Подводный кабель высокого напряжения устроен как многослойная защитная система вокруг токопроводящей жилы. Внутри находится медная или алюминиевая жила, затем идет полупроводящий экран, толстая изоляция из СПЭ, второй экран, металлическая оболочка или водоблокирующий слой, а снаружи - броня из стальных проволок и прочная наружная оболочка из полиэтилена или ПВХ. Такая конструкция нужна, чтобы кабель выдерживал давление воды, не пропускал влагу и сохранял электрическую прочность на больших глубинах.
Особенно важны экран и броня: экран выравнивает электрическое поле и снижает потери, а броня защищает от растяжения, ударов, якорей и морского дна. В подводных линиях высокого напряжения часто применяют сплошную изоляцию без воздушных включений, потому что под водой любая пустота в изоляции резко снижает надежность. Поэтому такой кабель проектируют не просто как провод, а как герметичную силовую конструкцию для работы в агрессивной морской среде.
Для передачи электроэнергии на большие расстояния через реки, крупные озера, проливы, моря и океаны, применяют подводные кабели высокого напряжения. Пример такого кабеля — подводный кабель постоянного тока «North Sea Link», введенный в эксплуатацию в октябре 2021 года.
При помощи данного кабеля протяженностью в 720 километров, от Норвегии к Великобритании через воды Северного моря подается электрическая мощность в 1400 МВт при постоянном напряжении ±515 кВ. Это самый длинный кабель такого рода в мире (смотрите - Кабели-рекордсмены).
Подводные кабели высокого являются ключевым элементом в обеспечении международной торговли электроэнергией и соединении отдаленных регионов с общими энергетическими сетями.
Основные функции подводных кабелей высокого напряжения включают:
- Передача электроэнергии. Подводные кабели используются для транспортировки электроэнергии от генерирующих станций к потребителям.
- Интеграция энергетических систем. Подводные кабели позволяют объединять энергетические системы разных стран и регионов, обеспечивая более эффективное использование энергетических ресурсов и снижая затраты на передачу электроэнергии.
- Устранение инфраструктурных ограничений. Подводные кабельные системы позволяют обойти географические препятствия, такие как реки, горы или океаны, что позволяет расширить доступ к электроэнергии в удаленных и изолированных регионах.
- Снижение потерь при передаче. Подводные кабели имеют гораздо меньшие потери при передаче электроэнергии по сравнению с воздушными линиями электропередачи, что делает их более эффективными и экономичными для дальних передач.
- Безопасность и надежность. Расположение подводных кабелей под водой обеспечивает их защиту от погодных условий, вандализма и других внешних факторов, что повышает их надежность и безопасность эксплуатации.
Жила подводного кабеля высокого напряжения представляет собой многокомпонентную сборку концентрического типа, включающую проводники, изоляторы, внутренние и наружный защитные слои.
Кабели, предназначенные для передачи энергии от ветряных турбин, обычно содержат не только проводящие жилы, но и оптоволоконные вставки, назначение которых - передача информации о текущих метеоусловиях.
Главные силовые проводники кабеля традиционно изготавливаются из меди, реже — из алюминия. Их обычное сечение не превышает 1200 кв.мм, однако встречаются отдельные представители с сечением более 2400 кв.мм.
Когда рабочее напряжение кабеля 12 кВ и выше, проводники обязательно имеют круглую форму, дабы обеспечить равномерный градиент электрического поля в толще изоляции. Что касается структуры проводника, то он может быть как цельным, так и многопроволочным.
Говоря об изоляции кабеля, стоит отметить, что ее исполнение зависит от класса напряжения линии. Так, при рабочих напряжениях до 420 кВ в качестве изоляции жил применяется сшитый экструдированный полиэтилен с теплоизолирующим материалом толщиной 30 мм, тогда как изоляция кабелей рассчитанных на 36 кВ имеет толщину всего до 8 мм. Для линий постоянного тока состав изоляции специально подбирается и может быть различным.
Существуют маслонаполненные кабели низкого давления, бумажная изоляция в которых уложена внахлест. В этом случае жила пропитывается минеральным или синтетическим маслом.
Изредка в центре жилы у кабеля на напряжение до 525 кВ может быть предусмотрен масляный канал, чтобы масло могло легче двигаться при разогреве кабеля. Но такое решение используется редко, поскольку в случае повреждения кабеля оно грозит загрязнением вод.
Массивные кабели постоянного тока на напряжение до 525 кВ обычно имеют изоляцию пропитанную маслом.
Безусловно, подводный кабель нуждается и во внешней механической защите. Так, для защиты кабелей с классом от 52 кВ от проникновения воды внутрь, применяется оболочка из экструдированного свинца.
Отрезки свинца протяженностью по несколько десятков километров напрессовываются поверх полимерной изоляции жил. Так получается сердечник кабеля, который далее бронируется.
Если кабель одножильный, то броня концентрическая, однако чаще кабель все таки многожильный, поэтому жилы укладываются по спирали. Армируются жилы кабеля пропитанными битумом стальными проволоками. Битум защищает сталь брони от коррозии.
Кабели переменного тока требуют особого подхода к броне, ведь переменное магнитное поле порождает потери на вихревые токи, поэтому броня должна быть в этом случае немагнитной (латунной, медной или из нержавеющей стали).
При подводной передаче электроэнергии на большие расстояния, выгоднее использовать постоянный ток, ведь тогда потери будут меньше. Дело в том, что проводники кабеля образуют друг с другом пластины конденсатора, и емкость кабеля требует дополнительных, лишних затрат энергии при передаче на переменном токе. Линии постоянного тока этой проблемы лишены.
Как стыкуют подводные кабели при большой длине трассы
Подводные кабели при большой длине трассы стыкуют не «скруткой», а специальными герметичными соединительными муфтами. Сначала кабельные секции прокладывают и выводят с запасом, затем в месте стыка соединяют жилы, восстанавливают экран, выравнивают электрическое поле, герметизируют оболочку и ставят наружную защиту муфты, чтобы она выдерживала давление воды и не пропускала влагу.
Для подводных линий особенно важно сохранить механическую прочность и водонепроницаемость соединения. Поэтому в муфтах применяют болтовые или опрессовываемые соединители, специальные экраны, герметики, термоусаживаемые кожухи и элементы для восстановления брони; после монтажа соединение испытывают, чтобы убедиться, что оболочка и изоляция не повреждены.
Как ремонтируют поврежденные подводные кабели на глубине
Повреждённые подводные кабели не чинят прямо на дне как обычную проводку - сначала их находят, затем поднимают на поверхность с помощью ремонтного судна, ROV или специального крюка, вырезают повреждённый участок и вставляют новую секцию кабеля. После этого выполняют сращивание, герметизацию и электрические испытания, чтобы убедиться, что жила, экран и оболочка восстановлены без дефектов.
Если глубина небольшая, кабель после ремонта могут снова заглубить в грунт, чтобы защитить от якорей и тралов. На больших глубинах его обычно укладывают обратно свободными петлями, а точность положения проверяют подводным аппаратом, потому что там уже важнее не заглубление, а отсутствие лишнего натяжения и перегибов.
Сколько времени занимает ремонт подводного кабеля
Обычно ремонт подводного кабеля занимает от нескольких дней до нескольких недель. Для простых и доступных повреждений называют примерно 3-7 дней, а для глубоководных или удалённых участков - 1-3 недели и больше, потому что много времени уходит на поиск, подъём кабеля, стыковку и повторную укладку.
На практике средние сроки сильно зависят от погоды, расстояния до ремонтного судна, глубины и наличия разрешений на работы. В отраслевых источниках встречаются оценки около 10-20 дней в среднем, но для сложных случаев сроки могут быть заметно больше.
Как находят место обрыва кабеля на дне моря
Место обрыва сначала предварительно определяют с берега или с ремонтного судна - по электрическим измерениям, рефлектометрии, импульсным методам и анализу сопротивления или ёмкости линии. Для подводных кабелей затем сужают район поиска и уже в море применяют точное обследование: магнитное поле, акустический поиск, ROV с камерами и датчиками, а при необходимости - траление специальным крюком.
Когда предполагаемый участок найден, его осматривают подводным аппаратом или роботом и проверяют, нет ли разрыва, перегиба или повреждения оболочки. Если кабель лежит глубоко, точная локализация может занимать больше времени, потому что сначала нужно восстановить путь трассы, а потом уже найти конкретную точку повреждения.
Почему постоянный ток выгоднее для подводных линий ЛЭП
Постоянный ток выгоднее для подводных линий ЛЭП прежде всего потому, что в подводном кабеле у переменного тока возникают большие емкостные токи и потери на реактивную мощность. У HVDC этого нет, поэтому линия передает энергию стабильнее и с меньшими потерями, особенно на больших расстояниях и при связи энергосистем через море.
Есть и практический плюс: для подводной передачи постоянным током обычно достаточно одной токопроводящей жилы на полюс, тогда как система переменного тока требует более сложной схемы, а кабель получается тяжелее и сложнее в прокладке. Поэтому HVDC особенно выгоден для морских и межостровных соединений, где важно уменьшить массу кабеля, упростить монтаж и снизить общую стоимость проекта.
Смотрите также: Как устроены трансокеанические подводные кабели связи
Повный Андрей Владимирович, преподаватель Филиала УО Белорусский государственный технологический университет "Гомельский государственный политехнический колледж"