Кто правит бал в мире кабелей большой мощности?

— Эдуард Николаевич! Спасибо, что согласились встретиться и обсудить вопросы, ставшие особенно актуальными в последнее время. К ним относятся прежде всего перспективные направления развития силовой кабельной техники, а также целесообразность замены воздушных линий электропередачи на кабельные в системах электроснабжения крупных городов.

— Екатерина Николаевна! Являясь постоянным читателем журнала «КАБЕЛЬ-news» в течение по меньшей мере последних 6 лет, считаю для себя честью возможность побеседовать с его очаровательным главным редактором и ответить на интересующие читателей вопросы. Имея представление о тематике нашего разговора, я подготовил некоторые иллюстрации, чтобы читатели получили более ясное представление о затрагиваемых в нашей беседе вопросах.

— В своей книге¹  Вы говорите о том, что практически одновременно в конце XIX века возникли и затем продолжали развиваться в течение вот уже более 120 лет два направления в технике передачи больших количеств электроэнергии на расстояние, а именно: линии открытого типа — воздушные и линии закрытого типа — кабельные. Так кто же они — соперники, конкуренты или равноправные партнёры в системах электроснабжения?

— Да, действительно, началом эры передачи электроэнергии на дальние расстояния считается пуск в эксплуатацию в 1891 году воздушной линии трёхфазного переменного тока напряжением 28,3 кВ от ГЭС Лауфен в Германии до города Франкфурт-на-Майне протяжённостью 170 км, что по тем временам было действительно выдающимся достижением. Примечательно, что в том же году в Лондоне была сооружена однофазная кабельная линия 10 кВ длиной 12 км, рассчитанная на передачу 3,2 МВт, с понижающей подстанцией 10/2,4 кВ на приёмном конце, от которой питалась распределительная сеть. Эту линию можно рассматривать как прообраз современных глубоких вводов электроэнергии на территории городов и промышленных зон.

С этого момента и вплоть до сегодняшнего дня эти два направления развивались по пути создания линий электропередачи всё более высокой пропускной способности, достигаемой за счёт увеличения номинального напряжения. Это общая тенденция для обоих технических средств передачи электроэнергии, и в этом смысле они партнёры. Однако существует ряд специфических причин, обусловивших как возникновение, так и прогрессирующее развитие техники подземной передачи электроэнергии. Их совокупность можно разделить на три категории в соответствии с положенными в их основу соображениями. Это прежде всего причины экономического и технического плана, а также экологические, эстетические и архитектурно-планировочные аспекты.

— Вероятнее всего, основной из этих причин является экономическая?

— Вы правы. Причины экономического характера связаны с необходимостью сокращения размеров территории, отчуждаемой под трассу линий электропередачи, в связи с высокой стоимостью земли в некоторых, как правило, густонаселённых районах или в районах с высокопродуктивными сельскохозяйственными угодьями.

Действительно, достаточно открыть «Справочник по проектированию электрических сетей»², чтобы убедиться в том, что современная стоимость сооружения одного километра кабельной линии (К_ОКЛ, тыс. руб./км), то есть стоимость её оборудования и строительно-монтажных работ, значительно больше стоимости сооружения 1 км воздушной линии (К_ОВЛ). Однако ширина полосы отчуждения под трассу (В_тр) в первом случае примерно на порядок меньше (В_трКЛ << В_трВЛ). При учётте стоимости отчуждаемой под трассу территории (К_Отр, тыс. руб./км²) суммарная стоимость КЛ на 1 км К_ОКЛΣ = К_ОКЛ + К_Отр В_трКЛ. Аналогично для ВЛ К_ОВЛΣ = К_Овл + К_Отр В_трВЛ.

Теперь посмотрите, пожалуйста, на рис. 1, где показан характер зависимостей этих показателей от К_Отр. Эти две прямые линии, имеющие различные углы наклона по отношению к горизонтальной оси, обязательно будут иметь точку пересечения при некотором значении К_Отр, которое назовем граничным К_Отр.гр). При небольшой стоимости земли, то есть при К_0тр < К_Отр.гр, суммарные капиталовложения в сооружение ВЛ меньше, то есть сооружение воздушной линии при прочих равных условиях выгоднее. Напротив, при дорогой земле (К_Отр > К_Отр.гр) целесообразным оказывается сооружение кабельных линий.

Проблемы с возможностью отчуждения территории под трассы линий электропередачи в густонаселённых районах с каждым годом становятся всё более острыми. Примером может служить высказанное ещё 25 лет назад мнение специалистов о том, что «...в европейских странах транспорт электроэнергии к центрам нагрузки всё более затрудняется из-за отсутствия площадей для сооружения воздушных линий, в связи с чем ведутся интенсивные конструкторские и исследовательские работы в области подземных ЛЭП с газовой или твёрдой электрической изоляцией».

Рис. 1. Соотношение стоимостей сооружения 1 км кабельных и воздушных линий в зависимости от удельной стоимости отчуждаемой под трассу территории.

— Не являются ли эти соображения основой для создания программы замены существующих на территориях городов воздушных линий на кабельные?

— Несомненно, в условиях дефицита площадей для нового строительства жилья и других инфраструктурных объектов высвобождение коридоров воздушных линий с последующим сооружением в них этих объектов представляется весьма перспективным. И именно по этой причине ещё в 1978 году было принято Постановление Совета Министров СССР «О мерах по замене в г. Москве воздушных линий электропередачи напряжением 110-220 кВ на подземные кабельные линии в целях высвобождения земельных участков под жилищное строительство». Обратите внимание на то, что речь не идёт о линиях среднего напряжения 6-20 кВ, а имеются в виду именно линии, выполняющие функции глубоких вводов электроэнергии, трассы которых в тот период занимали примерно 3% территории Москвы в границах МКАД, то есть около 30 км². В европейских странах аналогичные задачи стали решаться примерно в то же время. Приведу информацию из голландского журнала «Инженер», где ещё в 1975 г. отмечалось, что «...в связи с высокой стоимостью отчуждаемой для ЛЭП земли в Нидерландах всё более заметно проявляется тенденция перевода существующей воздушной сети высокого напряжения на кабели. Высокие затраты на переоборудование сети окупаются не только за счёт сокращения полосы отчуждения под трассу ЛЭП, но и благодаря снижению повреждаемости».

— Похоже, что в конце этой цитаты мы сталкиваемся с констатацией более высокого уровня надёжности кабельной линии по сравнению с воздушной. Действительно ли это так?

— Этот аспект, т.е. аспект аварийности, условно выделен в отдельную категорию причин технического характера. Опять же в качестве конкретного примера укажем на принятое ещё в 1991 г. властями штата Вашингтон, США, решение о том, что «...все внутригородские и пригородные электрические сети штата должны выполняться подземными кабелями, так как воздушные линии имеют очень высокую аварийность». Эти общие слова подтверждаются статистическими данными, согласно которым параметры потока отказов, т.е. число повреждений в год, например, для ВЛ и КЛ 110 кВ соотносятся как 10:1, хотя время восстановления или аварийного ремонта такой КЛ примерно в 20 раз больше, чем у воздушной. Более высокая надёжность подземных кабельных линий объясняется их независимостью от влияния атмосферных условий, которому подвержены воздушные линии, — ветер, гололёдообразование, загрязнение изоляции и т.д.

— Осталось поговорить о неформализуемых показателях привлекательности кабельных линий, связанных с экологическими, эстетическими и архитектурно-планировочными моментами. Каковы здесь их преимущества?

— Конечно, последняя из перечисленных выше причин развития техники подземной передачи электроэнергии связана прежде всего с отрицательным влиянием воздушных линий высокого и особенно сверхвысокого напряжения на окружающую среду. Дело здесь не только в изъятии из землепользования значительных сельскохозяйственных угодий и уничтожении части лесов, но и в отрицательном влиянии электромагнитного поля линии на растительность, среду обитания животного мира, на находящихся в зоне его действия людей. Нельзя не считаться также с акустическим шумом и помехами радио- и телевизионному приёму, связанными с явлением коронирования проводов.

Кроме того, при оценке целесообразности сооружения ВЛ всё чаще в расчёт принимаются и эстетические критерии, особенно когда речь идёт о прохождении трассы по территориям, имеющим культурно-историческую ценность и природную уникальность. Так, например, ещё в начете 70-х годов прошлого века в штате Нью-Йорк прошло широкое общественное обсуждение проблем прокладки кабельных линий вместо воздушных в перспективе, включая замену последних, уже сооружённых ранее на территории штата. В результате были утверждены основные принципы, по которым предпочтение должно отдаваться подземным линиям.

В частности, была разработана иерархия приоритетов районов, в которых запрещается сооружение воздушных линий. К таким территориям относятся национальные парки, заповедники, местности с уникальным пейзажем, исторические места, деловые и торговые центры, автотрассы с движением более 3 тысяч автомобилей в день и т.д. При составлении проектов сооружения ЛЭП предписано руководствоваться стандартизованным алгоритмом оценки, включающим учёт таких факторов, как приоритет района прокладки трассы, наличие уже существующих коридоров и возможность их использования, стоимость сооружения собственно линии и отчуждаемых земель, технологические особенности строительства, воздействие на ландшафт, животный и растительный мир и т.д.

Хотя приведённый пример и является частным, однако он демонстрирует, какое значение придаётся на современном этапе экологическим, эстетическим и архитектурно-планировочным соображениям при выборе типа электропередачи. Вместе с тем на сегодня общая протяжённость кабельных сетей в мире ещё остаётся значительно меньшей по сравнению с воздушными, что объясняется прежде всего более высокой стоимостью сооружения собственно кабельной линии без учёта стоимости отчуждаемой территории. Однако число случаев, когда в силу рассмотренных выше причин принимаются решения о строительстве кабельной линии вместо воздушной или о замене последней на кабельную, постоянно растёт. Это, в свою очередь, является достаточно мощным стимулом для сохранения тенденций развития техники подземной передачи электро-энергии.

— И каковы же эти тенденции?

— Целью, на достижение которой направлены усилия исследователей в данной области во всех странах с высокоразвитой электроэнергетикой и электротехнической промышленностью, является увеличение пропускной способности кабельной линии. Как я уже говорил, эта тенденция является общей для кабельных и воздушных линий, однако в отличие от протяжённых воздушных линий, особенно сверхвысоких напряжений, где на первый план выступает ограничение передаваемой мощности условиями статической устойчивости параллельной работы генераторов электростанций или энергосистем, связываемых этой линией, пропускная способность кабельной линии всегда ограничена условиями допустимого нагрева её элементов.

Для трёхфазной кабельной линии, состоящей из нескольких параллельных цепей, суммарная пропускная способность зависит от произведения таких параметров, как число цепей, номинальное напряжение, допустимый по условиям нагрева ток в фазе одной цепи для одноцепной линии и коэффициента, учитывающего степень взаимного теплового влияния цепей. Для повышения пропускной способности необходимо увеличивать первые три параметра и обеспечить тепловую независимость цепей.

Очевидно, что простое наращивание числа цепей сверх минимально необходимого по условиям надёжности электроснабжения потребителей не сопровождается ощутимым экономическим эффектом, т.е. снижением удельных — на единицу передаваемой мощности и единицу длины линии — затрат. Этот способ представляет экстенсивный путь развития, который никогда не отличался экономической целесообразностью.

Затраты на принудительное изменение условий теплоотвода от взаимно влияющих цепей, например, посредством искусственного охлаждения могут быть оправданы лишь в том случае, когда соответствующие меры одновременно приводят к существенному повышению пропускной способности одной цепи. Она же, в свою очередь, определяется произведением номинального напряжения и тока I_доп, который у специалистов по кабельной технике принято именовать «нагрузочной способностью КЛ». В связи с этим вполне естественно, что стремление к увеличению пропускной способности единичной кабельной линии вылилось в разработку способов, использующих оба возможных направления: повышение номинального напряжения и увеличение нагрузочной способности.

Первое направление, о котором я уже упоминал, упирается в необходимость разработки не только конструкции собственно линии, но и коммутационной аппаратуры, трансформаторного оборудования и т.п. Как ВЛ, так и КЛ в процессе развития в первом направлении вышли на уровень свыше 1000 кВ практически одновременно — в середине 70-х годов прошлого века. Ещё в 1977 г. на выставке «Электро-77» в Москве итальянская фирма «Пирелли» демонстрировала образец маслонапол-ненного кабеля с центральным маслопроводящим каналом на напряжение 1100 кВ с расчётной пропускной способностью 3 ГВ-А, который вместе с арматурой и системой водяного охлаждения успешно прошёл полномасштабные испытания в начале 80-х годов. Не обсуждая сейчас вопрос о целесообразности применения столь высоких номинальных напряжений в системах электроснабжения, требующих именно подземной передачи электроэнергии, можно рассматривать этот пример как демонстрацию высокого технического потенциала фирмы и способности выполнить заказы энергосистем при возникновении потребностей в сооружении КЛ с такими номинальными параметрами.

Что же касается второго направления увеличения нагрузочной способности (тока I_доп), то в отличие от ВЛ состав и количество факторов, влияющих на его значение, для кабельной линии существенно выше, что объясняется значительной разницей в условиях теплоотвода от токоведущих элементов.

— Насколько велики потребности в увеличении пропускной способности кабельных линий?

— Перспективный уровень потребностей в создании кабельных линий повышенной пропускной способности, естественно, определяется ожидаемыми масштабами развития соответствующих систем электроснабжения. На первое место здесь вышли системы электроснабжения крупных городов. Причиной этого является интенсивность процессов урбанизации, наблюдаемых на современном этапе и прогнозируемых на будущее.

Так, например, всё северо-восточное побережье США от Вашингтона до Бостона постепенно становится сплошным протяжённым супергородом, в котором сосредоточена примерно четверть населения страны — около 80 млн человек. На севере США формируется ещё одна крупная городская агломерация протяжённостью от Бостона до Питсбурга с численностью более 40 млн жителей, а на западном побережье США город Лос-Анджелес становится центром мегаполиса с населением 20 млн человек.

Предполагалось, что уже в начале нынешнего века примерно 75% жителей Японии будет сконцентрировано в районе промышленного пояса Токай-до, т.е. в прибрежных префектурах, расположенных между городами Токио и Осака. Центром этого мегаполиса является Токио, где уже в 1980 г. численность населения достигала 25 млн человек. Аналогичные процессы развиваются и в Западной Европе, где крупные городские агломерации формируются в районах Ливерпуля — Бирмингема и Лондона — Саутгемптона в Великобритании, Брюсселя — Антверпена — Остенде в Бельгии, Роттердама — Амстердама — Алкмара в Нидерландах, Милана — Турина в северной части Италии, Дортмунда — Дюссельдорфа — Кёльна в Рурской области и Франкфурта — Мангейма — Штутгарта на юго-западе Германии, вокруг Парижа во Франции и т.д. В Германии насчитывается 24 густонаселённых района, занимающих всего 7,3% территории, на которой проживает 45,5% населения страны.

Не секрет, что рост плотности населения повсеместно сопровождается опережающей его по темпам концентрацией электрической нагрузки. Общим показателем этой концентрации служит так называемая поверхностная плотность нагрузки, представляющая собой отношение максимальной потребляемой активной мощности к площади соответствующей территории.

В 1990 г. средняя плотность нагрузки на территории Москвы составляла примерно 7 МВт/км², что тогда соответствовало уровню крупных европейских городов, хотя в Нью-Йорке ещё в 1975 г. этот показатель составлял 11 МВт/км². В настоящее время в связи с бурным жилищным строительством и развитием коммунальной инфраструктуры средняя плотность нагрузки в Москве уже опережает аналогичный показатель таких крупнейших городов, как Лондон, Сингапур, Гонконг. Так, в 2009 г. она составляла 13,3 МВт/км², а на 2020 г. прогнозируется её увеличение до 23 МВт/ км².

— Не является ли такой показатель, как «средняя плотность нагрузки», аналогом небезызвестной «средней температуры пациентов по больнице»?

— Согласен, что он может служить лишь для ориентировочной оценки общей потребности города в активной мощности в момент прохождения абсолютного годового максимума нагрузки. В действительности распределение плотности нагрузки по территории города крайне неравномерно. Для городов с концентрической структурой, т.е. развивавшихся в радиальном направлении от центра, плотность нагрузки уменьшается с удалением от центра достаточно резко, то есть плотность нагрузки в центральной части значительно превышает среднюю. Так, например, для Дортмунда, Германия, в 2000 г. средняя плотность нагрузки оценивалась в 15 МВт/км², а максимальная в центральной части — 400 МВт/км². Аналогичная ситуация наблюдается и в других крупных городах.

Именно такое распределение плотности нагрузки диктует построение схем электроснабжения городов с использованием так называемых глубоких вводов электроэнергии в направлении от окраин к центральной части города, о которых я уже упоминал. Радиальный глубокий ввод обычно представляет собой двухцепную кабельную линию, берущую начало от одной из узловых подстанций опорного кольца более высокого напряжения, охватывающего город вблизи его границы. Эта КЛ питает понижающую подстанцию глубокого ввода (ПГВ), от которой отходят кабельные линии распределительной сети среднего напряжения. Для большинства крупных городов бывшего СССР используется система напряжений 220/110/10(20) кВ. Применительно к линиям глубоких вводов должна оцениваться требуемая пропускная способность подземных электропередач.

Так, например, для условий Германии прогнозировалось, что требуемая пропускная способность такого рода кабельных линий достигнет уровня 5000 МВ-А к 2020 году. В США аналогичное значение, возможно, достигнет отметки 5 ГВ-А ещё раньше. Сегодня эти цифры кажутся фантастическими. Но обеспечить такие высокие пропускные способности КЛ традиционными средствами можно лишь за счёт увеличения числа параллельных цепей, что, как я уже говорил, не является эффективным путём решения проблемы. В связи с этим последние пять десятилетий во всём мире велись интенсивные исследования, имеющие целью разработку подземных электропередач повышенной пропускной способности.

— Каковы же основные направления этих исследований?

— Тщательный анализ потребностей в развитии техники подземной передачи электрической энергии и возможных путей увеличения пропускной способности кабельных линий позволил исследователям различных стран мира сконцентрировать свои усилия на разработке трёх основных направлений. Как вы помните, я уже касался этого вопроса в статье, опубликованной в журнале «КАБЕЛЬ-news» в 2010 году³. Сегодня я попытался схематически отобразить их на рис. 2.

Рис. 2. Пути увеличения пропускной способности и направления развития техники подземной передачи электроэнергии.

Первое направление касается традиционных высоковольтных кабельных линий, работающих в условиях естественного охлаждения (ЕО), и заключается в усовершенствовании существующих конструкции кабелей за счёт повышения их номинального напряжения, увеличения поперечного сечения жил, применения более совершенных твёрдых электроизоляционных материалов, прежде всего «сшитого» полиэтилена, а также использования искусственного форсированного охлаждения (ФО) элементов кабеля водой или маслом, включая испарительное охлаждение.

Два других направления в развитии техники подземной передачи электроэнергии являются относительно новыми — их рождение относится к 60-м годам прошлого столетия. Первое из этих направлений связано с использованием в качестве основной электрической изоляции закрытой электропередачи электроотрицательного газа под давлением. Такие линии передачи получили название «газоизолированные» (ГИЛ).

Наконец, основой последнего направления является охлаждение токоведущих элементов кабеля до криогенных температур, т.е. до температур менее 120 К. Криогенные кабельные линии имеют две разновидности, одна из которых базируется на использовании в кабеле обычных проводниковых материалов высокой чистоты (медь, алюминий). При охлаждении до криогенных температур их удельное электрическое сопротивление существенно уменьшается. Такие кабельные линии получили у нас название криопроводящих (КПКЛ) в отличие от сверхпроводящих (СПКЛ), представляющих собой вторую разновидность криогенных ЛЭП. В последних используются материалы, обладающие свойством сверхпроводимости при низких температурах.

Было выявлено, что КПКЛ не обладают экономическими преимуществами по сравнению с СПКЛ, хотя первоначально исследовалась возможность применения для передачи электроэнергии лишь так называемых низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), требующих для поддержания своего сверхпроводящего состояния охлаждения жидким гелием (около 4,2 К). В конце 70-х годов прошлого века во всём мире эти исследования были прекращены, поскольку выяснилось, что такие электропередачи смогут конкурировать с другими решениями лишь при очень больших передаваемых мощностях — 3 ГВт и более, то есть в весьма отдалённой перспективе.

— Однако в настоящее время разрабатываются кабели с использованием так называемых высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Насколько перспективно это направление?

— Действительно, надежда на возрождение сверхпроводящих кабелей (СПК) и на улучшение их технико-экономических показателей появилась после открытия в 1986 году ВТСП-материалов, критические температуры которых значительно превышают аналогичный показатель для металлов, сплавов и соединений, относящихся к категории низкотемпературных сверхпроводников. С точки зрения создания СПК это означает потенциальную возможность отказа от гелиевого контура в системе охлаждения и перехода на уровень температур жидкого азота (77 К), что, в свою очередь, приводит к существенному удешевлению этой системы.

Однако использование ВТСП-материалов первого поколения на основе висмута для создания СПК ограничивается их относительно небольшой токонесущей способностью при 77 К. Вторым отрицательным моментом является относительно высокая стоимость этих материалов. Открытие ВТСП-материалов второго поколения на основе иттрия с более высокой токонесущей способностью и сравнимых по стоимости с медью вызвало новый всплеск работ по применению сверхпроводников для передачи электроэнергии. Сегодня можно говорить по крайней мере о двух десятках проектных разработок, часть из которых уже реализована в течение последнего десятилетия. Их анализ свидетельствует о том, что пока речь идёт о передаче электроэнергии на относительно небольшие расстояния — до 600 м, при номинальных напряжениях не выше 225 кВ и мощности не более 1000 МВА.

Это, в свою очередь, означает, что говорить о «революции» в этой сфере пока не приходится и следует рассматривать такие сверхпроводящие кабельные линии лишь в качестве конкурентов традиционным КЛ, оснащённым системами форсированного водяного охлаждения, и ГИЛ. В настоящее время в мире успешно функционирует по несколько десятков КЛ этих двух видов при напряжениях до 500 кВ включительно. Однако задача определения областей экономически целесообразного применения этих конкурентоспособных вариантов в зависимости от требуемой передаваемой мощности и протяжённости передачи ещё до сих пор не решена.

Каждое из упомянутых направлений развития техники подземной передачи электроэнергии характеризуется многообразием технических решений, рождавшихся в процессе творческого поиска учёных разных стран, и заслуживает отдельного, более детального рассмотрения. К сожалению, рамки интервью не позволяют сделать этого сегодня. Тем, кто желает более подробно ознакомиться с затронутыми выше проблемами, можно порекомендовать обратиться к соответствующим главам отечественных книг, где они рассмотрены подробно.

В XXI веке интерес к проблемам и перспективам развития техники подземной передачи электроэнергии не уменьшается, о чём свидетельствуют продолжающиеся во всем мире научно-исследовательские, проектно-конструкторские разработки и экспериментальные исследования на опытно-промышленных участках кабельных линий новых типов. И не случайно перспективам развития кабельной техники на рубеже веков Институт инженеров электриков и электронщиков в США посвятил специальный выпуск своего журнала⁴, в котором ведущие мировые специалисты в этой области дают свои оценки и прогнозы на будущее. Сбудутся ли они, как всегда, покажет время.

— И последний вопрос: как Вы относитесь к использованию термина «каблирование» для характеристики процесса замены воздушных линий кабельными?

— Не знаю, кто предложил и настойчиво продвигает этот с Вашего позволения «новодел». Хотя я и не являюсь филологом, но всё же позволю себе заметить, что суффикс «ирован», по моему мнению, означает процесс создания, разработки какого-либо предмета. Например, «планирование» — разработка плана, «копирование» — создание копии, «унифицирование» — разработка унификации и т.п. А «каблирование» — это создание чего? Выходит, что кабеля? А как на этот термин реагируют сами специалисты-кабельщики, то есть те, кто создаёт, производит кабели? Не думаю, что они станут аплодировать! Считаю, что нужно использовать те слова, которые фигурируют в заголовке упомянутого мной Постановления СМ СССР. А именно — «замена воздушных линий на кабельные». Хотя и длинновато, зато точно отражается смысл мероприятия.

¹ Э.Н. Зуев. Основы техники подземной передачи электроэнергии. - М.: Энергоатомиздат, 1999, 256 с.
² Справочник по проектированию электрических сетей. ЭНАС, 2012, 320 с.
³ Э.Н. Зуев. Техника передачи электроэнергии: проблемы развития (аналитический обзор). Кабель-news, 2010, №4, с.40-51.
⁴ Cable technology (special issue) // IEEE Power Engineering Review. Vol. 20, № 9, September 2000.