Электрическая часть электростанций - Кабельные коммуникации и сооружения

На электрических станциях и подстанциях применяются кабельные сети различного назначения. Прокладываются силовые кабели напряжением 6, 10, 20 кВ, отходящие от распределительных устройств станции за пределы территории, служащие для электроснабжения потребителей местного района; силовые кабели сетей собственных нужд напряжением 6 и 3 кВ и 600, 380, 380/220, 220 В, включая сети освещения; силовые кабели постоянного тока от щита постоянного тока ко всем потребителям оперативного тока на напряжение 220, реже 110 В; контрольные кабели вторичных устройств электрической станции (систем управления, автоматики, защиты, контроля, сигнализации, блокировок и пр.); слаботочные кабели всех видов связи и сигнализации.
В зависимости от напряжения, числа жил, заземления нейтралей, условий и способа прокладки выбираются кабели разных марок, различающиеся материалом и конструкцией жил, изоляцией, защитными покровами.
На мощных станциях, особенно ГЭС, для выдачи энергии на напряжениях 110—500 кВ от трансформаторов (автотрансформаторов), расположенных под землей или в сложных условиях разводки на поверхности земли, применяются маслонаполнеиные кабели среднего и высокого давления.
Прокладка одиночных кабелей производится в траншеях в грунте на мягкой подготовке, с защитой сверху слоем кирпичей, а в местах пересечений, под дорогами, при проходе через фундаменты зданий, выходе на поверхность земли прокладка производится в трубах. На поверхности земли предусматривается охранная зона шириной 2 м, по 1 м в сторону от проложенных кабелей.
В помещениях здания станции, распределительных устройств и вспомогательных служб кабели различного назначения группируются по блокам и ячейкам в потоки. Для прокладки этих кабелей предусматриваются специальные кронштейны по стенам, подвесы под потолком, кабельные каналы, лотки, блоки, галереи, коридоры, подвалы. Все кабельные сооружения выполняются из несгораемых материалов.

Рис. 11-11. Взаимное расположение коммуникаций различного назначения в сечении сборного туннеля
1  — свежая вода; 2 — силовые кабели 3—10 кВ; 3 — кабели собственных нужд; 4 — газопровод; 5 — контрольные кабели; 6 — кабели связи; 7 — горячая вода, пар; 8 — канализация, 9 — ливнесток
В помещениях и внутри всех кабельных сооружений прокладываемые кабели не должны поверх брони (или поверх металлических оболочек) иметь джутовую или другую волокнистую оплетку, опасную в пожарном отношении.
Имея в виду многочисленные случаи выхода из строя на длительное время оборудования электростанций из-за пожаров в кабельных сооружениях, следует обеспечивать повышенную пожарную безопасность в этих сооружениях.
Часто вместе с кабелями прокладываются и трубопроводы теплофикации, водопровода и канализации, воздуховоды пневматических приводов электрооборудования. Прокладка воздухопроводов иного назначения и маслопроводов запрещается. Рекомендуемое взаимное расположение различных коммуникаций в сечении туннеля показано на рис. 11-11.
На площадках ОРУ и по территории станций потоки многочисленных кабелей прокладываются в кабельных каналах или лотках, которые по мере приближения к посту управления увеличиваются в сечении или даже (для кабелей более 20—30) переходят в кабельные туннели. Для вертикальных прокладок кабельные туннели переходят в шахты тех же сечений.
Для вертикальных и крутонаклонных участков трассы выбираются кабели с обедненной изоляцией или с нестекающей пропиточной массой, причем установка кабельных муфт на таких участках не рекомендуется.
Одиночные кабели от кабельного канала к конструкциям аппаратов подаются в трубах соответствующего сечения.
Кабельные каналы или коридоры ЗРУ размещаются обычно в подвальном, реже в первом этаже, преимущественно по оси симметрии здания. Кабели прокладываются по полкам сварных металлоконструкций (см. рис. 10-1, 10-5), устанавливаемых на расстоянии 0,3—0,4 м друг от друга.
На территории ОРУ оси каналов трассируются между фронтами установки основных аппаратов, строительная конструкция их собирается из сборных железобетонных плит стандартной формы и размеров, укладываемых на дренажную подготовку. В настоящее время рекомендуются высокоиндустриальные, экономичные и транспортабельные конструкции наземных железобетонных кабельных коробок плоской формы, укладываемых на шпалы или на щебеночную подготовку.
Плиты перекрытия каналов одновременно служат дорожками обслуживания подстанции.
Трассировку потоков кабелей по площади подстанций и за ее пределами производят, исходя из условий наименьшей длины, наименьшего числа поворотов, пересечений с другими коммуникациями, удобства обслуживания (перепрокладка, замена кабелей и т. п.).
Трассы кабельных коммуникаций должны быть защищены от механических повреждений, химического воздействия, коррозии, вибраций, перегрева, от блуждающих токов и от повреждений дугой при замыканиях в соседних кабелях.
Кабели в каналах прокладываются «змейкой», с запасом 1 — 3 % по длине и возле муфт и вводов для компенсации температурных деформаций и осадки сооружений при смещении грунта.
В районах, подверженных землетрясениям, применяются кабели с проволочной броней, дается больший запас кабеля, производится крепление прокладки вдоль трасс шпунтовыми и свайными рядами.
Для безопасности обслуживающего персонала применяются заземления. Производится соединение друг с другом и заземление кабельных муфт, металлических оболочек и брони медными проводами сечением 6—25 мм².
Кабельные сооружения оборудуются электрическим освещением и сетью питания переносных светильников и инструмента.
Особое внимание должно быть обращено на противопожарные мероприятия в кабельных сооружениях. Автоматической пожарной защите подлежат кабельные туннели, шахты, подвалы и подщитовые помещения. Установка пожаротушения должна пускаться автоматически и должна быть снабжена устройствами дистанционного и местного пуска для дублирования автоматики. В соответствии с действующими нормами для тушения пожаров в кабельных помещениях и в трансформаторах применяется распыленная вода.
Установки пожаротушения распыленной водой на ТЭС и АЭС тоже работают в автоматическом режиме.
Установка содержит: систему обнаружения пожара,, включающую в себя извещатели (датчики), приемные станции, линейные сооружения и другие устройства; систему тушения пожара, состоящую из насосной станции (автоматического водопитателя), подводящих и питательных трубопроводов, узлов управления с запорно-пусковыми устройствами, распределительных трубопроводов (сухотрубов) с установленными на них оросителями дренчерного типа; систему отвода воды.
При возникновении пожара в кабельном помещении срабатывает пожарный извещатель, который передает импульс на включение пожарного насоса и открытие запорно-пусковых устройств (задвижек). Одновременно с этим подается импульс, преобразуемый в световой и звуковой сигналы, на соответствующие БЩУ. Вода, поданная по системе трубопроводов, поступает в горящее помещение и, пройдя через дренчеры, присоединенные к распределительному трубопроводу, орошает горящие кабельные потоки.
В Мосэнерго был испытан и применен для защиты кабелей от пожара огнезащитный вспучивающийся водоэмульсионный состав ВПМ-2. Состав представляет собою густую тестообразную пасту белого цвета без запаха, содержащую волокнистые и мелкозернистые наполнители, разбавляемую водой. Состав наносится на поверхность кабелей и металлоконструкций механизированным или ручным способом. После высыхания образуется огнезащитное покрытие, вспучивающееся при высоких температурах и обладающее свойствами невоспламенения и гашения пламени. Пропускная способность кабелей после покрытия их составом ВПМ-2 не снижается.
За последнее время количество силовых и контрольных кабелей, прокладываемых на электростанциях, значительно возросло и кабельное хозяйство сильно усложнялось. Это вызвано ростом единичной мощности энергетических блоков, увеличением количества вспомогательного оборудования, широким применением электрифицированных приводов запорной арматуры, значительным ростом объема контроля за работой основного энергетического оборудования, объема измерений и объема автоматизации процессов производства энергии и регулирования технологических и электрических режимов.
Количество силовых и контрольных кабелей, относящееся в настоящее время к одному крупному энергетическому блоку (300—800 МВт), достигает десятков тысяч (до 40 тыс.) общей протяженностью несколько сотен километров.
Централизация контроля, сигнализации и управления крупными блоками и применение ЭВМ для этой цели еще больше увеличили объем кабельных прокладок и усложнили кабельное хозяйство на современных электростанциях.
Трассировка огромных кабельных потоков на современной тепловой и атомной электростанции представляет поэтому значительные трудности из-за стесненности в помещениях станций, вызванной необходимостью размещения громоздкого энергооборудования и большого количества трубопроводов. При этом ухудшилась производственная эстетика и понизилась надежность работы кабелей.

Рис. 11-12. Прокладка контрольных кабелей в металлических коробах
1 — шпилька; 2 — крышка; 3 — прижимная планка; 4 — корпус; 5 — кабели
Возросла также вероятность повреждения кабелей и опасность пожаров в них из-за вынужденной прокладки кабелей вблизи технологического оборудования, часто около горячих поверхностей.
Для повышения надежности работы кабельных прокладок и уменьшения пожарной опасности в последнее время на вновь строящихся и вводимых в эксплуатацию электростанциях принимаются следующие меры: вместо ранее широко применявшихся бронированных кабелей с битумной подушкой и джутовым покрытием теперь прокладывают силовые и контрольные кабели с новой конструкцией изоляции — с пластмассовой оболочкой, не распространяющей горения (например, поливинилхлоридной).
В настоящее время на ТЭС и АЭС в кабельных сооружениях в качестве силовых применяются кабели марки ААШв, ВВГ, АВВГ, АВВБГ, а в качестве контрольных — марки АКВВГ, КВВГ, АКВВГЭ, КВВГЭ, КУГВВ, КУГВЭ, КУГВЭВ и др. Разработан контрольный термоэлектродный (компенсационный) ‘ кабель марок КМТВ и КМТВЭВ с числом жил от 8 до 26. Эти кабели также имеют пластмассовую оболочку. Разработаны специальные силовые и контрольные кабели для работы в условиях герметической зоны АЭС.
Прокладка контрольных кабелей производится в несколько рядов (многослойно) в металлических коробах (рис. 11-12), а также пучками на лотках или на перфорированных конструкциях. Короба плотно закрываются крышками для защиты кабелей от механических повреждений или от искр при сварочных работах вблизи кабельной трассы.
Решением Главтехуправления Минэнерго  рекомендована прокладка силовых и контрольных кабелей в непроходных самонесущих металлических коробах блочного исполнения типа ККБ внутри и вне здания (рис. 11-13).

Рис. 11-13. Прокладка кабелей по территории станции: а — на кабельной эстакаде; 6 — на технологической эстакаде 1 — стойка кабельной эстакады; 2 — кабельные короба типа ККБ; 3 — технологические трубопроводы; 4 — площадка обслуживания; 5 — опора технологической эстакады

Кабельный блочный короб ККБ имеет корпус из металлического листа и допускает прокладку силовых высоковольтных кабелей (6—10 кВ) совместно с низковольтными (до 1 кВ) любого сечения, а также контрольных, термоэлектродных (компенсационных) кабелей, кабелей связи и т. д.
Конструкция короба обладает устойчивостью при работе под нагрузкой от массы кабелей, а также при ветровой и снеговой нагрузке в случае установки короба вне зданий и сооружений при расстоянии между опорами от 3 до 12 м. Это позволяет использовать короба не только как каналы, но и как строительные конструкции взамен подземных кабельных сооружений: железобетонных тоннелей, каналов, трубных бетонных блоков, а также подвесных металлических галерей в котельном и турбинном цехах.
Для повышения пожарной безопасности в коробах ККБ предусмотрены огнепреградительные перегородки.
Новые методы прокладки кабелей — многослойная прокладка контрольных кабелей в коробах и прокладка силовых и контрольных кабелей в непроходных самонесущих стальных коробах заводского изготовления — получили повсеместное распространение на ТЭС и АЭС, так как опыт строительства монтажа и эксплуатации подтвердил их высокую эффективность.
Прокладка кабелей с оболочками, не поддерживающими горение, разделение кабелей по блокам, тщательная огнестойкая заделка всех проходов кабелей из одного помещения в другое существенно снижают опасность возникновения пожара в кабелях, и в особенности его распространения.
Большую опасность представляют длительные к. з. за кабелем, которые происходят при отказах релейной защиты или выключателей; кабель в этих условиях горит по всей длине и поджигает кабели, проходящие по одной трассе с ним.
Поэтому важно обеспечить резервирование на случай отказа выключателя и тщательно проследить за тем, чтобы кабели общестанционного или блочного назначения не проходили в потоках кабелей более чем одного блока.
Все эти требования действительны и для АЭС, но для них кроме разделения кабелей по блокам важным является разделение потоков кабелей и в пределах блока.
Важна не только раскладка кабелей ответственных СН (т. е. таких СН, выход которых из строя немедленно сказывается на нагрузке станций), но и кабелей, питающих общестанционные СН, немедленно на выработку электроэнергии не влияющих, но при длительных перерывах в питании могущих привести к остановке всей станции или части ее. На ТЭС к таким СН относятся топливоподача, химводоочистка, растопочное мазутное хозяйство, компрессоры распределительных устройств и пр. Кабели к таким потребителям прокладываются не менее чем по двум трассам.
Конструкция силовых и контрольных кабелей, прокладываемых на АЭС, должна удовлетворять специфическим требованиям, предъявляемым к этим электростанциям: быть радиационно-стойкими, выдерживать высокие температуры окружающей среды и повышенные давления, возможные в аварийных условиях.
Коммутация от трансформаторов на напряжения 110—500 кВ в сложных условиях трассы часто выполняется маслонаполненным кабелем *. Заводами электропромышленности СССР выпускаются маслонаполненные кабели низкого давления (до 0,1 МПа), среднего давления (до 0,3 МПа) и высокого давления (до 1,2—1,5 МПа). Кабели среднего давления по сравнению с кабелями низкого давления имеют увеличенный диапазон изменения давления масла (от 0,01 до 0,3 МПа), что позволяет уменьшить число стопорных муфт, подпитывающих пунктов и стоимость линии. Стоимость сооружения кабельной линии среднего давления приблизительно на 12 % меньше, чем кабельной магистрали низкого давления.
*Ларина Э. Т. Силовые кабели и кабельные линии. М.: Энергоатомиздат, 1984.
В 1959 г. в нашей стране впервые была разработана конструкция маслонаполненного кабеля среднего давления марки МССК-4 в свинцовой оболочке на 220 кВ для передачи мощности 180 MB-А.
Кабели высокого давления прокладываются в трубах. На рис. 11-14 показана схема линии маслонаполненного кабеля высокого давления в стальных трубах. Трубопровод кабельной линии сваривается из стальных бесшовных труб длиной 9—12 м. Для поддержания давления масла в пределах 1,2—1,5 МПа служит автоматическая подпитывающая установка, состоящая, из бака хранения масла под вакуумом, нагнетательного насоса с обратным клапаном и приборов автоматики и контроля. Кабели высокого давления обладают весьма высокой электрической и механической прочностью и стойкостью при вибрациях.
Внутренняя поверхность труб окрашивается специальными лаками. Наружная поверхность тщательно гидроизолируется, на нее наносится покрытие для предохранения металла от электрической и химической коррозии. Трубопровод испытывается на герметичность, после чего в него протягиваются при помощи троса и лебедки три одножильных кабеля. Затем система вакуумируется и заполняется очищенным дегазированным маслом. Сечение кабеля приведено на рис. 11-15.

Рис. 11-14. Принципиальная схема кабельной линии 500 кВ в стальных трубах с маслом под давлением, с искусственным охлаждением 1 — концевая муфта; 2 — разделительный бакелитовый цилиндр; 3 — расходомер для масла; 4 — реле потока для масла; 5 — электроконтактный термометр; 6 — фазная труба разветвления; 7 — вентиль с ручным приводом; 8 — расходомер для масла; 9 — разветвительная муфта; 10 — трубопровод с кабелем; 11 — соединительная муфта; 12 — соединительно-разветвительная муфта; 13 — обратный трубопровод; 14 — манометр; 15 — теплообменник; 16 — водомер; 17 — реле потока для воды; 18 —  водопровод; 19 — насос для перекачки воды; 20 — маслопровод: 21 — насос для перекачки масла; 22 — автоматическая подпитывающая установка

Рис. 11-15. Схематический разрез трехфазного кабеля на напряжение 500 кВ в стальном трубопроводе 1 — медная токопроводящая жила; 2 — экран из семи лент полупроводящей бумаги; 3 — бумажная изоляция; 4 — экран из полупроводящей бумаги и медных лент; 5 — полукруглые медные проволоки скольжения; 6 — масло; 7 — стальная труба; 8 — антикоррозионные защитные покровы

Для эффективного охлаждения кабельной линии применяется принудительная циркуляция масла, охлаждаемого в теплообменнике.
При протягивании кабеля в трубы свинцовая оболочка должна быть снята. Кабели могут выпускаться и без свинцовой оболочки, взамен которой на них наматывается влагозащитная лента. Такие кабели транспортируются в герметических барабанах- контейнерах, заполненных азотом.
Отказ от свинцового покрытия снижает массу и стоимость кабеля, стоимость монтажных работ, а кроме того, дает возможность увеличить строительную длину кабеля.
Минимальный допустимый радиус изгиба магистральных трубопроводов под кабели высокого давления принимается по проекту, но не менее 8 м.
Кабельные линии высокого давления дороже линий среднего давления, так как требуют сооружения стального трубопровода, полустопоров, разветвительных устройств и подпиточного агрегата. Однако линии высокого давления обладают повышенной эксплуатационной надежностью.
На Волжской ГЭС имени В. И. Ленина была выполнена прокладка маслонаполненного кабеля марки МВДТ на напряжение 220 кВ, сечением 150 мм², в стальном трубопроводе диаметром 219 мм. Трубопровод заполнен маслом под давлением 1,5 МПа. Общая длина проложенных кабелей 5,5 км. Длина линии от первого блока ГЭС до ОРУ 220 кВ равна 1020 м, из них на протяжении 800 м трубопровод с кабелем проложен по специальным туннелям станции, а 220 м непосредственно в земле, на глубине
м. Максимальная разность уровней 13 м, имеются радиусы закруглений 11 м, строительная длина кабеля 450 м.
На Усть-Илимской ГЭС проложено семь одноцепных кабельных линий длиной по 950:—1050 м. По каждой из них передается мощность 630 MB-А. Разность отметок профиля трассы 40 м. Радиус изгиба трубопроводов 48 м.
На Токтогульской ГЭС — четыре кабельные линии на напряжение 500 кВ, Длиной по 1300 м. По каждой линии передается мощность 400 MB -А. Прокладка выполнена в туннеле с засыпкой смесью гравия и песка. Разность отметок начала и конца 8 м.
На Нижне-Камской ГЭС тоже четыре кабельные линии, с передачей мощности 400 MB-А по каждой.
На всех этих линиях использован кабель с сечением жилы 625 мм², с толщиной изоляции 30 мм.
К 1982 г. на ГЭС в нашей стране находилось в эксплуатации уже много кабельных линий на напряжение 220, 330 и 500 кВ; данные некоторых линий приведены в табл. 11-1.
Маслонаполненные кабели от трансформаторов, установленных под землей, к РУ повышенных напряжений прокладываются в специальных отсеках вертикальных или наклонных шахт либо в галереях вдоль транспортного туннеля с креплением к потолку на металлических подвесках.
Строительная длина кабеля 200—300 м определяется ж.-д. габаритами при перевозке кабельного барабана на обычных железнодорожных платформах, но может быть увеличена до 400—420 м при перевозке его в металлических барабанах на специальных платформах.
В Европе одной из первых кабельных линий была линия от подземной ГЭС «Харспренгэт» (Швеция)  к воздушной сети 380 кВ. Кабель проложен почти вертикально, разность уровней по трассе 65 м, номинальное давление масла 1,2 МПа. Кабель рассчитан на максимальное давление масла 3,5 МПа.
От трансформаторов, расположенных в теле плотины ГЭС «Гренд Кули» на р. Колумбия (США), проложены кабели напряжением 545 кВ на расстояние 1950 м. Разность уровней трассы 183 м. Температура окружающей среды вдоль трассы меняется от —25 до +45 °С. Медная жила кабеля сечением 1000 мм² с каналом внутри имеет пропитанную маслом бумажную изоляцию толщиной 30,5 мм и защищается гладкой алюминиевой оболочкой 4.6   мм. Максимальное давление масла в кабеле достигает 2,3 МПа.
На тепловой электростанции «Садекаура» (Япония) кабельная линия фирмы «Хитачи», длиной 300 м, соединяет трансформатор 680 MB-А с подстанцией 525 кВ. Медная жила кабеля имеет сечение 1200 мм², длительный ток нагрузки 790 А.
Примером длинной подземной линии является кабельная линия напряжением 400 кВ, длиной 12 км, передающая энергию тепловой электрической станции «Симмеринг» на р. Дунае к подстанции в центре Вены (Австрия). Эта линия в режиме принудительного охлаждения передает мощность 1000 MB-А. Жила кабеля 1200 мм² с каналом 12 мм имеет изоляцию 23 мм, алюминиевую оболочку 3,4 мм и защитный поливинилхлоридный шланг 3.6   мм.
Подводная кабельная линия напряжением 420 кВ между Данией и Швецией обеспечивает обмен энергией от не совпадающих по режимам работы тепловых гидроэлектрических станций этих стран. Кабель имеет сечение жилы 1000 мм², толщина изоляции   27 мм, свинцовая оболочка 3,9 мм. Максимальная температура жилы 85 °С, допустимый ток 1200 А.

Исключительная надежность кабеля, стойкость к разнообразным случайным, в том числе атмосферным, воздействиям делает его в ряде случаев незаменимым. Применение кабеля особенно целесообразно для коммуникаций электрических сетей в городах, для глубоких вводов.
В энергетической системе Ленэнерго проложено более 150 км маслонаполненного кабеля низкого давления на напряжение 110 кВ и имеется 28 подводных линий длиной от 300 до 650 м. В системе Мосэнерго проложено более 300 км кабелей 110 кВ. В Нью- Йорке кабельные сети 138 кВ имеют протяженность 610 км, а 345 кВ — 150 км. В Париже применяются кабельные сети 220 кВ, в Лондоне — 225 и 400 кВ, в Токио — 275 кВ.
Сооружение кабельных линий становится необходимостью. С их помощью разрешаются технические трудности при передаче энергии, более рационально используется поверхность земли, сохраняется окружающий ландшафт, облегчаются экологические проблемы.
За рубежом ведутся исследовательские работы в области создания маслонаполненных кабелей на сверхвысокие напряжения. Фирмой «Пирелли» (Италия) в 1978 г, изготовлены опытные образцы кабеля на напряжение 750 кВ, и фирма приступила к изготовлению опытного образца маслонаполиенного кабеля под давлением 1,5 МПа на напряжение 1100 кВ для передачи мощности ГВ-А.
При больших разностях уровней по трассе кабельной линии применение маслонаполненных кабелей становится затруднительным.
Более предпочтительным вследствие ряда технических преимуществ является применение газонаполненных кабелей. За рубежом с 1970 г. появились газонаполненные кабели с элегазовой изоляцией. Такие кабели характеризуются малой емкостью, низкими диэлектрическими потерями, большой плотностью тока, хорошей теплопередачей.
Впервые созданный в Японии, такой кабель на 420 кВ при 50 Гц имеет наружную оболочку — стальную трубу диаметром 355,5 мм при толщине стенки 8 мм. Проводником тока является внутренняя стальная труба диаметром 114,3 мм.
Характеристики некоторых газонаполненных кабелей см. в табл. П-2.
Газонаполненные кабели могут прокладываться как в воздухе, так и в земле. Перспективны элегазовые кабели гибкого исполнения, криопроводящие и сверхпроводящие кабели.

Выполняются также кабельные линии постоянного тока. Они применяются для сверхдальних передач постоянного тока, для соединения между собой энергетических сетей с различной частотой переменного тока (Франция — 50 Гц, Великобритания  — 60 Гц), для асинхронных связей между электросистемами, различающимися напряжением, частотой, режимами и графиками работы. Применение их в виде вставок постоянного тока в системах передачи переменного тока имеет целью локализацию аварий и снижение мощности короткого замыкания.
В Советском Союзе находятся в эксплуатации кабельные вставки постоянного напряжения на выпрямительных подстанциях Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС ±200 и ±400 кВ, выполненные маслонаполненным кабелем низкого давления.
Основные параметры кабельных линий постоянного тока, проложенных за рубежом, см. в табл. 11-3.
Таблица 11-3