СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НА БАЗЕ СПЭ-КАБЕЛЕЙ
Эффективность применения

Андрей Кожевников, директор отдела перспективного развития, ЗАО «АББ Москабель»

По материалам статьи «Cost-efficient XLPE Cable System Solution»
J, Karlstrand, ABB High Voltage Cables, Sweden
G. Bergman, H-A Jonsson, ABB Power Technology Products, Sweden

Совсем недавно самым техничным, экономичным и надежным решением для передачи электроэнергии считались воздушные линии (ВЛ). Однако дерегулирование рынка электроэнергии и внимание к вопросам охраны окружающей среды изменили подходы к проектированию и сооружению энергетической инфраструктуры.
Сегодня современные решения на базе кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) могут составить конкуренцию ВЛ не только с технической и экологической, но и с экономической точки зрения, ведь кабельные СПЭ­системы стали гораздо дешевле, чем были еще 10 лет назад. Благодаря усовершенствованной технологии прокладки, большим строительным длинам и меньшему количеству муфт, соотношение капитальных вложений для ВЛ и кабельных СПЭ­систем составляет от 1:2 до 1:3 для уровня напряжения 132 кВ.
Для взвешенной оценки различных типов электропередачи (воздушных линий, систем со СПЭ­кабелями, масло­ и газонаполненными кабелями) необходимо сравнивать их работу в сопоставимых условиях. Увеличение или уменьшение значений емкостного сопротивления и индуктивности при различных типах электропередачи в номинальном режиме работы, при перегрузках, коротком замыкании и т.д. могут в определенных обстоятельствах оказаться как преимуществом, так и недостатком.
В данной статье рассмотрены технические, экологические и экономические аспекты применения кабельных СПЭ­систем в сравнении с ВЛ и другими системами электропередачи.

Точный и беспристрастный анализ различных способов передачи электроэнергии – задача достаточно сложная, ведь преимущество одного решения может стать недостатком для другого.
Однако за последнее десятилетие ни для одного типа электропередачи не было предложено так много эффективных улучшений и новейших разработок, как для кабельных систем с изоляцией из сшитого полиэтилена, применение которых к тому же позволило снизить стоимость строительства кабельных линий.
Курс на защиту окружающей среды, дерегулирование рынка электроэнергии и совершенствование технологий делают сети на базе СПЭ­кабелей всё более привлекательными, даже в тех случаях, где ранее возможность их применения совсем не рассматривалась.

ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Кабельные СПЭ­системы используются уже более тридцати лет. За это время были выработаны определенные критерии по выбору конструкции кабеля, такие как предельные номинальные допуски, температура по жиле, толщина изоляции.
Совершенствование технологического оборудования и изоляционных материалов, а также опыт сооружения и эксплуатации СПЭ­систем привели к необходимости пересмотра устоявшихся взглядов в этой области.

Конструкция кабелей с уменьшенной толщиной изоляции

В последние десятилетия рабочее напряжение СПЭ­кабелей растет, соответственно увеличивается и напряженность электрического поля (НЭП). Многие производители СПЭ­кабелей уже освоили производство кабелей на напряжение 400–500 кВ. При повышении напряжения со 100 до 500 кВ уровень НЭП вырастает в 3–4 раза – с 4–5 до 15–16 кВ/мм. При этом тесты эксплуатационной надежности СПЭ­кабелей различных производителей дают высокие результаты. Удовлетворительные результаты получены и при типовых испытаниях СПЭ­кабелей на напряжение 52–275 кВ с уменьшенной толщиной изоляции. Возможно, вскоре значение НЭП для напряжения 132 кВ будет установлено на уровне порядка 10 кВ/мм. Уменьшение толщины изоляции высоковольтных СПЭ­кабелей дает значительные преимущества:

• большие строительные длины (уменьшение наружного диаметра с 90 до 80 мм приведет к 25–30% увеличению строительной длины). Благодаря меньшему наружному диаметру может быть сокращено количество барабанов, что уменьшит транспортные расходы;
• меньшее количество соединений, что дает снижение затрат не только на сами муфты, но и на их монтаж, строительные и земляные работы. Предъизготовленные муфты сейчас очень надежны, однако чем меньше соединений, тем больше надежность всей линии;
• легкость установки. Благодаря меньшим размерам и меньшему весу кабелей, старая техника прокладки кабелей может быть забыта. Возможна замена маслонаполненных кабелей, установленных в кабельных каналах или трубах (газонаполненные кабели, HPFF кабели, LPOF кабели) на СПЭ­кабели с меньшим наружным диаметром;
• меньшее термическое расширение/сжатие. Современная СПЭ­арматура рассчитана на продольные и радиальные тепловые изменения в кабеле, поэтому дополнительная толщина изоляции не обязательно придает дополнительную надежность кабелю с точки зрения термомеханических воздействий;
• экологичность, благодаря меньшему количеству отходов на конце разделанной фазы, меньшему загрязнению в процессе производства, а также во время транспортировки и прокладки, более низким магнитным полям при прокладке треугольником.

Номинальный режим работы и перегрузка

Номинальный режим работы кабельных СПЭ­систем исторически определен стандартом МЭК 60287 c максимально допустимой непрерывной нагрузкой в 100%. Однако при создании конструкции кабеля не всегда берется в расчет его реальное использование или форма нагрузки. Если эти факторы учесть, то можно будет уменьшить не только толщину изоляции, но и сечение жилы. На рис. 1 приведен пример СПЭ­кабеля 132 кВ старой конструкции (1000 мм²) и новой (630 мм²).
Уменьшение сечения жилы возможно за счет большей тепловой постоянной времени кабельных линий по сравнению с ВЛ. Обычно при проектировании ВЛ сечение проводника выбирается с запасом, и таким образом при работе в нормальном режиме различных конфигураций сети не происходит превышение допустимой температуры. Большую часть времени ВЛ работают при нагрузке 40–60% [1] от максимальной. Запас до 100% используется для ожидаемой или внезапной дополнительной нагрузки.
Таблица 1 иллюстрирует тот факт, что при уменьшении толщины изоляции длительно допустимая нагрузка по току снижается незначительно. Принимая во внимание реальный коэффициент нагрузки сети, можно уменьшить сечение жилы до 630 мм², что не приведет к видимому изменению пропускной способности КЛ в реальных условиях эксплуатации.
Подземные кабельные СПЭ­системы имеют достаточно стабильный номинальный режим работы независимо от температуры воздуха, так как температура грунта варьируется в пределах ±5^ОС в течение года. Тем не менее удельное термическое сопротивление грунта может меняться и соответственно необходимо использование системы мониторинга температуры. Кабельная СПЭ­система имеет более плавный график нагрузки, чем ВЛ (рис. 2). Из года в год потребление электроэнергии растет и становится более постоянным, и СПЭ­кабель по своей способности нести нагрузки подходит как нельзя лучше.
При учете переменной нагрузки необходимо отметить возможность уменьшения сечения жилы. СПЭ­кабель обычно имеет способность выдерживать высокие короткие перегрузки. Величина и продолжительность перегрузки (или изменение от базовой до более высокой нагрузки) зависит от реальной температуры по жиле перед началом перегрузки.
Кабельная СПЭ­система напряжением 132 кВ с медной жилой 1000 мм² и соответствующая ВЛ (сплав AlMgSi 3x1x593 мм²) полностью отражают различные перегрузочные способности. Кабельной линии для достижения 120% нагрузки требуется 18 часов при базовой нагрузке в 50%. ВЛ для достижения 120% перегрузки требуется 14 минут, т.е. фактор длительности нагрузки гораздо больше у кабельных СПЭ­линий. (При расчетах использовалась температура окружающего воздуха 15^OС).
Следует отметить, что при увеличении числа цепей кабельных линий, проложенных рядом, их пропускная способность несколько снижается. На рис. 3 приведено сравнение 100% номинального режима работы ВЛ и кабельной СПЭ­линии. Номинальная мощность на цепь уменьшается для кабельной линии и остается неизменной для ВЛ.

Рис. 1. Оптимизация конструкции кабеля в соответствии с реальным использованием и формой нагрузки

Табл. 1. Сравнение СПЭ­кабелей различных сечений на напряжение 132 кВ, с медной жилой
Прокладка в грунт на глубину 1 м, Т = 15^ОС
Удельное термическое сопротивление 1 K·м/Вт
Прокладка в треугольник – заземление с двух сторон.

Рис. 2. Графики нагрузки СПЭ­кабеля и ВЛ при допустимой токовой нагрузке и в условиях перегрузки

Пунктирной линией показан максимальный номинальный режим работы системы. Работа кабеля в номинальном режиме не зависит от температуры и не изменяется в летние и зимние месяцы.

Рис. 3. Номинальный режим работы при 100% загрузке кабельной СПЭ­системы и ВЛ напряжением 132 кВ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Сейчас ни у одной системы передачи электроэнергии нет таких хороших экологических показателей, как у кабельных линий для подземной прокладки.
Требования законодательства по охране окружающей среды с годами будут становиться всё более жесткими. Трудно сказать, как это скажется на системах газоизолированных и воздушных линий электропередачи, но пока наиболее полно таким нормам отвечают кабельные системы сухого типа.

• меньшее количество материала для производства и меньший объем отходов по окончании срока службы благодаря небольшим размерам СПЭ­систем и уменьшению толщины изоляции;
• пониженное магнитное поле по сравнению с ВЛ (газоизолированные системы имеют еще более низкое магнитное поле);
• нет необходимости в техническом обслуживании, что позитивно отражается как на затратах, так и на экологии (газоизолированные и воздушные линии требуют регулярного проведения работ);
• не выделяются в воздух или в воду агрессивные вещества (масло, элегаз и т.п.);
• бесшумность;
• большая безопасность, чем у ВЛ, которые в случае обрыва проводов создают угрозу для жизни человека;
• не нарушается естественный природный ландшафт при прокладке СПЭ­кабелей в земле.

Кабельные СПЭ­системы более приемлемы для использования в городской застройке

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Общие затраты на системы электропередачи в основном состоят из затрат на кабель и арматуру, прокладку, монтаж, строительные работы, техническое обслуживание, а также из издержек.

В таблице 2 приведены примерные суммы общих затрат на кабель, арматуру, монтаж и прокладку в траншеях кабельной СПЭ­системы напряжением 132 кВ по отношению к ВЛ.
Подсчитать точно стоимость издержек достаточно затруднительно, однако совершенно очевидно, что затраты на техническое обслуживание СПЭ­систем гораздо меньше, чем на обслуживание ВЛ.
Ключевым преимуществом кабельных СПЭ­систем перед ВЛ с экономической точки зрения является снижение на 10% потерь при передаче электроэнергии.
Экономическую эффективность систем электропередачи необходимо оценивать, принимая во внимание затраты на экологию (получение разрешений и т.д.), а также стоимость земли и строений на полосе отчуждения.
Во многих городах земля дорожает, и продажа полосы отчуждения для строительства новых зданий может обеспечить финансирование проекта сооружения кабельной СПЭ­системы.

Табл. 2. Затраты на сооружение кабельных СПЭ­систем и ВЛ AlMgSi 3x1x593 мм² (длина трассы – 10 км, 1 цепь, подземная прокладка)

АСПЕКТЫ НАДЕЖНОСТИ

Эксплуатационные качества кабельных СПЭ­систем постоянно улучшаются. Продолжается работа по созданию более совершенных изоляционных материалов и оборудования для производства кабелей, кабельной арматуры и т.д.
В итоге, по данным АББ, количество отказов СПЭ­систем значительно уменьшилось, при том что уровень НЭП по сравнению с 70­ми годами вырос втрое.
Почти 90% от общего числа СПЭ­кабелей и комплектующих установлены на напряжение 110–170 кВ. В частности, концерн АББ поставил для энергосистем Швеции и Японии более 500 км трехфазных кабельных линий напряжением 110–170 кВ, которые включают в себя 5500 единиц арматуры разных типов. За всё время работы отмечен только один случай отказа кабельной линии (он был зафиксирован в шведской энергосистеме в 1976 году, причиной отказа стал дефект изоляции).
Предъизготовленная арматура также показывает высокую надежность. Был проведен тщательный анализ, позволивший оценить влияние изменения времени ремонта, интенсивности отказов арматуры и т.д. на работу кабельных линий.
Сегодня в эксплуатации находится большое количество муфт, при этом общая статистика отказов арматуры очень мала. Несмотря на то, что интенсивность отказов за последнее десятилетие сократилась, для расчета всегда берется среднее значение за весь период применения оборудования. Для СПЭ­кабеля используется значение 0,072 отказа/100 км в год, для соединительных муфт – 0,00043 отказа/100 шт. в год и для концевых муфт – 0,0061 отказа/100 шт. в год.
У ВЛ отказы очень кратковременны (< 1 с) и, как правило, вызываются короткими замыканиями. Неустранимые отказы обычно возникают из­за плохих погодных условий: лед, снег, ветер и т.д. Другими словами, влияние окружающей среды играет очень важную роль. За последние десятилетия интенсивность отказов ВЛ практически не изменилась, и их уменьшение в ближайшее время не предвидится [2].
В то же время СПЭ­кабели защищены от воздействия окружающей среды и интенсивность их отказов крайне мала.

Надежность кабельной вставки

При соединении кабельной СПЭ­системы напряжением 132 кВ с ВЛ может возникнуть вопрос: что более повышает надежность – одна дополнительная фаза кабеля или двухцепная линия? На рис. 4 показана ВЛ с встроенной в нее СПЭ­системой, которая может представлять собой одиночную цепь, одиночную цепь + 1 резервная фаза, двухцепную кабельную линию. Длина кабеля может меняться.

Основная схема – 1 одноцепная линия

Этот пример с одноцепной линией показывает, что c ростом длины кабельной вставки время перерыва в подаче электроэнергии (t) увеличивается, но при этом уменьшаются коэффициент простоя (U) и интенсивность отказов (f) (рис. 5).
Резкое изменение кривой на последних 90–100 км зависит от перекрывающихся событий – отказа ВЛ и технического обслуживания ВЛ, влияние которых исчезает, когда длина кабеля доходит до 100 км и полностью заменяет ВЛ.

Схема с одной резервной фазой или двухцепной кабельной линией

В этих случаях подразумевается, что резервная фаза или дополнительная кабельная линия снабжены оборудованием, которое позволяет переподключить систему в течение 6 часов. Другими словами, время на ремонт кабеля, составляющее 60 часов, заменяется временем подсоединения в 6 часов.
На рис. 6 представлен график, позволяющий сравнить коэффициенты простоя в зависимости от длины кабельной вставки. Общая протяженность условной линии – 100 км. Для кабельной вставки, длина которой менее 20 км, отказы кабеля незначительно влияют на общий коэффициент простоя. При наличии резервной фазы коэффициент простоя значительно уменьшается на длине кабеля в 30 км. Использование параллельной двухцепной кабельной линии незначительно повышает надежность.

Рис. 4. ВЛ и кабельная СПЭ­система напряжением 132 кВ

Рис. 5. ВЛ и кабельная СПЭ­система напряжением 132 кВ. Основная схема. Показатели работы

Рис. 6. Коэффициенты простоя для основной схемы, схемы с 1 резервной фазой и схемы с двухцепной кабельной линией

Литература
1. Jung M, Peurian S. LE. Оптимизация подземных кабельных сетей высокого напряжения.
2. Fault Statistics, 1986–1998 из Nordel (Скандинавское товарищество статистики повреждений в энергосистемах 40–400 кВ).
3. Dellby et al, XLPErformance // ABB Ревю.– 2000. – № 4.

АББ Москабель
111024, Москва, ул. 2­я Кабельная, 2, а/я 130
Тел.: (495) 956­66­99, факс: (495) 234­32­94
moskabel@ru.abb.com
www.abb.ru