Доклады и презентации

Элегазовые линии электропередачи (ГИЛ)

Общие сведения

В связи с возросшим интересом к подземным системам передачи электроэнергии элегазовые линии (ГИЛ) представляют собой привлекательную альтернативу кабельным решениям. Изменения нормативно-правовой базы, относящиеся к плановому расширению систем высокого напряжения, усилили потребность в подземных линиях передачи в целом.

ГИЛ применяются, как правило, над поверхностью земли (например, на подстанциях) или в подземных тоннелях [1]. В презентации будут освещены некоторые из этих сфер применения. Однако вариант прямой прокладки ГИЛ в земле, не требующий расходов на прокладку тоннеля, ещё не был реализован на практике в диапазоне высших напряжений, хотя он демонстрирует ряд преимуществ, включая высокую пропускную способность, низкие показатели потерь, низкую зарядную ёмкость и т.д.

Несколько лет назад тестовая установка траншейной ГИЛ продемонстрировала, что эксплуатация подобной системы благоприятна во многих отношениях. По этой причине в 2008 году было принято решение о применении системы в промышленных масштабах в сети энергокомпании Amprion. В районе франкфуртского аэропорта введена в эксплуатацию двухцепная ГИЛ длиной около километра, обеспечивающая безопасное расстояние между воздушной линией электропередачи (ЛЭП) и новой взлётно-посадочной полосой. ГИЛ, содержащая газовую смесь азота и элегаза (N2/SF6), с одного конца непосредственно соединяется с высоковольтной подстанцией (КРУЭ). Другой конец ГИЛ подключён к питающей ЛЭП через элегазовые изоляторы [2].

Ключевые слова

Подземные линии электропередачи, ГИЛ, элегазовые линии, газовая смесь азот/элегаз N2/SF6, нагрузочная и перегрузочная способность, испытания на месте, траншейные ГИЛ.

Введение


Увеличение населения и степени индустриализации в сочетании с удалённой выработкой энергии приводят к росту потребности в передаче электроэнергии большой мощности и на большие расстояния, которая в целом достижима только за счёт высоковольтных систем электропередачи. Для широкомасштабной передачи электроэнергии в пределах муниципальных районов и на значительные расстояния можно применять элегазовые линии электропередачи (ГИЛ).

Они способны также соединять электростанции с подстанциями или воздушными линиями. Это признанная альтернатива кабелям и воздушным линиям. Эти линии эксплуатируются вот уже более 35 лет. Конструкция ГИЛ аналогична сборным шинам элегазовых распределительных устройств. Согласно рис. 1 ГИЛ в основном применяются над поверхностью земли (например, на подстанциях). Основные преимущества решения ГИЛ в подобных ситуациях – высокая передающая способность и компактность.

Рис. 1
ГИЛ, установленная на подстанции для подключения КРУЭ к ЛЭП.


Несколько линий ГИЛ проведено также в подземных тоннелях. Один из наиболее недавних проектов был реализован в австрийском городе.

Лимберге. Как показано на рис. 2, элегазовое контрольно-распределительное устройство (КРУЭ) на 400 кВ для гидроаккумулирующей электростанции необходимо подключить через ГИЛ, проложенные через тоннель с крутым уклоном, к воздушной линии на вершине горы. Отсутствие угрозы пожара и образование слабого электромагнитного поля при эксплуатации – вот основные причины, побудившие заказчика выбрать решение ГИЛ. Однако вариант прямой прокладки ГИЛ в земле, не требующий расходов на прокладку тоннеля, ещё не был реализован на практике в диапазоне высших напряжений, хотя он демонстрирует ряд преимуществ.

Рис. 2
Линия передачи ГИЛ в тоннеле.


Траншейные ГИЛ


Из-за необходимости прокладки последнего километра питающей воздушной линии (ЛЭП) под землей немецкий оператор сети энергокомпании Amprion решил более тщательно разобраться в возможностях этой технологии. В 2008 году было принято решение о монтаже системы коммерческого применения в сети Amprion. В районе франкфуртского аэропорта была введена в эксплуатацию двухцепная ГИЛ длиной около километра, обеспечивающая безопасное расстояние между ЛЭП и новой взлетнопосадочной полосой. ГИЛ, содержащая газовую смесь азота и элегаза N2/SF6, с одного конца непосредственно соединяется с высоковольтной подстанцией (КРУЭ). Другой конец ГИЛ подключен к питающей воздушной линии (ЛЭП) через элегазовые изоляторы (рис. 3).

Рис. 3
Подключение ЛЭП к КРУЭ через ГИЛ и поперечный разрез ГИЛ.


В рамках данного проекта предметом тщательных исследований стало прокладывание линий на большие расстояния. Систематически изучена и максимально рационализирована процедура прокладки.

Различные этапы монтажа (то есть сварочные работы и укладка в траншею) иллюстрируются в следующей последовательности. Монтажный тент располагается в середине траншеи и может рассматриваться в качестве основного логистического центра по месту работ. Здесь хранятся все вовремя поставленные компоненты после выполнения всех механических работ (например, изготовления отрезков труб заданной длины, шлифовки и т.д.) Как показано на рис. 4, завершение подготовки модулей ГИЛ, в особенности вставка проводника, требует наличия специального инструмента.

Рис. 4
Завершение установки модулей на объекте.


Модули ГИЛ свариваются роботом по кругу в соединительной яме на монтажной площадке. Процедура сварки показана на рис. 5.

Рис. 5
Автоматизированная сварка ГИЛ.


Вслед за ультразвуковой проверкой каждого сварного шва модули в конце концов втягивают в траншею, размещая их в направлении платформы ЛЭП и здания КРУЭ соответственно. Механические леса фиксируют трубы ГИЛ в траншее и вынуждают их следовать пространственной кривой ландшафта прямо перед обратной засыпкой (рис. 6).

Рис. 6
Вид стройплощадки возле Кельстербаха с платформы ЛЭП.


После завершения монтажа двух систем ГИЛ в траншею наливается жидкая термически стабилизируемая засыпка. Толщина почвы над трубами ГИЛ равна 1,2 м. На рис. 7 показаны работы по обратной засыпке. Общая ширина шести фаз ГИЛ составляет около 9 м.

Рис. 7
Покрытие труб ГИЛ жидкой, термически стабилизируемой засыпкой.


Передающая способность установленной ГИЛ

Ещё одной темой, рассматриваемой в рамках данной пилотной установки, стала передающая способность на короткое и длительное время. Первоначально эта установка была спроектирована более консервативно в плане электропроводимости и высыхания почвы.

Согласно рис. 8 расчёт передачи электроэнергии показал результат 2 x 1800 МВА, который эквивалентен номинальному току силой 2 x 2700 A.

Рис. 8
Температура проводника и корпуса при номинальной силе тока (2 системы при 2700 A, м=1).


Первостепенным ограничивающим фактором стала расчётная температура внешнего корпуса.

Однако исследования прототипа дали нам определённое понимание того, что нагрузочная и перегрузочная способности превышают оценки. Были проведены дополнительные имитации с применением адекватного моделирования, учитывающего условия данной почвы. Результаты можно использовать для оптимизации передающей способности установленной ГИЛ в общем и целом.

Для этой цели установка была снабжена системой мониторинга температуры на основе оптоволоконных кабелей.

Они задействованы в качестве чувствительных элементов и расположены поверх труб корпуса каждой отдельной фазы на всём протяжении системы (рис. 9).

Рис. 9
Оптоволоконные датчики для мониторинга температуры.


Чтобы определить температуру почвы в качестве референтного значения для температур корпуса, параллельно траншее ГИЛ проведён дополнительный оптоволоконный кабель. Поскольку нагрузка в диапазоне номинальных величин не могла ожидаться в течение первого периода эксплуатации, для испытаний токовой нагрузкой был применён трансформатор тока. Подача питания по проводам ГИЛ во время испытаний с подключением к КРУЭ и расположение трансформаторов тока указаны на рис. 10 a и б.

Рис. 10 a/б
Испытательный комплект для подачи тока по ГИЛ.


С помощью этого тестового комплекта можно получить нагрузку в 3000 A, что примерно на 10% больше номинального значения. На рис. 11 показаны значения показателей температуры в двух различных точках канала ГИЛ. Из этой записи мы узнаем, что после примерно пятидневного периода нагрузки достигаются более или менее стабильные условия (т.е. можно ожидать постоянного повышения температуры в течение около 36 часов).

Рис. 11
Температура корпуса во время теста с повышением температуры всей установленной ГИЛ и силой тока 3000 A.


Константа времени остывания выглядит немного короче, что, возможно, связано с особым типом материала засыпки (разновидность жидкой почвы с приблизительной теплопроводностью 2 Вт/мК).

Более того, эта запись позволяет получить ряд примечательных результатов. Температура корпуса составляет только 34°C, что гораздо меньше максимально допустимой температуры 60°C, даже с учётом того, что на практике сказывается влияние соседних кабельных каналов, которое может привести к дополнительному нагреву на определенное количество градусов при токе в 3000 A. С другой стороны, можно обнаружить температуру почвы около 22°C, которая значительно выше 15°C – предполагавшейся для лета максимальной температуры почвы. Причиной этому стал продолжительный период, в течение которого температура воздуха отчетливо была выше 20°C даже по ночам и который вызвал нагрев почвы в районе изучаемой установки. Данные, полученные в результате наших измерений, были подтверждены данными коммерческой метеорологической службы. Если принять во внимание все эти результаты, становится ясно, что постоянная нагрузка на ГИЛ с силой тока 3150 A (т.е. более чем на 15% выше номинального значения) возможна в долгосрочной перспективе без какого-либо обезвоживания почвы. В краткосрочной перспективе приемлемо значение 2500 МВА. Если применить модель термального моделирования, можно будет провести более детальное исследование.

Защита от коррозии


Прежде всего, внешняя труба ГИЛ оснащена пассивной защитой от коррозии. Эта мера сопоставима с покрытием высоковольтных силовых кабелей слоем пластика. Черный слой полиэтилена толщиной несколько миллиметров наносится на заводе на каждую трубу. После проведения сварки на месте свариваемые сечения (около 30 см) защищаются с помощью того же самого пластикового материала, который напыляется последовательно на каждый шов. Чтобы дополнительно обезопасить себя от коррозии, которая может произойти из-за внешнего повреждения пластикового покрытия, применяется метод активной защиты.

На рис. 12 показана коммутационная схема активной коррозионной защиты ГИЛ. В принципе наружный корпус ГИЛ отделен от потенциала земли (например, потенциала земли КРУЭ).

Рис. 12
Схематическая диаграмма активной коррозионной защиты.


Трубы подключены к ячейкам компании Kirk, которые обеспечивают отрицательный потенциал напряжением 1,5 В относительно земли. В конструкции активной системы защиты от коррозии предусмотрена также возможность устойчивости к токам короткого замыкания.

Высоковольтное испытание ГИЛ


Конструкция однофазной герметичной линии состоит лишь из нескольких различных деталей, таких как корпус, проводник и изоляторы. При монтаже ГИЛ методом сварки или за счёт фланцевых соединений применяются сборные элементы. Проводник фиксируется коническим и штыревым изоляторами. Система изоляции ГИЛ в принципе аналогична системе защиты КРУЭ. Сегодня в случае длинных линий предпочитают пользоваться газовыми смесями N2/SF6 с высоким содержанием N2. Отладочные и типовые испытания ГИЛ похожи на связанные с ними испытания КРУЭ, в то время как контрольное испытание диэлектрика применимо только к изоляторам.

Интенсивные модельные, типовые и приемочные испытания – основа надёжной конструкции и проверенного качества продукции. В любом случае необходимо заранее получить надёжные оценки материалов и производственных процессов. На этапе модельных испытаний все тесты – например, эпоксидных изоляторов – проводились с применением изоляторов реального размера, а напряжение при длительных испытаниях (50 Гц) в 2–5 раз превышает нагрузку в рабочем режиме. Продолжительность длительных испытаний составляла до 15 000 часов, и их результаты подтвердили верность обратного степенного закона и требуемую надёжность эпоксидных изоляторов [3].

Испытания на месте после установки

Испытания на местах должны служить для проверки диэлектрической целостности законченного монтажа [4]. Программа испытаний обнаруживает различные типы дефектов, которые могут привести к внутреннему короткому замыканию во время эксплуатации: неправильную сборку, присутствие инородных тел или других посторонних веществ (таких как отдельные частицы металла и выступы, а также повреждения во время транспортировки, хранения или установки).

Рекомендация IEC 61640 для высоковольтных испытаний на месте установки основана на современных испытаниях КРУЭ и учитывает характеристики длинной ГИЛ [5]. Однако процедура испытаний на месте не является фиксированной, и по каждому отдельному проекту следует согласовывать соответствующую процедуру испытаний. При испытании ГИЛ на месте установки успешно применялся метод УВЧ-сканирования частичного разряда. В случае ГИЛ расстояние между соседними датчиками частичного разряда может превышать несколько сот метров из-за слабого затухания сигнала в ГИЛ. Точность испытаний напряжением промышленной частоты на месте и УВЧ-сканирования частичного разряда уже доказана в ходе различных предшествующих проектов ГИЛ [6].

На рис. 13 показана процедура испытаний на месте, состоящая из подачи переменного тока определённого качества, тестирования на переменной частоте и дополнительного УВЧ-сканирования частичного разряда. При этом учитываются рекомендации IEC/CIGRE и опыт производителя в плане тестирования КРУЭ и ГИЛ.

Рис. 13
Испытания траншейной ГИЛ (420 кВ) на месте.


Каждая фаза ГИЛ была определена в качестве отдельного испытательного участка. Четыре датчика УВЧ-сканирования частичного разряда расположены вдоль каждой отдельной фазы ГИЛ; максимальное расстояние между соседними датчиками составляет около 500 м. Требуемая чувствительность при обнаружении частичного разряда 5 пКл была подтверждена на месте согласно рекомендации CIGRE [7]. Для генерирования переменного тока с тестовым напряжением и частотой (f) около 54 Гц применялась настраиваемая по частоте резонансная система испытаний с фиксированной индуктивностью. Все шесть испытательных участков прошли упомянутое выше диэлектрическое испытание на месте. Локализация разрядов с пробоем во время испытаний на месте установки представляет сложности в случае траншейных ГИЛ. Такая стандартная процедура, как акустическая запись, неприменима, и требуется принятие других мер. Разрушение изоляции вызывает осцилляцию блуждающей волны, которую можно записать ёмкостными датчиками и использовать для локализации неисправности.

ГИЛ так же, как и КРУЭ, демонстрирует высокую степень надёжности. Тем не менее вероятность повреждения диэлектрика полностью нельзя исключать. Перед началом ремонтных работ дефект необходимо обнаружить и локализовать как можно более точно. В принципе применимы все методы, известные по другим подземным линиям, таким как силовые кабели. В случае пробоя лавина напряжения вызывает появление блуждающей волны. Это переходное явление может быть записано соответствующими датчиками.

Поскольку установка оснащена датчиками частичного разряда, их можно использовать для записи импульсных помех, если правильно подключена низковольтная ёмкость. Расположение датчиков частичного разряда в опытной установке отображено на рис. 14.

Рис. 14
Расположение датчиков частичного разряда.


Согласно рис. 15 и 16 в этой ГИЛ имеется система локализации дуги (ALS), основанная на анализе динамических различий сверхбыстрых импульсных сигналов (VFT) в разных местах. Датчики с преобразователями локализации дуги монтируются в начале и в конце установки. Они подключаются к коммуникационным модулям. Один из них играет роль ведущего устройства, а другой – ведомого устройства. Оба они подключаются к системе коммуникационной шины.

Рис. 15
Схематическая диаграмма системы.


Синхронизация ведущего и ведомого устройства достигается за счёт сигнала GPS. Если сверхбыстрый импульсный сигнал создаётся дугой в системе, то он вызывает проведение измерений времени прохождения сигнала обеими датчиками. Место пробоя выявляется путём сравнения этих данных. Визуализация системы указывает, в какой именно цепи возникла дуга и в каком именно месте. Эффективность системы подтверждена испытаниями на местах.

Рис. 16
Система локализации дуги для мониторинга систем ГИЛ.


Результаты были сравнены с обычными значениями измерений. Удалось достичь точности, значительно превышающей ±5 м (т.е. указанной в спецификации величины).

Заключение


В связи с возросшим интересом к подземной передаче в системах высшего напряжения элегазовые линии электропередачи (ГИЛ) представляют собой привлекательную альтернативу кабельным решениям. Во время опытного внедрения были детально проанализированы различные аспекты: конструктивные особенности, инжиниринг, монтаж, сборка и процедура прокладки, а также испытания на месте установки. Измерения температуры показали, что передающая способность оказалась выше, чем при первоначальных расчётах. Тем временем с помощью системы мониторинга температуры были собраны точные данные, подтверждающие более высокие номиналы тока. Описанное опытное внедрение ГИЛ позволило придать импульс сбору дополнительных сведений об этой технологии, которая до сих пор применялась только для тоннельных проектов и наземных установок.


Литература

1. CIGRE TF 15.03.07: Long-term performance of SF6 insulated systems. CIGRE Report 15-301, Session 2002, Paris.
2. Neumann et. al.: Pilot Installation of a 380 kV directly buried Gas-insulated Line (ГИЛ). CIGRE Report B3-104, Session 2010, Paris.
3. Diessner, Luxa, Neyer: Electrical Aging Tests on Epoxy Insulators in GIS. IEEE Trans. On Electrical Insulation, Vol. 24, 1989.
4. Schichler, Kynast: High-Voltage Tests and Measurements during the Life Cycle of GIS, Highvolt Colloquium, Dresden, 2007.
5. IEC 61640: Rigid High-Voltage Gas-insulated Transmission Lines for Rated Voltage of 72.5 kV and above, 1998.
6. Schichler, Diessner, Gorablenkow: Dielectric On-Site Testing of ГИЛ. ICPADM, Nagoya, Japan, 2003.
7. CIGRE TF 15/33.03.05: Partial Discharge Detection System for GIS: Sensitivity Verification for the UHF Method and the Acoustic Method. ELECTRA, No. 183, 1999.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно