"Новости Электротехники": "Энергетика и Электротехника

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №4(16) 2002

Применение современного оборудования — повод изменить традиционные схемы электроснабжения

Не так давно на отечественном рынке электрооборудования появилась новая продукция — кабели на среднее напряжение 6-10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Их преимуществами по сравнению с широко применяемыми ныне кабелями с бумажной изоляцией являются:

высокие диэлектрические свойства и малая гигроскопичность;
большая пропускная способность;
большой запас термической стойкости;
отсутствие ограничения разницы уровней при прокладке;
малый вес, меньший диаметр и радиус изгиба;
большие строительные длины и др.

Существуют два варианта исполнения этих кабелей - трехжильный (трехфазный) и одножильный (однофазный). В основном кабели выпускаются в одножильном исполнении, а применение различных типов оболочек и возможность герметизации позволяют использовать кабель как для прокладки в земле, так и для кабельных сооружений. Кроме того, одножильный кабель отличается весьма существенными преимуществами по сравнению с трехжильным, поэтому далее речь пойдет о применении именно этого кабеля.

Рис. 1

Если сравнивать лишь капитальные затраты, то преимущества кабелей из сшитого полиэтилена перед трехжильными с бумажной изоляцией не очевидны. Совсем иная картина получится, если учесть технические характеристики этих кабелей. Они таковы, что позволяют не только снизить затраты на эксплуатацию, но и критически взглянуть на традиционно применяемые схемы электроснабжения потребителей, пойти на определенное упрощение схем, что значительно повысит эффективность применения кабелей из сшитого полиэтилена.

Преимущества одножильного кабеля
Применение одножильного кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена позволяет обеспечить прежде всего повышенную надежность кабельной линии за счет резкого снижения вероятности междуфазных коротких замыканий, т.к. для этого необходимо, чтобы в одном месте в одно время разрушилась изоляция двух конструктивно не связанных между собой кабелей. Очевидно, что при грамотной прокладке кабелей такая вероятность чрезвычайно мала.
Известно также, что наиболее повреждаемой частью кабельных линий являются не столько сами кабели, сколько кабельные соединительные и концевые муфты.
В этом отношении преимущества применения одножильных кабелей из сшитого полиэтилена очевидны. Вероятность междуфазных повреждений в концевой муфте такого кабеля 10 кВ (рис. 1) соответствует вероятности междуфазных повреждений ошиновки с изолированными шинами, т.е. весьма мала.
Рассмотрим другой вид повреждений - однофазные замыкания на землю. Надо отметить, что вероятность таких повреждений при применении одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена намного меньше, чем при использовании трехжильных кабелей с бумажной изоляцией. Это достигается как самой конструкцией одножильных кабелей из сшитого полиэтилена, так и лучшими диэлектрическими свойствами его изоляции. Кроме этого, важно, что в сетях с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью, к которым относятся отечественные сети 6-10 кВ, немедленное отключение линии при однофазных замыканиях на землю в соответствии с ПУЭ не требуется. В зависимости от величины тока замыкания на землю и состава потребителей работа при таком виде повреждений может продолжаться от 2 до 6 часов. Современные средства и приборы позволяют за это время определить место повреждения кабельной линии и подготовить потребителя к кратковременному отключению в наиболее благоприятное время с наименьшим ущербом. А специальные удлиненные ремонтные муфты позволяют заменить поврежденный отрезок кабеля за 20-30 минут против 16 часов, которые требуются на восстановление кабеля с бумажной изоляцией согласно отечественному опыту.
(При определении допустимой продолжительности работы сети 6-10 кВ в случае однофазного замыкания на землю большое значение имеет наличие и использование устройств автоматической компенсации емкостных токов замыкания на землю, при резонансной настройке которых 1-я гармоническая в токе замыкания на землю вообще отсутствует. Важным фактором является также правильный выбор и расстановка ограничителей перенапряжения — ОПН).
Из вышеизложенного можно сделать два важных вывода:
1. При правильной прокладке однофазных кабелей 10 кВ из сшитого полиэтилена серьезных повреждений, сопровождающихся большими токами и требующих немедленного отключения потребителей, можно не опасаться.
2. Повреждения, сопровождающиеся незначительными токами и не требующие немедленного отключения, маловероятны и легко устранимы без значительного ущерба для потребителя.

Традиционная схема		Предлагаемая схема
Рис. 2		Рис. 3

Две линии — излишек
Каким образом вышеуказанные качества этих кабелей можно было бы использовать при выборе схем электроснабжения? Рассмотрим показанную на рис. 2 традиционную схему электроснабжения потребителей электроэнергии, питающихся по кабельным линиям (КЛ) с применением трехжильных кабелей с бумажной изоляцией.
В составе потребителей, как правило, имеются электроприемники различных категорий по надежности электроснабжения, поэтому их питание осуществляется по двум взаиморезервирующим линиям, каждая из которых рассчитана практически на полную нагрузку и поэтому постоянно загружена лишь наполовину своей пропускной способности. По существу, такие схемы требуют удвоенного расхода кабелей, однако с этим давно смирились и это нормативно узаконено.
Следует обратить внимание на то, что действующие ПУЭ допускают питание потребителей 2-й (наиболее распространенной) категории по одной воздушной линии (ВЛ). При питании же по кабельной линии правила требуют, чтобы она состояла не менее чем из двух кабелей (п. 1.2.19 ПУЭ).
Чем же объяснить такую «дискриминацию» кабелей по сравнению с ВЛ? Ответ очевиден — дело в большей надежности, легкости определения места повреждения и его устранения на ВЛ по сравнению с КЛ, выполненной трехжильным трехфазным кабелем.
Но такой подход справедлив по отношению к традиционно применяемым трехфазным кабелям с бумажной изоляцией и недостаточно надежными, часто повреждаемыми соединительными и концевыми муфтами. Опыт эксплуатации одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в зарубежных странах позволяет утверждать, что они надежны (по статистике повреждаемость таких кабелей, проложенных в Германии с 1982 года, составляет всего 0,02-0,05 повреждений на 100 км в год против 7,5 повреждений кабелей с бумажной изоляцией по отечественной статистике). Возможность же быстрого поиска места повреждения и его устранения ничуть не ниже, а может быть и выше, чем на воздушной линии. Следует также учитывать, что ВЛ подвержены еще атмосферным воздействиям, чего нет на КЛ.
Логика говорит о том, что питание электроприемников 3-й и 2-й категории надежности можно вполне допустить по одной КЛ, состоящей из трех одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Особая группа 1-ой категории требует собственного независимого источника
Но возникает вопрос — как в этом случае быть с электроприемниками 1-й категории по надежности электроснабжения?
Если не рассматривать крупные предприятия с непрерывным технологическим процессом, то в подавляющем большинстве случаев электроприемников 1-й категории у потребителей относительно немного. Как правило, к таким электроприемникам относятся пожарные насосы, аварийное освещение, вентиляция взрывопожароопасных зон, приборы и средства управления, измерения и сигнализации (КИП) и тому подобное. Электроприемников особой группы 1-й категории, как, например, эвакуационное электроосвещение, еще меньше.
Для питания таких электроприемников, согласно ПУЭ, требуется независимый источник, в качестве которого используются специальные источники бесперебойного питания (ИБП), а при значительной мощности — аварийные дизель-генераторные станции.
Поскольку источники питания энергосистемы в соответствии с п. 1.2.13 ПУЭ не являются полностью независимыми, то для питания электроприемников особой группы 1-й категории, независимо от количества вводов от энергосистемы, все равно требуется собственный независимый источник.

Экономическая эффективность новой схемы
Таким образом, схема питания потребителей при использовании одножильных кабелей из сшитого полиэтилена может выглядеть следующим образом (рис. 3).

Рис. 4

Если принять во внимание статистические данные по количеству отказов сравниваемых кабелей, которые были приведены выше, то становится очевидным, что надежность схем, показанных на рисунках 2 и 3, практически одинакова, хотя на первый взгляд это может показаться парадоксальным.
Для логичного доказательства на одну чашу весов нужно положить плюсы традиционной схемы, а на другую ее минусы.
Плюсы: наличие двух параллельных взаиморезервирующих ветвей. Минусы:

гораздо большая вероятность повреждения трехфазных кабелей как за счет их конструктивных особенностей, качества изоляции, так и за счет значительно большей общей протяженности кабельной сети (8 км в схеме по рис. 2 против 3 км в схеме по рис. 3). Следует также принять во внимание, что в традиционной схеме мы будем иметь при длине кабельной трассы 1 км в общей сложности около 40 трехфазных концевых и соединительных кабельных муфт (являющихся основным источником аварий), против 12 однофазных, более надежных кабельных муфт во вновь предлагаемой схеме;
вероятность повреждения не только аварийного, но и соседних кабелей в связи с большими токами многофазных коротких замыканий, что при большом скоплении кабелей в кабельных сооружениях вызывает цепную реакцию, приводит к серьезным пожарам и ущербам для производства;
большие эксплуатационные затраты на текущее обслуживание и ремонт;
большие капитальные затраты на сами кабели и кабельные сооружения.

В целом ряде случаев минусы могут оказаться гораздо весомее плюсов. Как показывают расчеты, предлагаемая схема оказывается более эффективной уже при нагрузках 250 А и выше. В качестве примера в таблице приведены расчетные технико-экономические показатели двух схем для нагрузки потребителя 900 А при длине кабельной трассы 1 км.
Что касается годовых эксплуатационных расходов, то, кроме стоимости потерь электроэнергии и расходов на обслуживание и ремонт, они должны включать возможный ущерб при авариях на кабельных линиях.
Хотя потери электроэнергии во вновь предлагаемой схеме несколько выше, чем в традиционной за счет меньшего суммарного сечения кабельных линий, эти дополнительные расходы с лихвой будут перекрываться значительно меньшими эксплуатационными расходами на текущее обслуживание, ремонт и меньшим ущербом при авариях.
Схему электроснабжения можно было бы еще более упростить, если применить ячейки КРУ с изолированными шинами, которые уже существуют и выпускаются (рис. 4). При этом вероятность междуфазных замыканий не только в кабельной линии, но и в КРУ-10 кВ будет сведена к минимуму.