SE506257C2 - Anordning och förfarande för överföring av högspänd likström - Google Patents

Description

506 257 2 Anledningen till att man vill gå upp i så höga spänningar som det här rör sig om, 700 kV i Sverige, i OSS upp till 2 MV, är att effekten, i det här fallet effektförlusten, kan tecknas som _ 2 Pförlust ' AR X I Resistansen kan varieras genom att välja olika typer av leda- nde material och utnyttja olika tvärsnittsareor. Strömmen är viktig som parameter eftersom den ingår som en kvadratterm.

Eftersom man alltså idag vill överföra mycket höga effekter följer av detta att man tvingas arbeta vid höga spänningar.

Ett sätt att komma ifrån dels de dyra kraftledningsgatorna, dels de ifrågasätta högspännings-/magnetfälten, är att lik- rikta strömmen och leda den i en kabel. I andra änden av kabeln har man en växelriktare och därefter omvandlas mat- ningsströmmen till växelström och kan distribueras ut över växelströmsnätet. En väsentlig fördel med likströmsöverföring- en är att de fasfel som kan uppkomma i växelströmsnät och som kan vara ödesdigra, helt kan undvikas. Ytterligare en fördel är att kablarna kan grävas ner i marken, varvid alla kraftfält försvinner i den svagt ledande jorden. Nackdelen med lik- strömsöverföring är att, som tidigare nämnts, kablarna är _ mycket kostsamma. Dessutom är tillverkningskapaciteten låg, dvs befintliga fabriker för kabeltillverkning klarar inte efterfrågan, i förhållande till kraven på överförda effekt- mängder. En typisk kabel av idag har en strömkapacitet på 1250 A och en driftspänning som ligger kring 500 kV.

Som nämndes i inledningen väljer man om så medges att vid överföring av likström använda endast en kabel och använda t ex havsvatten som återledare. Detta är så gott som problem- fritt när ett vattensund står till förfogande. Särskilt bra fungerar överföringen med en anordning av den typen som be- skrivs i ovan nämnda patent. 506 257 3 På land ligger det nära till hands att man utnyttjar markens ledningsförmåga för transport av likström. Detta är inte konfliktfritt, eftersom strömmen väljer att flyta där det elektriska motståndet är som lägst. Detta innebär att vid de starka strömmar som är aktuella, ca 1000 A, kommer alla me- tallföremål i närheten att föredras som ledare, vilket leder till oanade och oönskade konsekvenser. Det ställe i en metall- konstruktion som blir anodiskt vid detta fenomen kommer att upplösas. Om metallföremålet ifråga t ex är en gasledning som löper under marknivån, uppstår mycket lätt en läcka. Sådan utläckande gas leder oundvikligen till en mycket hög risk för explosioner.

I de flesta industriländer är det förknippat med starka re- striktioner att leda höga strömmar genom marken på ett okon- trollerat sätt. T ex i Holland har man haft många olyckor, bl a beroende på att spårvagnar och andra elektriska installa- tioner försörjts med ström som transporterats i marken. Dödso- lyckor har inträffat när hus har rasat samman pga explosioner till följd av gasläckage i ledningar som upplösts anodiskt.

Sammanfattning av Uppfinningen Med den föreliggande uppfinningen åstadkommes ett nytt sätt att gå till väga vid marköverförd högspänd likström.

Nere i jordskorpan finns saltförekomster. I dessas närhet finns också ett mycket starkt salthaltigt vattenskikt, som har den stora fördelen att det med stor lätthet leder elektrisk ström. Om man kan hitta två sådana ställen i marken där led- ningsförmågan är god, finns en stor sannolikhet att man på ett utomordentligt effektivt och billigt sätt kan leda strömmen från den ena punkten till den andra, utan risker för läck- strömmar av det slag som nämndes ovan. Återledningen sker då- via en isolerad kabel som kan vara nedgrävd nära markytan. 506 257 4 Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är således att åstadkomma ett förfarande för marköverförd, högspänd likström som inte medför de risker som hittills varit förknippade med sådan överföring. Detta syfte uppnås med förfarandet enligt patentkravet 12, varvid ett skikt i jordskorpan med god led- ningsförmåga utnyttjas som ledare och återledningen sker i en kabel.

Ett andra syfte med uppfinningen är att åstadkomma en elektrod att användas såsom anod och/eller katod vid sådan överföring av högspänd likström. Detta uppnås med en elektrod enligt pa- tentkravet 1.

Särskilt föredragna utföringsformer av uppfinningen definieras i de beroende kraven.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare i anslutning till de bifogade ritningarna, i vilka Figur 1 schematiskt visar en elektrod enligt uppfinningen; Figur 2 är en tvärsnittsvy av den nedre de- len av en elektrodmodul enligt uppfinningen; Figur 3 visar de eker-/stjärnformade plåte- lementen; Figur 4 visar skarven mellan två elektrodmo- duler i detalj; Figur 5 visar utformningen av beläggningen och spärrskiktet; och Figur 6 visar ett tvärsnitt genom jordskor- pan med två borrhål i vilka elektroder är 506 257 5 nedsänkta och en längs markytan löpande ka- bel, med ett skikt i marken som leder ström, t ex salthaltigt vatten.

Förfarandet enligt uppfinningen, som i sig kommer att beskri- vas närmare nedan, bygger pá användningen av en för ändamålet särskilt konstruerad anodenhet 1 (i kombination med en katod), med företrädesvis cirkulärt tvärsnitt och en central strömtil- ledare 2, företrädesvis av koppar (Fig. 1). Elektrodens 1 inre består i en föredragen utföringsform av ekerformigt anordnade plátelement 3 (se Fig. 3a-b), som står i ledande förbindelse med den centrala strömtilledaren 2 av koppar. Plátelementen 3, som företrädesvis är av titan, är svetsade på ett titanrör 15 i vilket kopparledaren 2 är införd. Dessa element 3 är för- sedda med en elektrokemiskt aktiv beläggning 4. Även andra strukturer med stor yta är tänkbara, det väsentliga är att man uppnår en förstorad aktiv yta.

Strömtilledaren 2 och plàtelementen 3 omslutes åtminstone del- vis av en skyddsmantel 5 med företrädesvis cirkulärt tvärs- nitt, men även polygona eller kvadratiska tvärsnitt är tänk- bara (se Fig. 2). Skyddsmantelns 5 primära uppgift är att skydda de ekerfomigt utformade plàtelementen 3 då elektroden sänks ner i ett borrhàl. Mantelytan är genombruten av ett stort antal hål 6, antingen àstadkomna genom perforeringar i mantelmaterialet eller också genom att man använder sträck- metall för manteln. Hàlen 6 är till för att elektrolyt skall kunna cirkulera och för att förhindra att ett övertryck pga gasutveckling byggs upp. Den genombrutna mantelytan kan också vara försedd med en aktiv beläggning, men det finns applika- tioner där det föredras att ytan är obelagd. Gas som utvecklas vid den elektrokemiska reaktion som sker på elektroden uppsam- las i speciella uppsamlingsanordningar 8 (se Fig. 4), vilka beskrivs senare närmare i detalj, som syftar till att àstad-I komma en cirkulation i systemet. Därigenom undviks en utarm- ning av elektrolyten och förlusterna kan hållas nere. Elekt- rodmanteln 5 tillverkas i en för ändamålet lämplig ventil- 506 257 6 metall, såsom titan, zirkonium, niob, tantal eller kompositio- ner därav och den kan som nämnts vara försedd med en för ända- målet lämplig elektrokatalytisk beläggning, varvid manteln 5 bildar en aktiv del av anoden. Denna beläggning, vars tjocklek i sig inte är kritisk, kan bestå antingen av en blandoxid,_där vanligen en av basmetallens oxider blandas med en ädelmetall, företrädesvis rutenium, palladium, iridium eller platina. Det som snarare än tjockleken har betydelse, är beläggningens komposition, som beräknas utgående från det antal amperetimmar som förväntas passera elektroden under dess livslängd (30-40 år). I en speciellt föredragen utföringsform väljs en belägg- ning som uppvisar en hög hämning mot klorgasbildning.

Beläggningar av ovan nämnda typer är kända och det ligger inom fackmannens kompetensområde att välja en beläggning som har önskade egenskaper. Genom att välja beläggningen så att den hämmar klorgasbildning uppnås att huvuddelen av den på anoden urladdade strömmen leder till syrgasbildning. Beroende på elektrolytens art kan 1 vissa fall även icke ädelmetallhaltiga beläggningar, t ex bestående av tennoxider och/eller mangan- oxider komma ifråga.

Den i Pig. 2 visade elektroden 1 är uppbyggd av moduler 9 (se Fig. 6) och skruvas eller skarvas på annat sätt ihop vid monteringsplatsen i segment om ca 3-10 meter. En föredragen skarv visas i detalj i Fig. 5.

Vid utövandet av förfarandet enligt uppfinningen borras hål 10 i jordskorpan i ändpunkterna av den sträcka över vilken ström- men skall överföras (se Fig. 6). Hålen 10 borras till ett djup där det finns saltförekomster och salthaltigt vatten 11. En elektrod monteras i ett sådant borrhål i varje ändpunkt. En isolerad kabel 12 grävs lämpligen ned i marken för att utgöra den ena ledaren, och det salthaltiga vattnet 11 utgör den _ andra ledaren. 506 257 7 I stället för att använda det i jordskorpan på stort djup befintliga salthaltiga vattnet som elektrolyt, kan man till- föra en artificiell elektrolyt till elektroden. Denna elektro- lyt tillförs då via en matarledning som löper 13 parallellt med den centrala ledaren 2. I denna matarledning 13, som kan utföras av ett metalliskt eller av ett icke metalliskt materi- al, tillförs sàledes en för ändamålet lämplig elektrolyt, t ex natriumsulfat. Följande reaktion sker i borrschaktet vid elektroden 1, 2H20 ---> 02 + 4H+ + 4e och överflödig natriumsulfatlösning avlägsnas vid borrschak- tets översida genom att man pumpar upp lösningen. I en sär- skild utföringsform kan elektroden 1 täckas med ett för ända- målet avpassat diafragma 14 med låg genomsläpplighet för elektrolyt, av t ex teflonfibrer som är tätt sammanvävda, eller av ett sintrat material såsom Goretex R. Detta diafragma påförs som en "påse" över elektroden 1 och har till funktion att hålla reaktionslösningen på plats. Ett sådant diafragma 14 kan vara fördelaktigt då det finns natriumklorid i elektroly- ten som omger elektroden 1 då den fungerar som anod, men då man helt vill undvika klorgasutveckling. Genom att tillföra natriumsulfatlösning och tillse att nivån i diafragmat 14 är högre än omgivande nivå, kan en artificiell, i huvudsak klori- djonfri miljö upprätthållas vid anoden 1, varvid den oönskade klorgasutvecklingen kan undvikas. För de fall omständigheterna tillåter att klor utvecklas förses sondanoden med ett speci- ellt gasuppsamlingsrör, som leds till en anordning ovan jord och i vilken klorgasen absorberas genom skrubbning i en enkel skrubber med utspädd natriumhydroxid (vid full drift utvecklas endast ca 1-2 kg klor/timme).

I en utföringsform arbetar man med en anodisk konstruktion och en motsvarande katodisk sådan. För den katodiska formen före- dras ett korrosionshärdigt material, vanligtvis rostfria stål, nickel eller nickellegeringar. Katoden (ej visad) som har 506 257 8 samma grundkonstruktion som anoden, är ej försedd med någon elektrokemiskt aktiv beläggning. I fall där låg korrosionsbe- lastning samt en säker katodisk polarisation kan upprätthål- las, kan i enstaka fall även vanligt mjukjärn komma ifråga som konstruktionsmaterial. Katoden måste dock vara försedd med_en extra tilledare 16 för inert gas, t ex kväve, för att man på så sätt ska kunna undvika ansamling av explosiv vätgas.

I en annan utföringsform är elektroden enligt uppfinningen reverserbar. Detta innebär alltså att den kan användas både som anod och katod. Detta kan uppnås genom att dels den aktiva ytan fördubblas eller förstoras ännu mer, t ex genom att fördubbla antalet ekrar, varvid strömtätheten sjunker. Dels kan den innefatta en elektrokatalytisk beläggning 4 som tål utsträckt drift både såväl anodiskt som katodiskt. Denna beläggning är samma som för anoddrift, men innefattar ett tillkommande spärrskikt 18 av icke stökiometrisk TiOx (se Fig. 5). Genom att lägga den elektrokemiskt aktiva beläggningen 4 ovanpå detta spärrskikt 18 av Ti0x undviks hydridbildning, speciellt vid högre temperaturer. Detta spärrskikt av icke stökiometrisk titanoxid kan påföras med hjälp av in situ oxidation, flamsprutning, plasmasprutning eller någon annan lämplig metod.

Detta skikt 18 utgör alltså underlag för den elektrokatalytis- ka beläggningen 4. I denna reverserbara utföringsform för- dubblar man elektrodytan som nämnts, genom ökning av antalet ekrar 3, samt genom att man vanligen bereder den yttre mante- lytan 5 med aktiv beläggning, dvs en elektrokemisk beläggning 4 av samma typ som på ekrarna. Här spelas en särskilt viktig roll av tilledaren 16 för inert gas, eftersom annars explosiv blandning av vätgas, klorgas och syrgas kan bildas. Den rever- serbara elektroden är även den försedd med tilledare 13, samt eventuellt avledare för elektrolyt placerade på olika höjd- ' punkter i borrhålet 10. 506 257 9 I ytterligare en utföringsform avsedd för större djup, för- stärks den inre kopparledaren genom invävning av höghållfast ståltråd. Likaledes kan det vid mycket höga djup vara motive- rat att legera den använda ventilmetallen med lämpliga lege- ringsämnen, i och för erhållande av större mekanisk styrka, Om man använder titan sker legeringen lämpligen med hjälp av sk beta-bildande tillsatser, t ex aluminium, vanadin, zirkonium etc, varvid en betydande förhöjning av sträckgränsen uppnås.

En normal dimension på en anod.är en diameter på 70 mm och en höjd på 75-150 m. Ett sådant element kan transportera 400-600 A. Emellertid kan naturligtvis yttermåtten variera varvid diametern kan ökas upp till åtminstone 200 mm. Även om ännu större dimensioner naturligtvis är möjliga, torde de bli så otympliga att de av det skälet ej är lämpliga. Likaså kan man naturligtvis åstadkomma såväl längre som kortare elektroder.

Normalt bör minst tre elektroder av vardera sorten i varsitt borrhåll användas för strömöverföringen, där två tillsammans kan överföra märkströmmen. Genom detta kan man ges tillfälle att utföra servicearbete, reaktivering etc av elektroden, utan att störa driften.

För mycket stora djup bör elektroderna förses med en matarled- ning för inert gas ända ner till elektrodens botten. Eventu- ellt har man grenrör längs elektroden för att tillföra inert gas punktvis längs hela elektroden. Syftet är att åstadkomma den omblandning som eventuellt kan förhindras pga att klor som utvecklas löser sig i elektrolyten.

I spetsen på den nedersta modulen finns en konisk konstruktion 20 av titan vilken fylls med 25-50 kg bly för att möjliggöra enkel installation.

Claims (15)

1. 5Û6 257 10 PATENTKRAV

1. En elektrod (1) för användning såsom den ena polen vid över- föring av högspänd likström i mark och/eller vatten, vilken elektrod (1) är utformad för att placeras i ett borrhål (10) på ett djup med förekomst av salthaltigt vatten, så att elektroden är borttagbar, och vilken elektrod innefattar en central ström- tilledare (2) till vilken elektrokemiskt aktiva element (3) med stor yta är anslutna, k ä n n e t e c k n a d a v att elektroden (1) är utformad av en basmetall, vald bland titan, zirkonium, niob, tantal eller kompositioner därav; och att elementen (3) är försedda med en elektrokemiskt aktiv beläggning (4) innefattande metalloxider av basmetallen, och en ädelmetall, företrädesvis ruteniwn, palladium, iridium eller platina.

2. Elektroden enligt krav 1, vid vilken strukturen (3) är en veckad eller korrugerad struktur, i och för åstadkommande av en förstorad aktiv yta.

3. Elektroden enligt krav'l eller 2, vid vilken nämnda struktur (3) åtminstone delvis omsluter strömtilledarorganet (2).

4. Elektroden enligt något av föregående krav, vid vilken strukturen (3) är av metallplåt och i tvärsnitt bildar en eker- och/eller stjärnkonfiguration.

5. Elektroden enligt något:av'kraven 2-4, vid vilken strukturen med stor yta är av sträckmetall.

6. Elektroden enligt något av föregående krav, innefattande en mantel (5) som åtminstone delvis omsluter strömtilledaren (2) och strukturen (3).

7. Elektroden enligt krav 6, vid vilken manteln (5) är f/ 506 257 genombruten av hål (6).

8. Elektroden enligt något av föregående krav, för användning såsom reverserbar elektrod, dvs för såväl anodisk som katodisk drift, innefattande ett spärrskikt för hindrande av hydrid- bildning då elektroden används som katod, vilket spärrskikt är anordnat mellan den elektrokemiskt aktiva beläggningen och under- laget.

9. Elektroden enligt krav 8, vid vilken spärrskiktet är av icke stökiometrisk titanoxid, TiOX.

10. Elektroden enligt något av föregående krav, för användning på större djup, vid vilken strömtilledaren (2) är förstärkt genom invävning av höghållfast ståltråd.

ll. en tilledare för inert gas (16).

12. Elektroden enligt något av föregående krav, varvid elektro- den (1) är täckt av ett diafragma (14) med låg genomsläpplighet för elektrolyt.

13. Elektroden enligt något av föregående krav, varvid elektro- den (1) är uppbyggd av moduler (9).

14. Ett förfarande för överföring av högspänd likström med användning av en kabel och ett par uppsättningar elektroder enligt något av kraven 1-11, varvid varje uppsättning består av en eller flera elektroder, och varvid den ena uppsättningen elektroder fungerar som anod och den andra uppsättningen som katod, borrhål, upptagna i ändpunkterna av en sträcka över vilken ström innefattande att man för ned elektroderna i varsitt skall överföras, ned till ett skikt i jordskorpan med god ledningsförmåga, och leder strömmen i nämnda skikt och i kabeln.

15. Förfarandet enligt krav 14, vid vilket skiktet i jordskorpan med god ledningsförmåga utgörs av salthaltigt vatten. Elektroden enligt något kraven 8-10, vilken är försedd med “