Сравнение маслонаполненных и СПЭ-кабелей для сетей сверхвысокого напряжения

Для реализации проекта на напряжение 330 кВ потребуется прокладка силового кабеля сверхвысокого напряжения. Спор  идет о том,  стоит ли применять проверенные и надежные технологии, т.е. маслонаполненные кабели высокого давления, или же кабели на основе новейших технологий – с изоляцией из  сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели).  СПЭ-кабели представляются разумной альтернативой благодаря меньшей емкости, более высокой токонесущей способности, простоте установки, меньшему воздействию на окружающую среду по сравнению с маслонаполненными кабелями высокого давления (например, HPFF кабели).
На основе изучения данных по проекту на напряжение  330 кВ и в процессе выбора площадки, а также информации,  собранной  сертифицирующей компанией  проекта  330 кВ и обзора различных технических документов по теме подземных кабелей и консультаций с экспертами по кабелям, мы пришли к выводу,  что обе технологии могут быть применены на равных и обладают одинаковой степенью надежности.
В целях обеспечения надежности, необходимой при установке  СПЭ-кабеля мы настоятельно рекомендуем следующее:
1. Установка двух кабелей на одну фазу.
2. Использовать одинаковую спецификацию и продукцию одного производителя кабеля и соединительных муфт.
3. Использовать блоки кабельной канализации, а не прокладывать кабель в земле кабели в черте города.
4. Или по крайней мере  обеспечить закладку запасных  блоков кабельной канализации для манипуляций в будущем, чтобы при повреждении кабеля можно было бы легко заменить вышедший из строя.
5. В целях сведения к минимуму индуцированного напряжения  в параллельных кабелях использовать метод «поперечных связей».
6. Приемные испытания  должны включать тест совместимости кабеля и соединительной муфты.

Немного истории

Технологии кабелей сверхвысокого напряжения, находятся на перепутье. Промышленность переходит от маслонаполненного кабеля высокого давления   к цельным кабелям из диэлектрика, т.е. с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели).  Особенно это касается кабельных линий на напряжение  400 кВ и ниже. Соответственно, количество производителей маслонаполненного кабеля высокого давления сократилось за  счет слияний, поглощений и перехода на альтернативные кабельные технологии.
За последние 10-15 лет, СПЭ-кабели постоянно усовершенствовались, и теперь они могут изготавливаться без пустот или примесей, которые ранее приводили к преждевременному износу и  повреждениям кабеля из-за высокого электрического напряжения в кабеле.  Кроме того совершенствуются соединительные муфты и концы кабелей. Несмотря на то, что уже имеется несколько систем СПЭ-кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение выше 300 кВ, эксперты по кабелям высказывают осторожный оптимизм, говоря о том,  что при надлежащем проектировании, монтаже и установке можно с уверенностью применять надежные СПЭ-кабели сверхвысокого напряжения.

Типы кабелей планируемых к использованию в проекте

Для проекта на напряжение 330  кВ (Фаза I)  для передачи электрического тока оценивались два типа кабеля сверхвысокого напряжения: маслонаполненные кабели высокого давления и СПЭ-кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE).

Маслонаполненные кабели высокого давления

Исторически сложилось так, что большей частью для сверхвысоких напряжений применяются технологии на основе маслонаполненного кабеля высокого давления. Первоначально используемая в кабелях жидкость представляла собой смесь минеральных масел, отсюда и пошло название – «маслонаполненные».  Сегодня используются разные синтетические жидкости, поэтому кабели чаще называют жидкостнонаполненные, что и содержится в их английском наименовании  (HPFF – жидкостнонаполненные кабели высокого давления). Кабели в диапазоне напряжения от 110 кВ до 220 кВ используются примерно с конца 1950-х годов.  В них в качестве  изоляции применяется пропитанная бумажная лента,  усиленная обмотанным по спирали оплеткой и пропитанная полимерной изоляционной жидкостью; все три фазы находятся внутри стальной трубы подходящего размера. Сначала укладываются стальные трубы с покрытием, затем осуществляется их проверка на герметичность, затем внутри трубы протягиваются кабели, как правило, все три фазы в форме трилистника. Трубы защищают от коррозии методом катодной защиты.  Возможность работы в экстремальных условиях (высокая температура жилы) обеспечивается за счет  рециркуляции или принудительного охлаждения жидкости в трубе путем установки дополнительной трубы для отбора охлаждаемой жидкости  параллельно направляющей трубе с системами рециркуляции и охлаждения.
Эти системы устанавливаются на терминальных точках  или через определенное расстояние на участке кабеля.
В конце 1980-х была предложена альтернатива бумажной изоляции – полипропиленовая ламинированная бумага  (PPL).  PPL-бумага представляет собой  ламинат, состоящий из тонкого  слоя полипропиленовой ленты, заключенной между двумя  слоями бумаги; он довольно прост в применении.  Преимуществом изоляции из PPL-бумаги является то, что кабель может функционировать  при более высоких температурах, чем в традиционной бумажной изоляции, т.е. обладает более высокой токонесущей способностью.  С середины 1980-х годов маслонаполненные кабели высокого давления  для сверхвысокого напряжения считаются довольно высоконадежными благодаря постоянному совершенствованию технологий производства и способов монтажа в последние 20-30 лет.
Жидкость в маслонаполненном кабеле высокого давления является неотъемлемой частью системы электрической изоляции  кабеля.  Система должна находиться под  давлением примерно 250#, чтобы масло пропитало бумажную изоляцию. Одно из возражений безопасности по поводу использования маслонаполненных кабелей высокого давления – угроза утечки изолирующей жидкости в окружающую среду. Зачастую это происходит по вине третьих лиц,  ведущих строительные работы в зоне пролегания кабеля и нарушающих его целостность. Поскольку кабель находится под давлением, до устранения аварии может вытечь  значительное количество жидкости.

Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена

Технологии изготовления кабеля с течением времени эволюционировали, и вот появился СПЭ-кабель. Он представляет собой экструдированный диэлектрический кабель, первая коммерческая презентация которого состоялась в конце 1960-х годов.  В течение 1970-х и 1980-х годов европейские страны и Япония продолжали свои разработки и стали применять кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена  для использования на напряжение выше 138 кВ. В конце 1970-х годов европейские страны и Япония стали применять СПЭ-кабель (без соединительных муфт) на напряжение 230 кВ и 275 кВ, соответственно.  К концу 1980-х годов и в Европе, и в Японии начали прокладку кабельных систем (с соединительными муфтами)  на напряжение 245 кВ и 275 кВ.
Кабели с СПЭ-изоляцией получили широкое распространение в мире, но, к сожалению, у них еще сравнительно малый опыт эксплуатации с таким напряжением и длиной более 1000 метров.
Однако СПЭ-кабель обладает преимуществом быстрой и простой установки по сравнению с другими типами кабелей.
Он требует меньшего времени для ремонта и технического обслуживания.
Используемые материалы, способы производства СПЭ-кабеля наряду с конструктивными особенностями и технологией изготовления  и характером сырья, идущего на соединительные муфты и концы, могут существенно разниться от производителя к производителю.  Надежность СПЭ систем, установленных на сегодняшний день, обеспечивается благодаря повышению эффективности на всех стадиях проекта; проектирование, изготовление, испытание, монтаж, ввод в эксплуатацию и служба мониторинга функционирования.
СПЭ-кабель может непосредственно укладываться в грунт, либо в блоки кабельной канализации. При прямой закладке эти кабели имеют на 10 - 15% большую допустимую токовую нагрузку (в амперах), чем те же кабельные  системы, заложенные в блоки кабельной канализации, так как нет ненужного воздушного пространства, препятствующего теплоотдаче. Маслонаполненные кабели высокого давления, как правило, рассчитаны на непрерывную работу жилы при температуре 85 С, в то время, как СПЭ-кабели, как правило, рассчитаны на непрерывную работу жилы при температуре 90 С.
Способ производства кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена не позволяет контролировать процесс экструзии, в то время  как маслонаполненные кабели высокого давления, имеющую изоляцию из полипропиленовой ламинированной бумажной ленты,  могут быть подвергнуты проверке в форме наблюдения или контроля технологического процесса производства. Процесс экструзии СПЭ-кабеля  и его изоляции происходит в полностью закрытом режиме производства на заводе.  Собственно, сам кабель не виден, но постоянно ведется технический мониторинг качества. Черный экран кабеля попросту делает невозможным визуальный осмотр. Целостность диэлектрической оболочки кабеля также проверяется автоматически в процессе производства. Особенно контролируется процесс перекрестного сшивания ПВХ изоляции, при котором применяется радиационный метод, который существенно улучшает диэлектрические свойства кабеля.
Сращивание (соединение) любой кабельной системы, особенно СПЭ-кабеля, пожалуй, наименее надежный компонент всей системы.  Поскольку кабели с СПЭ-изоляцией сверхвысокого напряжения относительно недавно вышли на рынок, используются только стандартизованные между различными производителями соединительные муфты.
Эксперты по кабелям выражают осторожный оптимизм по поводу надежности кабельных систем сверхвысокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена.  Они полагают, что СПЭ-кабели могут изготавливаться надежно и качественно, что, в частности, при надлежащем проектирование соединительных муфт эти кабели можно будет эксплуатировать дольше при большей длине соединяемых участков.

Сравнительный анализ маслонаполненных кабелей высокого давления и СПЭ-кабелей

Надежность

Для обеспечения надежности проекта необходимо сравнить  частоту аварийности обоих типов кабелей. Сертифицирующая компания  изучила свидетельства и техническую документацию, провела консультации с различными экспертами по кабелям по вопросу оценки надежности маслонаполненного кабеля высокого давления  и кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена.  Оценке подверглись производственные процессы изготовления кабелей, технологии соединительных стыков, процессы проверки контроля качества и тестирования, а также методы установки.
Были получены следующие данные о частоте аварий на трехфазных и однофазных кабелях на напряжение  330 кВ, выраженной как количество событий в год на каждые 160 км кабеля:
Тип Кабеля - Фактически (на 160 км кабеля в год)
Маслонаполненные кабели высокого давления в стальных трубах -  0.5
С изоляцией из сшитого полиэтилена в  канале – Оптимистичный расчет -  0.64
С изоляцией из сшитого полиэтилена в канале                           – Реально -  2.02
С изоляцией из сшитого полиэтилена в канале  – Пессимистичный расчет - 9.93
Несмотря на то, что маслонаполненные кабели высокого давления могут показаться  чуть более надежными, чем с изоляцией из сшитого полиэтилена, оба типа кабеля вполне надежны в эксплуатации.