Требования к трубам. Термическая стойкость КЛ 6-500 кВ

Требования к трубам. Термическая стойкость КЛ 6-500 кВ

Линии с однофазными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) находят широкое применение в сетях всех классов напряжения — от 6 до 500 кВ. Монтаж таких линий осуществляется различными способами, один их которых — прокладка линий в так называемых проколах. После выполнения прокола грунта в него помещаются трубы, в которые затягиваются фазы кабельной линии.

Первые проколы в России выполнялись главным образом под дорогами и площадями, т.е. там, где ведение открытых земляных работ было сопряжено с рядом трудностей. Поскольку протяжённость проколов была небольшой, то в качестве труб для прокладки кабелей можно было использовать, например, асбоцементные трубы, обладающие достаточной механической прочностью и термостойкостью во всех возможных температурных режимах.

По мере роста объёмов строительства кабельных линий стала появляться потребность в протяжённых проколах, где по понятным причинам применение асбоцементных труб уже было невозможно — ведь эти трубы не гнутся, имеют большой вес и трение о грунт. Тогда для прокладки кабельных линий было опробовано применение метода горизонтально направленного бурения (ГНБ) с использованием полиэтиленовых труб холодного водоснабжения, выполненных из полиэтилена низкого давления (ПНД). Такие трубы недорого стоят, гладкие и лёгкие, обладают необходимой гибкостью, легко и быстро свариваются друг с другом для образования протяжённых однородных участков.

Постепенное удешевление технологии ГНБ, а также широкое использование недорогих ПНД-труб привели к тому, что такому способу монтажа кабелей отдают предпочтение даже тогда, когда кабель можно было бы без особых помех для ежедневной жизни городов проложить обычным способом при помощи открытых земляных работ. В результате этой тенденции доля линий, имеющих протяжённые проколы, постоянно растёт, и уже, например, известны кабельные линии, трасса которых почти полностью проходит в ПНД-трубах.

К сожалению, как выяснилось, ПНД-трубы предназначены для работы в диапазоне температур до 40оС, что меньше температуры 90оС, характерной для нормального режима кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена, и существенно меньше тех температур, которые возникают при коротких замыканиях в кабеле или во внешней сети. Из-за недостаточной термостойкости ПНД-труб существует риск их критической деформации и/или сплавления с оболочкой кабеля, что исключает возможность извлечения кабеля из ПНД-трубы с целью его ремонта или замены.

Отмеченные недостатки ПНД-труб, по сути, вызывают недоиспользование возможностей дорогостоящих кабельных линий 6-500 кВ и высокотехнологичного современного ГНБ-метода. Поэтому в последнее время для организации проколов всё чаще стали использовать термостойкие трубы ПРОТЕКТОРФЛЕКС® из специальной полимерной композиции, имеющие ряд важных преимуществ над ПНД-трубами, одно из которых — повышенная длительно допустимая температура.

Рассмотрим подробнее последствия массового применения ГНБ-технологии и ПНД-труб для кабельных линий 6-500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена.


Тепловой режим кабельной линии, проложенной в трубах

На рис. 1а показана принципиальная конструкция однофазного кабеля 6-500 кВ, имеющего жилу, изоляцию, медный экран, требующий заземления, а также оболочку (для защиты кабеля от попадания воды). На рис. 1б схематично изображена фаза кабельной линии, проложенная в заполненной воздухом полиэтиленовой трубе, размещённой в грунте.

energotek_pic1_termicheskaya-stoykost-kabelnykh-liniy-6-500-kv-trebovaniya-k-trubam.png

Рис. 1. Конструкция однофазного кабеля 6—500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена (а) и кабель, проложенный в полиэтиленовой трубе в грунте (б)

При увеличении длин участков кабельной линии, прокладываемых в трубах, будет постепенно ухудшаться её охлаждение, а значит, снижаться пропускная способность кабеля, которая определяется исходя из недопустимости длительного перегрева изоляции из сшитого полиэтилена сверх 90оС [1].

Так, на рис. 2а показано, что охлаждение кабеля в короткой трубе происходит не только за счёт отвода тепла в грунт в радиальном направлении, но и частично в аксиальном направлении — вдоль оси кабеля. За счёт этого пропускная способность кабеля снижается незначительно (на 5-10%) по сравнению со случаем, когда кабель был бы проложен в открытом грунте без применения трубы.

energotek_pic2_termicheskaya-stoykost-kabelnykh-liniy-6-500-kv-trebovaniya-k-trubam.png.png
Рис. 2. Отвод тепла от кабельной линии, проложенной в трубе

На рис. 2б при увеличении длины трубы становится ясно, что средний участок кабеля теряет возможность охлаждаться в аксиальном направлении, т.е. будет иметь повышенную температуру, из-за чего пропускная способность кабеля снижается заметнее (на 10-20%).

К сожалению, в ряде случаев на стадии проектирования неверный тепловой расчёт линии приводит к завышению ожидаемой пропускной способности кабеля по сравнению с реальной. По этой причине при последующей эксплуатации может происходить перегрев кабеля, особенно на трубных участках [2].

Кроме негативных последствий для изоляции самого кабеля проблемы могут возникнуть и у трубы.

Если полиэтиленовая труба, в которой проложен кабель, не является в достаточной степени термостойкой, то под действием температуры кабеля она может потерять свою механическую прочность и деформироваться, сблизившись с проложенным в ней кабелем (рис. 2в). Также возможна ситуация, когда труба не потеряет кольцевую жёсткость, но несколько размягчится (особенно внутренний слой) и прилипнет к оболочке кабеля.

В любом случае извлечение кабеля из трубы при возникновении такой необходимости окажется невозможным.

Одним из способов снижения температуры изоляции кабельной линии 6—500 кВ и повышения её пропускной способности является борьба с паразитными токами и потерями мощности в экранах кабеля, наводимыми рабочими токами жил. Эти потери существуют при простом двустороннем заземлении экранов (рис. 3а), но в схемах рис. 3б и 3в они отсутствуют [3]. Таким образом, для кабельных линий, имеющих длинные трубные участки, важным является применение:

•       термостойких труб;

•       схем заземления без потерь мощности в экранах.

energotek_pic3_termicheskaya-stoykost-kabelnykh-liniy-6-500-kv-trebovaniya-k-trubam.png

Рис. 3. Основные схемы соединения и заземления экранов однофазных кабелей 6-500 кВ


Поиск повреждений кабельной линии, проложенной в трубах

Повреждения однофазных кабелей можно условно разделить на повреждения основной изоляции и повреждения оболочки.

Если говорить об основной изоляции, то её повреждения практически всегда приходятся на концевые или соединительные муфты и связаны с качеством муфт и их монтажом. Поскольку кабельные муфты обустраиваются вне трубных участков, то наличие проколов не изменяет условий поиска повреждений изоляции и её ремонта.

Если говорить об оболочке кабеля, то её повреждения случаются гораздо чаще, чем у главной изоляции, и могут происходить в любом месте линии, в том числе и на трубных участках. Нарушение целостности оболочки, как правило, связано или с небрежным монтажом, или с внешними воздействиями в процессе эксплуатации (земляные работы рядом с линией, просадки грунта и др.). Например, во время монтажа кабель затягивали в трубу и при этом серьёзно поцарапали его оболочку — один из возможных случаев, когда повреждение оболочки окажется на участке внутри трубы.

Нормативные документы предписывают периодические испытания оболочки однофазных кабелей 6-500 кВ постоянным напряжением 10 кВ в течение 1 (10) минут. При сильном повреждении оболочка не выдержит таких испытаний, место её повреждения придётся искать и ремонтировать.

Существующие приборы позволяют определить место повреждения оболочки кабельной линии, проложенной в открытом грунте. Однако если повреждение будет на трубном участке, то найти его точное местоположение в трубе уже не получится. Дело в том, что полиэтиленовая труба изолирует кабель от окружающего грунта и выход тока с экрана через повреждённую оболочку в грунт возможен только по концам трубы. Приборы зафиксируют наличие процессов по концам трубы, но где именно в трубе повреждена оболочка кабеля, определить не удастся.

Поскольку нет гарантий, что в трубе отсутствует влага, способная проникнуть в кабель через повреждённую оболочку, то место повреждения надо оперативно обнаружить и оболочку восстановить. Увы, единственная возможность выполнить такое — это обрезать кабель по концам трубного участка, извлечь его из трубы, найти место повреждения, исправить, а затем вновь поместить в трубу и поставить по концам трубного участка внеплановые соединительные муфты. Однако даже при желании и готовности выполнить столь сложный ремонт он может не состояться по причине невозможности извлечения кабеля из ПНД-трубы из-за её деформации и/или слипания с оболочкой.


Ремонт или замена кабельной линии, проложенной в трубах

Технология ГНБ является удобной на стадии монтажа кабельных линий, но было бы неплохо сполна пользоваться её преимуществами ещё и на протяжении последующей эксплуатации линии. Иными словами, в случае необходимости всегда должна быть возможность извлечения кабеля из трубы.

Для того чтобы беспрепятственно извлечь кабель из трубы, должны быть выполнены три важных условия:

•       труба не должна быть деформирована из-за нерасчётных температурных режимов, в которые она могла попасть в процессе эксплуатации линии;

•       труба не должна слипаться с кабелем;

•       труба не должна быть заилена из-за плохой герметизации своих концов.

Строго говоря, при прокладке наиболее ответственных линий с однофазными кабелями в дополнение к трём фазным трубам можно предусмотреть ещё одну трубу (рис. 4б), выполняющую роль резервной, на тот случай, если что- то случится с кабелем в одной из трёх фазных труб и его будет оттуда не извлечь. Однако возможно представить ситуацию, когда за 30-40 лет эксплуатации линии её ремонт потребуется, скажем, дважды и одной резервной трубы будет уже недостаточно.

energotek_pic4_termicheskaya-stoykost-kabelnykh-liniy-6-500-kv-trebovaniya-k-trubam.png

Рис. 4. Кабельная линия 6-500 кВ с однофазными кабелями, проложенными в трубах без резервной трубы (а) и с ней (б)

Очевидно, что имеет смысл максимально использовать возможности каждой из фазных труб, а к резервной прибегать в самых экстренных случаях. Для этого следует признать важность выполнения названных выше условий: труба должна быть термостойкой (механически прочной, нелипкой), концы трубы должны быть закрыты.

Если говорить о герметизации концов трубы как способе препятствовать попаданию внутрь трубы грунта и грунтовых вод, то эту задачу решить несложно. Наиболее трудными задачами являются обеспечение гарантий отсутствия кольцевой деформации трубы и её слипания с проложенным кабелем.


Недостатки труб холодного водоснабжения типа ПНД

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 40оС, а температура их плавления составляет всего 132—135оС [4]. Вместе с тем известно, что температура кабельной линии с однофазными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена в нормальном режиме может достигать 90оС. Кроме того, в ряде случаев температура линии может превосходить 90оС, 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 90оС 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 90оС, а процесс его остывания до исходных 90оС 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 250оС, а экрана — до 350оС [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 350оС соответственно, то такого тепловыделения в кабеле хватит на то, чтобы равномерно прогреть его изоляцию и оболочку до 140-160оС. 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 15оС) будет происходить медленно — вплоть до нескольких суток (из-за инерции грунта).

Поскольку температура плавления ПНД-трубы составляет всего 132—135оС (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.

energotek_pic5_termicheskaya-stoykost-kabelnykh-liniy-6-500-kv-trebovaniya-k-trubam.png

Рис.5. 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.

energotek_pic6_termicheskaya-stoykost-kabelnykh-liniy-6-500-kv-trebovaniya-k-trubam.png

Рис. 6. Деформация ПНД-трубы и защемление проложенного в ней однофазного кабеля

energotek_pic7_termicheskaya-stoykost-kabelnykh-liniy-6-500-kv-trebovaniya-k-trubam.png

Рис. 7. 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 40оС.


Требования к трубам для прокладки кабельных линий

Перечисленные особенности протяжённых трубных участков трассы кабеля, а также свойства ПНД-труб заставляют серьёзно задуматься о требованиях к трубным участкам и применяемым на них трубам.

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 90оС. Во-вторых, при температурах до 150оС (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.


Заключение

ПНД-труба является трубой холодного водоснабжения и предназначена для длительной работы в диапазоне температур до 40оС, 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.




___________

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

Материал опубликован в журнале «КАБЕЛЬ-news №1  2014».