КАБЕЛИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Требования экономичности, надежности, экологичности

В настоящее время в отечественной практике электросетевого строительства всё большее применение находят кабели высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена. Однако уже неоднократно отмечалось, что неверно принятые проектные решения могут привести к сооружению кабельных линий с неоптимальными технико-экономическими показателями.
Юрий Анатольевич Лавров считает, что обеспечить необходимую эксплуатационную надежность кабельных линий высокого напряжения можно только при комплексном рассмотрении всех факторов, влияющих на жизнь кабеля.

Юрий Лавров, к.т.н., заведующий кафедрой «Техника и электрофизика высоких напряжений» ГОУ ВПО «НГТУ», г. Новосибирск

Применение в кабелях высокого напряжения (ВН) СПЭ-изоляции (ее также называют пластмассовой, соответственно кабели с такой изоляцией – КПИ) дает определенные преимущества по сравнению с маслонаполненными кабелями среднего и высокого давления.
К основным преимуществам кабелей нового поколения следует прежде всего отнести более высокие значения пропускной способности, легкость монтажа, сниженные эксплуатационные затраты и отсутствие жидких компонентов. Однако относительно высокая стоимость КПИ ВН требует как на стадии выбора конструкции кабеля и проектирования кабельных линий (КЛ), так и на стадии их эксплуатации системного подхода, при котором необходимо по возможности учесть все факторы, влияющие на экономичность, эксплуатационную надежность, а в ряде случаев и экологичность КЛ (рис. 1).
Ранее в [1–3] были рассмотрены особенности проектирования и эксплуатации КПИ в распределительных кабельных сетях среднего напряжения (РКС СН). В настоящей статье из-за ограниченного формата рассмотрим кратко для КПИ ВН некоторые факторы матрицы, представленной на рис. 1. Поскольку эти факторы взаимосвязаны (иногда с отрицательной обратной связью), то наряду с оптимальным выбором конструкции кабеля (адаптированного к конкретному проекту) для принятия рациональных проектных решений следует находить некоторый компромисс между отдельными факторами.

ЭКОНОМИЧНОСТЬ И ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ

• использование КПИ 110–220 кВ в качестве кабельной вставки между ВЛ и КРУЭ (ОРУ) с длиной КЛ от 0,5 до 3,0 км (рис. 2, а) с последующим электроснабжением потребителей посредством РКС СН;
• применение КПИ 220–500 кВ длиной в единицы километров для глубокого ввода мощности в города-мегаполисы с последующим электроснабжением потребителей через РКС ВН и СН (рис. 2, б);
• применение КПИ 220–500 кВ длиной 1–2 км для вывода мощности на ГЭС со стороны нижнего бьефа на КРУЭ 220–500 кВ, расположенного на верхнем бьефе станции (рис. 2, в);
• при пересечении ВЛ 500 кВ коридора, в котором проходят несколько цепей ВЛ 110–220 кВ, вместо применения высоких переходных опор в месте пересечения используется кабельная вставка длиной 0,3 – 0,5 км (рис. 2, г);
• применение в городских РКС ВН кабельных линий 110–220 кВ длиной 5–15 км, осуществляющих связь между генерирующими источниками (ТЭС, ТЭЦ) и КРУЭ (рис. 2, д).

ГРОЗОУПОРНОСТЬ

• расстояние от места грозового поражения ВЛ до кабельной вставки;
• схему применения КПИ;
• случайный характер ориентировки канала лидера разряда молнии в системе «грозотрос – провода ВЛ – земля»;
• реальную форму волны тока молнии;
• динамические свойства вольт-амперной характеристики ОПН при воздействии крутых волн.

• в зависимости от схемы применения установка ОПН по концам (или с одной стороны) кабельной вставки;
• применение на двухцепных ВЛ 110–220 кВ дифференциальной линейной изоляции;

• включение в рассечку провода ВЧ-заградителя (иногда с параллельным подключением ОПН);
• применение продольных защитных устройств с высокоомной оболочкой из ферромагнитного материала [4];
• выполнение на нескольких ближайших опорах сниженного сопротивления заземляющего устройства;
• замена провода типа АС на провод типа СА (провод повышенной механической устойчивости, который применяется для ВЛ в горных условиях, внутри провода алюминиевый сердечник, сверху – стальные проволоки);
• применение подвесных разрядников (ОПН).

Тепловой режим

Экономичность, эксплуатационная надежность и фактический срок службы КПИ ВН зависят в том числе и от теплового режима эксплуатации кабелей, который определяется способом прокладки кабелей, условиями теплоотвода, схемой заземления экранов, наличием или отсутствием транспозиции экранов, количеством рядом расположенных цепей, наличием внешних источников тепла и локальных специфических мест с худшими условиями теплоотвода и т.д. Из перечисленного перечня факторов остановимся на двух, которые в настоящее время не совсем отработаны в нормативном и методическом планах: выбор конструкции кабеля (по токовой нагрузке) и применение специальных схем соединения экранов.
На первой стадии выбора конструкции кабеля (сечения токопроводящей жилы) расчет теплового режима эксплуатации КЛ по токовой нагрузке осуществляется приближенно, с использованием так называемых поправочных коэффициентов, учитывающих специфику грунта, прокладки и т.д. После выбора конструкции кабеля должен осуществляться уточненный расчет теплового режима КЛ на основе методики МЭК 60287 (при необходимости численных расчетов методом конечных элементов).
Как правило, уточненный расчет теплового поля с учетом всех нюансов в качестве технической поддержки осуществляют сервисные технические службы предприятий-изготовителей кабелей либо квалифицированные специалисты. Однако на практике встречаются случаи, когда выбор конструкции кабеля и условий его прокладки ограничивается стадией инженерных прикидок, что не совсем правильно.
Для повышения пропускной способности КПИ ВН применяют специальные схемы заземления и соединения экранов, которые позволяют убрать дополнительный источник тепла в изоляционной кабельной конструкции за счет устранения протекания продольных токов по экранам кабеля. К реализации этой идеи необходимо подходить осторожно, с позиции разумной достаточности, поскольку целесообразность выбора схемы заземления экранов по концам КЛ, одностороннего заземления (многоразрывного одностороннего заземления) или транспозиции экранов зависит от многих взаимосвязанных факторов: передаваемой мощности, сечения токопроводящей жилы, способа прокладки, условий теплоотвода, наличия принудительной вентиляции, длины КЛ и других.
На практике также встречались случаи, когда на относительно коротких участках КЛ (длиной до 1,5–2 км) и при относительно небольшой передаваемой мощности проектировалась не просто схема одностороннего заземления экрана (что требовало минимальных финансовых вложений), а выбиралась схема транспозиции экранов. Помимо увеличенных стоимостных показателей КЛ, дополнительно появлялась проблема защиты оболочек в местах их специального соединения от импульсных воздействий. Поэтому выбор той или иной схемы соединения экранов должен производиться совместно с тепловым расчетом КЛ на основе технико-экономического обоснования, поскольку может оказаться экономически выгоднее несколько увеличить сечение токопроводящей жилы (или перейти с алюминиевой на медную) по сравнению со случаем применения транспозиции экранов, где необходимо предусматривать потрассе КЛ обслуживаемые колодцы для узлов транспозиции, раз- делительные (транспозиционные) муфты, защитные аппараты для оболочек и т.д.
Наряду с вышеотмеченными моментами на надежность эксплуатации и срок службы КПИ ВН также влияют условия их эксплуатации: например, фактические (которые могут не соответствовать проектным) условия теплового воздействия на КЛ в нормальном режиме и режимах перегрузки, а также периодичность, форма и уровни напряжений при профилактических испытаниях.

• определение и фиксацию случаев превышения номинальной рабочей (а также максимальной допустимой) температуры кабеля по времени и месту вдоль трассы КЛ;
• своевременное (превентивное) предотвращение токовых перегрузок КЛ;
• прогнозирование допустимой нагрузки при достижении кабелем максимальной расчетной температуры;
• на основе превентивных мер создание оптимальных токовых нагрузок КЛ, обеспечивающих непрерывность электроснабжения потребителей и снижение вероятности возникновения аварийных событий;
• прогнозирование остаточного ресурса кабеля на основе комплексной диагностики технического состояния КЛ.

Диагностика изоляции

• максимально достоверный прогноз остаточного ресурса кабеля;
• рекомендации по дальнейшим условиям эксплуатации КЛ;
• сроки проведения следующего диагностического обследования;
• периодичность профилактических испытаний и их параметры (уровень, частота и длительность приложенного напряжения).

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Вопросы электромагнитной совместимости КЛ ВН с биосферой возникают, когда прокладываются кабели по дну водоема и в кабельных сооружениях.
В первом случае с помощью рационального выбора конструкции кабеля, способов прокладки отдельных фаз КЛ и режимов ее эксплуатации можно снизить до допустимой величины для ихтиофауны интенсивность электромагнитного поля вдоль подводной трассы КЛ [2].
Во втором случае, когда прокладываются в кабельных тоннелях многоцепные КЛ 110–220–500 кВ с большими токовыми нагрузками в 1,5–2,5 кА, необходимо обеспечить нормируемый предельно допустимый уровень по напряженности магнитного поля для эксплуатационного и ремонтного персонала [5]. Это достигается за счет рационального сближения отдельных фаз КЛ (с учетом теплового режима ее эксплуатации) и оптимальной взаимной «фазировки» кабелей многоцепных КЛ. В рассматриваемом случае итеративно проводится численный расчет теплового и магнитного полей и при необходимости выдвигаются требования к ограничению по времени пребывания персонала вблизи трассы многоцепных КЛ.

ВЫВОД

Обеспечение необходимой эксплуатационной надежности и высоких технико-экономических показателей КЛ ВН может быть достигнуто только при комплексном рассмотрении всех факторов, влияющих на состояние кабеля от его выбора (выбора конструкции и принятия рациональных решений на стадии проектирования) до окончания срока его службы (определяемого фактической наработкой на стадии эксплуатации).

ЛИТЕРАТУРА