В настоящее время при прокладке кабельных линий методом ГНБ используются трубы из полиэтилена низкого давления (ПНД). Эти трубы, по сути, являются трубами холодного водоснабжения и по ГОСТ 18599-2001 предназначены для длительной работы в температурном диапазоне до 40^оС, а температура их плавления составляет всего 132—135^оС [4]. Вместе с тем известно, что температура кабельной линии с однофазными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена в нормальном режиме может достигать 90^оС. Кроме того, в ряде случаев температура линии может превосходить 90^оС, например, это возможно при перегрузках. Или же это возможно в случаях, когда реальная пропускная способность кабеля оказалась меньше тех значений, которые требуются потребителю, по одной из причин:

•       неверно выполнен тепловой расчёт (в него заложено заниженное значение теплового сопротивления грунта, не учтено тепловое сопротивление трубы и воздуха, который её заполняет; другие возможные ошибки);

•       неверно выбрана схема заземления экранов кабельной линии (применена схема рис. 3а вместо оптимальных схем рис. 3б и 3в).

Ещё одним случаем разогрева кабельной линии сверх 90^оС являются короткие замыкания как во внешней по отношению к кабелю сети, так и в самом кабеле.

Если говорить о внешних коротких замыканиях, то их подпитка по жилам кабеля является дополнительным источником нагрева как самого кабеля, так и трубы, в которой он проложен. Например, если в смешанной сети, содержащей и кабельные линии, и воздушные линии (ВЛ), короткое замыкание было на ВЛ и за небольшой интервал времени на ВЛ многократно запускался цикл автоматического повторного включения (АПВ), очевидно, что при некоторых схемах сети кабель будет обтекаться сквозными токами короткого замыкания и окажется нагрет сверх 90^оС, а процесс его остывания до исходных 90^оС займёт от десятков минут до нескольких часов (постоянная времени нагрева/охлаждения кабеля именно такова и связана с инерционностью тепловых процессов в грунте).

Если говорить о внутренних коротких замыканиях, то здесь ток короткого замыкания сети проходит по жиле кабеля через место повреждения изоляции в экран и далее в его заземляющие устройства. При этом температура жилы может достигать 250^оС, а экрана — до 350^оС [1]. После быстрого (за время короткого замыкания) нагрева жилы и экрана током короткого замыкания до указанных температур жила и экран отдают своё тепло изоляции кабеля и его оболочке, а их конечная температура будет зависеть от теплоёмкости изоляции и оболочки.

Согласно расчётам, если температура жилы и экрана выходит на предельные значения 250 и 350^оС соответственно, то такого тепловыделения в кабеле хватит на то, чтобы равномерно прогреть его изоляцию и оболочку до 140-160^оС. Конкретные значения конечной температуры зависят от многих факторов, в том числе от сечения жилы и экрана кабеля, от класса номинального напряжения кабеля (от объёма изоляции). Прогрев изоляции и оболочки происходит не позднее нескольких десятков минут с момента короткого замыкания и отключения кабеля от сети релейной защитой, а вот охлаждение кабеля до температуры окружающего грунта (около 15^оС) будет происходить медленно — вплоть до нескольких суток (из-за инерции грунта).

Поскольку температура плавления ПНД-трубы составляет всего 132—135^оС (а температура размягчения ещё меньше), то следует ожидать деформации трубы и/или её прилипания к оболочке кабеля и в нормальном режиме работы линии, и при перегрузках, и при внешних по отношению к кабелю коротких замыканиях, и особенно при внутренних повреждениях самой линии.

Деформация ПНД-трубы и/или её слипание с оболочкой сделают невозможным извлечение кабельной линии из трубы с целью её ремонта или замены — потребуется или использование единственной резервной трубы (если она была предусмотрена), или длительная и дорогостоящая организация нового прокола под аварийную фазу, а также закупка однофазного кабеля необходимой длины. К слову сказать, заказ кабеля, его изготовление и доставка к месту монтажа могут занять до нескольких месяцев.

Результаты некоторых предварительных лабораторных исследований ПНД-труб в условиях воздействия на них температур, характерных для кабельных линий с однофазными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена, представлены на рис. 5, 6, 7. Зафиксированные здесь деформация трубы и её прилипание к оболочке кабеля делают невозможным извлечение кабеля из трубы в случае возникновения такой необходимости, что увеличивает расходы эксплуатирующей организации на ремонт кабельной линии, или, иными словами, приводит к недоиспользованию всех возможностей как технологии ГНБ, так и самих кабельных линий.

Рис.1. Перегрев ПНД-трубы и её деформация

Оболочка кабеля изготавливается из полиэтилена низкого давления. Однако в отличие от ПНД-труб оболочка делается не из обычного ПНД, а из специальных кабельных марок полиэтиленов с присадками и антипиренами. Поэтому оболочка кабеля имеет более высокую температуру размягчения и плавления, т.е. в слипании кабеля с трубой виновата именно ПНД- труба, а не оболочка кабеля.

Если в силу каких-то исключительных обстоятельств короткое замыкание в кабельной линии всё же пришлось на прокол, то тогда температура кабеля и трубы в месте короткого замыкания может достигать очень высоких значений в тысячи градусов, которые не сможет выдержать не только любая полиэтиленовая, но даже и металлическая труба. В этом случае обеспечить целостность трубы и отсутствие её слипания с кабелем будет уже невозможно. Однако тут, повторимся, следует отметить, что согласно опыту эксплуатации по понятным причинам подавляющее большинство повреждений изоляции кабелей 6-500 кВ приходится на соединительные или концевые муфты или же на участки с прокладкой кабелей в открытом грунте, не имеющих защиты лотками или трубами. Заметим также, что защита кабеля, проложенного в трубе, происходит не из-за самой трубы, а из-за того, что при ГНБ-прокладке труба оказывается заложенной на большой глубине (до 3 м и даже более), что исключает её повреждение сторонними организациями при выполнении земляных работ.

Рис. 2. Деформация ПНД-трубы и защемление проложенного в ней однофазного кабеля

Рис. 3. Прилипание ПНД-трубы к поверхности оболочки однофазного кабеля

Учитывая изложенное, короткое замыкание в кабеле на трубном участке следует считать практически маловероятным и не принимать его в качестве расчётного случая. Основное внимание надо сосредоточить на работе трубы в нормальном режиме с учётом возможных перегрузок и при прохождении по жилам и экранам токов короткого замыкания, место которого лежит за пределами трубного участка.

Как показали исследования, ПНД-трубы, выполненные по ГОСТ 18599-2001, не годятся для прокладки кабелей 6-500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена, поскольку рассчитаны на работу при температурах до 40^оС.

Главным специфическим требованием к трубам, которые можно использовать для прокладки кабельных линий, является их термостойкость в различных режимах работы КЛ, которая заключается в том, что трубы не должны терять кольцевой жёсткости и прилипать к кабелям.

Для кабельных линий 6-500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена трубы должны быть термостойкими, во-первых, при характерных для длительного нормального режима температурах до 90^оС. Во-вторых, при температурах до 150^оС (и более), связанных с перегревом кабеля токами короткого замыкания или с возможными ошибками в проектировании кабельных линий (неверный тепловой расчёт, неверная схема заземления экранов, неверный учёт перегрузок).

Кроме того, трубы должны обладать характеристиками, которые позволили бы беспрепятственно монтировать их с применением технологии ГНБ:

•       труба должна быть в достаточной степени гибкой;

•       труба должна подвергаться контактной сварке для организации сплошных проколов большой длины.

Выводы

ПНД-труба является трубой холодного водоснабжения и предназначена для длительной работы в диапазоне температур до 40^оС, что существенно меньше тех значений температур, которые характерны в различных режимах работы линий 6–500 кВ с однофазными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена. Поэтому целесообразно приостановить применение ПНД-труб для прокладки силовых кабелей 6–500 кВ и использовать термостойкие трубы.

Прокладку кабельных линий классов номинального напряжения от 6 до 500 кВ рекомендуется производить не в ПНД-трубах, а в трубах типа ПРОТЕКТОРФЛЕКС^® из полимерной композиции высокой термостойкости.

___________

Статья подготовлена по материалам журнала «КАБЕЛЬ-news №1  2014».

Автор статьи: Дмитриев М.В., к.т.н., доцент Санкт-Петербургского политехнического университета