DE29515163U1 - Earth electrode - Google Patents
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Description
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BeschreibungDescription
ErdelektrodeEarth electrode
Die Erfindung bezieht sich auf eine Erdelektrode für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Obertragungs-Anlage zur Rückleitung eines Hochspannungsgleichstromes über die Erde, wobei diese Erdelektrode als stationäre, flächige Anode oder Kathode ausgeführt ist und mittels eines Elektrodenkabels mit einer Station der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlage verbunden ist.The invention relates to an earth electrode for a high-voltage direct current transmission system for returning a high-voltage direct current via the earth, whereby this earth electrode is designed as a stationary, flat anode or cathode and is connected to a station of the high-voltage direct current transmission system by means of an electrode cable.
Bei Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlagen oder anders ausgedrückt HGÜ-Anlagen über große Entfernungen wird beispielsweise die Erde als Rückleiter benutzt. Dadurch kann man einen Pol der Freileitung bzw. der Kabelverbindung einsparen und elektrische Verluste vermindern. Auch bei sogenanntem bipolaren Betrieb werden Elektroden verwendet, damit auch bei Ausfall einer Leitung eine Energieübertragung möglieh ist. Selbstverständlich werden dabei in beiden HGÜ-Stationen Erdelektroden benötigt.In high-voltage direct current transmission systems or, in other words, HVDC systems over long distances, the earth is used as a return conductor. This means that one pole of the overhead line or cable connection can be saved and electrical losses reduced. Electrodes are also used in so-called bipolar operation so that energy can be transmitted even if one line fails. Of course, earth electrodes are required in both HVDC stations.
Bekannt ist beispielsweise, bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung über das Meer die Erdelektroden im SaIzwasser anzuordnen und im wesentlichen das Meer selbst als Rückleiter zu benutzen. Ferner ist bekannt, Erdelektroden im Erdboden zu verlegen. Dies geschieht im Regelfall dadurch, daß auf einer großen Fläche die Erdelektrode verlegt wird. Die Ankopplung der Elektrode an den Erdboden wird dabei z.B.For example, it is known that in high-voltage direct current transmission over the sea, the earth electrodes can be placed in salt water and the sea itself can essentially be used as a return conductor. It is also known that earth electrodes can be laid in the ground. This is usually done by laying the earth electrode over a large area. The electrode is connected to the ground using, for example, a wire.
durch ein Koksbett bewirkt, in welches die Erdelektrode eingelegt wird.by a bed of coke into which the earth electrode is placed.
Erdelektroden sind an sich bekannt. Man unterteilt die Erdelektroden in sogenannte Tiefen- und Oberflächenelektroden. Dies Tiefenerder, wie sie auch genannt werden, haben den Vor-Earth electrodes are well known. Earth electrodes are divided into so-called deep and surface electrodes. These deep earth electrodes, as they are also called, have the advantage
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teil, daß sie den Erdstrom sofort in tiefere Erdschichten ab-part that they immediately transfer the earth current into deeper layers of the earth.
i_ leiten und somit gefährliche Schrittspannungen sowie die Gefahr der elektrolytischen Korrosion an benachbarten metallischen Installationen im Erdboden wenn nicht gänzlich vermeiden, so doch gegenüber dem Oberflächenerder erheblich herabsetzen. Allerdings erfordern solche Tiefenerder einen erheblichen Aufwand an Schachtarbeiten. Die Oberflächenerder sind normalerweise sternförmig ausgebildet, wobei von einem mittleren Zuführungspunkt 4 oder 6 oder auch 8 Elektrodenteile radial weggehen. Sowohl die bekannten Tiefenerder als auch die bekannten Oberflächenerder besitzen einen Metalleiter, welcher von einem Koksleiter umgeben ist. Bei allen diesen Leitern ist nun wichtig, daß sie immer unterhalb des Grundwasserspiegels angeordnet sind, da im Falle eines Stromflusses das den Erder umgebende Wasser verdunstet oder durch Elektroosmose verdrängt wird und durch weiteres Wasser immer wieder ersetzt werden muß. Wenn nun eine solche Erdelektrode austrocknet, ist sie nicht mehr zu verwenden, wobei eine Sanierung einer solchen Elektrode ebenfalls nicht mehr möglich. i_ and thus dangerous step voltages and the risk of electrolytic corrosion on neighboring metal installations in the ground, if not completely avoided, then at least significantly reduced compared to surface earthing. However, such deep earthing electrodes require a considerable amount of excavation work. Surface earthing electrodes are normally star-shaped, with 4 or 6 or even 8 electrode sections extending radially from a central feed point. Both the known deep earthing electrodes and the known surface earthing electrodes have a metal conductor which is surrounded by a coke conductor. For all of these conductors, it is important that they are always located below the groundwater level, since in the event of a current flow, the water surrounding the earthing electrode evaporates or is displaced by electroosmosis and must be constantly replaced with more water. If such an earthing electrode dries out, it can no longer be used, and it is also no longer possible to renovate such an electrode.
Befinden sich die HGÜ-Stationen nahe am Meer, können ohne weiteres See-Elektroden verwendet werden. Mittels zweier See-Elektroden (Anode und Kathode) und des Meerwassers erfolgt die Rückleitung eines Hochspannungsgleichstromes einer HGÜ-Anlage, die ein Seekabel als Gleichstromverbindung aufweist, über das Meer. Die See-Elektroden sind an jeder Meeresküste am Meeresboden montiert. Eine derartige See-Elektrode ist aus der EP 0 417 155 Bl bekannt und weist mindestens eine Schicht aus einem flexiblen, elektrisch leitenden Material auf, die 0 zwischen zwei Schutzschichten aus flexiblem, mechanisch widerstandsfähigen Material eingeschlossen ist, wobei eine Schutzschicht Öffnungen aufweist, die quer über ihre Oberfläche verteilt sind und durch die das Meerwasser in Kontakt mit der Schicht kommt. Diese elektrisch leitende Schicht kann die Form eines dünnen, perforierten Metallblechs, einesIf the HVDC stations are located close to the sea, sea electrodes can be used without any problem. By means of two sea electrodes (anode and cathode) and the sea water, a high-voltage direct current from an HVDC system, which has a sea cable as a direct current connection, is returned across the sea. The sea electrodes are mounted on the seabed on every sea coast. Such a sea electrode is known from EP 0 417 155 B1 and has at least one layer of a flexible, electrically conductive material, which is enclosed between two protective layers of flexible, mechanically resistant material, one protective layer having openings distributed across its surface through which the sea water comes into contact with the layer. This electrically conductive layer can be in the form of a thin, perforated metal sheet, a
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Streckmetallblechs oder eines Drahtgeflechts haben. Wesent-expanded metal sheet or wire mesh. Essential
K lieh ist jedoch, daß die Schicht Öffnungen aufweist, derart, daß das umgebende Meerwasser bei installierter Elektrode frei durch die Schicht hindurchfließen kann. Um eine größere FIexibilität zu erreichen, können mehrere Schichten anstelle einer Schicht verwendet werden. Geeignete Materialien,für diese Schicht sind beispielsweise Titan, Titanlegierungen und beschichtetes Titan, wobei die Beschichtung so beschaffen ist, daß Elektrode sowohl als Anode als auch als Kathode dienen kann, wie auch bei niedrigen Temperaturen und geringem Salzgehalt. Beschichtetes Titangeflecht, das im Handel erhältlich ist, ist ebenfalls gut verwendbar. Ein Vorteil der Verwendung von Geflechtstrukturen ist, daß die (projezierte Oberfläche) vergrößert und folglich Kontraktionsverluste vermindert werden. Die Schutzschichten haben jeweils eine projizierte Oberfläche, die im wesentlichen ebenso groß ist wie die der elektrisch leitenden Schicht und diese Schutzschichten sind so angelegt, daß sie die leitende Schicht sowohl beim Transport der Elektrode als auch bei ihrer Befestigung und im Gebrauch gegen mechanische Beschädigung schützen. Diese Schutzschichten haben die Form einer durchgehenden Matte mit oder ohne Öffnungen.It is, however, common for the layer to have openings such that the surrounding sea water can flow freely through the layer when the electrode is installed. To achieve greater flexibility, several layers can be used instead of one layer. Suitable materials for this layer are, for example, titanium, titanium alloys and coated titanium, the coating being such that the electrode can serve both as anode and as cathode, even at low temperatures and low salinity. Coated titanium mesh, which is commercially available, is also very useful. An advantage of using mesh structures is that the (projected surface area) is increased and thus contraction losses are reduced. The protective layers each have a projected surface area which is essentially as large as that of the electrically conductive layer and these protective layers are designed to protect the conductive layer against mechanical damage during transport of the electrode as well as during its attachment and in use. These protective layers are in the form of a continuous mat with or without openings.
Da sowohl die elektrisch leitende Schicht als auch die Schutzschichten flexibel sind, kann die Elektrode im zusammengerollten Zustand gelagert und transportiert werden, was ihre Handhabung erleichtert, besonders da die projizierte Oberfläche außerordentlich groß sein und bis zu einigen tausend nft2 betragen kann. Die Konstruktion hat auch zur Folge, 0 daß die Elektrode verhältnismäßig leicht durch Abrollen auf den Meeresboden verlegt werden kann. Die Flexibilität der Elektrode gestattet auch, daß sie sich den Konturen des Meeresbodens weitgehend anpaßt. Aus praktischen Gründen kann die Elektrode auch aus Baueinheiten hergestellt werden, die aus-Since both the electrically conductive layer and the protective layers are flexible, the electrode can be stored and transported in a rolled-up state, which makes it easier to handle, especially since the projected surface area can be extremely large, up to several thousand nft2. The design also means that the electrode can be laid on the seabed relatively easily by rolling it. The flexibility of the electrode also allows it to conform to the contours of the seabed to a large extent. For practical reasons, the electrode can also be made from units consisting of-
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gelegt und miteinander zu mehrteiligen Baugruben verbunden werden.and connected to each other to form multi-part excavations.
See-Elektroden (Kathode aus Kupfer oder Anode aus Titan) können im Meer aus Korrosionsgründen an anderen Kabeln und Pipelines sowie aus Umweltschutzgründen nur mit geringer Oberflächenstromdxchte betrieben werden (ca. 0,5 mA/cm2), obwohl das Elektrodenmaterial wesentlich höhere Stromdichten (ca. 7OmA /cm2) zulassen würde. Außerdem ist ein mechanischer Schutz der Elektrode ebenfalls notwendig.Sea electrodes (copper cathode or titanium anode) can only be operated at sea with low surface current densities (approx. 0.5 mA/cm 2 ) due to corrosion of other cables and pipelines and for environmental reasons, although the electrode material would allow much higher current densities (approx. 70 mA /cm 2 ). Mechanical protection of the electrode is also necessary.
Bei an der Erdoberfläche angeordneten Elektroden ist nachteilig, daß der Strom zwischen den Elektroden der Übertragungsstrecke zumindest in der Nähe der Elektrode an der Erdoberfläche verläuft. Dabei besteht die Gefahr, daß der Strom auf der Suche nach dem Weg des geringsten Widerstandes sich an anderweitig verlegte elektrische leitende Langkörper ankoppelt. Beispiele derartiger Langkörper sind Pipelines und Telefonkabel. Im ersten Fall besteht im Extremfall eine erhöhte 0 Brandgefahr bei einem Pipelinedefekt, im zweiten Fall die Gefahr von Störungen bei der Signalübertragung über das Telefonkabel . Ferner können in elektrischen Anlagen aufgrund der üblichen Sternpunkterdung von Transformatoren Störströme auftreten. Dies gilt auch für das Erdungsnetz der Gesamtstation. Auch können die obenstehend erwähnten Langkörper und Erdungsnet &zgr; /Transformatoren im Laufe der Zeit elektrochemisch zersetzt bzw. korrodiert werden.The disadvantage of electrodes arranged on the earth's surface is that the current flows between the electrodes of the transmission line at least close to the electrode on the earth's surface. There is a risk that the current, in its search for the path of least resistance, will couple itself to electrically conductive long bodies laid elsewhere. Examples of such long bodies are pipelines and telephone cables. In the first case, there is an increased risk of fire in the event of a pipeline defect, in the second case there is a risk of interference during signal transmission via the telephone cable. Furthermore, interference currents can occur in electrical systems due to the usual star point earthing of transformers. This also applies to the earthing network of the entire station. The long bodies and earthing networks/transformers mentioned above can also be electrochemically decomposed or corroded over time.
Die Verwendung von Tiefenerdern erfordert einen erheblichen 0 Aufwand von Schachtarbeiten. Außerdem muß dieser Erder unterhalb des Grundwasserspiegels angeordnet werden, damit verdunstetes oder durch Elektroosmose verdrängtes Wasser wieder ersetzt werden kann. Durch die Belastung mit stärkerem Gleichstrom muß bei der Konstruktion solcher Tiefenerder darauf Rücksicht genommen werden, daß in erheblichem Maße elektroly-The use of deep earthing rods requires a considerable amount of 0 excavation work. In addition, this earthing rod must be placed below the groundwater level so that water that has evaporated or been displaced by electro-osmosis can be replaced. Due to the load of strong direct current, it must be taken into account when designing such deep earthing rods that a considerable amount of electrolytic
tische Zersetzung auftritt. Dies wirkt sich einmal dahin aus, daß die entstehenden gasförmigen oder festen Zersetzungsprodukte abgeführt werden müssen, da sie sonst den Erdungswiderstand in kurzer Zeit zur stark erhöhen würden. Zum anderen tritt aber, wenn die Erdungselektrode anodisch ist, ein ständiger Materialverlust an dieser Elektrode auf. Aus der DE 901 185 Cl ist eine Ausführungsform einer Erdungselektrode bekannt, die leicht und mit geringen Kosten wieder erneuert werden kann.matic decomposition occurs. This has the effect that the resulting gaseous or solid decomposition products must be removed, otherwise they would increase the earth resistance significantly in a short time. On the other hand, if the earth electrode is anodic, there is a constant loss of material at this electrode. DE 901 185 Cl describes a design of an earth electrode that can be easily and inexpensively replaced.
Aus der DE 16 40 293 Al ist ein Verfahren zum Erden einer Erdungsanlage in schlecht leitendem Untergrund, insbesondere in Fels, bekannt. Bei diesem Erdungsverfahren wird der Erder in eine Wanne im schlecht leitenden Untergrund (Fels) angeordnet und mittels einer gut leitenden Schicht aus mindestens einem mindestens teilweise dissoziierten Elektrolyten verbunden. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit wird nicht nur ein einfacherer länglicher Leiter in der Bodenwanne verlegt, sondern entweder Bänder, Rahmen oder schlangenförmig gewundene Leiter als Erder verlegt. Zur Vermeidung von Korrosion wird der Erder mit einer korrosionsbeständigen Schutzschicht umgeben und/oder ein Elektrolyt gewählt, dessen Pjj-Wert (Säure-wert) gleich 7 ist und somit neutral reagiert. Durch dieses Erdungsverfahren läßt sich auf kleinstem Raum eine große leitende Fläche und eine gute leitende Verbindung zu einem schlecht leitenden Untergrund (Fels) herstellen.DE 16 40 293 A1 describes a method for earthing an earthing system in poorly conductive ground, particularly in rock. In this earthing method, the earth electrode is placed in a tray in the poorly conductive ground (rock) and connected by means of a highly conductive layer made of at least one at least partially dissociated electrolyte. To increase conductivity, not only is a simpler elongated conductor laid in the base tray, but either strips, frames or serpentine wound conductors are laid as earth electrodes. To avoid corrosion, the earth electrode is surrounded by a corrosion-resistant protective layer and/or an electrolyte is selected whose Pjj value (acid value) is equal to 7 and thus reacts neutrally. This earthing method makes it possible to create a large conductive surface and a good conductive connection to a poorly conductive ground (rock) in the smallest of spaces.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Erdelektrode anzugeben, der die aufgeführten Nachteile eines Tiefenerders und einer See-Elektrode nicht mehr aufweist.The invention is based on the object of specifying an earth electrode which no longer has the disadvantages of a deep earth electrode and a sea electrode.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die stationäre, flächige Anode oder Kathode in einer mit Wasser gefüllten Hülle oder in einem stillgelegten, wassergefüllten 5 Bergwerksschacht angeordnet ist. Durch die Verwendung vonThis object is achieved according to the invention in that the stationary, flat anode or cathode is arranged in a water-filled casing or in a disused, water-filled 5 mine shaft. By using
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natürlichen Höhlen bzw. Schluchten oder Bergwerksschächten werden bei der Erdelektrode im Gegensatz zum Tiefenerder die nicht unerheblichen Aufwendungen für die Schachtarbeiten gespart. Die Erdelektrode, die in bekannter Land- oder See-Elektrode ausgeführt ist, braucht nur im Inneren einer derartigen Höhle oder eines derartigen Bergwerksschachtes angeordnet werden. Gegenüber der bekannten Ausführungsform einer See-Elektrode braucht kein mechanischer Schutz vorgesehen werden. Da stillgelegte Bergwerke von selbst mit Wasser vollaufen, wenn sie nicht ständig leergepumpt werden, ergibt von selbst eine gute elektrische Ankopplung der Erdelektrode an den Erdboden.In natural caves or ravines or mine shafts, the earth electrode, in contrast to the deep earth electrode, saves the considerable costs of shaft work. The earth electrode, which is designed as a known land or sea electrode, only needs to be placed inside such a cave or mine shaft. In contrast to the known design of a sea electrode, no mechanical protection needs to be provided. Since disused mines fill up with water by themselves, if they are not constantly pumped out, a good electrical connection between the earth electrode and the ground is achieved automatically.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist als Bergwerksschacht ein Erz- bzw. Kohlebergwerksschacht vorgesehen. Durch die elektrischen Eigenschaften von Erz und Kohle wird die elektrische Ankopplung der Erdelektrode an den Erdboden noch wesentlich verbessert.In an advantageous embodiment, an ore or coal mine shaft is provided as the mine shaft. The electrical properties of ore and coal significantly improve the electrical coupling of the earth electrode to the ground.
Eine optimale Salinität des Wasser kann vorteilhafterweise durch Zugabe von Salz erreicht werden.An optimal salinity of the water can advantageously be achieved by adding salt.
Wie bei der eingangs beschriebenen bekannten See-Elektrode kann auch als stationäre Anode dieser Erdelektrode Standard-Elektroden verwendet werden, wobei diese Elektroden ein Drahtgeflecht bilden, das mehrere im Handel erhältliche Titandraht-Matten aufweist. Somit gestaltet sich die Verlegung der Erdelektrode besonders einfach, wobei der Transport dieser Erdelektrode keine besonderen Anforderungen stellt.As with the well-known sea electrode described at the beginning, standard electrodes can also be used as the stationary anode of this earth electrode, whereby these electrodes form a wire mesh that has several commercially available titanium wire mats. This makes laying the earth electrode particularly easy, and the transport of this earth electrode does not pose any special requirements.
Durch die Kombination der bekannten Ausführung einer See-Elektrode mit der Nutzung bergtechnischer Gegebenheiten für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung erhält man eine besonders preisgünstige und einfach aufgebaute Erdelektrode.By combining the well-known design of a sea electrode with the use of mining technology for high-voltage direct current transmission, a particularly inexpensive and simply constructed earth electrode is obtained.
Claims (8)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998019363A1 (en) * | 1996-10-28 | 1998-05-07 | Abb Power Systems Ab | Sea electrode for a high voltage direct current transmission system |
| US6245989B1 (en) | 1996-10-28 | 2001-06-12 | Arb Power Systems Ab | Land electrode for a high voltage direct current transmission system |
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1995
- 1995-09-21 DE DE29515163U patent/DE29515163U1/en not_active Expired - Lifetime
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| R207 | Utility model specification |
Effective date: 19960111 |
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| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 19990122 |
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| R157 | Lapse of ip right after 6 years |
Effective date: 20020501 |