Высокая эффективность работы кабелей или уменьшение затрат на строительство кабельных систем? Компания «SUDKABEL» предлагает свое решение

В Германии применение силовых кабелей на напряжение 110 кВ с изоляцией из СПЭ началось в 1973 г. Первоначально они использовались в качестве коротких перемычек в распределительных устройствах, однако, с течением времени кабели с СПЭ изоляцией получили всеобщее признание, которое сегодня продолжает неуклонно расти. В течение двух десятилетий они практически вытеснили традиционные кабели с бумажно-масляной изоляцией или маслонаполненные кабели. В 1988 г. в Германии были проложены первые кабели с изоляцией из СПЭ на 220 кВ, а кабель с изоляцией из СПЭ на напряжение 400 кВ впервые был проложен в 1996 г. Растущие требования по нагрузочной способности в сетях высокого и сверхвысокого напряжения, возникающие со стороны энергосистем, привели к увеличению ТПЖ кабелей. В целях увеличения необходимой пропускной способности кабелей производители создают конструкции кабелей с максимальным поперечным сечением ТПЖ 2500 мм² и более. При конструировании ТПЖ больших сечений применяются различные решения, позволяющие значительно увеличить пропускную способность.

Конструкция кабеля

Типовая конструкция кабеля на высокое или сверхвысокое напряжение представлена на рис. 1. В Германии, как и в России, наиболее часто используется конструкция кабелей, имеющая слои, защищающие кабель от влаги. Применение алюминиевой фольги, склеенной с внешней полиэтиленовой оболочкой кабелей позволяет предотвратить проникновение влаги в радиальном направлении (поперечная герметизация). Водонабухающие ленты под и над медным проволочным экраном препятствуют распространению влаги вдоль кабельной линии (продольная герметизация) в случае повреждения внешней оболочки кабеля.

ТПЖ на сегодняшний день производятся из алюминия и меди. Учитывая необходимость в передаче больших мощностей, чаще всего для производства жил кабелей используется медь, обладающая повышенной электрической проводимостью. ТПЖ сечениями до 1000-1200 мм², как правило, выполняются круглыми, скрученными из отдельных проволок, и имеют уплотненную конструкцию. С увеличением сечения жилы увеличивается сопротивление переменному току, обусловленное поверхностным эффектом (вытеснение тока на поверхность жилы). В целях снижения сопротивления жил при производстве силовых кабелей, применяемых в трехфазных сетях, производителями кабелей предпринимаются соответствующие меры. Для уменьшения поверхностного эффекта ТПЖ разделяют на отдельные части сегментной формы. После скрутки проволок, полученные сегментированные заготовки обматываются электропроводящими лентами и скручиваются между собой, образуя круглую поверхность жилы кабеля. В итоге в каждом сегменте возникают многочисленные вихревые токи, и рабочая поверхность жилы увеличивается. Применение такой конструкции позволяет достичь равномерного распределения тока по сечению жилы и, как следствие, уменьшить поверхностный эффект.

Усовершенствование конструкции
сегментированной жилы

В случае, если отдельные сегментированные заготовки для ТПЖ скручиваются не просто из отдельных проволок, а скручиваемые проволоки при этом изолированы друг от друга, описанное уменьшение поверхностного эффекта может быть еще более ярко выраженным. Для этого существуют различные способы, которые, при применении по отдельности или в комбинации друг с другом, помогают достичь желаемого результата. Контактное сопротивление отдельных проволок, уложенных параллельно, может быть увеличено путем специальной обработки их поверхностей, например, путем лакировки или оксидирования. При использовании технологии с лакированием отдельных проволок возникает необходимость снятия лака при монтаже кабельной арматуры. В отдельных случаях для этого необходимо дорогостоящее оборудование. Это является недостатком данного способа. В то же время, применение отдельно оксидированных проволок не требует дополнительного оборудования для подготовки к монтажу арматуры поверхности ТПЖ.
Желаемый эффект позволяет усилить также и скручивание отдельных сегментов жилы с применением способа однонаправленной скрутки. Замеры показали, что вторичное уменьшение поверхностного эффекта возможно и в конструкциях ТПЖ, где для продольной герметизации были использованы нетканые водонабухающие материалы.

На рис. 2 представлено распределение плотности тока в сегментированной жиле. Слева показана жила без описанных усовершенствований: нарастающий красный цвет показывает максимальную плотность тока непосредственно на поверхности круглой уплотненной жилы. Справа изображена жила, в которой примененные усовершенствования явно привели к равномерному распределению тока по сечению жилы и внутри сегментов.

Влияние усовершенствований конструкции ТПЖ
на увеличение допустимой токовой нагрузки

Нагрузочная способность силовых кабелей рассчитывается в зависимости от условий прокладки кабеля и свойств окружающей среды на основании методики, подробно описанной в стандарте 60287 Международной электротехнической комиссии (МЭК). В этом документе также приведены методики расчета сопротивления жилы переменному току при длительной эксплуатации при максимально допустимой рабочей температуре 90°С. При расчете сопротивления жилы переменному току по сравнению с расчетами сопротивления постоянному току следует дополнительно принимать во внимание 2 зависящих от частоты параметра: поверхностного эффекта и эффекта близости.
Стандарт МЭК 60287 рассматривает только расчет кабелей, имеющих ТПЖ с поперечными сечениями до 1600 мм². Для более крупных сечений Международным советом по крупным электроэнергетическим системам CIGRE разработаны дополнительные рекомендации для проведения соответствующих расчетов. В них приведены значения для коэффициентов k_s и k_p, которые следует использовать в качестве расчетных величин для оценки поверхностного эффекта и эффекта близости.
Практический опыт показал, что, начиная с поперечного сечения 1200 мм², использование сегментированных жил по сравнению с многожильными круглыми уплотненными жилами представляется экономически более целесообразным. Это означает, что в случае использования сегментированной жилы может быть выбрано меньшее номинальное сечение, нежели при использовании круглой уплотненной жилы. Кроме того, принимая во внимание ограничения по максимально возможным поперечным сечениям ТПЖ, становится возможным значительное увеличение максимальной пропускной способности кабельной системы благодаря описанным модификациям.
По результатам измерений медных жил, состоящих из 6 сегментов, в таблице 1 приведены значения для коэффициента k_s. Применение указанных в таблице 1 величин при расчетах допустимой токовой нагрузки, которые, например, были проведены для кабельной линии с изоляцией из СПЭ на напряжение 400 кВ при горизонтальной укладке фаз, позволило достичь значительного увеличения допустимой токовой нагрузки. На рис. 4 представлена пропускная способность кабелей с медными жилами с поперечным сечением 1600, 2000 и 2500 мм² при различных значениях k_s.

Показанные на рис. 4 значения пропускной способности были проведены для следующих условий:
• Рассчитывалась длительно-допустимая нагрузка.
• Глубина прокладки в земле: 1,5 м.
• Межфазное расстояние: 300 мм.
• Термическое сопротивление грунта: 1,0 Км/Вт (влажный), 2,5 Км/Вт (сухой).
• Заземление экранов кабелей: одностороннее или с транспозицией экранов.
• Температура окружающей среды при прокладке в земле: 15°С.
• Температура окружающей среды при прокладке на воздухе: 30°С.

Зависимость допустимой токовой нагрузки от внесенных модификаций в конструкции ТПЖ возрастает при увеличении поперечного сечения жилы, при этом рост нагрузочной способности может достигать 15% относительно нагрузочной способности круглой многопроволочной уплотненной жилы в аналогичных условиях (таблица 2).

При прокладке в земле допустимая токовая нагрузка может быть увеличена независимо от конструкции жилы за счет применения термически стабильных смесей для засыпки траншей. Аналогичный результат дает и увеличение межфазного расстояния при использовании одностороннего заземления или заземления экранов кабелей с транспозицией. В последнем случае, однако, на незаземленном конце или в местах перекрестных соединений экранов возникает индуцированное напряжение, которое появляется при рабочем токе или в режимах КЗ. Это напряжение возрастает с увеличением межфазного расстояния. Использование термически стабильных смесей для засыпки траншей при межфазном расстоянии 500 мм в сочетании со всеми вышеописанными усовершенствованиями, внесенными в конструкцию жилы, может, например, обеспечить передачу тока > 2000 А (> 1385 МВА на напряжении 400 кВ) для кабеля с поперченным сечением медной токопроводящей жилы 2500 мм².

Выводы

Усовершенствования, внесенные в конструкцию сегментированной ТПЖ силовых кабелей на высокое или сверхвысокое напряжение с изоляцией из сшитого полиэтилена, способны значительно увеличить допустимую токовую нагрузку.
Следствием этого является то, что, во-первых, для обеспечения требуемой пропускной способности во многих случаях может быть использовано меньшее сечение ТПЖ, а во-вторых, допустимая токовая нагрузка жил с максимальным поперечным сечением может быть увеличена на 15%.

Материал предоставлен для публикации компанией ООО «СистеК»