 может быть выполнен по
любой типовой схеме стабилизатора, например с

5. 29977
5
последовательным или параллельным
регулирующим элементом.
Блок формирования импульсов 6 может быть
выполнен по любой типовой аналоговой или
цифровой схеме широтно-импульсного модулятора
(ШИМ), генерирующего ШИМ-сигнал в функции
управляющего напряжения, поступающего с выхода
регулятора тока катода 10 и обеспечивающего
управление средним значением напряжения на
нагрузке путём изменения скважности импульсов.
Датчик тока катода 8 может быть выполнен по
любой типовой схеме, например в виде шунта с
высокочастотной гальванической развязкой.
Регулятор тока катода 10 может быть выполнен
по любой типовой схеме, например на основе
операционных усилителей или цифровой схемы.
Задатчик тока катода 11 может быть выполнен
по любой типовой схеме, например на основе
потенциометра или сельсин - задатчика или
реверсивного счетчика.
Подземный защищаемый элемент опоры катод 9
- это анкерный узел крепления.
Анод 7 может быть выполнен, например, на
основе стального цилиндра.
Воздушные ограничители перенапряжений 2
могут иметь любую типовую конструкцию.
Результат заключается в снижении стоимости и
повышении стабильности электрохимической
защиты находящихся под землей элементов опор
участков высоковольтных линий электропередач, а
также в снижении эксплутационных затрат на
потребление электроэнергии для питания модулей
катодных станций.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Система катодной защиты элементов опор
участков высоковольтных линий электропередач,
содержащая грозозащитный трос с воздушными
ограничителями перенапряжений и состоящее из
модулей, установленных для каждой опоры
защищаемого участка, каждый модуль которой
содержит выпрямитель, выход которого подключен
ко входу стабилизатора постоянного напряжения и к
первому входу блока формирования импульсов,
положительный выход которого соединен с анодом,
а отрицательный выход подключен ко входу
датчика тока катода, первый выход которого
подключен к катоду, являющемуся подземным
защищаемым элементом опоры, а второй выход - к
первому входу регулятора тока катода, второй вход
которого подключен к выходу стабилизатора
постоянного напряжения, а третий вход регулятора
тока катода соединен с выходом задатчика тока
катода, отличающаяся тем, что в нее введен
фильтр низких частот, вход которого подключен к
грозозащитному тросу с воздушными
ограничителями перенапряжений, а выход соединен
с блоком гальванической развязки и ограничения
переменного напряжения, выход которого
подключен ко входу выпрямителя, при этом фильтр
низких частот выполнен в виде L-C фильтра
четвертого порядка, а блок гальванической развязки
и ограничения переменного напряжения выполнен в
виде двухобмоточного трансформатора насыщения.

6. 29977
6
Верстка Н.Киселева
Корректор К.Нгметжанова