Подземные высоковольтные кабели для передачи электроэнергии используются уже много лет, и за эти годы был разработан ряд различных технологий.
Линии передачи с газовой и масляной изоляцией обладают техническими, экологическими и эксплуатационными характеристиками, которые делают их очень хорошей альтернативой там, где требуется передача высокого напряжения в ограниченном пространстве, например, там, где невозможно использовать воздушные линии электропередачи.
Высоковольтные кабели в Испании на напряжение 400 кВ
Кабельные линии электропередачи с газовой и масляной изоляцией (газо- и маслонаполненные кабели высокого давления) являются безопасной и гибкой альтернативой воздушным линиям и занимают гораздо меньше места, обеспечивая при этом такую же передачу электроэнергии.
Поскольку они практически не влияют на ландшафт, а их минимальное электромагнитное излучение означает, что их также можно использовать вблизи или даже внутри зданий, высоковольтные кабели с масляным и газовым наполнением можно рассматривать для широкого спектра применений.
Магнитная индикация B, которую можно измерить вблизи такой конструкции, очень низкая, намного ниже, чем для эквивалентной воздушной линии. На расстоянии 5 метров от труб она составляет менее 1 мкТл.
Они подходят для обеспечения продолжения подземных воздушных линий, подключения электростанций к электросети или в качестве компактного способа подключения крупных промышленных предприятий к общей сети.
При использовании в кабелях повышенных давлений электрическая прочность кабельной изоляции значительно повышается, а толщина ее и, следовательно, стоимость уменьшаются. Повышенные давления в кабелях с масляным или газовым наполнением создаются внутри изоляции через полую жилу или другие каналы, проходящие вдоль кабеля, а также прикладываются снаружи изоляции, если кабель помещен в стальном трубопроводе.
Строительство кабльной линии с высоковольтными газонаполненными кабелями
В газонаполненных кабелях используется обедненно-пропитанная изоляция, в слое которой находится инертный газ под давлением, обладающий хорошими электрическими характеристиками и высокой теплопроводностью (азот, элегаз и др.). Замещение воздуха азотом или элегазом позволяет избежать окисления изоляции.
По величине давления различают кабели низкого (0,7 — 1,5 ат), среднего (до 3 ат) и высокого (12 — 15 ат) давления. Первые два типа кабелей изготовляются преимущественно трехфазными на 10 — 35 кВ, а кабели высокого давления — однофазными на 110 — 330 кВ.
Одножильные маслонаполненные кабели на 110 кВ выполняются с одним маслопроводящим каналом в центре полой жилы, а на напряжение 500 кВ — с центральным каналом в жиле и каналами под защитной оболочкой.
Конструкция трехфазного маслонаполненного кабеля
Увеличение давления требует упрочнения защитной оболочки наложением на нее укрепляющих металлических лент, которые защищены от коррозии соответствующими покрытиями, а также брони из стальных оцинкованных проволок.
Большой недостаток современной высоковольтной линии, выполненной маслонаполненным кабелем это потребность в весьма дорогостоящей и сложной вспомогательной аппаратуре, как-то: баки питания, давления, стопорные, соединительные и концевые муфты.
Компенсация изменений объемов пропитывающего состава осуществляется с помощью подпитывающих устройств, состоящих из баков питания и бака давления. Баки питания обеспечивают подачу в кабель или отбор из него большого количества масла при малом изменении давления, а бак давления поддерживает давление в кабеле при любом изменении объема масла.
Масло вдоль кабеля перемещается по центральному каналу токоведущей жилы. Кабельная линия делится с помощью стопорных муфт на отдельные секции подпитки.
Наиболее сильным конкуренту маслонаполненному кабелю является кабель с газом под давлением. Газонаполненный высоковольтный кабель по сравнению с маслонаполненным, так как по сравнению с ним требует меньших затрат на сооружение линии, не нуждается в сложной вспомогательной аппаратуре и весьма прост как в установке, так и в эксплуатации.
Устройство трехфазной линии с газонаполненными кабелями
Основным преимуществом газонаполненных кабелей по сравнению с маслонаполненными является простота подпитки кабельной линии газом, возможность прокладки кабеля по крутонаклонным и вертикальным трассам.
Наибольшее распространение газонаполненные кабели получили на напряжение 10 — 35 кВ. При напряжениях 110 кВ и выше газонаполненные кабели по сравнению с маслонаполненными имеют меньшую импульсную прочность, большее тепловое сопротивление. Поэтому эти кабели у нас в стране при напряжениях 110 кВ и выше применяются редко.
В Европейских странах наоборот маслонаполненные кабели под высоким давлением (Oil Filled Cable) применяются реже, чем газонаполненные (Gas-insulated transmission lines, GIL).
Эта технология технология начала применяться в Европе примерно в 70-х годах. Она была специально разработана для того, чтобы обеспечить возможность заглубления сетей высокого напряжения в городских условиях. В настоящее время существует много реализованных проектов с использованием с газонаполненных кабелей на напряжение до 500 кВ.
Преимуществом газонаполненных кабелей является сравнительно большой запас прочности при аварийном падении давления, что позволяет не отключать их немедленно при падении давления.
Конструкция газонаполненного кабеля
Кабели в стальном трубопроводе с маслом под давлением представляют собой три одножильных кабеля с бумажной изоляцией, пропитанной минеральным или синтетическим маслом (без свинцовой оболочки), которые расположены в стальном трубопроводе с маслом под давлением до 15 ат.
Обычно для пропитки изоляции используются более вязкие масла, а для заполнения трубопровода — менее вязкие масла. Такие кабельные линии в стальных трубопроводах с маслом под давлением применяются на напряжение 110 — 220 кВ.
Изоляция покрыта экраном из металлизированной бумаги или перфорированных медных лент, поверх которых наложено герметизирующее покрытие — полиэтиленовая оболочка, предохраняющая от попадания сырости в кабель при транспортировке.
По герметизирующему покрытию спирально накладываются две-три полукруглые бронзовые или медные проволоки, которые предназначены для облегчения протяжки кабеля в трубопровод, кроме того, они удерживают фазы на некотором расстоянии друг от друга, что улучшает циркуляцию масла и обеспечивают электрический контакт экранов кабеля с трубопроводом.
Стальная труба, позволяющая удержать давление в кабеле, является надежной защитой от механических повреждений. Давление масла на изоляцию передается через полиэтиленовую оболочку.
Переход воздушной линии в кабельную
Слабым местом высоковольтного кабеля являются, обычно, соединительные муфты. Одна из основных задач развития высоковольтных кабельных линий — это создание соединительной муфты, удобной для монтажа и имеющей электрическую прочность, не меньшую, чем кабель.
На концах кабельной линии устанавливаются концевые муфты, а через каждый 1 — 1,5 км линии — соединительные муфты полустопорного типа (препятствуют свободному обмену маслом между соседними секциями трубопровода).
Заданное давление масла в линии поддерживается автоматически действующей установкой, подпитывающей линию маслом при понижении давления и отбирающей избыток масла при повышении давления.
В соединительных муфтах маслонаполненных кабелей осуществляются электрическая связь токопроводящих жил и соединение маслопроводящих каналов кабеля.
Жилы соединяются опрессованием, а непрерывность маслопроводящего канала обеспечивается полой стальной трубкой (сварка или пайка из-за наличия масла недопустимы).
По всей длине муфты накладывается заземленный экран (луженая медная оплетка), а снаружи муфта заключается в металлический кожух.
Кабельная муфта на заполненном маслом высоковольтном кабеле
Кабели в стальном трубопроводе с газом под давлением отличаются от предыдущей конструкции только тем, что вместо минерального или синтетического масла трубопровод заполняется сжатым инертным газом, обычно азотом при давлении порядка 12 — 15 ат. Преимущество таких кабелей состоит в значительном упрощении и удешевлении системы подпитки линии.
Изоляция кабелей подвергается не только длительному воздействию напряжении промышленной частоты, но и импульсных напряжений, поскольку кабели присоединяются либо непосредственно к воздушным линиям, либо к электрооборудованию открытых подстанций и РУ, воспринимающих воздействия атмосферных перенапряжений.
Импульсная прочность маслонаполненного кабеля выше, чем газонаполненного, независимо от величин давлении масла или газа в них. Для каждого типа кабеля пробивное импульсное напряжение может быть увеличено путем уменьшения толщины бумажных лент, т. е. путем уменьшения зазоров между ними. Маслонаполненные кабели или кабели под внешним давлением газа, в которых зазоры в изоляции заполнены пропитывающим составом, имеют наибольшие пробивные напряжения.
Газонаполненные высоковольтные кабели в подземном коллекторе (тунеле), можно легко перемещаться между кабелями, но для этого типа установки почти не требуется обслуживание
Кабельные линии электропередачи с газовой и масляной изоляцией высокого давления уже доказали свою техническую надежность в течение нескольких десятилетий, поскольку они обеспечивают исключительную безопасность в эксплуатации и даже в случае отказа в дополнение к своим очень хорошим характеристикам передачи.
Состояние изоляции кабельных линий в процессе эксплуатации проверяется профилактическими испытаниями, которые позволяют выявить грубые нарушения целости изоляции и дефектов в ней (заземление фаз, обрывы жил и т. п.), а также произвести измерения сопротивления изоляции, токов утечки, угла диэлектрических потерь и др.
Следует отметить, что для изоляции кабельных линий профилактические испытания являются единственным методом обнаружения дефектных мест в изоляции, так как кабельная линия недоступна для осмотра и профилактического ремонта. Поэтому профилактические испытания изоляции кабельных линий должны своевременно выявить дефекты в изоляции кабелей и, следовательно, снизить аварийность сети.
В дополнение к статье - Siemens разрабатывает линию электропередачи с газовой изоляцией
Новая линия предназначена для передачи до пяти гигаватт (ГВт) мощности на систему. Федеральное министерство экономики и энергетики Германии выделяет 3,78 миллиона евро на этот проект развития.
ЛЭП постоянного тока будет основываться на технологии существующей линии передачи с газовой изоляцией (ЛЭП), которая состоит из двух концентрических алюминиевых труб. В качестве изолирующей среды используется смесь газов. До сих пор кабельные линии с газовой изоляцией был доступен только для переменного тока.
Расширение сети электропередач необходимо, если к 2050 году 80 процентов спроса на электроэнергию в Германии будет покрыто за счет возобновляемых источников энергии.
Электроэнергия, вырабатываемая ветряными турбинами на севере страны и у побережья Германии, должна будет транспортироваться в максимально эффективно к центрам погрузки на юге Германии. Для этого лучше всего подходит передача постоянного тока из-за его низких электрических потерь по сравнению с передачей переменного тока.
Развитие сети с использованием технологии передачи высокого напряжения постоянного тока (HVDC) с использованием воздушных линий электропередачи и линий электропередачи постоянного тока с газовой изоляцией, проложенных под землей на определенных участках, может быть реализовано с использованием значительно меньших ресурсов, чем трехфазная технология.
«Подземная линия электропередачи постоянного тока имеет большое значение для перехода Германии на новую структуру энергоснабжения, поскольку ее разработка первоначально будет происходить в Германии. Позже будут вполне возможны запросы из других стран ЕС или других стран мира. В любом случае, с разработкой линии электропередачи постоянного тока с газовой изоляцией Германия будет играть ведущую роль в проектировании будущих систем передачи энергии», - сказал Денис Имамович, ответственный за системы передачи с газовой изоляцией в подразделении Siemens Energy Management.