Современные кабельные системы электропередач
Обеспечение надежного электроснабжения мегаполисов
Для крупных городов и мегаполисов при электроснабжении сейчас характерен ряд особенностей: значительный рост потребления электроэнергии и необходимость увеличения передаваемой мощности по отдельным линиям электропередач, высокая стоимость земли и, как следствие, необходимость использования компактных линий электропередач, повышенные требования к обеспечению надежности и управляемости работы электрических сетей, а также более жесткие экологические требования. Все эти проблемы могут быть наиболее эффективно решены при применении современных кабельных систем электропередач. При этом внедрение новых современных технологий и материалов в кабельной технике позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели кабельных линий электропередач и повысить их конкурентоспособность по сравнению с воздушными линиями (c экономической точки зрения).
Кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена
Сейчас в кабельной технике одним из прогрессивных направлений является технология изготовления силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели, или XLPE-cables). Современные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена благодаря своей конструкции, технологии изготовления и применяемым изоляционным материалам технически более совершенны и более экономичны по сравнению с кабелями с пропитанной бумажной изоляцией и маслонаполненными кабелями.
В последние годы в новых проектах они быстро вытесняют кабели с бумажной изоляцией как в распределительных, так и в питающих сетях.
Основными преимуществами СПЭ-кабелей являются:
- более высокая пропускная способность за счет увеличения допустимой температуры нагрева жилы (до 90 0С);
- низкая масса, меньший диаметр и радиус изгиба;
- более высокая надежность, что связано как c улучшенным качеством кабеля, так и с технологией монтажа кабельных муфт;
- меньшие диэлектрические потери в изоляции;
- высокий ток термической устойчивости при коротком замыкании;
- возможность вести прокладку на сложных трассах без ограничений по перепаду высот на трассе;
- более низкая себестоимость прок-ладки;
- меньшие эксплуатационные расходы из-за отсутствия масла под давлением и дорогостоящего подпитывающего оборудования;
- меньшие время и стоимость работ по ремонту в случае пробоя;
- меньшее воздействие на окружающую среду и др.
Надо особо отметить, что сшитый полиэтилен идеально подходит для изоляции высоковольтных кабелей. При современной технологии изготовления кабелей в процессе вулканизации (сшивки) полиэтиленовой изоляции изменяется молекулярная структура полиэтилена и образуются новые межмолекулярные связи, что приводит к улучшению электрических и механических свойств изоляции. При традиционном методе процесс сшивки особо чистого полиэтилена производится химическим способом в «вулканизационной трубе» под воздействием пара или азота под высоким давлением (8–9 атмосфер) и при высокой температуре (285–400 0С). Этот принцип применяется в вертикальных экструзионных линиях.
Для улучшения электроизоляционных свойств и исключения возможности образования дефектов в изоляции используется также более совершенный процесс «сухой» сшивки, или вулканизации. При использовании этого метода на жилу, которая подается с барабана, немедленно накладывается изоляционный компаунд, не содержащий влаги и посторонних включений. Далее жила сразу поступает в «вулканизационную трубу», где производится сшивка изоляции посредством нагрева «вулканизационной трубы» постоянным током, т. е. изолированная жила не подвергается воздействию пара или азота. Необходимо отметить, что экструзия электропроводящего экрана по жиле, слоя изоляции и электропроводящего экрана по изоляции осуществляется одновременно, т. е. происходит трехслойное экструдирование. Такая технология обеспечивает хорошую адгезию между экранами и изоляцией, а также отсутствие газовых включений в изоляции и на границе с экранами [1].
Токопроводящие медные или алюминиевые жилы кабелей изготавливаются уплотненными и герметизированными, а при сечении более 1 000–1 200 кв. мм — сегментированными (для уменьшения поверхностного эффекта). Металлический экран кабеля состоит из медных проволок и спирально наложенной медной ленты. Сечение экрана выбирается по условию протекания токов короткого замыкания. Для обеспечения продольной герметизации используется слой водонабухающего материала. Для надежной защиты от влаги используется оболочка из алюмополимерной ленты, сваренной c полиэтиленовой или поливинилхлоридной оболочкой для радиальной герметизации.
Помимо оболочки из полиэтилена или поливинилхлоридного пластиката (стандартный вариант для кабелей, прокладываемых в земле) может использоваться усиленная полиэтиленовая оболочка с продольными ребрами жесткости (для сложных трасс), свинцовая оболочка или гофрированная алюминиевая оболочка. Поверх внешней оболочки может накладываться слой, защищающий кабель от возгорания. Для измерения температуры нагрева кабеля по всей трассе или для передачи данных в кабель могут быть интегрированы оптоволоконные нити (между проволоками экрана или под свинцовой оболочкой). Все кабели комплектуются соответствующей кабельной арматурой, состоящей из элементов заводской сборки, включая соединительные муфты, концевые муфты наружной установки и элегазовые вводы.
К настоящему времени рядом ведущих зарубежных фирм разработаны и производятся кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на номинальные напряжения до 420–550 кВ с сечением токопроводящей жилы до 2 500–3 000 кв. мм и с пропускной способностью до 1 000 МВА и выше. Ведущими производителями СПЭ-кабелей являются компании ABB, NEXANS, Pirelli, NKT Cable, корпорация Sumitomo Electric.
В России также освоен выпуск СПЭ-кабелей. Эту продукцию до 110 кВ включительно производит «АББ Москабель». Введены линии по производству кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена до 220 кВ на «Севкабеле» (Санкт-Петербург).
На Харьковском заводе «Южкабель» реализуется инвестиционный проект по освоению технологий изготовления силовых кабелей с и изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение от 10 до 330 кВ включительно. Это первый среди осуществляемых в настоящее время в странах СНГ проектов по выпуску кабелей такого класса напряжения.
Кабельные линии (КЛ) высокого и сверхвысокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена обладают не только существенными техническими преимуществами. Они и дешевле, чем линии, выполненные с применением маслонаполненных кабелей с бумажно-масляной изоляцией. В последние годы КЛ высокого и сверхвысокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена находят все более широкое применение при организации глубоких вводов в центральные районы крупнейших городов мира, так как они помимо надежного электроснабжения обеспечивают минимальный землеотвод и максимальное сохранение окружающей среды.
Из реализованных в последние годы крупных проектов КЛ с изоляцией из сшитого полиэтилена для передачи большой мощности в густонаселенных городских районах можно выделить, например, двухцепную подземную КЛ 400 кВ «Восток-Запад» в Берлине с передаваемой мощностью свыше 1 600 МВА. Самой мощной является подземная КЛ 400 кВ, входящая в проект новой инфраструктуры энергоснабжения Лондона (сечение жилы кабеля — 2 500 кв. мм, расчетный ток — 3700 А). КЛ большой длины на напряжение 500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена (Shin Keiyo-Toyosu Line) проложена в Токио. Длина линии — 40 км, передаваемая мощность — 900 МВт (в будущем — 1 200 МВт).
В России высоковольтные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена также находят все более широкое применение для энергоснабжения крупных городов и мегаполисов. Так, например, СПЭ-кабели использовались при реконструкции и строительстве сетей 110 и 220 кВ в Москве по проекту энергетического кольца. В Санкт-Петербурге проложены СПЭ-кабели на номинальное напряжение 110 и 330 кВ.
Силовые кабели прокладываются либо непосредственно в траншее, либо в специальном туннеле, либо в коллекторе, где размещаются и другие жизненно важные городские коммуникации. Вдоль трассы прокладки кабеля предусматриваются подземные колодцы для монтажа соединительных муфт. Для механизации рытья траншей и прокладки кабелей используются специальные машины. В каждом проекте учитывается специфика прокладки кабеля и, соответственно, корректируется его предельная пропускная способность по току.
Усовершенствование технологий производства кабелей, их прокладки и монтажа приводит к снижению капитальных вложений на сооружение КЛ. На сегодняшний день капитальные вложения в современные подземные КЛ могут превышать в 1,5–3 раза затраты на сооружение воздушных линий (ВЛ). Однако учет экономических и эксплуатационных факторов (минимальный землеотвод, высокая надежность, меньшие издержки при техническом обслуживании, меньшие потери, высокая устойчивость к кратковременным перегрузкам и др.) может существенно снизить это соотношение.
При передаче мощности на достаточно большие расстояния КЛ переменного тока уже не могут конкурировать с КЛ постоянного тока. Этому противодействуют следующие технические и экономические факторы: необходимость компенсации реактивной мощности на длинных КЛ переменного тока, меньшая плотность тока в жиле из-за наличия дополнительных потерь в жиле, диэлектрике, экранах и оболочках на переменном напряжении, более высокая удельная стоимость собственно кабелей при передаче одинаковой мощности и др. Критическая длина, начиная с которой КЛ постоянного тока становятся выгоднее КЛ переменного тока, зависит от соотношения стоимостей преобразовательных подстанций и линии.
Применение кабелей постоянного тока с изоляцией из сшитого полиэтилена является очень перспективным для сооружения длинных КЛ, особенно с большим перепадом высот по трассе. Однако для СПЭ-кабелей постоянного тока существуют проблемы, связанные с образованием в изоляции объемных зарядов. В последние годы на основе исследований различных модификаций изоляции из сшитого полиэтилена и выбора изоляционного материала с малым накоплением объемных зарядов и высоким удельным сопротивлением изоляции за рубежом были разработаны конструкции кабелей постоянного тока и муфт к ним на напряжение до ± 500 кВ, в том числе для подводных прокладок.
Сейчас СПЭ-кабели нашли применение в так называемых «легких» передачах постоянного тока по технологии HVDC Light с полностью управляемыми вентилями. Технология HVDC Light впервые была представлена на рынке фирмой АВВ в 1997 г. По этой технологии была выполнена самая протяженная в мире подземная КЛ постоянного тока с СПЭ-кабелем (Murraylink) в Австралии длиной 180 кВ с номинальным напряжением ±150 кВ и номинальной мощностью 200 МВт. Имеющиеся в России и за рубежом разработки преобразователей напряжения позволяют рассчитывать на их использование в передачах постоянного тока (ППТ) мощностью до 500 МВт и с более длинными КЛ, в том числе для пересечения широких водных преград. Доказательством этому служит, например, проект кабельной передачи между Финляндией и Эстонией по дну Балтийского моря мощностью 350 МВт с напряжением ± 150 кВ и длиной кабельного участка 105 км. При более высоком напряжении, ± 300 кВ, номинальная мощность ППТ по технологии HVDC Light может составлять 700–1 000 МВт [2].
Значительный прогресс в разработке СПЭ-кабелей и преобразователей привел к резкому уменьшению габаритных размеров и повышению эксплуатационных показателей ППТ. В сравнении с КЛ переменного тока КЛ постоянного тока с изоляцией из сшитого полиэтилена становятся выгодными уже начиная с протяженности КЛ в 50–60 км.
Однополюсные легкие кабели по технологии HVDC Light имеют относительно малую погонную массу, что значительно облегчает их прокладку в траншее, в земле, и сокращает затраты на сооружение подземной КЛ. Кроме того, у них значительно меньший наружный диаметр (соответственно, меньший допустимый радиус изгиба), а значит, они могут прокладываться большими строительными длинами, поставляемыми на стандартных барабанах, что приводит к уменьшению числа соединений и к увеличению надежности КЛ. Подземные биполярные КЛ постоянного тока требуют минимального землеотвода, не вызывают электромагнитных помех и не оказывают влияния на экологию.
Новая технология строительства кабельных ППТ с учетом надежности и стабильности передач делает проекты подземных КЛ технически и экономически жизнеспособными. C учетом всех факторов (технических, экономических, экологических, эксплуатационных) стоимость подземной КЛ постоянного тока по технологии HVDC Light может быть сопоставима со стоимостью обычной ВЛ.
Сверхпроводящие кабельные линии
Cиловые сверхпроводящие кабели разрабатывались еще в 70-е и 80-е гг. прошлого века на основе низкотемпературных сверхпроводниковых технологий (НТСП технологии) с использованием в качестве хладагента жидкого гелия (температура кипения жидкого гелия — 4,2 К при нормальном давлении). Основу освоенных промышленностью сверхпроводящих материалов составляли два вещества: сплав Nb-Ti (критическая температура — 9,6 К, критическая плотность тока — 3×109 А·м-2) и интерметаллическое соединение Nb3Sn (критическая температура — 18,3 К, критическая плотность тока — более 109 А·м-2). Сверхпроводящие провода представляли собой сложные конструкции из разнородных материалов с ультратонкими нитями собственно сверхпроводника. Технология их изготовления была освоена в США, СССР, Японии, Германии, Англии. В ЭНИН и ВНИИКП были созданы жесткие и гибкие кабели переменного тока мощностью до 3 000 МВА. Несмотря на достигнутые успехи, применение НТСП-кабелей сдерживалось необходимостью использования для охлаждения невозобновляемого и дорогостоящего жидкого гелия (5–10 долларов за 1 литр) [3].
Мощным толчком к развитию сверхпроводниковых технологий стало открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с критическими температурами перехода в сверхпроводящее состояние, превышающими температуру 77,3 К, то есть температуру кипения жидкого азота при нормальном давлении. Соответственно, в ВТСП технологиях появилась возможность использовать в качестве хладагента вместо дорогого жидкого гелия значительно более дешевый жидкий азот (0,11–0,3 долларов за 1 литр), упростить систему криостатирования, повысить ее надежность в эксплуатации, а также сократить эксплуатационные расходы.
Технология керамических сверхпроводников еще находится в стадии становления и развития. Однако уже к середине 90-х гг. XX в. были разработаны конструкции 1-го поколения ВТСП-проводов на основе соединения Bi2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi-2223, критическая температура — 104 К, критическая плотность тока — 108 А·м-2). В настоящее время в США, Японии и странах Европы налажен опытно-промышленный выпуск ВТСП-проводов 1-го поколения на основе висмута с использованием так называемой технологии «порошок в трубе», когда исходный порошок соединения запрессовывается в металлическую серебряную трубку, которая многократно обжимается и термообрабатывается. Эта технология достаточно сложна и дорога. Стоимость ВТСП-проводов 1-го поколения составляет более 200 долларов за 1 кА·м, что более чем на порядок превышает стоимость медного провода (около 15 долларов за 1 кА·м). По оценкам производителей, при развитии массового производства стоимость ВТСП-проводов 1-го поколения может быть снижена до 50 долларов за 1 кА·м [4].
Явные перспективы практического применения ВТСП технологий появились после открытия в 2002–2003 гг. высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения на основе иттриевых керамик. Плотность тока в сверхпроводниках 2-го поколения в несколько раз выше, чем в сверхпроводниках 1-го поколения. Увеличение плотности тока и использование сравнительно недорогих исходных материалов в сверхпроводниках 2-го поколения дают основание полагать, что стоимость ВТСП-проводов 2-го поколения при их массовом производстве может снизиться до 20–30 долларов за 1 кА·м, что сделает сверхпроводящие кабели экономически более конкурентоспособными по сравнению с кабелями традиционного исполнения [5].
В последнее время многие компании различных стран мира ведут интенсивные разработки в области использования сверхпроводящих кабелей на основе ВТСП технологий.
В настоящее время два силовых ВТСП-кабеля длиной по 30 м каждый в течение нескольких лет успешно эксплуатируются в реальных энергосистемах (проект Southwire и проект NKT Cable). Японская корпорация Sumitomo Electric совместно с энергетической компанией TEPCO завершила длительные испытания трехжильного ВТСП-кабеля на напряжение 66 кВ (1000 А) длиной 100 м. В 2003 г. группа компаний включая корпорацию Sumitomo Electric и компанию Super Power начали реализацию проекта по производству ВТСП-кабеля длиной 350 м с напряжением 34,5 кВ(800 А) для его прокладки между двумя подстанциями Нью-Йорка. Компания NEXANS и китайская компания Innopower Superconductor Cable ведут испытания трехфазного кабеля 35 кВ (2000 А) длиной 30 м, смонтированного на севере Китая. Кроме того, ведутся и другие крупные проекты: в Японии — ВТСП-кабель 77 кВ (1000 А) длиной 500 м, в США — ВТСП-кабель 138 кВ (2400 А) длиной 660 м, в Южной Корее — ВТСП-кабели длиной 30 и 100 м. Компания Pirelli ведет работы по разработке кабелей 110 кВ (400 МВА), кабелей 132 кВ (680 МВА) для электроэнергетических систем Италии и кабелей 225 кВ (1000 МВА) для электроэнергетической системы Франции [4–6].
Таким образом, находящиеся в настоящее время в опытно-промышленной эксплуатации сверхпроводящие силовые кабели имеют длину до 500–600 м. В ближайшие несколько лет их длина может быть увеличена до 3 км. И хотя к настоящему времени они обеспечивают передачу мощности до 500 МВА, в будущем они реально могут обеспечить передачу очень большой мощности (до 10 ГВА и более).
В России работы по силовым сверхпроводящим кабелям ведутся в значительно меньших масштабах (ВНИИКП, РНЦ «Курчатовский институт», ВНИИНМ, ВЭИ).
В ВНИИКП совместно с мексиканской компанией «Кондумекс» была разработана, изготовлена и успешно испытана модель ВТСП-кабеля длиной 5 м. Очевидно, активизации работ по силовым сверхпроводящим кабелям будет способствовать разработанная еще в ОАО РАО «ЕЭС России» программа по созданию и применению в схемах энергоснабжения мегаполисов кабелей на основе ВТСП технологии. Планируется к 2009 г. разработать и провести испытания моделей кабелей длиной до 500 м, а к 2012 г. — длиной до 1 км.
Перед традиционно применяемыми кабелями ВТСП-кабели имеют существенные преимущества: большую пропускную способность при использовании более низкого класса номинального напряжения, при меньших потерях, меньшем весе и компактности, пожаробезопасность, экологичность и др. Проведенные сравнительные технико-экономические расчеты (в РНЦ «Курчатовский институт», ВНИИКП, ВНИИНМ, ВЭИ) показали, что даже при сегодняшней высокой цене на ВТСП-материалы, полные затраты (учитывая прокладку и эксплуатационные расходы) для обычных кабелей и ВТСП-кабелей примерно одинаковы. Если в ближайшие годы разработчикам и производителям сверхпроводящих материалов удастся добиться существенного снижения цен на ВТСП-материалы, которые составляют до 90% от стоимости собственно кабеля, то выгода от применения ВТСП-кабелей станет очевидной [6].
Учитывая преимущества ВТСП-кабелей и интенсивность исследований и разработок в области ВТСП технологий, следует ожидать, что в ближайшее время ВТСП-кабели будут все более широко использоваться для глубокого ввода электроэнергии в мегаполисы и крупные энергоемкие комплексы, для замены отслуживших свой срок КЛ традиционного исполнения при необходимости увеличения передаваемой мощности и при повышенных требованиях с точки зрения пожаробезопасности и экологии, а также для вывода мощности от крупных электростанций и для преодоления водных преград. По оценкам экспертов, массовое применение сверхпроводящих кабелей может начаться в 2012–2015 гг.
Большие перспективы открываются и перед ВТСП-кабельными линиями постоянного тока, так как они позволяют создавать системы «высоковольтный генератор — сверхпроводящая КЛ постоянного тока», работающие на генераторном напряжении.
Литература
1. B. Dellby еt al. High-voltage «XLPEF-ORMANCE» cable technology // ABB Review,№ 4, 2000.
2. Д. Равемарк, Б. Нормарк «Подземные линии электропередач по технологии HVDC Light» // ABB Review, № 4, 2005 г.
3. Н. А. Черноплеков «Сверхпроводниковые технологии: современное состояние и перспективы практического применения». // «Вестник РАН», № 4, 2001 г.
4. В. C. Высоцкий, В. Е. Сытников, К. В. Илюшин и др. «Сверхпроводимость в электромеханике и электроэнергетике». // «Электричество», № 7, 2005 г.
5. В. В. Дорофеев, Н. А. Черноплеков, В. Е. Кейлин и др. «Проблемы создания и применения в электрических сетях устройств, использующих явления сверхпроводимости». // «Электричество», № 7, 2005 г.
6. П. Елагин «Сверхпроводниковые кабели — реальные очертания будущей энергетики». // «Новости электротехники», № 4 (34), 2005 г.
| Автор: И. Н. Привалов Дата: 30.04.2008 Журнал Стройпрофиль 3-08 Рубрика: электротехническое оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |