ЭЛЕКТРОД ЗАЗЕМЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01R4/66 

Область техники

Изобретение относится к системе электропередачи постоянным током высокого напряжения (ПТВН). В частности, изобретение относится к заземлению системы ПТВН-электропередачи. Точнее, изобретение предлагает электрод заземления и способ заземления системы ПТВН-электропередачи.

Электроды заземления в данном контексте означают устройства, используемые для соединения точки заземления системы ПТВН-электропередачи с землей. Электроды заземления могут включать в себя один или более питающих кабелей, идущих к проводящей среде, такой как грунт или морская вода.

Предпосылки изобретения

По сравнению с системой электропередачи переменным током системе ПТВН-электропередачи требуется только два провода. По меньшей мере один из этих проводов должен быть изолирован от земли. Поэтому один из проводов может быть реализован в виде воздушной линии или кабеля высокого напряжения. Другой провод может реализовываться с использованием земли в качестве проводящей среды. В случае биполярной передачи при нормальных условиях работы используют еще один провод такого же типа. Но для передачи тока небаланса требуется провод заземления. Биполярная система ПТВН-электропередачи должна быть также в состоянии работать как униполярная система ПТВН-электропередачи. При такой работе провод заземления передает весь постоянный ток, передаваемый системой ПТВН-электропередачи.

Система ПТВН-электропередачи включает в себя первую преобразовательную подстанцию, соединенную с первой сетью электропередачи переменного тока, вторую преобразовательную подстанцию, соединенную со второй сетью электропередачи переменного тока, и по меньшей мере два провода, соединяющие первую и вторую преобразовательные подстанции. Каждая преобразовательная подстанция имеет точку заземления, соединенную с электродом заземления для установления электрического контакта с землей. Таким образом, провод заземления включает в себя электрод заземления на каждой преобразовательной подстанции и землю между этими двумя электродами заземления.

Биполярная система ПТВН-электропередачи обычно включает в себя пару воздушных проводов, поддерживаемых множеством опор от первой преобразовательной подстанции до второй преобразовательной подстанции. Провода подвешиваются на изоляторах с траверс опор. На каждой опоре также установлены защитные провода для защиты от молний. Обычно расстояние между двумя соседними опорами составляет около 400 м. Каждая опора заземлена.

Электрод заземления содержит множество электродных элементов для установления электрического контакта с землей. Обычно земля - это грунт и/или морская вода. Поэтому электрод заземления может быть наземным (заземленным) электродом или морским (заводненным) электродом. Электроды действуют в качестве анодов, т.е. проводят ток в проводящую среду, или в качестве катодов, т.е. принимают ток из этой среды.

Термин «заземленный электрод» в данном контексте обозначает электрод заземления, находящийся в грунте. Заземленный электрод переносит постоянный ток от системы ПТВН-электропередачи в грунт, или наоборот. В данном контексте термин «грунт» следует рассматривать в общем смысле как обозначающий проводящую, но неоднородную среду.

Помимо требований по току и сопротивлению заземленные электроды должны быть также электрически безопасными, обладать высокой эксплуатационной надежностью и достаточно длительным сроком службы и, кроме того, они не должны вызывать каких-либо вредных экологических последствий, например высыхания почвы вблизи электрода.

Для того чтобы достичь достаточно низкого сопротивления заземления, заземленный электрод обычно имеет большое количество электродных элементов, расположенных в виде древовидной структуры. Поэтому каждый электродный элемент соединен с точкой заземления через питающий провод, вспомогательный питающий провод и множество дополнительных вспомогательных питающих проводов. Цель заключается в том, чтобы электрический ток был равномерно распределен от точки заземления к каждому электродному элементу. Для достижения этой цели каждый электродный элемент должен иметь одинаковую длину соединения до точки заземления. Поэтому каждый электродный элемент соединен так, как будто все они соединены с точкой заземления параллельно.

В известном устройстве электрода заземления заземленный электрод соединен с точкой заземления преобразовательной подстанции одним или более питающими кабелями. Каждый подэлектрод запитывается от отдельного питающего подэлектрод кабеля. Подэлектрод включает в себя засыпку и активный электродный элемент (заземляющий электрод), заделанный в эту засыпку. В большинстве случаев засыпка представляет собой слой кокса. Электродный элемент находится в электрическом контакте с питающим подэлектрод кабелем и имеет активную часть своей поверхности, находящуюся в электрическом контакте с засыпкой. В случаях, если подэлектрод содержит более чем один такой электродный элемент, то эти элементы связаны друг с другом кабелями межсоединения.

Засыпка занимает значительный объем вокруг электродного элемента и, в свою очередь, также заделана в грунт. Активной частью поверхности засыпки является та часть ее поверхности, которая находится в электрическом контакте с грунтом.

Из US 6245989 (Иоссель) известен заземленный электрод для системы электропередачи постоянным током высокого напряжения. Задача этого заземленного электрода состояла в улучшении скорости растворения запитывающих элементов и в улучшении срока службы и надежности электрода. Поэтому заземленный электрод согласно Иосселю содержит электродные элементы, отделенные друг от друга электронепроводящими межэлементными экранами (барьерами).

Заземленный электрод, содержащий подэлектроды, секции и подсекции, может занимать значительный участок земли. При общеизвестной круговой схеме расположения его диаметр может составлять в диапазоне от 500 до 1000 метров. Обычно заземленный электрод расположен на удалении от преобразовательной подстанции, т.к. течение постоянного тока может мешать функционированию расположенного рядом с ним трансформатора. Значительный участок земли также занят преобразовательной подстанцией и линией электропередач с опорами, несущими провода между преобразовательными подстанциями.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы найти пути обеспечения возможного заземленного электрода для системы ПТВН-электропередачи.

Эта задача решена согласно изобретению с помощью заземленного электрода, охарактеризованного признаками независимого пункта 1 формулы изобретения, и с помощью способа, охарактеризованного этапами, указанными в независимом пункте 9 формулы изобретения. Примерные варианты реализации изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению заземленный электрод содержит множество электродных секций, соединенных с электродом линии. Каждая секция содержит по меньшей мере один или множество параллельно соединенных электродных элементов и подстроечный резистор для соединения с электродом линии. Поэтому за счет подстройки отдельных подстроечных резисторов компенсируют разность сопротивления между секциями, в результате чего ток будет распределяться равномерно в каждый электродный элемент. Электрод линии предпочтительно расположен вдоль линии опор.

В одном варианте реализации изобретения секция включает в себя опору и электродные элементы заземления опоры. В еще одном варианте реализации электрод линии включает в себя изолированный провод, поддерживаемый на опорах. В еще одном варианте реализации электрод линии включает в себя кабель, который изолирован от земли. В еще одном варианте реализации электродные секции включают в себя традиционно расположенные электродные элементы.

В одном варианте реализации изобретения заземленный электрод включает в себя заземление опоры множества соседних опор. В еще одном варианте реализации заземленный электрод охватывает ответвления опор, расположенных отдельно друг от друга. В еще одном варианте реализации изобретения электрод линии включает в себя по меньшей мере два провода, каждый из которых соединен с одинаковым числом заземлений опор.

Согласно изобретению может использоваться любое число заземлений опор, а также может выбраться любое положение опор вдоль электрода линии. Электрод линии может быть очень длинным, в типичном случае - примерно 100 км. Это является выгодным по сравнению с традиционными электродами, которые обычно являются круглыми с диаметром максимум 1000 м. Электрод линии можно использовать на одном или на обоих концах линии ПТВН-передачи.

Согласно первому аспекту изобретения задача решается заземленным электродом для системы ПТВН-электропередачи, содержащей множество электродных секций, причем каждая электродная секция содержит множество электродных элементов, при этом и заземленный электрод содержит электрод линии, и каждая электродная секция содержит подстроечный резистор для соединения с электродом линии.

Согласно второму аспекту изобретения задача решается способом заземления системы ПТВН-электропередачи, согласно которому:

обеспечивают множество электродных секций, содержащих электродные элементы;

для каждой электродной секции обеспечивают подстроечный резистор;

соединяют электродные секции последовательно вдоль электрода линии; и

подстраивают подстроечный резистор, уравнивая ток в каждой секции.

Краткое описание чертежей

Прочие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны специалисту в данной области техники из приводимого ниже подробного описания в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 - принципиальная схема заземленного электрода, содержащего электрод линии и множество электродных секций согласно изобретению;

Фиг.2 - принципиальная конструкция опоры, несущей линии ПТВН-электропередачи;

Фиг.3 - принципиальная схема заземленного электрода, содержащего множество электродных секций и электрод линии, при конструкции соединения в средней точке; и

Фиг.4 - принципиальная схема заземленного электрода, содержащего множество электродных секций и электрод линии, при соединении в две ветви.

Описание предпочтительных вариантов реализации

Обращаясь к Фиг.1, заземленный электрод согласно изобретению содержит множество электродных секций 1, соединенных с электродом 2 линии. Заземленный электрод соединен с точкой 3 заземления преобразовательной подстанции 4. Преобразовательная подстанция включает в себя один конец системы ПТВН-электропередачи (не показано). Преобразовательная станция содержит первый преобразовательный мост 5 и второй преобразовательный мост 6 и выполнена с возможностью работы в биполярном режиме. Каждая электродная секция содержит подстроечный резистор 17. Электродные секции также содержат электродные элементы 20, схематически показанные символом заземления, для соединения с землей.

В показанном на Фиг.1 варианте реализации каждая электродная секция 1 может включать в себя опору 8 линии, которая показана на Фиг.2. Опора имеет вертикальную стойку 9 и траверсную конструкцию 10, несущую линии 11 ПТВН-электропередачи. Линии электропередачи подвешены на изоляторах, и в показанном варианте реализации эти линии электропередачи содержат три провода в расположении треугольником. Сверху опоры имеются два электрода 13 линии, свешивающихся с изоляторов 14. Опора имеет систему заземления, содержащую выравнивающее распределение потенциала кольцо 15 и заземление 16 основания опоры. Опора содержит подстроечный резистор 17, соединяющий систему заземления опоры с электродами линии. Сверху опора имеет пару защитных проводов (не показаны) для молниезащиты.

Как показано на Фиг.1, электрод линии обладает сопротивлением 18 линии между каждой опорой. На этой Фиг.1 также показаны электродные секции в виде опоры, имеющей сопротивление 19 заземления. Как также показано на Фиг.1, электрод линии может соединять соседние опоры, а также первую группу опор (четыре на левой стороне фигуры) и вторую группу опор (три на правой стороне фигуры).

Подстроечный резистор нужен в каждой опоре электрода линии, чтобы обеспечивать равномерное токораспределение между заземлениями опор. Напряжения прикосновения уменьшают обычными защитными кольцами, выравнивающими распределение потенциала в земле у опор. В связи с коррозией, в основном с течением времени вызываемой небольшим током небаланса в биполярном режиме работы, требуется существенное усиление заземляющих проводов заземления опор. Заземляющие провода заземлений опор должны иметь сплошные противовесы или радиальные противовесы из медных проводов относительно большого поперечного сечения, например: 2Ч150 мм².

Электрод линии можно также соединить с точкой заземления преобразовательной подстанции при конструкции соединения в средней точке, при этом питающая линия 21 имеет сопротивление 22 запитывания, как показано на Фиг.3. Еще одна конструкция соединения показана на Фиг.4, в которой электрод линии подсоединен в виде двух параллельных ветвей. Электрод состоит из первой ветви 23, имеющей сопротивление 24 первой ветви, и второй ветви 25, имеющей сопротивление 26 второй ветви. Первая ветвь соединена с каждой второй электродной секцией, а вторая ветвь соединена с остальными электродными секциями. Основное преимущество заключается в том, что баланс токов между двумя ветвями может быть измерен на преобразовательной подстанции, что облегчает обнаружение короткого замыкания на землю. Помимо этого, токораспределение улучшится тем же образом, как и в схеме с подводом в средней точке. Каждый второй подстроечный резистор соединен с одним из проводов электрода. Остальные подстроечные резисторы соединены с другим. При этом электрод состоит из двух равных ветвей. Основное преимущество состоит в том, что баланс токов между двумя ветвями может быть измерен в преобразовательной подстанции, что облегчает обнаружение короткого замыкания на землю. Помимо этого, токораспределение улучшится тем же образом, как и в схеме с подводом в средней точке.

Один электрод линии может охватывать примерно 250 опор линии ПТВН в случае номинального тока электрода в 3000 А. Когда имеются в распоряжении обе воздушные линии полюса и оба полюса преобразовательной подстанции, нужно использовать сбалансированный биполярный режим работы. Если один из полюсов преобразовательной подстанции должен быть недоступным, то необходимо как можно скорее применить металлический режим работы («металлический возврат») и поддерживать его до тех пор, пока не будет устранено короткое замыкание. Только после неудачной попытки поддержать напряжение одной линии будет происходить униполярная работа в течение длительного срока (около суток).

Технические преимущества состоят в следующем:

значительно сниженный по сравнению с обычными электродами электрический потенциал поверхности земли на расстоянии вплоть до 50-100 км от электрода;

сниженный риск появления токов утечки в трансформаторах и инфраструктуре;

не требуется отдельная электродная площадка;

используется полоса отчуждения линии постоянного тока;

в качестве электродных элементов (заземлителей) могут использоваться заземления основания опор общепринятой конструкции, с выполненными из меди заземляющими проводами.

Требуется некоторое вспомогательное оборудование и усиление конструкции линии. Для соединения электрода с преобразовательной подстанцией в линии ПТВН можно использовать усиленный(е) провод(а) с достаточной площадью поперечного сечения. В зависимости от конфигурации электрода нужен один или два провода. Провод(а) может быть изолирован одним единственным стеклянным, фарфоровым или композиционным опорным изолятором.

Чтобы свести к минимуму риск повреждений или опасность в случае короткого замыкания на землю, могут быть предприняты меры по обнаружению и защите от короткого замыкания на землю при помощи управляющих действий на преобразовательной подстанции. Обнаружение короткого замыкания на землю может быть основано на измерении тока небаланса в электродной схеме с двумя равными ветвями электрода и/или измерении сопротивления. Использование разрядников для защиты от перенапряжений на защитном проводе на каждой опоре, помимо обнаружения короткого замыкания на землю, уменьшит количество коротких замыканий на землю и повысит надежность защиты электрода.

Электрод должен быть сконструирован так, чтобы исключить даже кратковременные токи в смежной сети переменного тока и трансформаторах преобразовательной подстанции, которым требуется слабое электрическое поле на поверхности земли и слабое увеличение электрического потенциала земли. Для достижения низких напряжений на поверхности требуется достаточно длинный электрод линии. Необходимо учитывать коррозию, вызываемую с течением времени очень небольшим током небаланса во время нормальной биполярной работы. Поскольку при полном токе электрод будет работать очень редко и в течение коротких временных интервалов, обычно - одни сутки, вызванная в ходе униполярной работы коррозия будет маловажной проблемой. Напряжение прикосновения и шаговое напряжение на опорах электрода линии должно быть ниже допустимых значений. Электрод должен быть снабжен средствами обнаружения/защиты от замыкания на землю.

Согласно изобретению в качестве электрода используется линия постоянного тока. Это можно сделать путем изолирования заземляющих проводов и усиления их, чтобы они выдерживали полный постоянный ток. На каждой опоре некоторый ток поступает в землю через подстроечные резисторы. Благодаря этому электрод может быть выполнен очень длинным, обычно - примерно 100 км. Это является выгодным по сравнению с традиционными электродами, которые обычно являются круглыми с диаметром максимум 1000 м. Электрод линии может использоваться на одном или на обоих концах линии ПТВН-передачи.

Опорам от преобразовательной подстанции к дальнему концу электрода линии необходимы короткие изоляторы для провода(ов) электрода. Опоры электрода линии имеют подстроечный резистор, соединенный с проводом(ами) электрода, для достижения равномерного токораспределения. Этот резистор может быть предпочтительно установлен вблизи проводов электрода. При этом кабелю, идущему от резистора вниз к заземлению основания опоры, изолирование не требуется (или требуется очень небольшое). Заземление основания опоры служит в качестве заземляющего электрода электрода линии. Заземление основания опоры относится к общеизвестному типу, состоят, например, из радиальных противовесов или непрерывного противовеса. Тем не менее, общую площадь поперечного сечения заземляющих проводов можно увеличить ввиду дополнительной, связанной с постоянным током коррозии, которая невелика, но и не является пренебрежимо малой с течением времени. При необходимости в основании опоры можно предусмотреть кольца, выравнивающие распределение потенциала.

Усиленный(е) провод(а) электрода линии ПТВН используют для соединения электрода линии с нулевой шиной преобразователя ПТВН. Провода должны быть изолированы на каждой опоре от подстанции к дальнему концу электрода линии. Провод(а) может(могут) также содержать оптические волокна для связи. Низкое сопротивление защитных проводов вдоль электрода линии содействует равномерному токораспределению между заземляющими электродами. Сопротивление между преобразовательной подстанцией и точкой запитывания электрода не влияет на токораспределение, но потери мощности растут с увеличением сопротивления.

Обычный молниезащитный трос со встроенным волоконноптическим кабелем рассчитан на слишком низкую максимальную допустимую нагрузку, чтобы выдержать предусматриваемый номинальный ток (3000 А). Например, максимальная непрерывная нагрузка OPGW с наибольшим сечением, выпускаемым компанией ALCATEL, составляет 763 А. Вместо него можно использовать два фазных провода со встроенным волоконнооптическим кабелем (OPPC). Например, АААС (провод из алюминия/алюминиевого сплава) с сечением 946 мм², рассчитанный на

1766 А каждый.

В случае волоконноптического фазного провода с сечением 946 мм² (Lumpi) сопротивление постоянному току этого провода составляет 0,0356 Ом/км. Результирующее сопротивление между соседними опорами в электроде линии составит 0,00712 Ом (длина пролета - 400 м). Однако возможны и другие решения без оптического кабеля. Низкое сопротивление улучшает токораспределение в электроде линии. Поэтому альтернатива состоит в том, чтобы использовать - по меньшей мере в пределах электродной части линии - два защитных провода крупного сечения, чтобы достичь низкого сопротивления. Например, провод Jorea ACSR1, с сечением 1274 мм², с сопротивлением 0,0226 Ом/км. Поперечное соединение между двумя проводами на каждой опоре в этом случае приводит к сопротивлению 0,00453 Ом между соседними опорами.

Хотя они и выгодны, объем изобретения не должен ограничиваться приведенными здесь вариантами реализации, но также включает в себя и варианты реализации, очевидные специалисту в данной области техники. Например, электрод линии может в равной мере содержать изолированный кабель в земле. Кроме того, электродные элементы могут быть выполнены с обычной конструкцией и установлены между опорами. В усовершенствованном варианте изобретения для электрода линии могут использоваться защитные провода.

Заземленный электрод для системы электропередачи постоянным током (ПТВН), которая имеет преобразовательную подстанцию (4) с точкой (3) заземления. Заземленный электрод соединен с точкой заземления и содержит множество электродных секций (1). Каждая электродная секция содержит по меньшей мере один электродный элемент (20). Изобретение позволяет обеспечить заземленный электрод для ПТВН-электропередачи с равномерным распределением электрического тока от точки заземления к каждому электродному элементу. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Заземленный электрод для системы электропередачи постоянным током высокого напряжения, имеющей преобразовательную подстанцию (4) с точкой (3) заземления, причем заземленный электрод соединен с точкой заземления и содержит множество электродных секций (1), при этом каждая электродная секция содержит по меньшей мере один электродный элемент (20), отличающийся тем, что заземленный электрод содержит электрод (2) линии, и тем, что каждая электродная секция (1) содержит подстроечный резистор (17) для соединения электродной секции с электродом линии.

2. Заземленный электрод по п.1, в котором электрод (2) линии одним концом соединен с точкой (3) заземления.

3. Заземленный электрод по п.1, в котором средняя точка электрода (2) линии соединена с точкой (3) заземления через питающий провод (21).

4. Заземленный электрод по любому из пп.1-3, в котором электрод линии включает в себя первую ветвь (23), соединенную с каждой второй электродной секцией, и вторую ветвь (25), соединенную с остальными электродными секциями.

5. Заземленный электрод по любому из пп.1-3, в котором электродная секция (1) включает в себя опору (8) линии, содержащую подстроечный резистор (17) и электродный элемент (20).

6. Заземленный электрод по п.4, в котором электродная секция (1) включает в себя опору (8) линии, содержащую подстроечный резистор (17) и электродный элемент (20).

7. Заземленный электрод по п.5, в котором электродный элемент включает в себя заземление (16) опоры.

8. Заземленный электрод по п.6, в котором электродный элемент включает в себя заземление (16) опоры.

9. Заземленный электрод по п.5, в котором электрод линии содержит провод (13), подвешенный с помощью изоляторов (14) на опоре (8).

10. Заземленный электрод по п.6 или 7, или 8, в котором электрод линии содержит провод (13), подвешенный с помощью изоляторов (14) на опоре (8).

11. Заземленный электрод по п.5, в котором электрод линии содержит защитный провод, который также выполняет функцию молниезащиты.

12. Заземленный электрод по п.6 или 9, в котором электрод линии содержит защитный провод, который также выполняет функцию молниезащиты.

13. Заземленный электрод по п.10, в котором электрод линии содержит защитный провод, который также выполняет функцию молниезащиты.

14. Способ заземления системы электропередачи постоянным током высокого напряжения, содержащей множество электродных секций (1), имеющих по меньшей мере один электродный элемент (20), отличающийся тем, что в каждой электродной секции обеспечивают подстроечный резистор (17), соединяют электродные секции с электродом (2) линии и подстраивают подстроечный резистор, чтобы уравнять электрический ток для каждой секции.

15. Способ по п.14, в котором электрод линии обеспечивают с уменьшающейся проводящей площадью между каждым соединением секции в направлении от точки заземления.

16. Применение заземленного электрода по любому из пп.1-13 или способа по любому из пп.14-15 для заземления системы электропередачи постоянным током высокого напряжения.