DE4443745A1 - Erdelektrode - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Erdelektrode zur Rückleitung des Stromes bei einer Hochspannungs-Gleichstrom­ übertragung.

Bei Hochspannungs-Gleichstromübertragungen über große Entfer­ nungen wird üblicherweise die Erde als Rückleiter benutzt. Dadurch kann man einen Pol der Freileitung bzw. der Kabelver­ bindung einsparen und elektrische Verluste vermindern.

Auch bei sogenanntem bipolarem Betrieb werden Erdelektroden ver­ wendet, damit auch bei Ausfall einer Leitung eine Energie­ übertragung möglich ist. Selbstverständlich werden dabei in beiden HGÜ-Stationen Erdelektroden benötigt.

Bekannt ist beispielsweise, bei der Hochspannungs-Gleich­ stromübertragung über das Meer die Erdelektroden im Salzwas­ ser anzuordnen und im wesentlichen das Meer selbst als Rück­ leiter zu nutzen. Ferner ist bekannt, Erdelektroden im Erdbo­ den zu verlegen. Dies geschieht im Regelfall dadurch, daß auf einer großen Fläche die Erdelektrode verlegt wird. Die An­ kopplung der Elektrode an den Erdboden wird dabei z. B. durch ein Koksbett bewirkt, in welches die Erdelektrode eingelegt wird.

Im Meer angeordnete Elektroden sind insofern nachteilig, als durch die elektrochemischen Vorgänge an den Elektroden Chlor­ gas sowie Hydroxydionen, beides schädliche, aggressive Sub­ stanzen, entstehen können. Bei an der Erdoberfläche angeord­ neten Elektroden ist nachteilig, daß der Strom zwischen den Erdelektroden der Übertragungsstrecke zumindest in der Nähe der Erdelektroden an der Erdoberfläche verläuft. Dabei be­ steht die Gefahr, daß der Strom "auf der Suche nach dem Weg des geringsten Widerstandes" sich an anderweitig verlegte elektrisch leitende Langkörper ankoppelt. Beispiele derarti­ ger Langkörper sind Pipelines und Telefonkabel. Im ersten Fall besteht im Extremfall eine erhöhte Brandgefahr bei einem Pipelinedefekt, im zweiten Fall die Gefahr von Störungen bei der Signalübertragung über das Telefonkabel. Ferner können in elektrischen Anlagen auf Grund der üblichen Sternpunkterdung von Transformatoren Störströme auftreten. Dies gilt auch für das Erdungsnetz der Gesamtstation. Auch können die obensteh­ end erwähnten Langkörper und Erdungsnetz/Transformatoren etc. im Laufe der Zeit elektrochemisch zersetzt bzw. korrodiert werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Erdelektrode zur Verfügung zu stellen, bei der die obenge­ nannten Nachteile vermieden werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Erdelektrode in ei­ nem Bohrloch weit unterhalb der Erdoberfläche angeordnet ist.

Auf Grund der Anordnung weit unterhalb der Erdoberfläche ist dabei insbesondere sichergestellt, daß die Ströme hauptsäch­ lich im Erdboden - im Gegensatz zur Erdoberfläche - fließen.

Vorzugsweise ist die Erdelektrode rohrförmig ausgebildet und aus einzelnen, untereinander angeordneten, elektrisch und me­ chanisch miteinander verbundenen Segmenten zusammengesetzt. Dadurch wird die Montage der Erdelektrode erheblich verein­ facht. Darüber hinaus ist die Erdelektrode auch wieder demon­ tierbar.

Wenn die Elektrode in oberflächennahen Erdschichten sowie in Bodenschichten schlechter Leitfähigkeit elektrisch isolierend sowie in oberflächenfernen Bodenschichten guter Leitfähigkeit elektrisch leitend beschichtet ist (z. B. mit Graphit), ist besonders sicher gewährleistet, daß der Strom zumindest in der Nähe der Erdelektrode nicht an der Erdoberfläche fließt.

Wenn das Bohrloch mechanisch stabilisierend, z. B. mit einem Hüllrohr, ausgekleidet ist, erhöht sich die Betriebssicher­ heit der Erdelektrode. Vorzugsweise wirkt die Auskleidung elektrisch isolierend und ist zumindest teilweise, nämlich in dem Bereich, in dem die Elektrode elektrisch leitend be­ schichtet ist, perforiert.

Wenn die Erdelektrode einen kleineren Querschnitt als das Bohrloch aufweist und der Zwischenraum zwischen Erdelektrode und Bohrloch mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit ge­ füllt ist, ist die Erdelektrode besonders gut an die sie um­ gebende Bodenschicht angekoppelt.

Wenn die Erdelektrode als Hohlrohr ausgebildet ist und unten offen ist und ferner das untere Ende des Hohlrohrs zum Boden des Bohrlochs beabstandet ist, kann mittels einer Pumpe eine elektrisch leitende Flüssigkeit im Bohrloch umgewälzt werden. Dadurch ist es möglich, die Erdelektrode kontinuierlich zu kühlen und andererseits die gute elektrische Ankopplung der Erdelektrode an die elektrisch leitende Bodenschicht noch weiter zu verbessern.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, anhand der Zeichnung sowie in Verbindung mit den weiteren Unteransprü­ chen.

Dabei zeigen

Fig. 1 und 2 je eine Erdelektrode gemäß der vorliegenden Er­ findung.

Gemäß Fig. 1 ist die Erdelektrode 1 rohrförmig ausgebildet und in einem Bohrloch 2 angeordnet. Die Erdelektrode 1 besteht dabei aus einzelnen Segmenten 1′. Jedes Segment 1 hat eine Länge von z. B. 20 bis 40 m. Die Segmente 1′ sind im Bohrloch 2 selbstverständlich untereinander angeordnet und elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Auf Grund dieses Auf­ baus der Erdelektrode 1 aus einzelnen Segmenten 1′ kann die Erdelektrode 1 leicht gewartet und gegebenenfalls ausge­ tauscht werden. In der Erdelektrode 1 sind dabei elektro­ nische Meßsonden angeordnet, mittels derer die Betriebseigen­ schaften wie beispielsweise die Temperatur oder der Material­ abtrag der Erdelektrode 1 laufend überwacht werden. Zur Mon­ tage und Demontage der Erdelektrode 1 kann der sowieso benö­ tigte Bohrturm verwendet werden.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist das Bohrloch 2 einen Durchmesser D von 50 bis 70 cm auf und reicht bis zu einer Tiefe von typisch 1000 bis 3000 m in das Erdinnere hinein, auf jeden Fall also deutlich tiefer als die bisher üblichen 100 bis höchstens 200 m. Dabei durchquert das Bohrloch 2 meh­ rere Bodenschichten 4 bis 6. Im geschilderten Ausführungsbei­ spiel sei angenommen, daß die Bodenschicht 4 die Bodenschicht direkt unterhalb der Erdoberfläche ist, während die Boden­ schicht 5 Elektrizität relativ gut leitet und die Boden­ schicht 6 Elektrizität relativ schlecht leitet.

Der Strom wird der Erdelektrode 1 über das Elektrodenkabel 7 zugeführt, welches außerhalb des Bohrlochs 2 an die Erdelek­ trode 1 angeschlossen ist. Um zu gewährleisten, daß der Strom, der mittels des Elektrodenkabels 7 der Elektrode 1 zu­ geführt wird, in die Bodenschicht 5 guter Leitfähigkeit ein­ geleitet wird, ist die Elektrode 1 im Bereich der Boden­ schichten 4 und 6 mit einer Isolierschicht, z. B. aus Kunst­ stoff, überzogen. Im Bereich der Bodenschicht 5 hingegen ist die Elektrode 1 mit einer elektrisch leitenden Schicht über­ zogen, beispielsweise mit Graphit. Insbesondere Graphit hat sich als Elektrodenmaterial (besonders für Anoden) bewährt, weil es nur einer geringen Abtragung unter Strombeanspruchung unterliegt. Alternativ kann die Erdelektrode 1 auch mit einer Titan-Platin-Legierung beschichtet sein.

In welchen Bereichen die Erdelektrode 1 mit einer Isolier­ schicht bzw. einer elektrisch leitenden Schicht zu überziehen ist kann vorab auf Grund geologischer Untersuchungen und auch bei der späteren Bohrung direkt bestimmt werden.

Um ferner eine gute Ankopplung der Elektrode 1 an die Boden­ schicht 5 zu gewährleisten, weist die Elektrode 1 einen ge­ ringeren Querschnitt als das Bohrloch 2 auf, so daß in den Zwischenraum eine elektrisch leitende Flüssigkeit, z. B. Salzwasser, einfüllbar ist. Durch die Flüssigkeit ist auch die Durchfeuchtung der elektrisch leitenden Bodenschicht 5 gewährleistet.

Das Bohrloch 2 ist zur mechanischen Stabilisierung mit Hüll­ rohren bzw. Isolierringen 3, die z. B. mit Zement miteinander verbunden sind, ausgekleidet. Um eine gute Ankopplung der Erdelektrode 1 über die elektrisch leitende Flüssigkeit an die Bodenschicht 5 zu gewährleisten, sind die Isolierrohre 3 zumindest im Bereich der Bodenschicht 5 perforiert. Alterna­ tiv oder zusätzlich zur Perforierung der Hüllrohre 3 bzw. der Isolierringe 3 können die Hüllrohre 3 mit elektrisch leiten­ den Zusätzen versehen sein.

Anstelle von Isolierrohren 3 könnten auch Metallrohre verwen­ det werden, die aus einem Material hergestellt sind, welches unter Strombeanspruchung keiner oder nur einer geringen Ab­ tragung unterliegt. Ein Beispiel eines derartigen Materials wäre Titan, das mit einer Platinbeschichtung versehen ist. Wird die Elektrode als Katode genutzt, muß die Beschichtung auf der Innenseite des Metallrohres angebracht sein, bei Ver­ wendung als Anode außen. Wenn die Metallrohre auf beiden Sei­ ten beschichtet sind, sind sie wahlweise bei Katode und Anode verwendbar.

Wenn Metallrohre verwendet werden, müssen diese nicht notwen­ digerweise perforiert sein. Eine Perforierung ist jedoch in­ sofern von Vorteil, als hierdurch eine Durchfeuchtung der das Metallrohr umgebenden Bodenschicht 5 gewährleistet ist.

Die elektrisch leitende Flüssigkeit ist, wie bereits erwähnt, im einfachsten Fall Salzwasser. Gegebenenfalls kann die elek­ trisch leitende Flüssigkeit jedoch auch mit Additiven ange­ reichert sein. Mögliche Additive sind Antikorrosionsmittel zum Schutz der Erdelektrode 1, Mittel, welche die Leitfähig­ keit und/oder die chemische Beständigkeit der Elektrodenflüs­ sigkeit erhöhen, oder Mittel, die beispielsweise Graphitstaub in der Schwebe halten, welcher der Elektrodenflüssigkeit zur Erhöhung der Leitfähigkeit zugesetzt sein kann. Die Antikor­ rosionsmittel können ggf. auch dem Schutz der Pumpe 8 vor Korrosion dienen.

Auf Grund der Übergangswiderstände zwischen Elektrode 1 und leitender Bodenschicht 5 entsteht im Bereich der Bodenschicht 5 Wärme. Zur Abführung dieser Wärme ist die Elektrode 1 als Hohlrohr ausgebildet, welches innen isoliert ist, nicht ganz bis auf den Boden des Bohrlochs 2 reicht und unten offen ist. Dadurch ist es möglich, mittels der Pumpe 8 die elektrisch leitende Flüssigkeit in das Innere des Hohlrohres 1 zu pum­ pen, welche dann im Zwischenraum zwischen Elektrode 1 und Ze­ mentschicht 3 wieder nach oben steigt. Durch das Umwälzen der im Bohrloch 2 befindlichen Flüssigkeit kann die Erdelektrode 1 leicht gekühlt werden. Vom Bohrloch 2 aus gelangt die Flüs­ sigkeit über den Schlauch 9 in die Konditioniereinheit 10, in der die Flüssigkeit gekühlt und analysiert, gegebenenfalls auch gereinigt und/oder regeneriert wird.

Ein ordnungsgemäßer Betrieb der Erdelektrodenanordnung kann auch durch Analyse der Elektrodenflüssigkeit sichergestellt werden. Wenn die Elektrodenflüssigkeit unerwartete Eigen­ schaften aufweist (z. B. chemische Zusammensetzung), kann z. B. die Stromübertragung reduziert oder unterbrochen werden bzw. eine Meldung erfolgen.

Von der Konditioniereinheit 10 wird die Flüssigkeit wieder der Pumpe 8 zugeführt. Alternativ kann die Konditionierein­ heit 10 auch der Pumpe 8 direkt nachgeschaltet sein.

In Fig. 2 ist nun eine weitere Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Erdelektrode 1 dargestellt. Gemäß Fig. 2 besteht die Erdelektrode 11 aus einer großflächigen, metallischen Platte 11, an welcher das Elektrodenkabel 7 befestigt ist. Nach dem Bohren des Bohrlochs 2 wird die Erdelektrode 11 am Elektro­ denkabel 7 durch die bodennahe, elektrisch schlecht leitfäh­ ige Bodenschicht 4 bis in die Bodenschicht 5 guter Leitfähig­ keit hinabgelassen. Danach wird das Bohrloch 2 verfüllt, z. B. mit (elektrisch leitfähigem) Koks. Die Anordnung nach Fig. 2 ist zwar nicht wieder demontier- und austauschbar, dafür ist sie erheblich aufwandsärmer.

Die erfindungsgemäße Erdelektrode 1 kann praktisch überall gebaut werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Anord­ nung direkt auf dem Betriebsgelände der HGÜ-Station, da in diesem Fall kaum Kosten für das Elektrodenkabel 7 und auch keine Kosten zum Erwerb des Grundes, der für eine großflä­ chige Erdelektrode benötigt wird, anfallen. Die Kosten für die Bohrung können dadurch teilweise bis ganz kompensiert werden.

Claims (15)

1. Erdelektrode zur Rückleitung des Stromes bei einer Hoch­ spannungs-Gleichstromübertragung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie in einem Bohrloch (2) weit unterhalb der Erdoberfläche angeordnet ist.

2. Erdelektrode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie rohrförmig ausgebildet ist und aus einzelnen, untereinander angeordneten, elektrisch und mechanisch miteinander verbundenen Segmenten (1′) besteht.

3. Erdelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Bodenschichten schlechter Leitfähigkeit (6) elektrisch isolierend beschich­ tet ist.

4. Erdelektrode nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Bodenschichten nahe der Erdoberfläche (4) elektrisch isolierend beschichtet ist.

5. Erdelektrode nach einem der obigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sie in Bo­ denschichten guter Leitfähigkeit (5) zumindest teilweise elektrisch leitend beschichtet ist, z. B. mit Graphit.

6. Erdelektrode nach einem der obigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Bohrloch (2) mechanisch stabilisierend ausgekleidet ist, z. B. mit ei­ nem Hüllrohr (3).

7. Erdelektrode nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auskleidung (3) elek­ trisch isoliert und zumindest teilweise perforiert und/oder mit elektrisch leitenden Zusätzen versehen ist.

8. Erdelektrode nach einem der obigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sie einen kleineren Querschnitt als das Bohrloch (2) aufweist und daß der Zwischenraum zwischen Erdelektrode (1) und Bohrloch (2) mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit gefüllt ist.

9. Erdelektrode nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie als Hohlrohr (1) ausge­ bildet ist, daß das Hohlrohr (1) unten offen ist und daß das untere Ende des Hohlrohres (1) vom Boden des Bohrlochs (2) beabstandet ist, so daß die elektrisch leitende Flüssigkeit mittels einer Pumpe (8) im Bohrloch (2) umwälzbar ist.

10. Erdelektrode nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektrisch leitende Flüs­ sigkeit Salzwasser ist, gegebenenfalls mit Additiven ange­ reichertes Salzwasser.

11. Erdelektrode nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Flüssigkeit in einer Konditioniereinheit (10) beim Umwälzen gekühlt und analysiert, gegebenenfalls auch gereinigt und/oder regeneriert wird.

12. Erdelektrode nach einem der obigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß an die Erd­ elektrode (1) außerhalb des Bohrlochs (2) ein Elektrodenkabel (7) angeschlossen ist.

13. Erdelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie nur in einer Bodenschicht guter Leitfähigkeit (5) angeordnet ist.

14. Erdelektrode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrloch (2) nach dem Einbringen der Erdelektrode (1) verfüllt worden ist.

15. Erdelektrode nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß an die Erdelektrode (1) innerhalb des Bohrlochs (2) ein Elektrodenkabel (7) angeschlossen ist.