Кабели с изоляцией из СПЭ как средство построения умных сетей

Строительство и эксплуатация «умных сетей», наряду с решением других вопросов, требуют применения следующих технических и организационных мероприятий:
• сбор исходных данных по протяжённости и сечению проводов и жил кабелей конкретных ЛЭП по центрам питания и в целом по энергетическому предприятию и их анализ на предмет оптимальности;
• перевод системы учёта количества активов электрических сетей из критерия «условная единица» в критерий электрической мощности кВА (МВА);
• формирование пилотного варианта эталонной ресурсосберегающей электрической сети;
• сопоставление структуры фактической сети со структурой эталонной сети от ЦП;
• расчёт фактического показателя надёжности сетей на основе реального учёта количества активов в кВА как основного показателя обеспечения качества электроснабжения конечных потребителей;
• расчёт фактических технологических потерь электроэнергии от существующих ЦП и их сопоставление с потерями в эталонной сети;
• разработка предложений по совершенствованию структуры существующей сети в соответствии с эталонной сетью и системы мотивации персонала;
• определение экономического эффекта от реализации предложений;
• снижение энергоёмкости ВВП сетевого комплекса на основе использования показателя учёта количества активов в кВА (МВА);
• формирование центров затрат и центров прибыли сетевого предприятия;
• регулирование тарифов в филиале сетевого предприятия по усовершенствованной методике RAB на основе цены электроэнергии на границе токораздела с поставщиками и потребителями;
• применение трансформаторов с магнитопроводом из аморфных материалов;
• обеспечение всех трансформаторов устройствами РПН;
• обеспечение оптимальной загрузки трансформаторов;
• отключение трансформаторов 10/0,4 кВ на ПС с сезонной нагрузкой;
• отключение одного из трансформаторов в режиме малой нагрузки на ПС 110, 35, 10 кВ с двумя трансформаторами;
• применение оптимального сечения фазных проводов;
• использование оптимальной величины передаваемой мощности;
• внедрение оптимального рабочего напряжения;
• оптимальное размещение компенсирующих устройств;
• применение СИП;
• обеспечение ВЛ РДИ и ОПН;
• обеспечение РУ, ТП, МТП, РП, ЗРП ограничителями перенапряжений;
• глубокий ввод ПС 35 кВ (перевод ВЛ 10 кВ на ВЛ 35 кВ);
• глубокий ввод ПС 10 кВ (приближение ПС 10 кВ к потребителям);
• применение сетей 0,66 и 1,15 кВ между сетями 10 и 0,4 кВ;
• снижение потребления ЭЭ собственными нуждами ПС;
• выравнивание нагрузки фаз в сетях 0,4 кВ;
• применение ЭО с лучшими характеристиками у потребителей;
• совершенствование автоматизированных систем учёта энергии, управления электропотреблением и состоянием оборудования;
• применение тепловых насосов совместно с аккумуляторами тепловой энергии для собственных нужд вместо электроотопления ТЭНами;
• отопление производственных зданий сбросным теплом трансформаторов с применением компрессионных тепловых насосов ОКБ Теплосибмаш;
• выработка электроэнергии для собственных нужд на ветроустановках и солнечных батареях;
• внедрение новых технологий и систем передачи и распределения электроэнергии;
• применение проводов из новых композиционных материалов с повышенными механической прочностью и пропускной способностью;
• переход от обычных трёхфазных кабелей к однофазным кабелям с изоляцией из СПЭ.

На последнем мероприятии остановимся более подробно.
В настоящее время передовые зарубежные страны перешли на новый тип изоляции силовых электрических кабелей — сшитый (вулканизированный) полиэтилен (СПЭ, в английском обозначении ХLРЕ) [1—5].
СПЭ имеет ряд существенных преимуществ перед другими изоляционными материалами по физико-механическим, диэлектрическим, конструкционным и технологическим свойствам переработки.
Отечественная кабельная промышленность по известным причинам (перестройка, дефолт в августе 1998 г. и другим) существенно отстаёт от ведущих мировых кабельных фирм по внедрению кабельных изделий с изоляцией из СПЭ. Параметры ПЭ, применяемого для изолирования силовых кабелей, приведены в табл. 1. Рабочие свойства СПЭ находятся на уровне свойств термопластичного ПЭ, а нагревостойкость выше (табл. 2).

Допустимый нагрев жил кабеля в аварийном режиме, не превышающий 8 часов в сутки и не более 1000 часов за срок службы, не должен превышать 80°С для ПЭ и ПВХП и 130°С — для изоляции из СПЭ.
Длительная допустимая температура жил кабеля с бумажно-пропитанной изоляцией (вязкая пропитка) составляет: для кабелей на напряжение 1 и 3 кВ — 80°С, на 6 кВ — 65°С, на 10 кВ — 60°С, на 20 кВ — 55°С, на 35 кВ — 50°С.
Температура при КЗ для БПИ составляет 200°С. Преимущества кабелей высокого напряжения с изоляцией из СПЭ перед кабелями с пропитанной бумажной изоляцией общеизвестны:
• большая пропускная способность за счёт увеличения допустимой температуры жилы (допустимые токи нагрузки в зависимости от условий прокладки на 15—30% больше, чем у кабеля с пропитанной бумажной изоляцией);
• большой выдерживаемый ток короткого замыкания;
• меньший вес, диаметр и радиус изгиба, что обеспечивает лёгкость прокладки кабеля как в кабельных сооружениях, так и в земле на любых сложных трассах;
• возможность вести монтажные работы при прокладке кабеля при температурах до -20°С без предварительного подогрева, благодаря использованию полимерных материалов для изоляции и оболочки;
• низкая удельная повреждаемость, обеспечивающая лучшие технические характеристики при ремонтно-восстановительных работах и недоотпуске электроэнергии. Так, кабели с СПЭ-изоляцией как минимум на 1—2 порядка повреждаются меньше, чем кабели с бумажнопропитанной изоляцией;
• отсутствие жидких компонентов, что уменьшает время прокладки и стоимость монтажных работ;
• большая передаваемая мощность (однофазная конструкция имеет сечение 800 мм2
и более);
• большие строительные длины (до 3 км);
• длительно допустимая температура (90°С) в 1,5 раза, допустимый нагрев в аварийном режиме (130°С) ~ в 1,5 раза, предельно допустимая температура при протекании тока короткого замыкания (250°С) на 25% больше, чем для соответствующих кабелей с бумажной изоляцией.

Остальные сопоставительные характеристики сведены в табл. 3.

Анализ опыта эксплуатации кабелей 6–110 кВ с изоляцией из СПЭ показывает их высокую надёжность. Большинство отечественных и зарубежных заводов-изготовителей таких кабелей даёт гарантию ~ на 50 лет. Однако надёжность работы кабелей в значительной степени зависит от соотношения сечений жил и экрана, а также от способа заземления экрана.
При заземлении экрана в начале и конце однофазного кабеля по экрану течёт продольный ток, который ухудшает пропускную способность кабеля.
Рассмотрим расчёт влияния тока в экране кабеля на пропускную способность при ошибочном и случайном двухстороннем замыкании экрана, а также при повреждении оболочки по длине кабеля. Для примера возьмём кабель 10 кВ отечественного производства с сечением 240 мм² (медный провод), сечением экрана 35 мм² и длиной 1 км.
Расчёты приведены для случаев [4, 5]:
- экран не заземлён с двух сторон или включён через трансформатор нулевой последовательности;
- экран заземлён с двух сторон и имеет место продольный ток через него.

Пропускная способность для этого кабеля по условиям п.1 составляет I_ж = 589 А, по условиям п.2 — I_ж = 507 А.
Разность по току для этих двух случаев составляет ΔI_ж= 589 – 507 = 82 А, , то есть при учёте тока в экране пропускная способность кабеля должна быть снижена на (82 / 507) 100 = 16,2%.
Опасных токов и напряжений в экранах не было бы в том случае, если вместо трёхфазной группы однофазных кабелей применялся бы трёхфазный кабель, имеющий три жилы в одной общей оболочке. Однако современные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, как правило, всё же однофазные, что и вызывает справедливый повышенный интерес к токам и напряжениям в их экранах.
Способы прерывания продольных токов через экран отдельных однофазных кабелей трёхфазной системы схематично приведены на рис. 1.

Для этого применяют два пути.
1. Способ одностороннего заземления экранов (рис. 1, а) в конце каждой строительной длины кабеля путём применения специальных изолирующих муфт.
2. Электромагнитная компенсация с применением транспозиции экранов (рис. 1, в); здесь сумма э.д.с, наводимых в оболочках трёх секций транспозиции (например, в контуре a-b-c-d-e-f), равна нулю вследствие сдвига э.д.с на 120° и поэтому продольные токи в нормальном режиме в оболочках не протекают.
Разумеется, в схеме рис. 1, в сумма э.д.с будет равна нулю в том случае, если фазы расположены симметрично. В противном случае несимметрия вызовет ток через оболочки кабелей, вызывая дополнительный нагрев изоляции.
Однако оба способа нарушения целостности электромагнитного экрана кабелей будут вызывать вытеснение поля в пространство снаружи оболочек, а следовательно, ряд нежелательных явлений, которые будут затруднять эксплуатацию кабельных линий. К этим нежелательным явлениям относятся:
а) наведённые потенциалы частоты 50 Гц на экранах кабелей, возникающие как в рабочих режимах, так и при аварийных (возникновениях коротких замыканий);
б) дополнительные потери в подземных и надземных металлических коммуникациях, находящихся вблизи кабельной линии, от вихревых токов и подсушки почвы этими токами;
в) импульсные воздействия на изоляцию оболочек кабелей при набегании грозовых импульсов и крутых импульсов коммутационных перенапряжений.
Напряжения на оболочке могут приобрести значительные величины. Необходимо предусмотреть меры защиты экрана от перенапряжений с частотой 50 Гц и близкими к ней частотами.
Напряжения нулевой последовательности на экране рассмотренных кабелей могут быть уменьшены двумя путями.
Создание дополнительного пути для протекания обратного тока нулевой последовательности уменьшит собственную индуктивность контура «экран — земля» и коэффициент взаимной индукции между аналогичными петлями токов соседних фаз. Для этого можно рекомендовать прокладку дополнительного заземлённого провода (троса) по трассе защищаемой кабельной линии.
Вторым путём ограничения напряжения нулевой последовательности на оболочке кабеля является применение специальных трансформаторов, обладающих большим сопротивлением прямой последовательности X₁ и малым сопротивлением нулевой последовательности Х₀. Такое соотношение сопротивлений достигается с помощью трансформатора, подключаемого к фазам кабеля согласно рис. 2.

Аварийные токи нулевой последовательности замыкаются через обмотки I трансформатора Т и экраны кабелей фаз А, В и С, при этом рабочие токи прямой последовательности, протекающие по экранам, малы. Основную помощь в отводе токов нулевой последовательности у этого трансформатора оказывает обмотка II, соединённая в треугольник.
Что же касается схемы с транспозицией оболочек, то здесь токи нулевой последовательности протекают по оболочкам, и поэтому она является практически самозащищённой от наведённых потенциалов частоты 50 Гц нулевой последовательности.
Таким образом:
• применение кабелей с СПЭ-изоляцией в значительной степени повышает надёжность, что приводит к снижению потерь на ремонтно-восстановительные работы и на недоотпуск электроэнергии потребителям;
• использование однофазных кабелей с СПЭ-изоляцией и с мероприятиями по предотвращению продольных токов по экранам позволяет существенно снизить токи короткого замыкания;
• прерывание продольных токов через экран кабелей с изоляцией из СПЭ позволит повысить их пропускную способность не менее чем на 35— 40%.
Если же по требованиям ПУЭ заземлить кабель на обоих концах, то для обеспечения его надёжной работы с учётом токов в экранах кабеля следует снизить пропускную способность на 20—50%. Необходимость и размер снижения пропускной способности (тока в жиле) должны быть определены для конкретного кабеля.
Что же касается оптимального варианта передачи электроэнергии по кабелям 0,4—110 кВ с изоляцией из СПЭ, то он определяется при выполнении соответствующих технико-экономических расчётов.
В заключение отметим, что схема заземления экранов упомянутых кабелей в начале и в конце может быть применена при их длинах не более 200— 300 м, а схемы транспозиции экранов (рис. 2 в) и использования трансформатора нулевой последовательности (рис. 2) — при длинах 500 м и более.

ЛИТЕРАТУРА
1. Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6—500 кВ. Изд. «НИВА», Санкт-Петербург, 2007.
2. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные силовые кабели 6—500 кВ. Новости электротехники, № 2, 2007.
3. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Заземление экранов однофазных силовых кабелей высокого напряжения. Энергетик, № 11, 2007.
4. Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1996.
5. Канискин В.А., Таджибаев А.И. Эксплуатация силовых электрических кабелей. Учебное пособие. Изд. Петербургского энергетического института повышения квалификации Минэнерго РФ, 2002.