Забезпечення надійного електропостачання мегаполісів
Для великих міст і мегаполісів при електропостачанні зараз характерний ряд особливостей: значне зростання споживання електроенергії та необхідність збільшення переданої потужності по окремих лініях електропередач, висока вартість землі і, як наслідок, необхідність використання компактних ліній електропередач, підвищені вимоги до забезпечення надійності та керованості роботи електричних мереж , а також більш жорсткі екологічні вимоги. Всі ці проблеми можуть бути найбільш ефективно вирішені при застосуванні сучасних кабельних систем електропередач. При цьому впровадження нових сучасних технологій і матеріалів в кабельній техніці дозволяє істотно поліпшити техніко-економічні показники кабельних ліній електропередач і підвищити їх конкурентоспроможність в порівнянні з повітряними лініями (c економічної точки зору).
Кабельні лінії з ізоляцією із зшитого поліетилену
Зараз в кабельній техніці одним з прогресивних напрямків є технологія виготовлення силових кабелів з ізоляцією із зшитого поліетилену (СПЕ-кабелі, або XLPE-cables). Сучасні кабелі з ізоляцією із зшитого поліетилену завдяки своїй конструкції, технології виготовлення і застосовуваним ізоляційних матеріалів технічно більш досконалі і більш економічні у порівнянні з кабелями з просоченою паперовою ізоляцією і маслонаповненими кабелями.
В останні роки в нових проектах вони швидко витісняють кабелі з паперовою ізоляцією як в розподільних, так і в живильних мережах.
Основними перевагами СПЕ-кабелів є:
- більш висока пропускна здатність за рахунок збільшення допустимої температури нагріву жили (до 90 0С);
- низька маса, менший діаметр і радіус вигину;
- більш висока надійність, що пов'язано як c поліпшеною якістю кабелю, так і з технологією монтажу кабельних муфт;
- менші діелектричні втрати в ізоляції;
- високий струм термічної стійкості при короткому замиканні;
- можливість вести прокладку на складних трасах без обмежень по перепаду висот на трасі;
- більш низька собівартість прок-ладком;
- менші експлуатаційні витрати через відсутність масла під тиском і дорогого живить обладнання;
- менші час і вартість робіт по ремонту в разі пробою;
- менший вплив на навколишнє середовище і ін.
Треба особливо відзначити, що зшитий поліетилен ідеально підходить для ізоляції високовольтних кабелів. При сучасній технології виготовлення кабелів в процесі вулканізації (зшивання) поліетиленової ізоляції змінюється молекулярна структура поліетилену і утворюються нові міжмолекулярні зв'язки, що призводить до поліпшення електричних і механічних властивостей ізоляції. При традиційному методі процес зшивання особливо чистого поліетилену проводиться хімічним способом в «вулканізаційної трубі» під великою концентрацією пари або азоту під високим тиском (8-9 атмосфер) і при високій температурі (285-400 0С). Цей принцип застосовується в вертикальних екструзійних лініях.
Для поліпшення електроізоляційних властивостей і виключення можливості утворення дефектів в ізоляції використовується також більш досконалий процес «сухий» зшивання, або вулканізації. При використанні цього методу на жилу, яка подається з барабана, негайно накладається ізоляційний компаунд, який не містить вологи і сторонніх включень. Далі жила відразу надходить в «вулканізаційних трубу», де проводиться зшивання ізоляції за допомогою нагрівання «вулканізаційної труби» постійним струмом, т. Е. Ізольована жила не береться впливу пара або азоту. Необхідно відзначити, що екструзія електропровідного екрану по жилі, шару ізоляції і електропровідного екрану по ізоляції здійснюється одночасно, т. Е. Відбувається тришарове Екструдування. Така технологія забезпечує хорошу адгезію між екранами і ізоляцією, а також відсутність газових включень в ізоляції і на кордоні з екранами [1].
Струмопровідні мідні або алюмінієві жили кабелів виготовляються ущільненими і герметизованими, а при перетині більше 1 000-1 200 кв. мм - сегментованими (для зменшення поверхневого ефекту). Металевий екран кабелю складається з мідних дротів та спірально накладеної мідної стрічки. Перетин екрану вибирається за умовою протікання струмів короткого замикання. Для забезпечення поздовжньої герметизації використовується шар водонабухающего матеріалу. Для надійного захисту від вологи використовується оболонка з алюмополімерной стрічки, звареної c поліетиленовою або полівінілхлоридної оболонкою для радіальної герметизації.
Крім оболонки з поліетилену або полівінілхлоридного пластикату (стандартний варіант для кабелів, що прокладаються в землі) може використовуватися посилена поліетиленова оболонка з поздовжніми ребрами жорсткості (для складних трас), свинцева оболонка або гофрований алюмінієва оболонка. Поверх зовнішньої оболонки може накладатися шар, що захищає кабель від загоряння. Для вимірювання температури нагріву кабелю по всій трасі або для передачі даних в кабель можуть бути інтегровані оптоволоконні нитки (між дротами екрану або під свинцевою оболонкою). Всі кабелі комплектуються відповідної кабельної арматурою, що складається з елементів заводської збірки, включаючи з'єднувальні муфти, кінцеві муфти зовнішнього встановлення і елегазові вводи.
До теперішнього часу поруч провідних зарубіжних фірм розроблені та виготовлені кабелі з ізоляцією із зшитого поліетилену на номінальну напругу до 420-550 кВ з перетином струмопровідної жили до 2 500-3 000 кв. мм і з пропускною здатністю до 1 000 МВА і вище. Провідними виробниками СПЕ-кабелів є компанії ABB, NEXANS, Pirelli, NKT Cable, корпорація Sumitomo Electric.
У Росії також освоєний випуск СПЕ-кабелів. Цю продукцію до 110 кВ включно виробляє «АББ Москабель». Введено лінії по виробництву кабелю з ізоляцією із зшитого поліетилену до 220 кВ на «Севкабель» (Санкт-Петербург).
На Харківському заводі «Південкабель» реалізується інвестиційний проект з освоєння технологій виготовлення силових кабелів з і ізоляцією із зшитого поліетилену на напругу від 10 до 330 кВ включно. Це перший серед здійснюваних в даний час в країнах СНД проектів з випуску кабелів такого класу напруги.
Кабельні лінії (КЛ) високої і надвисокої напруги з ізоляцією із зшитого поліетилену володіють не тільки істотними технічними перевагами. Вони і дешевше, ніж лінії, виконані із застосуванням маслонаповнених кабелів з паперово-масляною ізоляцією. В останні роки КЛ високої і надвисокої напруги з ізоляцією із зшитого поліетилену знаходять все більш широке застосування при організації глибоких вводів в центральні райони найбільших міст світу, так як вони крім надійного електропостачання забезпечують мінімальний землевідведення і максимальне збереження навколишнього середовища.
З реалізованих в останні роки великих проектів КЛ з ізоляцією із зшитого поліетилену для передачі великої потужності в густонаселених міських районах можна виділити, наприклад, дволанцюгову підземну КЛ 400 кВ «Схід-Захід» в Берліні з потужністю понад 1 600 МВА. Найпотужнішою є підземна КЛ 400 кВ, що входить в проект нової інфраструктури енергопостачання Лондона (перетин жили кабелю - 2 500 кв. Мм, розрахунковий струм - 3700 А). КЛ великої довжини на напругу 500 кВ з ізоляцією із зшитого поліетилену (Shin Keiyo-Toyosu Line) прокладена в Токіо. Довжина лінії - 40 км, передана потужність - 900 МВт (в майбутньому - 1 200 МВт).
У Росії високовольтні кабелі з ізоляцією із зшитого поліетилену також знаходять все більш широке застосування для енергопостачання великих міст і мегаполісів. Так, наприклад, СПЕ-кабелі використовувалися при реконструкції і будівництві мереж 110 і 220 кВ в Москві за проектом енергетичного кільця. У Санкт-Петербурзі прокладені СПЕ-кабелі на номінальну напругу 110 і 330 кВ.
Силові кабелі прокладаються або безпосередньо в траншеї, або в спеціальному тунелі, або в колекторі, де розміщуються і інші життєво важливі міські комунікації. Уздовж траси прокладки кабелю передбачаються підземні колодязі для монтажу з'єднувальних муфт. Для механізації риття траншей і прокладки кабелів використовуються спеціальні машини. У кожному проекті враховується специфіка прокладки кабелю і, відповідно, коригується його гранична пропускна здатність по току.
Удосконалення технологій виробництва кабелів, їх прокладки і монтажу призводить до зниження капітальних вкладень на спорудження КЛ. На сьогоднішній день капітальні вкладення в сучасні підземні КЛ можуть перевищувати в 1,5-3 рази витрати на спорудження повітряних ліній (ПЛ). Однак облік економічних і експлуатаційних факторів (мінімальний землевідведення, висока надійність, менші витрати при технічному обслуговуванні, менші втрати, висока стійкість до короткочасних перевантажень і ін.) Може істотно знизити це співвідношення.
При передачі потужності на досить великі відстані КЛ змінного струму вже не можуть конкурувати з КЛ постійного струму. Цьому протидіють такі технічні та економічні фактори: необхідність компенсації реактивної потужності на довгих КЛ змінного струму, менша щільність струму в жилі через наявність додаткових втрат в жилі, діелектрику, екранах і оболонках на змінній напрузі, більш висока питома вартість власне кабелів при передачі однаковою потужності і ін. Критична довжина, починаючи з якої КЛ постійного струму стають вигідніше КЛ змінного струму, залежить від співвідношення вартостей перетворювальних підстанцій і л ванні.
Застосування кабелів постійного струму з ізоляцією із зшитого поліетилену є дуже перспективним для спорудження довгих КЛ, особливо з великим перепадом висот по трасі. Однак для СПЕ-кабелів постійного струму існують проблеми, пов'язані з утворенням в ізоляції об'ємних зарядів. В останні роки на основі досліджень різних модифікацій ізоляції із зшитого поліетилену і вибору ізоляційного матеріалу з малим накопиченням об'ємних зарядів і високим питомим опором ізоляції за кордоном були розроблені конструкції кабелів постійного струму і муфт до них на напругу до ± 500 кВ, в тому числі для підводних прокладок.
Значний прогрес в розробці СПЕ-кабелів і перетворювачів привів до різкого зменшення габаритних розмірів і підвищення експлуатаційних показників ППТ. У порівнянні з КЛ змінного струму КЛ постійного струму з ізоляцією із зшитого поліетилену стають вигідними вже починаючи з протяжності КЛ в 50-60 км.
Однополюсні легкі кабелі за технологією HVDC Light мають відносно малу погонну масу, що значно полегшує їх прокладку в траншеї, в землі, і скорочує витрати на спорудження підземної КЛ. Крім того, у них значно менший зовнішній діаметр (відповідно, менший допустимий радіус вигину), а значить, вони можуть прокладатися великими будівельними довжинами, що поставляються на стандартних барабанах, що призводить до зменшення числа з'єднань і до збільшення надійності КЛ. Підземні біполярні КЛ постійного струму вимагають мінімального землевідведення, не викликають електромагнітних завад і не впливають на екологію.
Нова технологія будівництва кабельних ППТ з урахуванням надійності і стабільності передач робить проекти підземних КЛ технічно і економічно життєздатними. C урахуванням всіх факторів (технічних, економічних, екологічних, експлуатаційних) вартість підземної КЛ постійного струму за технологією HVDC Light може бути порівнянна з вартістю звичайної ВЛ.
Надпровідні кабельні лінії
Силовий надпровідні кабелі розроблялися ще в 70-е і 80-е рр. минулого століття на основі низькотемпературних надпровідникових технологій (НТСП технології) з використанням в якості холодоагенту рідкого гелію (температура кипіння рідкого гелію - 4,2 К при нормальному тиску). Основу освоєних промисловістю надпровідних матеріалів становили два речовини: сплав Nb-Ti (критична температура - 9,6 К, критична щільність струму - 3 × 109 А · м-2) і інтерметалевих з'єднання Nb3Sn (критична температура - 18,3 К, критична щільність струму - понад 109 А · м-2). Надпровідні дроти представляли собою складні конструкції з різнорідних матеріалів з ультратонкими нитками власне надпровідника. Технологія їх виготовлення була освоєна в США, СРСР, Японії, Німеччини, Англії. У ЕНІН і ВНИИКП були створені жорсткі і гнучкі кабелі змінного струму потужністю до 3 000 МВА. Незважаючи на досягнуті успіхи, застосування НТСП-кабелів стримувалося необхідністю використання для охолодження невідновлюваної і дорогого рідкого гелію (5-10 доларів за 1 літр) [3].
Потужним поштовхом до розвитку надпровідникових технологій стало відкриття в 1986 р високотемпературних надпровідників (ВТНП) з критичними температурами переходу в надпровідний стан, що перевищують температуру 77,3 К, тобто температуру кипіння рідкого азоту при нормальному тиску. Відповідно, в ВТНП технологіях з'явилася можливість використовувати в якості холодоагенту замість дорогого рідкого гелію значно дешевший рідкий азот (0,11-0,3 доларів за 1 літр), спростити систему криостатирования, підвищити її надійність в експлуатації, а також скоротити експлуатаційні витрати.
Технологія керамічних надпровідників ще знаходиться в стадії становлення і розвитку. Проте вже до середини 90-х рр. XX ст. були розроблені конструкції 1-го покоління ВТНП-проводів на основі поєднання Bi2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi-2223, критична температура - 104 К, критична щільність струму - 108 А · м-2). В даний час в США, Японії і країнах Європи налагоджений дослідно-промисловий випуск ВТНП-проводів 1-го покоління на основі вісмуту з використанням так званої технології «порошок в трубі», коли вихідний порошок з'єднання запресовується в металеву срібну трубку, яка багаторазово обжимается і термообробних. Ця технологія досить складна і дорога. Вартість ВТНП-проводів 1-го покоління становить понад 200 доларів за 1 кА · м, що більш ніж на порядок перевищує вартість мідного дроту (близько 15 доларів за 1 кА · м). За оцінками виробників, при розвитку масового виробництва вартість ВТНП-проводів 1-го покоління може бути знижена до 50 доларів за 1 кА · м [4].
Останнім часом багато компаній різних країн світу ведуть інтенсивні розробки в галузі використання надпровідних кабелів на основі ВТНП технологій.
Таким чином, знаходяться в даний час в дослідно-промислової експлуатації надпровідні силові кабелі мають довжину до 500-600 м. У найближчі кілька років їх довжина може бути збільшена до 3 км. І хоча до теперішнього часу вони забезпечують передачу потужності до 500 МВА, в майбутньому вони реально можуть забезпечити передачу дуже великої потужності (до 10 ГВА і більше).
У Росії роботи по силовим надпровідним кабелям ведуться в значно менших масштабах (ВНИИКП, РНЦ «Курчатовський інститут», ВНІІНМ, ВЕІ).
Перед традиційно застосовуваними кабелями ВТНП-кабелі мають істотні переваги: велику пропускну здатність при використанні більш низького класу номінальної напруги, при менших втратах, меншій вазі і компактності, пожежна безпека, екологічність та ін. Проведені порівняльні техніко-економічні розрахунки (в РНЦ «Курчатовський інститут» , ВНИИКП, ВНІІНМ, ВЕІ) показали, що навіть при сьогоднішній високою ціною на ВТНП-матеріали, повні витрати (враховуючи прокладання та експлуатаційні витрати) для звичайних кабелів і ВТНП-каб лей приблизно однакові. Якщо в найближчі роки розробникам і виробникам надпровідних матеріалів вдасться домогтися істотного зниження цін на ВТНП-матеріали, які становлять до 90% від вартості власне кабелю, то вигода від застосування ВТНП-кабелів стане очевидною [6].
Великі перспективи відкриваються і перед ВТНП-кабельними лініями постійного струму, так як вони дозволяють створювати системи «високовольтний генератор - надпровідна КЛ постійного струму», що працюють на генераторному напрузі.