Высоковольтные КС. Надёжная эксплуатация в течение длительного срока службы

Строительство кабельной линии (КЛ) электропередачи обходится в 1,5, а иногда и в 3-4 раза дороже воздушной ЛЭП. Тем не менее с каждым годом кабельные линии получают всё большее распространение. Повышенные затраты на охрану окружающей среды сделали воздушные линии электропередачи дороже, а быстрая урбанизация способствовала увеличению числа прокладки подземных высоковольтных кабельных систем (ВКС). Сегодня прокладка воздушных линий (ВЛ) становится всё более затруднительной. По мере развития новых технологий, в частности технологии ВКС, подземные системы становятся более конкурентоспособным и распространённым видом коммуникаций, расширяя тем самым области применения высоковольтных кабелей.

В ходе проведённых в Техническом университете г. Граца, Австрия, исследований анализировались суммарные показатели стоимости высоковольтных кабельных линий на напряжение 110 кВ (табл.). Результаты исследований показали, что стоимость кабельных линий при нормальной высокой нагрузке ниже, чем стоимость воздушных линий, которые имеют относительное преимущество при низкой нагрузке, однако дополнительные издержки на согласование маршрута трассы сокращают этот разрыв.

Табл. Результаты проведённых в Техническом университете г. Граца
исследований сравнительных стоимостных характеристик кабельной и воздушной линий на 110 кВ
(исключая издержки и время, необходимые на получение разрешения)

Силовые кабели служат для передачи и распределения электроэнергии. Они должны выполнять эту задачу в течение длительного (не менее 30 лет) времени надёжно, без опасности для персонала, оборудования и окружающей среды и, по возможности, без затрат на обслуживание.

НАДЁЖНОСТЬ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

Мировой опыт эксплуатации, анализ данных по отказам, диагностических испытаний в полевых условиях и результаты испытаний на старение показывают, что современные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) имеют исключительные случаи отказов — в несколько десятков раз ниже эксплуатируемых в настоящее время кабелей с БПИ-изоляцией и кабелей с изоляцией из СПЭ первого поколения 1968—1980 годов, (рис. 1).

Рис. 1. Данные по отказам для трёх поколений кабелей СН, находящихся в эксплуатации у компании TXU Electric (США).
Представлены в соответствии с моделью Crow AMSAA, когда по оси X откладывается интегральное произведение количества проложенного кабеля и числа лет,
в течение которых этот кабель находился в эксплуатации.

Согласно данным, представленным другой электроэнергетической компанией CenterPoint Energy, на кабелях среднего напряжения с изоляцией из триингостойкого СПЭ (ТСПЭ), проложенных начиная с 1987 г., не было зарегистрировано ни одного отказа. Относительно кабелей высокого и сверхвысокого напряжения ситуация аналогичная. Так, по данным Высоковольтных кабельных сетей — филиала ОАО «МОЭСК», на КЛ, находящихся в эксплуатации начиная с 1997 года, не было ни одного случая отказа по причине выхода из строя кабелей современных конструкций с изоляцией из СПЭ.

Данная статистика эксплуатации подтверждается ресурсными испытаниями, которые каждый завод-изготовитель проводит на вновь разработанной продукции. Ресурсные испытания осуществляются в жёстких условиях при постоянном воздействии на изоляцию повышенного напряжения. Положительные результаты испытаний являются подтверждением заявленного срока службы кабелей — 30 и более лет.

НОРМЫ ИСПЫТАНИЙ И ДИАГНОСТИКА КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

Ранее было сказано о безотказной работе современных кабелей с изоляцией из СПЭ и о положительных результатах их ресурсных испытаний. Именно эти аргументы следует принимать во внимание при составлении правил, объёмов и норм испытаний кабельных линий или различных других методов диагностики.

Основные требования и периодичность испытаний высоковольтных КЛ отражены в СТО ОАО «ФСК ЕЭС» №56947007-29.060.20.072201 «Силовые кабельные линии напряжением 110-500 кВ. Организация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования», а также в РД 34.45-51.300-97 «Объём и нормы испытаний электрооборудования».

Кабельные муфты должны быть равнопрочным элементом КС как электрически, так и механически. Но на сегодняшний день статистика такова, что концевые муфты являются менее прочным элементом кабельной системы. Имеются случаи выхода из строя концевых муфт различных производителей. Наиболее вероятная причина этого — недостаточный уровень качества работ при монтаже. Другая возможная причина — низкий уровень диэлектрических свойств изоляционной жидкости (наличие посторонних частиц, влаги), который также может быть связан с низким уровнем монтажа.

В п. 5.8.6 «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей» при проведении испытаний силовых кабелей необходимо проводить отбор проб изоляционной жидкости из концевых муфт кабелей с пластмассовой изоляцией на напряжение 110 кВ и выше. Они должны отбираться перед включением новой линии в работу, через 1 год после включения, затем через 3 года и в последующем один раз в 6 лет.

Достаточно ли данного объёма испытаний? Учитывая отрицательную статистику эксплуатации, можно уверено сказать, что нет. Соответственно, для концевых муфт необходимо применять дополнительные меры контроля качества монтажа, а в последующем и методы их диагностики. Предпочтительными являются методы периодического тепловизионного контроля и контроля уровня ЧР. Проведение же постоянной или периодической диагностики кабеля на наличие ЧР в изоляции не является обязательным. В отличие от других систем мониторинга — системы онлайн-мониторинга температуры по длине КЛ, которые в условиях крупных агломераций будут обеспечивать высокую надёжность и гибкость энергосистемы, являясь очень точными и незаменимыми инструментами управления передачей электроэнергии. Приэтом системы мониторинга должны быть установлены на всех без исключения ключевых связующих кабельных линиях, а также на отдельных КЛ, эксплуатируемых в тяжёлых по нагрузке условиях.

Для контроля температуры кабеля (мониторинга) используется температурная зависимость обратного рассеяния света в оптоволоконных проводниках. С помощью прибора, измеряющего обратное рассеяние, который оценивает спектр и длительность световых импульсов, измеряется распределение температуры по длине оптоволоконного проводника и тем самым определяется и представляется распределение температуры по всей длине кабельной трассы (рис. 2).

Рис. 2. Условная схема организации контроля температурыпо длине КЛ.

Данные, полученные при испытаниях и диагностике, должны храниться и оцениваться в едином центре электрических сетей, а также предоставляться заводу-изготовителю, который, в свою очередь, должен выдавать рекомендации и предписания для дальнейшей эксплуатации конкретной кабельной линии.

К каждому методу испытаний и диагностики необходимо относиться с особой тщательностью, оценивая их необходимость.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ ПО ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

В связи с постоянно ужесточающимися требованиями по пожарной безопасности актуальной задачей последнего времени является создание кабелей на высокое напряжение, не распространяющих горения, а также с ограничениями по плотности дыма и коррозийной активности газов при горении и тлении. Для изготовления таких типов кабелей необходимо решить несколько задач. Основная состоит в использовании в конструкции кабеля современных пожаробезопастных материалов для защитных оболочек.

На заводе «Таткабель» разработаны высоковольтные кабели марок (А)ПвПнг2г-ИР. Данные кабели не распространяют горение и могут прокладываться в кабельных сооружениях и помещениях с установленными для них требованиями к плотности дыма при пожаре и воздействию коррозийно-активных газов. Отличительными особенностями конструкции кабелей является применение продольной герметизации медного проволочного экрана полупроводящими во-доблокирующими лентами, термического барьера из полупроводящей стеклоленты и сплошной алюминиевой оболочки с сополимерным покрытием, которая имеет высокую адгезию к защитной оболочке из безгалогенной композиции. Таким образом, данная конструкция обеспечивает продольную и поперечную герметизацию кабеля и высокие требования по пожарной безопасности.

Данная конструкция обеспечивает требования по нераспространению горения для одиночной прокладки кабелей на напряжение 110 и 220 кВ в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60332-1. Если рассматривать групповую прокладку, то действующими нормативными документами и методиками являются национальные стандарты ГОСТ Р 533152009 «Кабельные линии. Требования пожарной безопасности» и ГОСТ Р МЭК 60332-3, которые не могут быть распространены на кабели напряжением 110 кВ с сечением токопроводящих жил свыше 800 мм², а также для всех сечений кабелей на напряжение 220 кВ, так как объём горючей массы данных кабелей значительно превышает объёмы, указанные в данных методиках.

Определение требований по пожаробезопас-ности высоковольтных кабелей и создание объективной методики испытаний, с доведением её до уровня национальных стандартов, являются актуальными задачами для безопасной и надёжной эксплуатации электрических станций и сетей. Участие в данной работе должны принять сетевые компании, ФГБУ ВНИИПО МЧС России, испытательные центры и заводы-изготовители кабельной продукции.