SE502703C2 - Anordning för kompensering av en växelspänning som uppträder mellan ett medium och en i mediet förlagd metallisk rörledning - Google Patents

Description

502 vøz Z Olika typer av korrosionsskyddsåtgärder är tidigare kända. Dessa ger dockl_> inget skydd mot den korrosionsrisk som orsakas av i en rörledning induce- rade växelspänningar.

En tidigare känd anordning för korrosionsskydd av en i mark eller vatten förlagd rörledning beskrivs i den svenska utläggningsskriften #66 160.

Denna anordning avser att skydda rörledningen mot korrosion som orsakas av potentialskillnader i det rörledningen omgivande mediet (markpotential- skillnader). Anordningen avser i första hand de fall där markpotential- skillnaderna orsakas av i mediet flytande elektriska strömmar, vilka typiskt sett härrör från elektriska likströmskraftanläggningar. Skillnaden i markpotential mellan två punkter hos rörledningen avkänns med hjälp av i anslutning till ledningen förlagda markelektroder. En likströmskälla är ansluten till två punkter hos ledningen och är anordnad att mata en ström genom ledningen mellan dessa punkter. Strömmen styrs så i beroende av den avkända markpotentialskillnaden att det av strömmen orsakade spännings- fallet utefter röret motsvarar markpotentialskillnaden.

Anordningen anges även kunna utformas så att den skyddar mot korrosion i de fall då markströmmarna utgörs av växelströmmar. Markpotentialskillnaden ut- görs då av en växelspänning, och i stället för en likströmskälla anordnas en växelströmskälla att driva en lämplig växelström genom rörledningen.

Denna kända anordning ger ett korrosionsskydd för de fall där korrosions- risken härrör från markpotentialskillnader. Anordningen ger dock inget skydd alls mot den korrosionsrisk som orsakas av spänningar som induceras i rörledningen.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att åstadkomma en anordning som på ett enkelt och för- delaktigt sätt ger ett gott skydd mot de korrosionsrisker som vid rörled- ningar av inledningsvis angivet slag orsakas av i rörledningarna inducerade växelspänningar.

Vad som kännetecknar en anordning enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav. 502 703 FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall närmare beskrivas i anslutning till bifogade figurer la, lb, 2a, Zb, 3, 4, 5a och 5b.

Fig la visar ett exempel på en anordning enligt uppfinningen, och figur lb visar den reduktion av spänningen mellan rörledningen och omgivande medium som erhålles med hjälp av den i figur la visade anordningen enligt upp- finningen. Figur 2a visar hur enligt uppfinningen flera kompensations- anordningar och matningssträckor kan anordnas utefter en sektion av en rörledning. Figur 2b åskådliggör funktionen hos den i figur 2a visade utrustningen. Figur 3 visar en alternativ utföringsform, där strömmen till en matningssträcka erhålles med hjälp av en effektförstärkare. Figur 4 visar hur en styrbar transformatorkoppling som ett alternativ kan användas för alstring av strömmen till en matningssträcka. Figurerna 5a och 5b visar ett alternativt sätt att styra strömmen till rörledningens matnings- sträcka.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Fig la visar ett principschema för en utrustning PD enligt uppfinningen.

Figuren visar en sektion 1 av en i mark förlagd metallisk naturgasledning 1, vilken är försedd med en elektriskt isolerande beläggning, och vilken är elektriskt isolerad från angränsande rörsektioner med hjälp av elektriskt isolerande kopplingar 11 och 12. För att bilda ett mått på den växelspän- ning som kan induceras i sektionen 1 av elektriska kraftledningar, vilka löper i närheten av och helt eller delvis parallellt med rörsektionen, är en från jord isolerad mätledare 2 anordnad. Denna kan vara anordnad i marken, på marken eller ovanför marken. Mätledaren 2 anordnas lämpligen parallellt med rörledningen och nära invid denna. Mätledarens längd kan vara liten i förhållande till sektionens 1 längd, men om så är önskvärt för att få tillräcklig storlek på mätsignalen från ledaren, eller för att göra mätsignalen tillräckligt representativ för den i ledningssektionen induce- rade spänningen, kan längden hos denna utgöra en väsentlig del av sek- tionens längd. Mätledaren kan vara anordnad utmed hela eller en del av rörledningens matningssträcka A-B, eller den kan som visas i figuren vara förskjuten i förhållande till denna. Ledaren 2 är isolerad från jord men kan eventuellt jordas i lämplig punkt. Den i ledaren 2 inducerade spänn- ingen us tillförs en mätförstärkare 3, vars utsignal betecknas med u's 502 705 4 På grund av mätledarens 2 förläggning parallellt med och nära invid rör- sektionen 1 blir signalerna us och u's ett gott mått på den av kraft- ledningens driftström inducerade spänningen i rörsektionen. Signalen u'S från mätförstärkaren 3 tillförs en som amplitudkännande organ fungerande absolutvärdesbildare Ä samt en som fasvinkelkännande organ fungerande fasdetektor 5. Absolutvärdesbildaren 4 avger en amplitudsignal U som är proportionell mot amplituden hos den i mätledaren 2 inducerade spänningen us. Fasdetektorn 5 avger en faslägessignal 9 som är proportionell mot fasskillnaden mellan signalen u'S och en referensspänning uref. Referens- spänningen är en växelsignal med samma frekvens som frekvensen i den kraftledning som orsakar de i rörledningen inducerade spänningarna. Som visas i figuren kan referensspänningen enklast erhållas från ett lokalnät 6, vilket tillhör samma kraftnät som den nämnda kraftledningen och därmed har samma frekvens som denna.

Signalerna U och Q tillförs en växelströmskälla 7, vilken är ansluten till två matningspunkter A och B hos rörledningen. Den mellan punkterna A och B belägna delen av rörledningen, matningssträckan, tillförs från växelströms- källan (som har utspänningen ul) en växelström i vilken i matnings- sträckan genererar ett spänningsfall duAB. Spänningsfallets amplitud blir proportionell mot amplituden hos strömmen il, och proportionalitets- konstanten utgörs av absolutvärdet hos matningssträckans impedans. Impedan- sen hos en typisk rörledning är ca 0,3 ohm/km, och denna impedans är prak- tiskt taget rent induktiv - resistansen är försumbar jämfört med induktan- Sen .

Växelströmskällan 7 kan som visas i fig la utgöras av en växelspännings- omriktare, exempelvis en mellanledsomriktare med en från nätet 6 matad styrbar likriktare, ett likspänningsmellanled samt en självkommuterad växelriktare anordnad att avge en växelspänning med styrbar frekvens och därmed med styrbart fasläge. Vid denna utformning av växelströmskällan 7 anordnas signalen U att styra mellanledslikspänningen och därmed amplituden hos omriktarens avgivna spänning ul, och signalen Q anordnas att styra växelriktaren så att spänningen ul får önskat fasläge i förhållande till referensspänningen. Spänningsfallet duAB över matningssträckan ligger, eftersom matningssträckans impedans är nära rent induktiv, nära 90 grader i fas före strömmen il. Amplitud och fasläge hos spänningen ul styrs så att detta spänningsfall ligger i huvudsak i motfas till den i ledningssek- 5 502 705 tionen inducerade spänningen och får lämplig storlek i förhållande till den inducerade spänningen. Hänsyn får härvid tas till impedanserna hos ledningarna mellan strömkällan 7 och anslutningspunkterna A och B.

Eftersom såväl dessa impedanser som matningssträckans impedans kan för- utsättas vara nära konstanta, kan hänsyn enkelt tas härtill vid styrningen av strömkällan 7. Denna kan alltså lämpligen styras så att amplituden hos spänningen ul blir en första konstant gånger den avkända spännings- amplituden us, och så att fasläget hos spänningen ul blir det avkända fasläget plus en andra konstant.

Vid korrekt val av de båda nämnda konstanterna kommer som framgår av det ovanstående spänningsfallet duAB att ligga i motfas till den i rörled- ningen av kraftledningen inducerade emkzn. Dessa båda emkzer kommer alltså att motverka varandra, och vid korrekt utförande och justering av utrust- ningen enligt uppfinningen kan en god kompensation erhållas av de i rör- ledningen 1 av kraftledningsströmmen inducerade spänningarna, dvs en kraf- tig reduktion av den maximala spänningen mellan rörledningen och jord, och därmed en kraftig reduktion eller fullständig eliminering av korrosions- risken. De båda ovan nämnda konstanterna väljs och injusteras i regler- systemet så att önskad grad av undertryckning erhålles av den i rörled- ningen inducerade spänningen. Konstanterna kan bestämmas genom beräkning, mätning eller genom praktiska prov.

Signalen från mätledaren 2 kan om så anses erforderligt filtreras i ett bandpassfilter avstämt till kraftledningens frekvens, detta för att eli- minera inverkan av i mätledaren uppträdande spänningar som härrör från andra källor än kraftledningen.

Fig lb visar spänningen urg i rörledningen i förhållande till jord som funktion av avståndet x från ledningssektionens ena ände. Sektionen antas ha längden l och vara jordad vid sin mittpunkt, exempelvis genom en skada på ledningens elektriska isolation. Den i figuren med a betecknade kurvan visar den spänning mellan rörledning och jord som skulle orsakas av en kraftledning som löper parallellt med ledningssektionen utefter hela dess längd. Spänningen får ett maximalvärde 1 um vid sektionens ändpunkter. Om en matningssträcka A-B enligt uppfinningen anordnas vid ledningssektionens centrala del och anordnas att i rörledningen alstra ett spänningsfall du AB får spänningen det med kurvan b visade förloppet, där uAB är den __ 6 502 705 i rörledningen mellan punkterna A och B inducerade spänningen. Som framgår av figuren erhålles enligt uppfinningen en kraftig reduktion av den maxi- mala spänningen mellan rörledningen och jord.

I det i figur lb visade exemplet är strömmen il till matningssträckan A-B, och därmed spänningsfallet duAB över matningssträckan, så vald i beroende av den inducerade spänningen att den maximala spänningen mellan rörled- ningen och jord (som uppträder i punkterna A och B samt vid sektionens ändar) blir så låg som möjligt. I beroende av de individuella omständig- heterna kan givetvis spänningsfallet över matningssträckan inställas på annat sätt.

En ytterligare reduktion av den maximala spänningen mellan rörledningen och jord kan erhållas enligt en utföringsform av uppfinningen, vid vilken flera matningssträckor med tillhörande strömkällor anordnas utefter en ledningssektion. Figur 2a visar en del av en sådan ledningssektion. En första kompensationsanordning PD1 är ansluten till anslutningspunkterna A och B. Den har en mätledare 21 och avger i beroende av den i mätledaren inducerade spänningen en ström il till matningssträckan. På motsvarande sätt är en andra kompensationsanordning PD2 ansluten till anslutnings- punkterna C och D och har en mätledare 22 vars inducerade spänning styr anordningens ström iz. Vidare är en tredje kompensationsanordning PD3 ansluten till matningspunkterna E och F och har en mätledare 23 vars spänning styr anordningens ström i3. I fig 2b visar kurvan b den spänning som erhålles mellan rörledningen och jord. Som synes kan på detta sätt en fullständigare reduktion erhållas av den maximala spänningen mellan led- ningen och jord. I figur 2b har för enkelhets skull de av de tre kompensa- tionsanordningarna alstrade spänningsfallen duAB, ducn. duEF visats lika stora. I praktiken kommer dock mätledarnas signaler att skilja sig från varandra - och därmed även spänningsfallen över de tre matnings- sträckorna - och detta på sådant sätt att bästa möjliga kompensation er- hàlles av den inducerade spänningen.

Eventuellt kan de tre kompensationsanordningarna i figur 2a styras från en enda gemensam mätledare. Eventuellt kan därvid även styrutrustningen (enheterna 3, H, 5 i figur la) vara gemensam för de tre anordningarna vilka då endast har separata slutsteg (motsvarande enheten 7 i figur la). * 502 705 Eventuellt kan även slutsteget vara gemensamt, varvid dock detta måste anslutas till matningssträckorna via transformatorer för att få den erforderliga galvaniska separationen. Även i det i figurerna la och 2a visade fallet med en separat kompensa- tionsanordning per matningssträcka kan det vara fördelaktigt att ansluta kompensationsanordningen till matningssträckan via en transformator för att med avseende på ström- och spänningsnivåer anpassa växelströmskällan till dess belastning - matningssträckan.

Fig 3 visar en alternativ utföringsform av utrustningen enligt uppfin- ningen. Signalen u'S från mätförstärkaren 3 tillförs en effektför- stärkare 9, som tillför matningssträckan A-B en mot mätsignalen propor- tionell ström il. Genom lämplig utformning av kretsen uppnås att spänn- ingsfallet över matningssträckan kommer att ligga i motfas till den i ledningssektionen inducerade spänningen, och genom lämplig inställning av förstärkarens förstärkningsfaktor kan i princip en fullständig undertryck- ning erhållas av de i rörledningen 1 inducerade spänningarna oberoende av deras frekvenser. Förstärkaren 9 kan exempelvis vara en switchad effekt- förstärkare av i och för sig känt slag.

Fig U visar hur som ett alternativ en transformatorkoppling kan användas för alstrande av matningsspänningen till en matningssträcka. Kopplingen innefattar två enfastransformatorer 22 och 23. Transformatorn 22 har sin primärlindning ansluten till faserna S och T hos lokalnätet 6, och trans- formatorn 23 har sin primärlindning ansluten mellan fasen R och nätets nollledning O. Amplituden hos varje transformators utspänning är styrbar, kontinuerligt eller i steg. Transformatorerna kan exempelvis utgöras av servomotordrivna vridtransformatorer eller av transformatorer som är för- sedda med stegkopplare. I den visade kopplingen kommer utspänningen UA från transformatorn 23 att vara 900 fasvriden i förhållande till ut- spänningen UB från transformatorn 22. Eftersom de båda transformatorernas sekundärlindningar är seriekopplade kommer deras utspänningar att adderas vektoriellt, och deras vektorsumma utgör matningsspänningen ul till matningssträckan. Om varje transformators utspänning kan varieras från maximal amplitud i ett fasläge till maximal amplitud i motsatt fasläge, kan utspänningen ul på känt sätt styras godtyckligt säväl till amplitud 502 705 och fasläge inom alla fyra kvadranterna. För styrning av transformatorerna tillförs signalerna U och 9 (se fig la) en styrenhet 21, vilken avger styrsignaler sl och s2 till transformatorernas ställdon. Styrdonet kan exempelvis avge sådana styrsignaler sl och s2 till transformatorerna att dessa utspänningar blir: UA kl U sin(ç+k2) UB kl U cos(ç+k2) Genom lämpligt val av konstanterna kl och k2 kan på detta sätt åstadkommas att matningsspänningen ul till rörledningssektionens matningssträcka får en sådan amplitud och ett sådant fasläge, att spänningsfallet i matnings- sträckan kompenserar den inducerade spänningen.

Styrningen av utrustningen enligt uppfinningen kan utföras på andra sätt än det ovan beskrivna. Exempelvis kan som visas i fig 5a den inducerade spänningen avkännas på ett flertal utefter rörledningen fördelade ställen.

I exemplet i fig 5a görs detta med hjälp av att flera mätledare 21, 22, 23, vilkas inducerade spänningar tillförs mätförstärkare 31, 32, 33.

Mätförstärkarnas utsignaler u's1, u's2, u's3 tillförs en optimeringsenhet ßü (fig 5b). Denna avger i sin tur en styrsignal s3 till strömkällan 7.

Styrsignalen s3 påverkar amplitud och fasläge hos den av strömkällan alstrade spänningen ul och därmed hos den ström il, vilken tillförs matningssträckan. Optimeringsenheten 3U kan exempelvis utgöras av en på lämpligt sätt programmerad dator anordnad att via styrsignalen s3 påverka strömmen il på sådant sätt i beroende av mätsignalerna att risken för korrosion hos rörledningen minimeras.

De ovan beskrivna mätledarna 2 utgör ett sätt att bilda ett mått på den i rörledningen inducerade spänningen. Även andra sätt är tänkbara. Den indu- cerade spänningen i rörledningen är ju till storlek och fasläge direkt beroende av kraftledningens belastningsström. I det fall där det är möj- ligt och lämpligt att mäta denna ström kan den direkt användas som ett mått på den i rörledningen inducerade spänningen.

I ovanstående beskrivning har stillatigande förutsatts att belastnings- strömmen i kraftledningen, och därmed den i rörledningen inducerade spän- 502 703 ningen, är en ren sinusström utan övertoner. I praktiken kan övertoner förekomma i nämnda belastningsström och inducera växelspänningar av mot- svarande frekvenser i rörledningen, vilka spänningar på samma sätt som grundtonen kan orsaka korrosionsrisker. Den i fig 3 visade utföringsformen av uppfinningen kommer automatiskt att medföra en kompensation även av inducerade övertoner, eftersom den matningssträckan påtryckta strömmen il utgör en teckenvänd avbildning av den från mätledaren 2 erhållna mät- signalen us. Övertoner i den inducerade spänningen kan givetvis kom- penseras även på andra sätt. Exempelvis kan sålunda både grundton och aktuella övertoner med hjälp av bandpassfilter separeras ur mätsignalen och bestämmas var för sig till amplitud och fasläge, varefter den önskade spänningen ul och/eller strömmen il för undertryckande av samtliga avkända toner syntetiseras på lämpligt sätt med hjälp av lämpliga elektroniska kretsar.

Som ett alternativ till den i fig 1 visade strömriktarkopplingen 7 och till den i fig 4 visade transformatorkopplingen kan en kaskadkoppling av en induktionsregulator och en vridtransformator användas, varvid induk- tionsregulatorn används för styrning av fasläget hos matningsspänningen till matningssträckan och vridtransformatorn används för styrning av spänningens amplitud.

I de ovan beskrivna utföringsexemplen av uppfinningen styr mätledarens utspänning (us) spänningen (ul) hos växelströmskällan med hjälp av ett icke återkopplat styrsystem. Alternativt kan ett àterkopplat reglersystem användas som växelströmskälla, varvid exempelvis växelströmskällans avgivna ström (il) avkännes och till amplitud och fasläge jämförs med mätsignalen eller med en ur mätsignalen bildad referensstorhet.

Claims (8)

10 592 7Û5 PATENTKRAV

1. Anordning vid en i ett medium förlagd metallisk rörledning (1), vilken är omgiven av ett skikt eller en mantel av elektriskt isolerande material, för kompensering av en i rörledningen inducerad och i ledningens längdriktning uppträdande växelspänning, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innefattar a första organ (2, 3, H, 5) anordnade att bilda en första storhet (U, 9) som motsvarar en i rörledningens längdriktning inducerad växelspänning, b en styrbar växelströmskälla (7) som är ansluten till anslutninga- punkter (A, B) på rörledningen, vilka är anordnade på avstånd från varandra i rörledningens längdriktning, varvid växelströmskällan är anordnad att tillföras nämnda första storhet (U, 9) och att i beroende av denna bringa en växelström (il) att flyta i rörledningens längdriktning med sådan amplitud och sådant fasläge att det av strömmen orsakade spänningsfallet i rörledningens längdriktning tenderar att reducera spänningsskillnaden mellan rörledningen och mediet.

2. Anordning enligt patentkravet 1 k ä n n e t e c k a d av att det första organet innefattar en i mediet i anslutning till rörledningen förlagd och från mediet isolerad mätledare (2) samt att den första stor- heten bildas ur den i mätledaren inducerade växelspänningen (us).

3. Anordning enligt något av patentkraven 1 och 2 k ä n n e - t e c k n a d av att det första organet innefattar amplitudkännande organ (4), anordnade att bilda en mot amplituden hos den inducerade spänningen svarande amplitudsignal (U). samt fasvinkelkännande (5) organ anordnade att bilda en mot fasläget hos den inducerade spänningen svarande fasläges- signal (Q), vilka signaler är anordnade att tillföras växelströmskällan (7), vilken i sin tur är anordnad att tillföra rörledningen en ström (il) med en mot amplitudsignalen svarande amplitud och ett mot faslägessignalen svarande fasläge. 11 502 705

4. Anordning enligt patentkravet 3 k ä n n e t e c k n a d av att det fasvinkelkännande organet (5) är anordnat att bilda faslägessignalen (Q) i beroende av fasläget hos den inducerade spänningen (us) i förhållande till en referensväxelspänning (uref), samt att växelströmskällan (7) är anordnad att alstra en växelström (il) med samma frekvens som referens- växelspänningen och med ett av faslägessignalen beroende fasläge i för- hållande till referensväxelspänningen.

5. Anordning enligt något av föregående patentkrav k ä n n e t e c k - n a d av att rörledningen har ett flertal par av anslutningspunkter (A-B, C-D, E-F) och att en växelströmskälla (PD1, PD2, PD3) är ansluten till varje par av anslutningspunkter.

6. Anordning enligt något av föregående patentkrav k ä n n e t e c k - n a d av att växelströmskällan (7) utgörs av en statisk strömriktarkopp- ling.

7. Anordning enligt något av patentkraven 1-5 k ä n n e t e c k n a d av att växelströmskällan utgörs av en effektförstärkare (9).

8. Anordning enligt något av patentkraven 1-5 k ä n n e t e c k n a d av att växelströmskällan utgörs av en styrbar transformatorkoppling (21, 22, 23).