DE3340124C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine symmetrische antiparallele Schaltung von Silicium-Leistungsdioden beim kathodischen Korrosionsschutz für Stahlrohre von Hochspannungskabeln, mit einer gleichen An­ zahl von mindestens einer Diode im positiven wie im negativen Zweig, wobei die Dioden in beiden Zweigen die gleiche Spitzen­ sperrspannung haben. Sie betrifft weiter eine entsprechende asymmetrische Schaltung, mit einer Diode im positiven Zweig und mehreren Dioden im negativen Zweig. Sie bezweckt, diese Schal­ tungen bei ihrer Anwendung als Abgrenzeinheit oder als Poten­ tialventil gegen transiente Überspannungen, wie sie bei Schalt­ vorgängen in Hochspannungsanlagen auftreten, widerstandsfähig zu machen.The invention relates to a symmetrical anti-parallel circuit of silicon power diodes for cathodic corrosion protection for steel pipes of high-voltage cables, with the same type number of at least one diode in both positive and negative Branch, the diodes in both branches having the same tips have blocking voltage. It also affects a corresponding one asymmetrical circuit, with a diode in the positive branch and several diodes in the negative branch. The purpose of this scarf is when used as a delimitation unit or as pots tial valve against transient overvoltages, as in switching occurrences in high-voltage systems, resistant to do.

Der kathodische Korrosionsschutz für Stahlrohre von Hochspan­ nungskabeln ist seit längerem bekannt, siehe Handbuch des katho­ dischen Korrosionsschutzes von W. v. Beckmann und W. Schwenk, Verlag Chemie, Weinheim (1980) S. 293-99. Hochspannungskabel für Netze von 60 kV und höher werden überwiegend in Stahlrohren ver­ legt. Zur Verhütung unzulässig hoher Berührungsspannungen sind diese Rohre in den Stationen oder im Netz mit niederohmigen Erdungen verbunden. Die Größe der zulässigen Berührungsspannung ist im allgemeinen mit 65 V vorgeschrieben. Im Gegensatz dazu verlangt aber der kathodische Korrosionsschutz, daß die gesamte Rohrleitung gegen Erde isoliert sein muß. Hier ist ein konven­ tioneller Korrosionsschutz dann möglich, wenn die Rohrleitung von den Erdungen durch besondere Abgrenzeinheiten getrennt wird.Cathodic corrosion protection for steel pipes from Hochspan Power cables have been known for a long time, see the Katho manual corrosion protection by W. v. Beckmann and W. Schwenk, Verlag Chemie, Weinheim (1980) pp. 293-99. High voltage cables for Grids of 60 kV and higher are mainly used in steel pipes sets. To prevent inadmissibly high contact voltages these pipes in the stations or in the network with low resistance Grounding connected. The size of the allowable touch voltage is generally prescribed with 65 V. In contrast to But cathodic corrosion protection requires that the entire Pipeline must be insulated from earth. Here is a convention tional corrosion protection possible if the pipeline is separated from the earthing by special delimitation units.

Eine Abgrenzeinheit muß also zwei gegensätzliche Aufgaben er­ füllen: Zum einen muß sie die für den kathodischen Schutz erfor­ derliche Differenzgleichspannung zwischen der Rohrleitung und der Erde aufrechterhalten, und zum anderen muß sie störungs­ bedingte Erdfehlerströme, die in der Rohrleitung auftreten können, zur Erdungsanlage ableiten. Die Bauteile der Abgrenz­ einheiten dürfen weder durch Erdkurzschluß- noch durch Erd­ schlußströme zerstört werden. Da beide Forderungen für beide Halbschwingungen des Stromes zu erfüllen sind, muß eine Abgrenz­ einheit mit Dioden aus zwei antiparallel geschalteten Dioden­ zweigen bestehen.A delimitation unit must therefore perform two opposite tasks fill: On the one hand, it needs to be researched for cathodic protection differential DC voltage between the pipeline and maintain the earth, and on the other hand it must be disturbing conditional earth leakage currents that occur in the pipeline can lead to the earthing system. The components of the demarcation  units must not be short-circuited or earth final currents are destroyed. Since both demands for both Half-vibrations of the current must be met, there must be a delimitation Unit with diodes made of two diodes connected in anti-parallel branches exist.

Silicium-Dioden haben auch bei Beanspruchung in ihrer Durchlaß­ richtung einen verhältnismäßig hohen Widerstand, wenn die Schleusenspannung von etwa 0,7 V nicht überschritten wird. Durch die Diode ist die Rohrleitung mit der Erde so hochohmig ver­ bunden, daß der kathodische Schutz nicht beeinträchtigt wird. Durch Reihenschaltung mehrerer Dioden kann die Schleusenspannung auf den gewünschten Betrag erhöht werden. Wird die Schleusen­ spannung der Dioden überschritten, nimmt der Widerstand der Ab­ grenzeinheit ab, wodurch die Rohrleitung in beiden Stromrich­ tungen mit der Erde niederohmig verbunden wird.Silicon diodes have a passageway even when stressed direction a relatively high resistance if the Lock voltage of about 0.7 V is not exceeded. By the diode is the pipeline with the earth so high impedance ver bound that the cathodic protection is not impaired. By connecting several diodes in series, the lock voltage be increased to the desired amount. Will the locks voltage of the diodes exceeded, the resistance of the Ab limit unit, which means that the pipeline in both connections to the earth with low resistance.

In dem genannten Handbuch ist eine Diodenabgrenzeinheit be­ schrieben, bei der in den beiden Schaltungszweigen jeweils die gleiche Anzahl von Dioden eingesetzt ist (symmetrische Schal­ tung). Dabei sind zum Schutz der Dioden bei Spannungsspitzen und hohen Kurzschlußströmen eine Durchschlagssicherung sowie ein RC- Glied parallelgeschaltet und eine Drossel vorgeschaltet. Diese Schutzglieder erfordern einen gewissen Wartungsaufwand, der un­ erwünscht ist.In the manual mentioned, a diode delimitation unit is described, in which the same number of diodes is used in each of the two circuit branches (symmetrical switching device). To protect the diodes from voltage peaks and high short-circuit currents, a breakdown fuse and an RC element are connected in parallel and a choke connected upstream. These protection elements require a certain amount of maintenance, which is undesirable.

Weiter ist in dem Aufsatz von J. Pestka in Z. 3R International (1983) S. 228-31 eine Diodenabgrenzeinheit beschrieben, bei der im positiven Zweig nur eine Diode, im negativen Zweig dagegen mehrere (im allgemeinen vier) Dioden eingesetzt sind (asymmetri­ sche Schaltung). Betriebserfahrungen und Untersuchungen haben ergeben, daß eine solche Abgrenzeinheit, bei der alle Dioden die gleiche Spitzensperrspannung haben, bei einer Beanspruchung durch transiente Überspannungen defekt werden kann.Further in the essay by J. Pestka in Z. 3R International (1983) pp. 228-31 described a diode delimitation unit in which only one diode in the positive branch, but in the negative branch several (generally four) diodes are used (asymmetric circuit). Have operational experience and investigations show that such a delimitation unit in which all the diodes have the same peak reverse voltage when subjected to a load can become defective due to transient overvoltages.

Es gibt nun Anlagen mit Hochspannungskabeln in Stahlrohren, die auf ihrer Strecke teils im Erdboden, teils in der Luft auf einer Tragkonstruktion (etwa auf einer Rohrbrücke) installiert sind, und bei denen das Stahlrohr auf der Strecke in Luft nicht elek­ trisch isoliert ist. Hier ist bei der Einrichtung des kathodi­ schen Schutzes besondere Sorgfalt auf die galvanische Trennung des Stahlrohres von den geerdeten Teilen der Tragkonstruktion zu legen, damit das erforderliche Schutzpotential auf den in Erde liegenden Strecken mit wirtschaftlich vertretbaren Mitteln er­ reicht werden kann. Die Brückenstrecke der Rohrleitung braucht zwar keinen kathodischen Schutz, aber auch sie muß gegen Über­ spannungen gesichert sein. Sie liegt im sogenannten Handbereich und muß zum Schutz des Brücken-Wartungspersonals und zum Schutz benachbarter Versorgungsleitungen, durch die häufig auch brenn­ bare Gase oder Flüssigkeiten trransportiert werden, potential­ mäßig so geschützt werden, daß beim Auftreten von Überspannungen durch Erdfehlerströme oder transiente Schaltvorgänge Berührungs­ spannungen über 65 V bzw. Funkenbildung zwischen dem Kabelrohr und anderen Leitungen oder Konstruktionsteilen sicher vermieden werden.There are now systems with high-voltage cables in steel pipes that on their route partly in the ground, partly in the air on one  Supporting structure (e.g. on a pipe bridge) are installed, and where the steel pipe on the track is not electric in air is trically isolated. Here's when setting up the cathodi protection, special care must be taken with regard to galvanic isolation of the steel pipe from the earthed parts of the supporting structure so that the necessary protection potential on the ground lying routes with economically justifiable means can be enough. The bridge section of the pipeline needs no cathodic protection, but it also has to protect against tensions are secured. It lies in the so-called hand area and must protect and protect the bridge maintenance personnel neighboring supply lines, through which often burn bare gases or liquids are transported, potential be moderately protected so that when overvoltages occur through earth leakage currents or transient switching operations voltages above 65 V or sparking between the cable duct and other lines or construction parts safely avoided will.

Mit den bisher bekannten Bauelementen (etwa mit Durchschlags­ sicherungen oder spannungsabhängigen Widerständen) ist eine Überspannungsbegrenzung nur unbefriedigend zu erreichen, weil diese Bauelemente in ihrer Funktion zu langsam (bei transienten Überspannungen) oder nicht über mehrere Stunden mit hohen Strömen (Erdfehlerströme in gelöschten Netzen) belastbar sind. Außerdem ist die automatische Wiederherstellung der galvanischen Trennung der Rohrleitung von der geerdeten Tragkonstruktion nach der Be­ endigung der Überspannungsbeanspruchung nicht möglich.With the previously known components (such as with a punch fuses or voltage-dependent resistors) is one Surge limitation can only be achieved unsatisfactorily because these components function too slowly (with transients Surges) or not for several hours with high currents (Earth leakage currents in deleted networks) are resilient. Furthermore is the automatic restoration of the galvanic isolation the pipeline from the earthed support structure according to the Be The surge voltage cannot be ended.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beiden bekannten Diodenabgrenzeinheiten so auszubilden, daß sie bei transienten Überspannungen sicher sind, und zwar so sicher, daß man auf zusätzliche Schutzglieder verzichten kann, und es liegt ihr die weitere Aufgabe zugrunde, bei der vorbeschriebenen Kabelanlage zum einen die Überspannungsbegrenzung sicherzustellen und zum anderen jene galvanische Trennung automatisch wiederherzu­ stellen. The invention has for its object the two known Form diode delimitation units so that they are transient Surges are safe, and so sure that you are on can do without additional protective elements, and it suits her further task based on the cable system described above on the one hand to ensure the overvoltage limitation and on the other others to automatically restore that galvanic isolation put.  

Diese Aufgabe wird bei einer symmetrischen Schaltung erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß in jeden Zweig mindestens eine Diode geschaltet ist, deren Spitzensperrspannung über 2000 Volt beträgt, bei einer asymmetrischen Schaltung dadurch, daß die Spitzensperrspannung der einzelnen Diode im positiven Zweig so groß ist wie die Summe der Spitzensperrspannungen der Dioden im negativen Zweig, wobei jene mindestens 2200 V beträgt.This task is fiction, in a symmetrical circuit accordingly solved in that at least one diode in each branch is switched, whose peak reverse voltage is over 2000 volts is in an asymmetrical circuit in that the Peak reverse voltage of the individual diode in the positive branch see above is the same as the sum of the peak reverse voltages of the diodes in the negative branch, which is at least 2200 V.

Die symmetrische Schaltung ist nach der weiteren Erfindung dadurch vorteilhaft ausgestaltet, daß in jeden Zweig 2 oder 3 Dioden geschaltet sind, wobei die Spitzensperrspannung jeder Diode über 2000 V beträgt.The symmetrical circuit is according to the further invention thereby advantageously configured that 2 or 3 Diodes are connected, the peak reverse voltage each Diode is above 2000 V.

Und die weitere Aufgabe wird nach der weiteren Erfindung dadurch gelöst, daß die symmetrische Diodenschaltung als elektrisches Potentialventil - bei Hochspannungskabeln in Stahlrohren, die auf ihrer Strecke teils in Erde, teils in Luft auf einer Trag­ konstruktion installiert sind, und bei denen das Stahlrohr auf der Strecke in Luft nicht elektrisch isoliert ist - zwischen das isoliert aufgestellte Stahlrohr des Kabels und dessen geerdete Tragkonstruktion oder die Tragkonstruktionserde geschaltet ist.And the further object is thereby according to the further invention solved that the symmetrical diode circuit as an electrical Potential valve - for high-voltage cables in steel pipes, the on their route partly in earth, partly in air on a support construction are installed, and where the steel pipe is on the route in air is not electrically isolated - between that isolated steel pipe of the cable and its grounded Supporting structure or the supporting structure earth is switched.

Vorzugsweise erfolgt diese Anwendung als Potentialventil mehr­ fach, wobei nach der weiteren Erfindung der Abstand zwischen den einzelnen Potentialventilen so bemessen ist, daß auch im ungün­ stigsten Überspannungsfall an dem vom jeweiligen Potentialventil entferntesten Punkt des Rohres nur ein Spannungswert unter 65 V erreicht wird.This application is preferably carried out as a potential valve fold, whereby according to the further invention the distance between the individual potential valves is dimensioned so that even in the wrong Most overvoltage in the case of the respective potential valve most distant point of the tube only a voltage value below 65 V is achieved.

Der wesentliche Vorteil der genannten Schaltungen besteht darin, daß diese bei transienten Überspannungen sicher sind, ohne daß zusätzliche Schutzglieder eingesetzt werden müssen. - Mit der symmetrischen Schaltung erreicht man noch folgende Vorteile:The main advantage of the circuits mentioned is that they in the case of transient overvoltages are safe without that additional protective elements must be used. - With The symmetrical circuit offers the following advantages:

• 1. Bei der Ableitung von Erdfehlerströmen werden die Dioden in beiden Zweigen gleichmäßig belastet.1. When deriving earth leakage currents, the diodes in both branches equally loaded.
• 2. Die für die Beurteilung des kathodischen Schutzes erforder­ liche Messung des Ausschaltpotentials ist möglich, ohne daß die Abgrenzeinheit von der Rohrleitung getrennt werden muß. Dies ist möglich, weil die symmetrische Schaltung der Dioden eine potentialerzeugende Gleichrichterwirkung ausschließt, die bei einer asymmetrischen Schaltung zu Fehlmessungen führen kann. - Auch gibt es ohne Gleichrichterwirkung keinen anodischen Massenabtrag von der Erdungsanlage.2. The necessary for the assessment of cathodic protection Liche measurement of the switch-off potential is possible without  the demarcation unit must be disconnected from the pipeline. This is possible because of the symmetrical connection of the diodes excludes a potential-generating rectifier effect, which leads to incorrect measurements with an asymmetrical circuit can lead. - There is also none without a rectifier effect anodic mass removal from the earthing system.
• 3. Messungen an der Kabelanlage sind ebenfalls möglich, ohne daß die Abgrenzeinheit hiervon getrennt werden muß, so daß zum einen die Energieübertragung der Kabelanlage nicht unterbro­ chen zu werden braucht und zum anderen der Schutz gegen un­ zulässig hohe Berührungsspannungen jederzeit gewährleistet bleibt.3. Measurements on the cable system are also possible without the demarcation unit must be separated from it, so that at not interrupting the power transmission of the cable system needs to become and on the other hand protection against un permissible high contact voltages guaranteed at all times remains.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in der Zeichnung dargestellt. Es zeigtThree embodiments of the invention are shown schematically in FIG Drawing shown. It shows

Fig. 1 eine Abgrenzeinheit mit asymmetrischer Diodenschaltung, Fig. 1 is a Abgrenzeinheit with asymmetrical diode circuit,

Fig. 2 eine solche mit symmetrischer Diodenschaltung, und Fig. 2 such with a symmetrical diode circuit, and

Fig. 3 den Einsatz der symmetrischen Schaltung als Potential­ ventil bei einem Hochspannungskabel im Stahlrohr, das auf einer Strecke teils in Erde, teils in Luft (auf einer Rohrbrücke) verläuft. Fig. 3 shows the use of the symmetrical circuit as a potential valve in a high-voltage cable in a steel pipe, which runs on a section partly in earth, partly in air (on a pipe bridge).

• Bezeichnet sind mit R  Rohr (Stahlrohr des Hochspannungskabels)
  E  Erde (Erdungsanlage)
  PZ  positiver Zweig der antiparallelen Diodenschaltung
  NZ  negativer Zweig hiervon
  D  Dioden (Silicium-Leistungsdioden)
  RE  Rohrstrecke in Erde
  RL  Rohrstrecke in Luft (Rohrbrücke)
  S  Stützer mit isolierter Rohrauflage
  P  PotentialventileAre marked with R tube (steel tube of the high-voltage cable)
  E earth (earthing system)
  PZ positive branch of the anti-parallel diode circuit
  NZ negative branch of this
  D diodes (silicon power diodes)
  RE pipe section in earth
  RL pipe section in air (pipe bridge)
  S support with insulated pipe support
  P potential valves

Bei der asymmetrischen Schaltung in Fig. 1 hat die einzelne Silicium-Leistungsdiode D im positiven Zweig PZ eine garantierte Spitzensperrspannung V _s von mindestens 2200 V. Bei 4 Dioden im negativen Zweig NZ hat jede von ihnen eine V _s von rund 550 V. In the asymmetrical circuit in FIG. 1, the individual silicon power diode D in the positive branch PZ has a guaranteed peak blocking voltage V _s of at least 2200 V. With 4 diodes in the negative branch NZ each of them has a V _s of around 550 V.

Bei der symmetrischen Schaltung in Fig. 2 haben alle Dioden eine Spitzensperrspannung V _s von über 2000 V. Bei Abgrenzeinheiten mit symmetrischer Schaltung werden im allgemeinen in jedem Zweig 2 oder 3 dieser Dioden eingesetzt. - Bei den Potentialventilen in Fig. 3 ist zwar in jedem Zweig nur eine solche Diode eingesetzt, es können aber auch mehrere sein.In the symmetrical circuit in FIG. 2, all diodes have a peak blocking voltage V _s of over 2000 V. In the case of delimitation units with a symmetrical circuit, 2 or 3 of these diodes are generally used in each branch. - With the potential valves in FIG. 3, only one such diode is used in each branch, but there may also be several.

Claims (5)

1. Symmetrische antiparallele Schaltung von Silicium-Leistungs­ dioden beim kathodischen Korrosionsschutz für Stahlrohre von Hochspannungskabeln, mit einer gleichen Anzahl von mindestens einer Diode (D) im positiven wie im negativen Zweig (PZ bzw. NZ), wobei die Dioden in beiden Zweigen die gleiche Spitzen­ sperrspannung haben, dadurch gekennzeich­ net, daß in jeden Zweig (PZ bzw. NZ) mindestens eine Diode (D) geschaltet ist, deren Spitzensperrspannung über 2000 Volt beträgt.1. Symmetrical antiparallel circuit of silicon power diodes for cathodic corrosion protection for steel pipes of high-voltage cables, with an equal number of at least one diode (D) in the positive and in the negative branch (PZ or NZ) , the diodes in both branches being the same Have peak reverse voltage, characterized in that at least one diode (D) is connected in each branch (PZ or NZ), the peak reverse voltage is over 2000 volts. 2. Diodenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in jeden Zweig (PZ bzw. NZ) 2 oder 3 Dioden geschaltet sind, wobei die Spitzensperrspannung jeder Diode über 2000 V beträgt.2. Diode circuit according to claim 1, characterized in that 2 or 3 diodes are connected in each branch (PZ or NZ) , the peak reverse voltage of each diode being over 2000 V. 3. Asymmetrische antiparallele Schaltung von Silicium-Leistungs­ dioden beim kathodischen Korrosionsschutz für Stahlrohre von Hochspannungskabeln, mit einer Diode (D) im positiven Zweig (PZ) und mehreren Dioden (D) im negativen Zweig (NZ), da­ durch gekennzeichnet, daß die Spitzensperr­ spannung der einzelnen Diode (D) im positiven Zweig (PZ) so groß ist wie die Summe der Spitzensperrspannungen der Dioden (D) im negativen Zweig (NZ), wobei jene mindestens 2200 V beträgt.3. Asymmetric antiparallel circuit of silicon power diodes in cathodic corrosion protection for steel pipes of high-voltage cables, with a diode (D) in the positive branch (PZ) and several diodes (D) in the negative branch (NZ) , as characterized in that the tip lock voltage of the individual diode (D) in the positive branch (PZ) is as large as the sum of the peak blocking voltages of the diodes (D) in the negative branch (NZ) , which is at least 2200 V. 4. Anwendung einer Diodenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als elek­ trisches Potentialventil (P) - bei Hochspannungskabeln in Stahlrohren, die auf ihrer Strecke teils in Erde, teils in Luft auf einer Tragkonstruktion installiert sind, und bei de­ nen das Stahlrohr auf der Strecke in Luft (RL) nicht elek­ trisch isoliert ist - zwischen das isoliert aufgestellte Stahlrohr (RL) des Kabels und dessen geerdete Tragkonstruk­ tion oder die Tragkonstruktionserde (E) geschaltet ist. 4. Application of a diode circuit according to claim 1 or 2, characterized in that it as an elec trical potential valve (P) - in high-voltage cables in steel pipes, which are installed on their route partly in earth, partly in air on a supporting structure, and at de nen the steel pipe on the route in air (RL) is not electrically insulated - between the insulated steel pipe (RL) of the cable and its earthed support structure or the support structure earth (E) is connected. 5. Mehrfache Anwendung einer Diodenschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den einzelnen Potentialventilen (P) so bemessen ist, daß auch im ungünstigsten Überspannungsfall an dem vom je­ weiligen Potentialventil entferntesten Punkt des Rohres (RL) nur ein Spannungswert unter 65 V erreicht wird.5. Multiple use of a diode circuit according to claim 4, characterized in that the distance between the individual potential valves (P) is dimensioned such that even in the worst case of overvoltage at the point of the tube (RL) furthest from the respective potential valve only a voltage value below 65 V is reached.