​ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF THE APPLICATION OF CABLE SYSTEMS FOR THE CONSTRUCTION OF ENTRIES TO THE 220 KV RAFFLS SUBSTATION

Denis Shcherbina

undergraduate, Amur State University,

Russia, Blagoveshchensk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются современные кабельные системы. Описаны преимущества кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. Выполнена оценка пропускной способности кабелей 220 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена в зависимости от условий прокладки.

ABSTRACT

The article deals with modern cable systems. The advantages of cables with XLPE insulation are described. The capacity of 220 kV cables with XLPE insulation was assessed depending on the laying conditions.

Ключевые слова: кабельная линия, сшитый полиэтилен, пропускная способность.

Keywords: cable line, cross-linked polyethylene, capacity.

В ходе разработки схемы подключения ПС 220 кВ Раффлс в Приморском крае, выполняемой в рамках магистерской диссертации, выполняемой по теме «Инновационное развитие электрических сетей напряжением 110-220 кВ Приморского края для электроснабжения объектов территории опережающего развития Большой камень» выявлена необходимость применения силовых кабелей. Это связано с тем, что ЛЭП проходит по территории г. Большой камень. По новым требованиям Градостроительного кодекса РФ высоковольтные линии в селитебной зоне должны быть выполнены в кабельном исполнении.

Целью данной работы является обзор современных кабельных систем, которые могут быть применены для строительства кабельных участков ЛЭП на ПС 220 кВ Раффлс, и оценка влияния условий прокладки кабелей и изоляцией из сшитого полиэтилена на их пропускную способность.

Для напряжения 220 кВ могут быть применены маслонаполненные кабели и кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена.

В маслонаполненных кабелях бумажная изоляция пропитывается маслом, которое постоянно держится под давлением. В процессе изготовления из каждого кабеля откачивается воздух, и полость заполняется маслом. Во время эксплуатации кабель нагревается и масло расширяется. Изменения объема масла регулируются компенсационными резервуарами, соединенными с концами кабеля. Давление в резервуарах поддерживается сжатым воздухом, находящемся в сжимаемых секциях. Анализ опыта эксплуатации маслонаполненных кабелей показал, что повышение их пропускной способности возможно при максимальном увеличении сечений жил и уровней номинальных напряжений. Однако, рост номинального напряжения приводит к усложнению тепловых режимов эксплуатации из-за увеличения толщины изоляционного слоя и, следовательно, диэлектрических и активных потерь, а также потерь в металлических оболочках.

Максимальная температура на поверхности жилы по условиям эксплуатации бумажно-масляной изоляции не должна превышать 75°С, а на поверхности кабеля – 40-50⁰С, чтобы избежать отрицательного экологического воздействия, а именно, высыхания почвы.

Сегодня существуют следующие объективные факторы, препятствующие дальнейшему использованию маслонаполненных высоковольтных кабелей:

- сложность конструкции и технологии изготовления кабеля, его монтажа и большие эксплуатационные затраты.

- существенные диэлектрические потери в изоляции и низкая пропускная способность из-за ограничений температурного режима.

- высокие требования к квалификации монтажного и эксплуатационного персонала:

- возможность разгерметизации маслонаполненных кабелей при проведении монтажных и аварийно-восстановительных работ, что приводит к большим потерям масла и экологическому загрязнению окружающей среды [1,2,5].

Проблема с вытеканием масла из-под оболочки и концевой заделки и сложность её устранения во многом обуславливает переход на другие виды кабеля - преимущественно на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели).

Основными преимуществами СПЭ-кабелей являются:

• более высокая пропускная способность (на 15–30 % выше, чем у кабелей с бумажной или маслонаполненной изоляцией) вследствие увеличения допустимой температуры нагрева жилы (до 90 ℃)
• меньшая масса, меньший диаметр и радиус изгиба;
• более высокая надежность, что связано как c улучшенным качеством кабеля, так и с технологией монтажа кабельных муфт;
• меньшие диэлектрические потери в изоляции;
• высокий ток термической устойчивости при коротком замыкании;
• возможность вести прокладку на сложных трассах без ограничений по перепаду высот на трассе;
• более низкая себестоимость прокладки;
• меньшие эксплуатационные расходы из-за отсутствия масла под давлением и дорогостоящего подпитывающего оборудования;
• меньшие время и стоимость работ по ремонту в случае пробоя;
• отвечают экологическим требованиям (отсутствие жидких диэлектриков в изоляции);
• значительно дешевле и проще становятся обслуживание и ремонт при механических повреждениях, существенно легче выполняются прокладка и монтаж соединительных муфт и концевых заделок в полевых условиях;
• возможность прокладки по трассе с неограниченной разницей уровней; меньший вес и допустимый радиус изгиба;
• срок службы кабелей составляет не менее 30 лет;
• прокладка и монтаж меньше зависят от погоды и могут проводиться даже при температуре –20 °С;
• большая строительная длина. [1,2,5].

Основными недостатками СПЭ-кабелей являются:

• кабель СПЭ имеет высокую стоимость из-за использования дорогого сырья.
• монтаж кабельной системы с изоляцией из СПЭ требует более высокой квалификации рабочих [5].

С учётом указанных достоинств в магистерской диссертации рекомендован кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена.

По результатам выполненных в магистерской диссертации расчётов электрических режимов определено, что для каждого из трёх вариантов подключения требуется кабельная система на напряжении 220 кВ различной пропускной способности.

Параметры выбранных кабельных линий приведены в таблице 1.

Далее выполнена оценка влияния условий прокладки на пропускную способность кабельной системы.

Таблица 1.

Параметры выбранных кабельных линий

При прокладке в земле длительно допустимые токи рассчитываются по выражению [3]:

                                                          (1)

где     - ток в таблице «Длительно допустимый ток для кабелей при прокладке в земле, кабели расположены треугольником, экраны соединены и заземлены с двух сторон».

Поправочные коэффициенты из каталога:

- коэффициент, зависящий от глубины прокладки кабеля (изменяется от 1,08 до 0,79 при глубине прокладки от 0,8 м до 10 м);

- коэффициент термического сопротивления грунта;

- коэффициент, зависящий от количества проложенных цепей;

- коэффициент, зависящий от температуры грунта;

- коэффициент прокладки в трубах;

В рамках данной работы исследовано влияние удельного сопротивления грунта и температуры грунта на длительно допустимый ток кабеля при зафиксированных остальных параметрах.

Глубина прокладки принята на 1,5 м, так как согласно п. 2.3.84. ПУЭ [4] кабельные линии 110-220 кВ должны иметь глубину заложения от планировочной отметки не менее 1,5 м. В связи с этим в расчётах принят коэффициент прокладки для 1,5 метра.

Коэффициент прокладки в трубах принят равным 1. Коэффициент, зависящий от количества проложенных цепей для вариантов №1 и № 3, принят равным 0,9, так как обе цепи прокладываются в одной траншее. Для варианта № 2 Коэффициент, зависящий от количества проложенных цепей принят равным единице, так кабели прокладываются в разных траншеях.

Результаты расчёта приведены на рисунках 1,2,3, представленных в виде поверхностей.

Для варианта № 1 максимальный ток в послеаварийном режиме составляет 105 А, а минимальный ток при наихудших сочетаниях условий прокладки – 136 А. Следовательно, выбранный для варианта № 1 кабель АПвПу2г3х-220-1х185/50 позволит обеспечить нагрузку по требуемой категории надёжности без ограничений при любых условиях прокладки.

Для варианта № 2 (рисунок 2) максимальный ток в послеаварийном режиме составляет 327 А, а минимальный ток при наихудших сочетаниях условий прокладки – 282 А. Следовательно, выбранный для варианта № 2 кабель АПвПу2г3х-220-1х400/50 позволит обеспечить нагрузку по требуемой категории надёжности не при всех условиях прокладки. При наибольшем сопротивлении грунта (3 К*м/Вт) температура грунта должна быть не более 35⁰С.

Рисунок 1. Влияние термического сопротивления грунта и температуры грунта на длительно допустимый ток кабеля АПвПу2г3х-220-1х185/50

Для варианта № 3 (рисунок 3) максимальный ток в послеаварийном режиме составляет 604 А, а минимальный ток при наихудших сочетаниях условий прокладки – 288 А. Следовательно, выбранный для варианта № 3 кабель АПвПу2г3х-220-1х1000/50 позволит обеспечить нагрузку по требуемой категории надёжности не при всех условиях прокладки. Пропускная способность обеспечивается при сопротивлении грунта до 1,2 К*м/Вт при температуре грунта не более 10⁰С.

Рисунок 2. Влияние термического сопротивления грунта и температуры грунта на длительно допустимый ток кабеля АПвПу2г3х-220-1х400/50

Таким образом, в данной работе построены зависимости длительно допустимого тока СПЭ-кабеля от удельного сопротивления грунта и температуры грунта. Определено, что окончательное сечение кабельных линий для подключения ПС 220 кВ Раффлс по вариантам № 2 и № 3 должно быть принято только после уточнения условий их прокладки (удельного сопротивления грунта и температуры грунта).

Рисунок 3. Влияние термического сопротивления грунта и температуры грунта на длительно допустимый ток кабеля АПвПу2г3х-220-1х1000/50

Список литературы:

1. Блинова. В. М. Сравнительный анализ эксплуатационных характеристик современных высоковольных кабелей [электронный ресурс] — Режим доступа. — https://cyberleninka.ru/article/n/sravnitelnyy-analiz-ekspluatatsionnyh-harakteristik-sovremennyh-vysokovolnyh-kabeley/viewer - 08.05.2022.
2. Кадомская К. II. Лавров Ю. А., Рейхерд А. А. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них: Учебник. Изд-во HI ТУ, Новосибирск. 2004. 368с.
3. Каталог продукции. Кабели на напряжение 110-220 кВ. ГК Севкабель. [электронный ресурс] — Режим доступа. — https://www.gov.spb.ru/static/writable/ckeditor/uploads/2015/06/04/%D0%9A%D0%B0%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D0%B8%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%2011020%20%D0%BA%D0%92_%D0%93%D0%9A%20%D0%A1%D0%B5%D0%B2%D0%BA%D0%B0%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D1%8C.pdf - 08.05.2022.
4. Правила устройства электроустановок. – 7-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 2010. – 118 с.
5. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д. Л. Файбисовича. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: ЭНАС, 2012. – 376 с.: ил.