Полимерные трубы, получившие в настоящее время широкое распространение, не позволяют из-за своих высоких диэлектрических свойств достоверно испытать кабели и обнаружить их возможные повреждения. Необходимы технические решения, которые позволят эксплуатирующим организациям фиксировать факты повреждения оболочки кабеля в трубах и точно определять места повреждений (ОМП).

Развитие энергосистемы, а также стремление к повышению ее надежности требует модернизации КЛ и строительства новых. Вновь возводимые КЛ в условиях плотной застройки неизбежно пересекают инженерные коммуникации, которыми насыщены городские и промышленные зоны.

Как известно, в соответствии с ПУЭ, а также стандартами крупных российских электросетевых компаний, при пересечении КЛ подземных коммуникаций, при выполнении проходов под водными преградами, автомобильными и железными дорогами кабели должны прокладываться в трубах. Сегодня всё чаще встречаются проекты, где прокладка кабелей в трубах составляет 60% длины кабельной трассы, превосходя по расстоянию траншейную прокладку. Более того, существуют КЛ, где трубные каналы достигают 90% протяженности всей линии.

И это вполне обосновано, так как прокладка кабелей в трубах не только обеспечивает защиту КЛ при пересечении коммуникаций и позволяет выполнить проходы, которые невозможно осуществить стандартным траншейным методом, но также способствует значительному сокращению сроков и стоимости строительных работ. Последнее обусловлено тем, что при выполнении трубных каналов подрядным организациям не требуется закупать песчано-гравийную смесь для засыпки кабелей, нести затраты на обслуживание траншеи: раскреплять стенки траншеи деревянными щитами, организовывать охрану кабеля после его прокладки. Более того, такой метод прокладки предпочтителен для эксплуатирующих организаций, так как проложенный однажды канал может использоваться многократно, без проведения земляных работ. Но это возможно только в случае использования специализированных термостойких труб для защиты силовых кабелей.

Согласно данным крупных электросетевых компаний России (рис. 1), основные причины выхода КЛ из строя: 

• нарушение технологии монтажа, 
• воздействие посторонних лиц и строительных организаций, 
• ошибки эксплуатации, 
• природные воздействия и заводской брак. 

Рис. 1 Причины выхода кабеля из строя

При этом большинство отказов приходится именно на ошибки при монтаже КЛ – более 45%. При нарушении технологии производства работ по прокладке КЛ зачастую происходят повреждения оболочки кабеля (рис. 2). Это могут быть дефекты, вызванные внешними механическими воздействиями, превышением усилий тяжения кабеля, несоблюдением радиусов изгибов и температурных режимов, халатностью персонала, актами вандализма и т. д.

Рис. 2 Повреждения кабелей при прокладке и монтаже

Сегодня для своевременного обнаружения данных повреждений, в соответствии с [1], а также с инструкциями заводов- изготовителей кабелей, после прокладки и монтажа КЛ производят испытания оболочки выпрямленным напряжением 10 кВ в течение 1 минуты. Данные испытания высокоэффективны, когда кабель находится в непосредственном контакте с землей, так как в месте повреждения оболочки ток от испытательной установки беспрепятственно выходит в грунт, подтверждая тем самым наличие отклонения.

Если кабель проложен в трубе, ситуация складывается иначе. Сегодня практически все трубные кабельные каналы выполнены из обычных полимерных труб, стенки которых имеют высокое электрическое сопротивление, изолируя тем самым кабели от земли. И даже серьезные повреждения кабелей, находящиеся в таких трубах, невозможно выявить при испытании оболочки (рис. 3).

Рис. 3 Испытания оболочки кабеля в обычной полимерной трубе

Таким образом, если суммарная длина данных участков КЛ, как отмечено в начале статьи, составляет 60% от всей длины трассы, то КЛ вводится в эксплуатацию не проверенной более чем наполовину.

Следовательно, возможные повреждения кабелей, находящихся в трубах, не могут быть своевременно обнаружены, что повышает аварийность КЛ и приводит к снижению её надежности. Это связано с тем, что вода, попавшая в трубу в процессе строительно-монтажных работ, со временем проникает через поврежденную оболочку в изоляцию кабеля, образовывая в ней водные триинги, приводящие в результате к пробою кабеля. При этом возникновение водных триингов – достаточно продолжительный процесс, и в зависимости от условий эксплуатации может протекать до нескольких лет.

Согласно статистике, максимум отказов кабельных линий возникает спустя 10 лет эксплуатации (рис. 4). Очевидно, что это обусловлено в первую очередь старением изоляции, которое в числе прочего связано с наличием в ней влаги.

Рис. 4 Зависимость выходов кабельных линий из строя от срока службы

Рис. 5 Испытания оболочки кабеля в токопоисковой термостойкой трубе

Стоит отметить, что большинство отказов происходят значительно раньше установленного срока службы кабеля (30 лет), но при этом позже даты окончания гарантии. В связи с этим указанные проблемы в работе КЛ ложатся на плечи эксплуатирующих организаций.

Зарубежная и отечественная практика

По причине того, что полимерные трубы для прокладки кабелей в России получили свое массовое применение относительно недавно, количество выходов из строя кабельных линий в трубах только начинает расти. Так как обнаружить факт повреждения оболочки кабеля до ввода линии в эксплуатацию в обычных полимерных трубах не представляется возможным, эксплуатирующие организации сталкиваются уже с последствиями данных повреждений – пробоями изоляции кабеля.

Для того чтобы найти место повреждения, определить причину пробоя и выявить виновных, электросетевой компании приходится вскрывать трубный участок и методом последовательных приближений искать место пробоя, что подтверждает статья [2]. Это создает высокий риск повреждения кабеля, находящегося в трубе, так как ее вскрытие, как правило, производится с использованием дисковой пилы. Кроме того, при значительной длине трубного участка процедура его вскрытия и поиска места повреждения может достигать нескольких суток.

Многие зарубежные электросетевые компании делают выбор в пользу возведения трубных каналов для прокладки КЛ по тем же причинам, что и в России:

• организация переходов там, где невозможна траншейная прокладка; 
• сокращение сроков и стоимости строительно-монтажных работ.

При этом трубы укладываются непосредственно в землю и засыпаются песком или монтируются в виде кабельных блоков, залитых снаружи бетоном. Однако при всех преимуществах трубной прокладки, ввиду использования диэлектрических труб для ее организации, проблема обнаружения и локализации мест повреждения оболочек кабелей в полимерных трубах является актуальной и для мировой электроэнергетики.

Так, в технической брошюре CIGRE «Обнаружение повреждений подземных и морских кабельных линий» [3] отмечено:

• определение мест повреждения кабелей в полимерных трубах проблематично;
• акустические методы поиска повреждений в трубах неэффективны;
• для поиска повреждений строительные организации вынуждены разрезать трубы;
• наличие полупроводящего / графитового слоя по оболочке кабеля не решает проблему локализации места повреждения.

Полупроводящий слой, опционально наносимый на оболочку кабелей высокого напряжения (110 кВ и более), действительно не способствует определению точного места повреждения в трубном канале. Это связано с тем, что испытательный ток, стекающий на данное покрытие, не способен пройти через диэлектрическую стенку трубы и выходит только по ее торцам. Поэтому для локализации места повреждения кабеля с полупроводящим слоем по оболочке необходимо будет производить раскопку всего трубного участка, а после – вскрытие самих труб, что требует значительных финансовых и временных затрат.

Решение проблемы 

Для определения и поиска места повреждения оболочек кабелей, находящихся в трубах, компания Энерготэк разработала специальные токопоисковые трубы ПРОТЕКТОРФЛЕКС® ОМП, не имеющие аналогов как на российском, так и на зарубежном рынке. Основная цель разработки – повышение надежности КЛ за счет своевременного определения места повреждения оболочки кабеля.

Трубы нового поколения позволяют определить факт повреждения оболочки кабеля, проложенного в трубе, и точно локализовать его место еще на этапе приемо-сдаточных испытаний, что дает возможность существенно сократить сроки и стоимость ремонтно-восстановительных работ. Это происходит за счет того, что при проведении испытаний оболочки кабеля постоянным напряжением 10 кВ токопоисковые трубы ПРОТЕКТОРФЛЕКС^® ОМП не препятствуют выходу испытательного тока через повреждение оболочки и далее через стенку трубы в окружающий грунт вне зависимости от глубины залегания линии (рис. 5).

Данный результат достигается за счет снижения электрического сопротивления стенки трубы, что позволяет обеспечить необходимую точность поиска места повреждения.

В результате при испытании поврежденной оболочки кабеля токи утечки, стекающие через стенку токопоисковой трубы в землю, имеют максимальные значения, выдаваемые установкой, а испытательное напряжение, как правило, не достигает величины 10 кВ.

Токопоисковая труба эффективно позволяет обнаружить место пробоя оболочки кабеля даже в случае, когда повреждение не находится в прямом контакте с внутренней поверхностью трубы. Это обусловлено тем, что, в условиях высокой влажности и образовавшегося внутри трубы конденсата, испытательного напряжения 10 кВ достаточно для возникновения поверхностного разряда, выходящего с места пробоя оболочки на внутреннюю поверхность трубы.

Стоит отметить, что помимо вышеизложенных преимуществ трубы нового поколения ПРОТЕКТОРФЛЕКС^® ОМП сохранили все физико-механические и эксплуатационные свойства термостойких труб для прокладки кабелей, устанавливаемые отраслевыми стандартами.

Экономическая эффективность 

Для оценки экономической эффективности применения токопоисковых труб было произведено сравнение затрат на ремонтно-восстановительные работы по устранению повреждения кабеля в токопоисковой и обычной полимерной трубе (рис. 6, 7). Анализ проводился для кабеля номинальным напряжением 110 кВ, проложенного в трубном канале длиной 200 м и имеющего повреждение внешней оболочки.

Рис. 6 Стоимость ремонтно-восстановительных работ

Рис. 7 Длительность ремонтно-восстановительных работ

По причине того, что обычные полимерные трубы не позволяют обнаружить повреждение оболочки кабеля до ввода линии в эксплуатацию, ремонтно-восстановительные работы в этом случае будут проводиться спустя несколько лет службы КЛ, когда через поврежденную оболочку в изоляцию проникнет влага и приведет к пробою кабеля. В связи с этим ремонт будет проводиться путем установки кабельной вставки или замены кабеля на всем трубном участке (черный и серый столбцы на рис. 6 и 7).

В случае установки кабельной вставки работы будут включать:

• электрические испытания оболочки; 
• раскопку и вскрытие всей длины трубного участка; 
• визуальный поиск места повреждения; 
• монтаж кабеля (20 м) и соединительных муфт (2 шт.); 
• восстановление трубного участка; 
• обратную засыпку и повторные испытания оболочки кабеля. 

Продолжительность ремонтных работ методом установки кабельной вставки составит около 18 дней. Данные сроки не включают в себя процедуру согласования с системным оператором, а также с землепользователями.

Замена кабеля на всем трубном участке, ввиду того что не требуется вскрытие труб, по продолжительности не превысит 7 дней. Работы будут состоять из раскопки котлованов на торцах трубного участка, замены поврежденного кабеля или затяжки кабеля длиной 200 м в резервную трубу, монтажа двух соединительных муфт и проведения испытаний. Одна- ко за счет высокой стоимости необходимого оборудования (кабель – 200 м, соединительные муфты – 2 шт.) данный вид работ будет самым дорогим.

Так как токопоисковые трубы позволяют определить факт и точно локализовать повреждение оболочки еще до ввода кабеля в эксплуатацию, в случае прокладки кабелей в данных трубах ремонтные работы не потребуют отключения линии и не вызовут простоя оборудования. Восстановление оболочки кабеля за счет своевременного обнаружение дефекта будет проводиться путем установки термоусаживаемой манжеты (красный столбец на рис. 6 и 7).

Вся процедура ремонтно-восстановительных работ состоит из следующих этапов: 

• оперативный поиск повреждения; 
• раскопка места, в котором зафиксировано отклонение; 
• вскрытие трубы; 
• установка ремонтной манжеты на оболочку кабеля и восстановление трубного участка; 
• обратная засыпка;
• повторные испытания оболочки кабеля.

При этом за счет точного определения места пробоя оболочки, длина раскапываемого участка, необходимого для вскрытия трубы и ремонта, не превысит 10 м. Продолжительность всего объема работ составит 2,5 дня.

Стоит отметить, что описанный принцип ремонтно-восстановительных работ и экономическая эффективность специальных токопоисковых термостойких труб аналогичны для КЛ среднего напряжения.

Разница в стоимости токопоисковых и обычных термостойких труб, предназначенных для защиты КЛ, несущественна. Таким образом, применение труб нового поколения не только позволит сократить эксплуатационные затраты, но и практи- чески не увеличит стоимость строительства объекта.

Заключение 

Благодаря возможностям, которые обеспечивают токопоисковые трубы: определить и локализовать место повреждения кабеля, применение данных труб позволяет электросетевым компаниям не только произвести своевременный ремонт кабеля еще на этапе строительства и исключить вероятный выход кабельной линии из строя в процессе эксплуатации, но и сократить объем ремонтно-восстановительных работ и снизить перерывы в работе линии.

Согласно проекту Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года, а также Концепции ПАО «Россети» «Цифровая трансформация 2030», разработанной во исполнение указа Президента Российской Федерации от 09.05.2017 No 203, одними из ключевых задач данных документов являются повышение надежности электроснабжения потребителей и оптимизация операционных и капитальных затрат.

Учитывая изложенное, трубы нового поколения строго соответствуют данной концепции, обеспечивая как повышение надежности кабельных линий путем улучшения качества приемо-сдаточных испытаний, так и оптимизацию эксплуатационных затрат за счет возможности проведения оперативных работ по восстановлению работоспособности ЛЭП.

Таким образом, переход от обычных термостойких труб к специальным токопоисковым — это еще один шаг на пути к выполнению задач, поставленных Минэнерго РФ и ПАО «Россети».

Литература:

1. СТО 56947007-29.060.20.071-2011. Силовые кабельные линии напряжением 110–500 кВ. Условия создания. Нормы и требования. 2011. 

2. Дмитриев М.В. Испытания кабелей 6–500 кВ в полимерных трубах // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача ираспределение. 2019. No 4(55). С. 82–85. 

3. Fault location on land and submarine links (AC&DC) // CIGRE Technical Brochure. No 773, September 2019. 152 p. 

____________________

Автор статьи: Вильдан Халитов, руководитель отдела технического развития Энерготэк

Материал опубликован в жунале «Новости ЭлектроТехники, №4(118)-5(119) 2019 г.»