Прокладка участков сверхвысоковольтной линии электропередачи под землёй

ВВЕДЕНИЕ

Целью данной публикации* является подробный анализ факторов, которые необходимо принимать во внимание при возможной частичной прокладке СВВ ЛЭП под землёй при использовании кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE-кабель).

Компания операторов систем передачи (TSO) планирует реализовать в Европе, в частности, в Германии и Нидерландах, несколько проектов, в которых часть линий электропередачи на напряжение 400 кВ будет проложена под землёй. Эти проекты будут реализованы в соответствии с национальным законодательством, которое налагает ограничения на строительство новых ВЛЭП вблизи жилых домов. В этом случае регулирующие организации позволяют TSO перекладывать дополнительные затраты на конечных потребителей.

В целом, технология хорошо себя зарекомендовала, накапливается опыт технического обслуживания и эксплуатации, но стоимость подземной кабельной линии будет выше, чем эквивалентной секции ВЛЭП. Более высокие затраты требуют согласования с регулирующими органами, но стоимость собственно передачи электроэнергии составляет лишь малую часть (например, около 3%) общей платы за электроэнергию и может быть распределена на 28 миллионов потребителей электричества по всей Великобритании.

ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ XLPE-КАБЕЛЕЙ

Компании, которые входят в Европейскую организацию операторов систем передачи (TSO) и в Europacable, имеют более чем 25-летний опыт коммерческой эксплуатации XLPE-кабелей:

• XLPE-кабели на сверхвысокое напряжение 220 и 275 кВ используются более 20 лет;
• XLPE-кабели на сверхвысокое напряжение 400 кВ применяются более 14 лет, самый старый XLPE-кабель эксплуатируется в Копенгагене с 1996 г.; большая часть проектов была успешно завершена в течение нескольких последних лет;
• самая протяжённая двухцепная система с использованием сверхвысоковольтного XLPE-кабеля напряжением 500 кВ (прокладка в тоннеле) эксплуатируется в Японии с 2000 г.;
• кабельные линии на напряжение 220 кВ длиной 1100 км и на напряжение 400 кВ протяжённостью 200 км, проложенные в Европе, подтвердили эффективность технологии, в основе которой лежит стандарт 62067 МЭК. Эта технология, как общепризнано, соответствует уровню современных требований, несмотря на то, что каждый проект в силу своих специфических особенностей уникален.

КОНСТРУКЦИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКА XLPE-КАБЕЛЯ

XLPE-кабели могут поставляться строительными длинами до 1150 м. Как правило, для линий электропередачи напряжением 400 кВ строительная длина кабеля составляет 700-1000 метров.

Конструкция высоковольтного кабеля содержит следующие элементы: медный проводник (альтернатива - Al); 2 полупроводника; XLPE-изоляцию; влаго-поглотитель; металлический экран и влагоизоляцию (фольга, ламинированная алюминием), а также наружную оболочку из полиэтилена.

Основное ограничение на строительную длину кабеля связано с логистикой: необходимо оценивать вес и габариты кабельного барабана с точки зрения возможности его транспортировки (рис. 1).

Рис. 1. Перевозка барабанов с XLPE-кабелем на грузовике

Барабаны с кабелем обычно перевозятся в необходимое место по железной дороге или автотранспортом. Типовой кабельный барабан имеет внешний диаметр 4,2 м, ширину 2,5-3 м и вес 35-40 тонн.

ПРОКЛАДКА XLPE-КАБЕЛЕЙ

XLPE-кабели могут прокладываться непосредственно в грунт или в тоннелях, кабельных траншеях или трубах в соответствии с требованиями, связанными с окружающей средой, для усиления защиты от внешних повреждений или для облегчения прокладки других кабелей.

Типовая глубина непосредственной прокладки в грунте — около 1,5 м. В таких случаях извлечённый грунт (70-80%) может быть помещён обратно в траншею, если это песок, глина, мелкий гравий или любая их смесь. Почва не должна вывозиться с места строительных работ. XLPE-кабель засыпается песком, а в некоторых случаях — смесью песка и слабого цемента для обеспечения лучшего тепло-отвода.

Такой тип прокладки кабеля в основном используется в сельской местности. При прокладке кабеля в кабельных каналах или трубах для обеспечения дополнительной механической защиты от внешних повреждений облегчается доступ к кабелю (рис. 2).

Рис. 2. Проложенная в трубах и закопанная в землю кабельная система

В тех случаях, когда прокладка вблизи поверхности грунта невозможна, кабель может быть проложен в тоннелях.

Секции кабеля соединяются каждые 700-1000 м в так называемых кабельных колодцах. Как правило, эти кабельные колодцы имеют размер 10х2,5 м и глубину 2,1 м. Определение мест расположения кабельных колодцев является одной из задач проектирования линии (рис. 3).

Рис. 3. Пример соединительного отсека, непосредственно размещённого в земле

Кабельные колодцы могут располагаться непосредственно в земле, от которой они отделены только слоем песка. В случае необходимости они могут быть размещены в подземной инфраструктуре.

Эти сооружения почти или совсем не видны над поверхностью земли. Технологические разработки сборных соединительных узлов и устройств разделки концов кабелей существенно облегчают возведение кабельных колодцев на месте, сокращают время, необходимое для осуществления их монтажа.

Транзитные станции для заделки кабельных окончаний предназначены для соединения ВЛЭП с её секциями, проложенными под землёй. Размеры транзитной станции в большой степени зависят от пропускной способности линии передачи и конструкции устройств защиты, которые необходимо использовать в этой линии.

Площадь транзитной станции лежит в пределах 2000-4000 м², в зависимости от рабочего напряжения, количества цепей и типа дополнительного оборудования или вспомогательных устройств, устанавливаемых на станции. Эти составляющие оборудования транзитных станций часто могут размещаться в экранах (рис. 4).

Рис. 4. Транзитная станция для перехода ВЛЭП/кабель 400 кВ

К компонентам транзитных станций относятся оконечные устройства, разрядники для защиты от атмосферных перенапряжений, заземляющие устройства, анкерные крепления растяжек вышек ЛЭП. В зависимости от требований TSO к конкретному проекту на транзитной станции могут размещаться трансформаторы напряжения и тока, а также объекты для установки дополнительного оборудования.

Кабельные вводы обычно монтируются внутри транзитных станций на концах кабельной линии. В некоторых случаях кабельные вводы устанавливаются на транзитных станциях — воздушная линия передачи/подземный кабель, а при напряжении 275 кВ и ниже могут непосредственно устанавливаться на последней опоре ВЛЭП.

Кабельное окончание может быть изготовлено из фарфора или композитных материалов (рис. 5).

Рис. 5. Кабельное окончание на 400 кВ

На основании предварительных испытаний на соответствие техническим условиям с циклическими нагрузками по стандарту IEC 62067 XLPE-кабели и вспомогательное оборудование проектируются таким образом, чтобы обеспечить продолжительность срока их службы — порядка трёх десятилетий.

Системы мониторинга, работающие в режимах оперативном и ручного управления, позволяют осуществлять контроль состояния (линии) на основании измерений температуры кабеля и регистрации возможных частичных разрядов для принятия своевременных мер, обеспечивающих заданный срок его службы.

В соответствии с существующим стандартом IEC 62067 результаты предварительных испытаний кабельных линий на соответствие техническим требованиям должны быть оформлены специальным протоколом. Процесс предварительных испытаний продолжается 12 месяцев, его цель — продемонстрировать удовлетворительную работоспособность полной кабельной системы (кабель и вспомогательное оборудование) в течение продолжительного времени.

Некоторые организации, в частности, МЭК и СИГРЭ, продвигают свой лучший опыт и разрабатывают правила, гармонизирующие основные принципы технологии высоковольтных кабелей. Это гарантирует необходимый минимальный уровень стандартизации и качества.

Время, необходимое для строительства кабельной линии, зависит от характеристик кабельной трассы, типа прокладки кабеля и необходимых строительных работ.

На строительство линии Turbigo-Rho, в которой в подземной секции на напряжение 400 кВ вдоль дороги было установлено 6 кабелей длиной 8,4 км, потребовалось 14 месяцев. При этом пришлось пересечь множество других инфраструктур, используя направленную проходку.

Почва в основном состояла из смеси глины и гравийных камней. Минимальная глубина прокладки составляла 1,2 м в соответствии с итальянскими стандартами.

Среднее время строительства (непосредственная прокладка в грунт) составило 1,5 мес./км, включая рытье траншеи (на цепь), прокладку кабеля и засыпку траншеи. Собственно на прокладку кабеля потребовались 1-2 дня на фазу.

После завершения установки линии могут потребоваться дополнительные испытания, включая тесты на частичные разряды во вспомогательном оборудовании и монтажных узлах. На это может уйти около недели, в зависимости от длины испытуемой секции и количества узлов, которые необходимо тестировать. Следует заметить, что целью испытаний после установки линии является проверка того, что такие операции, как прокладка кабеля, монтаж разъёмов и кабельных вводов, выполнены надлежащим образом. Качество кабеля и вспомогательных узлов, проверенных предварительно в заводских условиях, контролю не подвергается.

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ И ПОТЕРИ В СЕТЯХ

Кабель проектируется таким образом, чтобы он мог работать при потоках нагрузки в нормальных и аварийных условиях в соответствии с требованиями эксплуатации сети с учётом необходимой надёжности и непрерывности передачи электроэнергии.

При интеграции частей линий электропередачи, проложенных под землей, в ВЛЭП могут быть рассмотрены и дополнительные вопросы — ситуация с реактивной мощностью, защита, порядок коммутации и др.

Типовая ВЛЭП состоит из двух систем, каждая из которых способна пропускать номинальный ток 3600 А. Для удовлетворения требований (n-1) нагрузка каждой из двух кабельных цепей должна составлять до 70% (2520 А) при нормальных условиях работы. В случае отказа одной из систем оставшаяся должна работать при токе 3600 А в течение всего аварийного периода.

Поперечное сечение кабеля, как правило, включает одиночные медные проводники (иногда алюминиевые), и обычно диаметр поперечного сечения кабеля больше, чем поперечное сечение проводов ВЛЭП (обычно алюминиевых), хотя при использовании витых проводов в ВЛЭП диаметры поперечных сечений могут быть равными. Однако медь обладает меньшим сопротивлением, чем алюминий. При этом при одинаковых токах потери в кабелях ниже, чем в ВЛЭП. Необходимо также обращать внимание на потери в металлических оболочках в подземных кабельных линиях, которые зависят от конфигурации прокладываемой линии, типа соединения металлических оболочек и др.

Потери в ВЛЭП и в подземных участках кабельных линий зависят от диаметра провода и кабеля, числа проводников и количества систем на цепь передачи, от необходимости охлаждения, от компенсации реактивной мощности. Потери также могут значительно зависеть от реальной нагрузки в линии. Следовательно, расчёт величины потерь должен производиться в каждом конкретном случае.

Однако подземные кабельные части линии электропередачи длиной несколько километров могут быть причиной лишь небольшой части всех потерь.

НАДЁЖНОСТЬ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ПОДЗЕМНЫМИ КАБЕЛЬНЫМИ УЧАСТКАМИ

Системы с XLPE-кабелями перед вводом в эксплуатацию подвергаются проверочным испытаниям в соответствии со стандартами МЭК при уровнях тепловых и механических нагрузок, превышающих рабочие значения. Прошедшие испытания кабельные системы тщательно проверяются перед отправкой и вводом в эксплуатацию:

• производство XLPE-кабеля и всех компонентов системы проходит контроль и стандартные испытания для подтверждения соответствия нормам качества, определённым международными стандартами;
• в процессе монтажа линии кабельные системы подвергаются приёмочным испытаниям для подтверждения того, что линия проложена и смонтирована в соответствии с заданными требованиями.

После завершения строительства линии XLPE-кабельная система находится в безопасности и хорошо защищена от влияния внешних погодных условий (наводнения, оползни, лавины).

Системы мониторинга позволяют осуществлять тщательный контроль за состоянием кабеля, для того чтобы избежать перегрева кабельной системы.

Принимая во внимание значения вероятности аварий в сверхвысоковольтных кабелях и монтажных узлах, а также данные СИГРЭ, для любой кабельной системы можно рассчитать вероятность отказа. Если длина кабельной секции, проложенной под землей, равна 10 км (строительная длина кабеля — 1000 м), то вероятность отказов для одной смонтированной системы составит 0,0307 отказа в год. Это эквивалентно 33 годам между отказами.

Ширина траншеи зависит в основном от:

• необходимой пропускной способности линии;
• состояния почвы;
• существующих вблизи инфраструктур (дороги, скоростные шоссе, железные дороги, реки и др.);
• наличия других кабельных систем, расположенных в непосредственной близости от вновь проложенных;
• доступного для использования пространства.

Каждая цепь прокладывается в траншее глубиной приблизительно 1-1,5 м и шириной от 1 до 2 м. Если две системы должны быть установлены в двух раздельных траншеях, расстояние между которыми составляет 5 м, общая ширина занимаемого участка будет не более 10 м. Если необходимо проложить три траншеи, то общая ширина занимаемого участка будет не более 15 м. Если требуется проложить четыре траншеи, то потребуется полоса земли шириной не более 20-25 м. В любом случае всегда должна существовать возможность доступа к кабельным системам вдоль всей трассы (рис. 6, 7, 8).

Рис. 6. Пример одиночной системы переменного тока на напряжение 400 кВ, мощность — 1250 МВА

Рис. 7. Пример двухцепной линии переменного тока на 400 кВ, мощность — 2500 МВА

Рис. 8. Пример двух двухцепных линий переменного тока на напряжение 400 кВ, общая мощность — 5000 МВА

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗЕМЛИ

Единственным ограничением на использование земли для прокладки части линии электропередачи в виде подземных кабельных секций является наличие деревьев с глубокими корнями на трассе плюс запас по ширине до 5 м для предотвращения проникновения их корней в кабельную траншею. Кроме того, не должно быть никаких ограничений на возделывание земли, включая сельскохозяйственные работы. Прокладка кабелей должна осуществляться на глубине, достаточной для того, чтобы избежать любых повреждений кабельных траншей и собственно кабеля при проведении сельскохозяйственных работ на земле над проложенными кабелями. Трасса прокладки кабелей должна проходить мимо любых зданий.

Во время эксплуатации температура кабеля будет повышаться в зависимости от величины протекающего тока и коэффициента нагрузки. Распределение тепла в окружающей почве зависит от вида засыпочного материала. Влияние излучения тепла на температуру почвы носит локальный характер и весьма ограничено. Только при условии работы на полную нагрузку почва непосредственно над кабельной траншеей может нагреваться примерно на 2°С. Если нагрузка меньше, эта цифра будет меньше. В случае необходимости тепловой эффект может быть дополнительно снижен использованием кабеля с проводящей жилой большего поперечного сечения.

ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА ВО ВРЕМЯ ПРОКЛАДКИ И МОНТАЖА

Работы по строительству подземных кабельных участков высоковольтной линии электропередачи могут оказывать существенное влияние на окружающую среду. Для прокладки кабельных траншей и транспортировки барабанов с кабелями требуется тяжёлая техника. На время строительных работ к месту их проведения необходимо обеспечить прокладку подъездных дорог. Эти дороги после завершения работ должны быть ликвидированы. При этом решаются вопросы необходимого доступа к кабельной трассе во время эксплуатации линии электропередачи.

Водные преграды или менее значимые участки суши могут быть пересечены с использованием техники бурения для обеспечения возможности прокладки кабелей. Таким образом могут быть преодолены расстояния до 1 км.

В большинстве случаев кабельные системы прокладываются непосредственно в грунт, при этом 70— 80% почвы должно быть снова внесено в траншею. На время строительства вынутый грунт может размещаться вдоль прокладываемой траншеи. Вплоть до 30% засыпочного материала должно доставляться к трассе из отдалённых от строительства мест (рис. 9).

Рис. 9. Кабельная трасса в сельской местности

В зависимости от типов выращиваемых овощей земля обычно поливается в течение 18-24 месяцев. Площадь под овощами над кабельной трассой должна планироваться таким образом, чтобы избежать нежелательного проникновения воды в кабельную трассу за всё планируемое время службы кабельной системы.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЛЭП С ПОДЗЕМНЫМИ КАБЕЛЬНЫМИ СЕКЦИЯМИ

В целом, с учётом сложности технологии и масштаба строительных работ стоимость строительства километра подземной кабельной линии всегда выше, чем ВЛЭП той же длины.

Каждый проект уникален, и полная экономическая оценка строительства подземной кабельной линии должна производиться с учётом стоимости прокладки и монтажа, планируемого срока службы, влияния на землю, мер по защите окружающей среды и т.д. В результате стоимость подземной кабельной линии может оказаться в 3-10 раз больше. Некоторые проекты, в которых строятся кабельные тоннели, могут оказаться ещё дороже из-за высокой стоимости строительных работ, которые могут составить до 60% от общей стоимости строительства. Когда речь идёт о строительстве ЛЭП с подземными кабельными участками, увеличение коэффициента стоимости строительства относится только к последним. Этот коэффициент должен учитывать специфические требования к проекту, включая, в случае необходимости, стоимость транзитных станций и оборудования компенсации.

По опыту, приобретённому TSO во Франции (RTE), для подземных участков с пропускной способностью 3000-4000 МВА стоимость подземного кабельного участка лежит в диапазоне 5-9 млн евро за километр. В процессе эксплуатации кабельная система почти не требует технического обслуживания. Системы мониторинга позволяют наблюдать за частичными разрядами. Как любой коридор, занятый линией передачи, кабельная трасса должна регулярно инспектироваться для предотвращения её разрушения.

Как уже отмечалось, поскольку кабельная ВЛЭП составляет лишь ограниченную часть общей длины линии электропередачи, она не может значительно влиять на эксплуатационные расходы всей линии.

В ходе публичных дебатов о строительстве подземных кабельных линий обсуждается множество дополнительных статей расходов. Некоторые из них не поддаются количественному описанию из-за отсутствия понятных и прозрачных критериев. Тем не менее необходимо принимать во внимание социальные аспекты, такие, как влияние ВЛЭП на визуальную панораму и стоимость недвижимости вблизи трассы линии электропередачи или величина компенсации владельцам отчуждаемой для прокладки линии электропередачи земли.

Если только одна десятая общей длины линии электропередачи проложена под землей и величина инвестиций в подземную кабельную часть в 3-10 раз больше воздушной секции такой же длины, строительство подземных кабельных участков приведёт к увеличению инвестиций в целом в 1,2-2 раза, без учёта стоимости транзитной станции, компенсаторов реактивной мощности и т.д.

* Представленный перевод является сокращенной версией оригинальной работы, ее источник — http://www.stirlingbeforepylons.org/docs/Europacable PaperStirlingMitigation.pdf.

Перевод Святослава Юрьева