 |
ПОДВОДНЫЕ КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ
Экологические аспекты проектирования
В России, как и во всем мире, строительство практически любых объектов, в том числе энергетических, сопровождается экологической экспертизой. Её цель – обеспечение требуемой безопасности объекта для окружающей среды в процессе его строительства и эксплуатации. В РАО «ЕЭС России» разработана экологическая политика, касающаяся, помимо прочего, предотвращения загрязнения водных объектов за счет сокращения различных сбросов в них. Но загрязнением рек и озер негативное влияние электроэнергетики на природу не ограничивается.
Например, серьезную угрозу для обитателей водоемов представляют линии электропередачи воздушного исполнения, пересекающие водоемы. К такому выводу несколько лет назад пришла группа ученых Новосибирского ГТУ под руководством профессора Киры Пантелеймоновны Кадомской, впервые в России исследовавшей негативное воздействие электромагнитного излучения на биосферу. Ученые установили, что электромагнитные поля, возникающие вследствие протекания тока, оказывают пагубное воздействие на рыбу.
Продолжая свои исследования, сибирские специалисты изучили влияние на ихтиофауну подводных кабельных линий, о чем рассказывают в своем материале.
Кира Кадомская, д.т.н., профессор
Семен Кандаков, аспирант
Юрий Лавров, к.т.н.
Новосибирский государственный технический университет
В последние годы всё чаще возникает необходимость передачи электроэнергии через водоемы. Такой способ электроснабжения островных или береговых потребителей имеет меньшие эксплуатационные затраты по сравнению с cооружением и дальнейшей эксплуатацией автономных электростанций, требующих зачастую постоянной поставки топлива. Кроме того, стоимость электроэнергии, вырабатываемой электростанциями относительно малой мощности, как правило, оказывается достаточно высокой.
Примерами подводной прокладки кабельных линий (КЛ) высокого напряжения (ВН) могут служить подводный кабельный переход через Анадырский лиман, осуществляющий передачу мощности в город Анадырь-2, расположенный на левом берегу Анадырского лимана, от Анадырской ТЭЦ, находящейся на правом берегу, а также подводная кабельная линия на озере Байкал для передачи электроэнергии с береговой подстанции на остров Ольхон. В обоих случаях использовался кабель с
пластмассовой изоляцией (КПИ) номинальным напряжением 35 кВ.
Очевидно, что подводная прокладка КЛ ВН приводит к ряду экологических проблем, связанных в основном с двумя потенциально опасными видами антропогенного воздействия на ихтиофауну:
- механического, обусловленного образованием мелких взвесей в воде и изменением её гидротехнического состава в период проведения строительно-монтажных работ при прокладке КЛ;
- электромагнитного, за счет наличия в процессе эксплуатации КЛ электрического и магнитного полей вблизи трассы прокладки КЛ.
Первая проблема решается путем тщательного соблюдения технологической дисциплины при прокладке подводных КЛ, а в случае с нерестовым водоемом – разнесения во времени сроков проведения монтажных работ со сроками ската молоди и нерестовой миграции рыб.
Актуальность решения второй задачи обусловлена высокой чувствительностью рыб к различным характеристикам электромагнитного поля (ЭМП). Такая электрочувствительность позволяет рыбам получать биологически ценную информацию о фоновых и естественных электрических полях, ориентироваться в пространстве, находить добычу, общаться друг с другом, заблаговременно уходить из опасной зоны.
При превышении допустимых значений напряженности электрического и магнитного полей, а также плотности тока в пространстве, окружающем КЛ, у рыб возникает устойчивая реакция отпугивания или реакция иммобилизации. В первом случае трасса КЛ может являться искусственным препятствием для миграции рыб и отрицательно сказаться на процессе жизнедеятельности рыб, в том числе на нересте лососевых (или осетровых) и скате их молоди. В случае достижения порога иммобилизации у рыб возникает паралич мышц и дыхания, что может, в зависимости от времени пребывания в зоне ЭМП, сопровождаться их гибелью.
Следовательно, уже на стадии проектирования подводных КЛ необходимо провести анализ электромагнитной обстановки в водной среде по трассе КЛ для оценки допустимости антропогенного влияния на биосферу водоема и, в частности, на условия жизнедеятельности тех представителей ихтиофауны, которые обитают, нерестятся или мигрируют в пересекаемом КЛ водоеме.
При необходимости следует разработать соответствующие организационно-технические меры по обеспечению естественного природного поведения или приемлемой жизнедеятельности представителей ихтиофауны.
Анализ электромагнитной совместимости (ЭМС) подводных КЛ с ихтиофауной распадается на две подзадачи:
- теоретические и экспериментальные исследования интенсивности ЭМП в водной среде по трассе подводной КЛ;
- сравнение полученных количественных характеристик ЭМП с пороговыми значениями реакций возбуждения и иммобилизации тех видов рыб, которые обитают или нерестятся в пересекаемом КЛ водоеме.
Ниже на основе результатов исследований, проведенных в последние 10 лет на кафедре «Техника и электрофизика высоких напряжений» НГТУ, приводятся основные факторы, которые необходимо учитывать при проектировании подводных КЛ для обеспечения их ЭМС с ихтиофауной.
ПОРОГОВЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ЭМП
При всем многообразии реакций организма рыб (от внутриклеточных процессов до поведенческих) основное значение при анализе ЭМС подводных КЛ с ихтиофауной придается системе ориентации рыб в пространстве и времени, в том числе при миграциях и при координации и взаимодействиях особей в группах.
На рис.1 приведены характерные зоны влияния на ихтиофауну неоднородного ЭМП переменного тока. Если градиент на пряженности ЭМП в зоне градиентной ориентации (область r1…r3) превышает определенное значение, то возникает реакция отпугивания и рыба движется в область пониженных напряженностей ЭМП. Если же градиент напряженности невелик, то рыба продолжает двигаться к источнику поля и попадает в зону иммобилизации (между источником и границей r3), в которой наступает гибель особи в результате электрошока (электронаркоза), сопровождающегося параличом дыхания и мышц.
Рис.1. Зоны характерного поведения рыб в неоднородном электрическом поле переменного тока
Обзор литературных данных показал, что наиболее информативными показателями воздействия ЭМП на ихтиофауну являются напряженность электрического поля (Е) и плотность продольного тока (d) в водной среде. В табл. 1 в качестве примера приведены пороговые значения характеристик ЭМП переменного тока для различных реакций некоторых видов рыб [1, 2]. Из приведенных данных видно, что электрочувствительность рыб зависит от вида и размеров рыбы, удельной проводимости и температуры воды.
Таблица 1. Пороговые значения характеристик электрического поля переменного тока
gв – удельная проводимость воды; tв – температура воды.
Таким образом, пороговые значения плотностей продольного тока, отвечающих реакциям возбуждения и иммобилизации, для разных видов рыб лежат в диапазонах: dвозб = 0,01–0,15 А/м2, dиммоб = 0,05–0,25 А/м2.
При проектировании подводных КЛ переменного тока следует ориентироваться на пороговое значение реакции возбуждения dрасч < dвозб. Поведение рыб, попавших в зону dрасч = dвозб, зависит от крутизны спада dрасч в радиальном направлении: если крутизна спада большая, то возникает реакция отпугивания и рыба уплывает из опасной зоны. Если же скорость спада небольшая, то рыба приближается к кабелю и достигает зоны dрасч = dиммоб, что приводит к её гибели. Но и отпугивание рыбы может привести к нежелательным последствиям. Например, во время миграции или нереста нарушаются вековые традиции в жизненном цикле рыбы, что также в большинстве случаев приводит к её гибели и в конечном итоге к потере промыслового водоема.
КОНСТРУКЦИИ КЛ ПОДВОДНОГО ИСПОЛНЕНИЯ И СПОСОБЫ ПРОКЛАДКИ
В настоящее время кабели с пропитанной бумажной изоляцией и маслонаполненные кабели постепенно уступают свое место кабелям нового поколения – с пластмассовой изоляцией (КПИ). Поэтому подводные КЛ проектируются, как правило, на основе КПИ 35–110 кВ. При этом в качестве альтернативных конструкций для подводного исполнения могут рассматриваться кабели как однофазного исполнения (ОИ), так и трехфазного исполнения (ТИ).
Из-за больших механических нагрузок в водной среде КПИ однофазного и трехфазного исполнений для подводной прокладки выполняются в броне. Эскизы конструкций КПИ приведены на рис. 2.
Рис.2. Подводные КЛ однофазного (а) и трехфазного (б) исполнения.
1 – многопроволочная медная жила;
2 – полупроводящий слой по жиле;
3 – изоляция из сшитого полиэтилена (СПЭ);
4 – полупроводящий слой по изоляции;
5, 6 – экран из медной проволоки и медной ленты;
7 – водонабухающий блокирующий слой;
8 – полиэтиленовая оболочка;
9 – три фазных изолированных провода с пропиленовыми лентами;
10 – оплетка, выполненная из пластиковых лент;
11 – подушка брони из полипропиленовых жгутов;
12 – броня из стальных проволок для КПИ ТИ и броня из стальных и медных проволок
для КПИ ОИ;
13 – защитная оболочка.
На практике, в зависимости от физико-механических свойств грунта и интенсивности судоходства пересекаемого КЛ водоема, можно прокладывать кабельные линии ОИ двумя способами: на дне водоема (рис. 3, а и б) и в траншее в дне водоема (рис. 3, в и г). И в том и другом случае возможно как горизонтальное расположение фаз на удалении 50–80 метров друг от друга, так и прокладка фаз треугольником вплотную.
Рис. 3. Различные способы прокладки подводных КЛ однофазного исполнения:
а) и б) – на дне водоема;
в) и г) – в траншее на дне водоема
ЭМС ПОДВОДНЫХ КАБЕЛЕЙ ОДНОФАЗНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
При прокладке трехфазной системы КЛ ОИ триаксиальной конструкции, в водоеме вдоль трассы каждой фазы КЛ течет ток, равный геометрической сумме токов в жиле, экране и броне. Вдоль трассы трехфазной КЛ в водоеме течет ток, равный геометрической сумме токов, инициируемых тремя фазами кабеля. Расчеты показывают, что при использовании КПИ ОИ плотность этого тока в зависимости от конструкции КПИ и режимов его эксплуатации может превысить допустимые для ихтиофауны пороги чувствительности электромагнитного поля.
Уменьшения плотности продольного тока в водной среде, инициируемой тремя фазами кабеля (рис. 3, а), можно добиться путем такого расположения фаз, при котором электромагнитные поля, инициируемые отдельными фазами, по возможности компенсировали бы друг друга. При прокладке КЛ ОИ такая компенсация достигается расположением фаз КЛ на поверхности дна водоема либо в траншее в вершинах правильного треугольника.
Результаты исследований, отраженных, в частности, в [3–5], показали, что электромагнитная совместимость ихтиофауны с подводными КЛ однофазного исполнения зависит от следующих факторов:
- конструктивного исполнения КПИ (толщины экрана и брони, а также материала, из которого они выполнены: экран из меди или алюминия, броня из стальных проволок или из комбинации медных и стальных проволок);
- мощности, передаваемой по КПИ, и способа их прокладки на дне водоема, а также от удельной проводимости водоема и его ихтиологической характеристики (видового разнообразия рыб, их миграции и нереста);
- значений пороговой чувствительности ЭМП рыбами, величина которой зависит от вида рыбы, её размеров и скорости движения, температуры воды и т.д.
Очевидно, что при прочих равных условиях интенсивность ЭМП в водной среде в случае бестраншейной (свободной) прокладки фаз превышает интенсивность при траншейной прокладке КЛ ОИ.
Таким образом, для создания приемлемого электромагнитного фона вблизи подводной КЛ ОИ необходимо принимать во внимание перечисленные выше факторы, т.е.:
- выдвигать на стадии проектирования соответствующие требования к конструкции КПИ;
- определять способ прокладки кабелей (свободная или траншейная) применительно к конкретному водоему;
- осуществлять соответствующий режим эксплуатации кабельной линии (например, рекомендовать в период нереста рыб снижение нагрузки КЛ).
Очевидно, что использование в качестве каналов передачи электроэнергии подводных кабелей трехфазной конструкции обеспечит более мягкий электромагнитный фон вблизи КЛ.
Рассмотрим влияние такой конструкции кабеля на экологическую совместимость подводных КЛ с ихтиофауной.
ЭМС ПОДВОДНЫХ КАБЕЛЕЙ ТРЕХФАЗНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
В последнее время кабельные заводы (в основном зарубежные) начали выпуск подводных кабельных линий 35–110 кВ трехфазного исполнения с изоляцией из сшитого полиэтилена. КПИ ТИ представляет собой симметричную конструкцию с тре-угольным расположением экранированных фаз в одной металлической оболочке из стальных проволок (рис. 2, б).
Например, для передачи электроэнергии с материковой части берега озера Байкал на остров Ольхон был использован подводный кабель трехфазного исполнения.
В [6] приведены результаты анализа продольной плотности тока в водной среде при прокладке этого кабеля на дне водоема, полученные на основе прямого численного расчета уравнений ЭМП методом конечных элементов в системе «КПИ ТИ – водная среда – воздух».
На рис. 4 приведено распределение плотности продольного тока в водной среде в направлении, перпендикулярном поперечному сечению кабеля. Из рисунка видно, что плотность продольного тока в водоеме в непосредственной близости от проложенного кабеля не превышает 50 мкА/м2, что на несколько порядков ниже допустимых пороговых значений, вызывающих реакцию возбуждения даже самых чувствительных рыб (табл. 1).
Рис. 4. Распределение плотности продольного тока (вдоль оси КЛ) в водной среде в направлении, перпендикулярном поперечному сечению кабеля:
1 – при свободной прокладке кабелей однофазного исполнения;
2 – при прокладке фаз кабелей ОИ треугольником вплотную;
3 – при прокладке КЛ трехфазного исполнения.
При удалении же от кабеля плотность продольного тока практически равна нулю. На этом же рисунке нанесены кривые распределения плотности тока в водоеме при прочих равных условиях, но при прокладке кабелей однофазного исполнения как на значительном удалении друг от друга, так и при треугольном расположении трех фаз.
Таким образом, КЛ ТИ является оптимальной конструкцией с точки зрения минимизации воздействия ЭМП на рыб.
При прокладке кабеля в таком исполнении нет необходимости выдвигать довольно жесткие требования к способу прокладки кабельной линии (например, заглублять кабель в дно водоема, что технологически трудно осуществить, а иногда и невозможно технически). Это обусловлено тем, что в конструкции подводного кабеля трехфазного исполнения каждая токопроводящая жила заключена в металлический экран и все три жилы помещены в общую оболочку (броню) из стали.
ВЫВОДЫ
1. При проектировании подводных каналов передачи электроэнергии с использованием кабельных линий следует обращать внимание на их электромагнитную безопасность для ихтиофауны водоема. Свободная прокладка подводных КЛ однофазного исполнения требует принятия специальных мер по уменьшению интенсивности ЭМП вдоль трассы их прокладки и обеспечения экологической безопасности для рыб, обитающих в пересекаемом КЛ водоеме. Приемлемая для ихтиофауны электромагнитная обстановка обеспечивается при траншейной прокладке фаз КЛ ОИ, расположенных в вершинах правильного треугольника.
2. При прокладке КЛ трехфазного исполнения отрицательного влияния на ихтиофауну не наблюдается. Это обусловлено экранированием фаз друг от друга и общим экранированием конструкции КЛ, заключенной в стальную оболочку.
3. Применение подводных КЛ ТИ обеспечивает электромагнитную безопасность для ихтиофауны, однако при этом следует на стадии проектирования уделять внимание вопросам защиты кабельной электропередачи от воздействия грозовых, коммутационных и иных видов перенапряжений. Надо также отметить, что при проектировании и прокладке подводной кабельной линии на основе КПИ однофазного исполнения необходимо предусмотреть дополнительно лишь одну резервную фазу, при использовании же КПИ трехфазного исполнения надежное электроснабжение объекта обеспечивается при прокладке резервной кабельной линии ТИ.
4. При проектировании, конструировании и выборе рациональных режимов эксплуатации подводных КЛ необходимо примененять системный подход, т.е. на стадии проектирования ЛЭП одновременно учитывать все факторы, в состав которых входят: экономичность, эксплуатационная надежность и экологическая совместимость КПИ с ихтиофауной. Нельзя не отметить, что зачастую одновременная оптимизация всех перечисленных факторов оказывается невозможной. Решить эту задачу, выбирая в качестве приоритетного тот или иной фактор, можно только для конкретного объекта. В любом случае при проектировании подводной кабельной линии должен быть обязательно проведен анализ её электромагнитной совместимости с ихтиофауной пересекаемого водоема.
Литература
1. Протасов В.Р., Бондарчук А.И., Ольшанский В.М. Введение в электроэкологию. – М.: Наука. –1982. – 335 с.
2. Извеков Б.И. Методологические аспекты оценки чувствительности рыб к электрическим полям/ Доклад на научно-тех. конф. «Поведение и распределение рыб». – Борок,1996. – С. 41–57.
3. Войтович Р.А., Кадомская К.П. Влияние конструктивных параметров подводных кабельных линий высокого напряжения на электромагнитное поле в водной среде // Электричество. – 1997. – № 4. – С. 15–20.
4. Кадомская К.П., Меньшикова Е.С. Электромагнитная совместимость с окружающей средой кабельных линий среднего и высокого напряжения с пластмассовой изоляцией // Электричество. – 2003. – № 4. – С. 56–62.
5. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Меньшикова Е.С. Электромагнитная совместимость кабельных линий с пластмассовой изоляцией среднего и высокого напряжения с биосферой // Научный вестник НГТУ. – 2003. – №1 (14). – С.171–180.
6. Кадомская К.П., Кандаков С.А., Лавров Ю.А. Влияние конструкции кабельных линий подводного исполнения на биосферу пересекаемых водоемов // Электричество. – 2005. – № 12. – С. 23–27.
| 
|
