О способах повышения пропускной способности кабелей в трубах

Page 1
background image

Page 2
background image

78

СЕТИ

РОССИИ

к

а

б

е

л

ь

н

ы

е

 л

и

н

и

и

кабельные линии

О способах 
повышения 
пропускной 
способности 
кабелей в трубах

В последние годы в России растет число кабельных линий клас-
сов 6–500 кВ, имеющих участки трассы, проложенные в поли-
мерных трубах. Также постепенно увеличивается и протяжен-
ность таких участков, достигая 300–500 м, и теперь уже можно 
встретить линии, где в общей сложности более половины трас-
сы размещено в трубах. Следовательно, особую актуальность 
приобретают вопросы выбора труб, их влияния на надежность 
и эффективность кабельных линий.

Михаил ДМИТРИЕВ, к.т.н., доцент

Санкт-Петербургского политехнического университета

ВВЕДЕНИЕ

Возможности

 

метода

 

горизонталь

-

но

-

направленного

 

бурения

  (

ГНБ

по

-

стоянно

 

возрастают

 

и

 

уже

 

позволя

-

ют

 

обустраивать

 

в

 

грунте

 

трубные

 

участки

 

длиной

 

не

 

только

 

десятки

как

 

это

 

требовалось

 

изначально

а

 

даже

 

сотни

 

метров

Для

 

крупных

 

городов

 

развитие

 

ГНБ

 

и

 

возросшая

 

сложность

 

прокладки

 

кабелей

 

тра

-

диционным

 

способом

  (

в

 

траншеях

привели

 

к

 

ожидаемому

 

результату

теперь

 

размещение

 

кабелей

 

в

 

тру

-

бах

 

стало

 

использоваться

 

не

 

только

 

локально

 

в

 

местах

 

пересечений

 

с

 

до

-

рогами

 

и

 

коммуникациями

но

 

и

 

как

 

полноправный

 

способ

 

строительства

 

линий

.

Рост

 

длин

 

участков

 

трассы

про

-

ложенных

 

в

 

трубах

как

 

оказалось

происходит

 

не

 

только

 

в

 

сегменте

 

ГНБ

но

 

и

 

в

 

сегменте

 

обычной

 

траншейной

 

прокладки

Дело

 

в

 

том

что

 

трубы

 

ста

-

ли

 

восприниматься

 

как

 

недорогая

 

аль

-

тернатива

 

железобетонным

 

лоткам

 

на

 

всем

 

протяжении

 

трассы

 

линии

а

 

так

-

же

 

как

 

возможность

 

строительства

 

в

 

несколько

 

этапов

выполняемых

 

с

 

интервалом

 

в

 

несколько

 

месяцев

 

или

 

даже

 

лет

Например

сложно

 

и

 

дорого

 

под

-

готовить

 

траншею

 

и

 

поддерживать

 

ее

 

длительное

 

время

 

в

 

надлежащем

 

со

-

стоянии

ожидая

 

покупки

 

и

 

поставки

 

кабеля

 

на

 

объект

В

 

ситуациях

 

огра

-

ниченного

 

финансирования

 

или

 

дру

-

гих

 

причин

не

 

позволяющих

 

сразу

 

после

 

подготовки

 

траншеи

 

оператив

-

но

 

приступить

 

к

 

прокладке

 

кабеля

применение

 

труб

 

позволит

 

выйти

 

из

 

положения

На

 1-

м

 

этапе

 

в

 

грунте

 

го

-

товится

 

траншея

и

   

на

 

ее

 

дно

 

укла

-

дываются

 

трубы

 

с

 

установленными

 

заглушками

траншея

 

засыпается

На

 

2-

м

 

этапе

после

 

оплаты

 1-

го

приоб

-

ретения

 

и

 

поставки

 

кабеля

 

на

 

объект

откапываются

 

только

 

лишь

 

торцы

 

труб

снимаются

 

заглушки

протяги

-

вается

 

кабель

монтируются

 

муфты

линия

 

сдается

 

в

 

эксплуатацию

.


Page 3
background image

79

Возросшая

 

роль

 

труб

 

ставит

 

перед

 

энергетиками

 

целый

 

комплекс

 

задач

среди

 

которых

 

разработка

 

требований

 

к

 

полимерным

 

трубам

 

для

 

прокладки

 

ка

-

бельных

 

линий

 

и

 

методам

 

их

 

механического

 

расчета

 

[1, 2 

и

 

др

.]. 

Немаловажными

 

также

 

являются

 

вопросы

 

теплового

 

расчета

 

кабельных

 

линий

 

в

 

трубах

:

 

влияние

 

теплопроводности

 

стенки

 

трубы

 

на

 

допу

-

стимый

 

ток

 

жилы

 

кабеля

;

 

поправочный

 

коэффициент

 

на

 

прокладку

 

в

 

трубах

.

ТЕПЛОВОЙ

 

РАСЧЕТ

 

КАБЕЛЯ

 

В

 

ТРУБЕ

На

 

рисунке

 1 

схематично

 

показан

 

кабель

 

внеш

-

него

 

диаметра

 

d

проложенный

 

в

 

грунте

 

в

 

полимер

-

ной

 

трубе

имеющей

 

внешний

 

диаметр

 

D

 

и

 

толщину

 

стенки

 

e

Это

 

может

 

быть

 

как

 

трехфазный

 

кабель

так

 

и

 

однофазный

 

кабель

  (

тогда

 

трехфазная

 

линия

 

имеет

 

сразу

 

три

 

таких

 

трубы

 

с

 

однофазным

 

кабелем

 

в

 

каждой

 

из

 

них

). 

 

Например

если

 

речь

 

идет

 

об

 

однофазных

 

кабелях

 

с

 

изоляцией

 

из

 

сшитого

 

полиэтилена

то

 

главными

 

ис

-

точниками

 

тепловыделения

 

в

 

кабеле

 

являются

 

поте

-

ри

 

мощности

 

в

 

жиле

 

P

Ж

 

и

 

экране

 

P

Э

Указанное

 

тепло

 

отводится

 

от

 

кабеля

 

в

 

грунт

для

 

чего

 

оно

 

должно

 

преодолеть

 

цепочку

 

из

 

тепло

-

вых

 

сопротивлений

 

R

 (

рисунок

 2). 

Видно

что

 

на

 

пути

 

тепла

 

встают

 

изоляция

 

кабе

-

ля

 (

И

), 

оболочка

 

кабеля

 (

О

), 

воздух

 

в

 

тру

-

бе

 (

В

), 

полимерная

 

труба

 (

Т

), 

грунт

 (

Г

). 

Задав

 

температуру

 

грунта

 

равной

скажем

T

Г

 = 20 °

С

с

 

помощью

 

тепловой

 

схемы

 

рис

. 2 

можно

 

определить

 

потери

 

в

 

жиле

 

P

Ж

 

и

 

потери

 

в

 

экране

 

P

Э

при

 

которых

 

температура

 

жилы

 

кабеля

 

выйдет

 

на

 

уро

-

вень

 

T

Ж

 = 90 °

С

считающийся

 

предельно

 

допустимым

 

в

 

нормальном

 

режиме

 

рабо

-

ты

 

для

 

изоляции

 

из

 

сшитого

 

полиэтилена

Далее

 

определяется

 

значение

 

тока

 

жилы

 

кабеля

 

I

ДОП

отвечающее

 

потерям

 

P

Ж

 

и

 

P

Э

и

 

это

 

значение

 

называется

 

длительно

 

до

-

пустимым

 

током

 

жилы

Указанная

 

мето

-

дика

 

расчета

 

отражена

 

в

 

ГОСТ

 

Р

 

МЭК

 [3]. 

В

 

схеме

 

рис

. 2 

величины

 

тепловых

 

со

-

противлений

 

зависят

 

от

 

геометрических

 

характеристик

 

рассматриваемой

 

систе

-

мы

т

е

от

 

внешних

 

и

 

внутренних

 

диа

-

метров

 

изоляции

оболочки

трубы

Также

 

тепловые

 

сопротивления

 

R

 

зависят

 

и

 

от

 

свойств

 

материалов

 — 

их

 

удельных

 

теп

-

ло

 

вых

 

сопротивлений

 

Значения

 



для

 

элементов

 

кабеля

 

и

 

для

 

воздуха

 

являются

 

извест

-

ными

 

параметрами

тогда

 

как

 

значения

 



для

 

трубы

 

и

 

грунта

 

в

 

каждом

 

конкретном

 

случае

 

должны

 

уточ

-

няться

.

На

 

рисунке

 3 

в

 

качестве

 

примера

 

представлены

 

расчеты

 

длительного

 

допустимого

 

тока

 

трехфазной

 

кабельной

 

линии

 110 

кВ

выполненной

 

однофазными

 

кабелями

 

с

 

изоляцией

 

из

 

сшитого

 

полиэтилена

име

-

ющими

 

распространенные

 

в

 

России

 

сечения

 1000 

мм

2

 

медной

 

жилы

 

и

 240 

мм

2

 

медного

 

экрана

Полагаем

что

 

потерь

 

в

 

экранах

 

нет

то

 

есть

 

P

Э

 

= 0 (

сделана

 

транс

-

позиция

 

экранов

 

или

 

их

 

одностороннее

 

заземление

), 

а

 

фазы

 

кабеля

 

проложены

 

сомкнутым

 

треугольником

.

Считаем

что

 

каждая

 

из

 

трех

 

фаз

 

кабеля

 110 

кВ

 

проложена

 

в

 

своей

 

трубе

 

с

 

типовыми

 

параметрами

внешний

 

диаметр

 

D

 

= 225 

мм

кольцевая

 

жесткость

SN 64 

кН

/

м

2

При

 

модуле

 

упругости

 950 

МПа

 

согласно

 

таблице

 1 

из

 [2] 

имеем

 

отношение

 

D

/

e

 = 11,7 

и

 

тол

-

щину

 

стенки

 

такой

 

трубы

 

e

 = 225/11,7 = 19,2 

мм

.

В

 

расчетах

 

рисунка

 3 

варьируется

:

 

удельное

 

тепловое

 

сопротивление

 

грунта

 

Г

в

 

диа

-

пазоне

 1–3 (

м

·

К

)/

Вт

;

 

удельное

 

тепловое

 

сопротивление

 

трубы

 

Т

 

в

 

диа

-

пазоне

 0,1–100 (

м

·

К

)/

Вт

.

Согласно

 

графику

 

на

 

рисунке

 3, 

например

в

 

слу

-

чае

 

прокладки

 

в

 

грунте

 

Г

 = 1 (

м

·

К

)/

Вт

 

полимерных

 

труб

обладающих

 

Т

 = 3 (

м

·

К

)/

Вт

допустимый

 

ток

 

ка

-

беля

 

составляет

 

I

ДОП

 = 1000 

А

.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

 

СТЕНКИ

 

ТРУБЫ

Зависимости

изображенные

 

на

 

рисунке

 3, 

нагляд

-

но

 

показывают

что

 

для

 

увеличения

 

допустимого

 

тока

 

I

ДОП

 

кабельной

 

линии

 

следует

 

стараться

 

обеспечить

 

Г

 

 0 

и

/

или

 

Т

 

 0. 

Так

в

 

частности

переход

 

от

 

ас

 

бес

-

то

 

вых

 

труб

 

Т

 = 10 

к

 

полимерным

 

трубам

сделанным

 

из

 

полиэтилена

 

низкого

 

давления

 (

ПНД

и

 

имеющим

 

кабель

d

D

труба

полимерная 

ρ

Т

e

грунт 

ρ

Г

Рис

. 1. 

Кабель

расположен

-

ный

 

в

 

полимер

-

ной

 

трубе

T

Ж

R

О

R

И

R

В

R

Т

R

Г

P

Ж

P

Э

T

Г

Рис

. 2. 

Тепловая

 

схема

 

замещения

 

кабельной

 

линии

 

в

 

трубе

Рис

. 3. 

Допустимый

 

ток

 

кабельной

 

линии

 110 

кВ

 

в

 

зависимости

 

от

 

удельного

 

теплового

 

сопротивления

 

трубы

 (

Т

и

 

грунта

 (

Г

)

1

1.5

3

2

ρ

Г

, мК /В т

I

ДО П

, А

ρ

Т

, мК /В т

2

3

5

4

ас

б

е

ст

ПН

Д

 6 (39) 2016


Page 4
background image

80

СЕТИ РОССИИ

меньшее

 

удельное

 

тепловое

 

сопротивление

 

стенки

 

Т

 = 3, 

привел

 

к

 

росту

 

допустимого

 

тока

 

кабелей

 

на

 

2–4%. 

В

 

настоящее

 

время

 

пришло

 

понимание

что

 

ПНД

 

нельзя

 

использовать

 

при

 

строительстве

 

кабельных

 

линий

 

с

 

изоляцией

 

из

 

сшитого

 

полиэтилена

и

 

на

 

место

 

ПНД

 

пришли

 

специальные

 

термостойкие

 

негорючие

 

кабельные

 

полимерные

 

трубы

 [1]. 

Про

-

изводители

 

таких

 

труб

 

в

 

качестве

 

одного

 

из

 

допол

-

нительных

 

аргументов

 

в

 

пользу

 

своей

 

продукции

 

сообщают

что

 

их

 

трубы

 

обладают

 

удельным

 

тепло

-

вым

 

сопротивлением

 

стенки

 

Т

 

 3, 

т

.

е

дают

 

повы

-

шение

 

допустимого

 

тока

 

кабелей

 

в

 

сравнении

 

со

 

случаями

 

ПНД

 

и

 

асбеста

.

На

 

самом

 

деле

как

 

следует

 

из

 

теплового

 

расчета

 

рисунка

 3, 

в

 

диапазоне

 

Т

 

 3 

удельное

 

тепловое

 

со

-

противление

 

уже

 

практически

 

никак

 

не

 

влияет

 

на

 

до

-

пустимый

 

ток

 

линии

 

I

ДОП

Это

 

происходит

 

потому

что

 

в

 

тепловой

 

схеме

 

на

 

рисунке

 2 

при

 

Т

 

  3

значение

 

теплового

 

сопротивления

 

стенки

 

трубы

 

R

Т

 

оказывает

-

ся

 

ничтожно

 

малым

 

на

 

фоне

 

других

 

тепловых

 

сопро

-

тивлений

остающихся

 

неизменными

.

Хочется

 

обратить

 

внимание

что

 

согласно

 

ГОСТ

 [4] 

и

 

другим

 

документам

при

 

определении

 

удельного

 

теплового

 

сопротивления

 

следует

 

указы

-

вать

 

температуру

при

 

которой

 

проводятся

 

замеры

Так

для

 

силовых

 

кабелей

 6–500 

кВ

 

с

 

изоляцией

 

из

 

сшитого

 

полиэтилена

 

удельное

 

сопротивление

 

труб

 

Т

 

интересно

 

лишь

 

при

 

рабочих

 

температу

-

рах

 60–90 °

С

Исследования

 

показывают

что

 

при

 

таких

 

температурах

 

для

 

полимерных

 

труб

 

сложно

 

достичь

 

уровня

 

Т

 

2÷3, 

и

 

по

 

этой

 

причине

 

некото

-

рые

 

производители

 

начинают

 

хитрить

декларируя

например

нетиповое

 

значение

 

Т

 = 1, 

но

 

скрывая

 

значение

 

отвечающей

 

ему

 

температуры

нигде

 

его

 

не

 

указывая

.

Несмотря

 

на

 

отсутствие

 

какой

-

либо

 

необходи

-

мости

 

в

 

борьбе

 

за

 

Т

 

 0 

и

 

достаточность

 

Т

  =

2÷3, 

есть

 

производители

которые

 

продолжают

 

эту

 

беспо

-

лезную

 

гонку

отвлекая

 

внимание

 

энергетиков

 

от

 

по

-

настоящему

 

проблемных

 

вопросов

 

прокладки

 

кабе

-

лей

 

в

 

трубах

среди

 

которых

например

:

 

недопустимость

 

использования

 

труб

имеющих

 

в

 

своем

 

составе

 

ПНД

;

 

необходимость

 

создания

 

методики

позволяющей

 

в

 

полевых

 

условиях

 

на

 

объекте

 

определить

не

 

поставлены

 

ли

 

обычные

 

ПНД

 

трубы

окрашенные

 

в

 

красный

 

цвет

 

недопустимость

 

прокладки

 

высоковольтных

 

сило

-

вых

 

кабелей

 6–500 

кВ

 

в

 

трубах

соответствующих

 

ГОСТ

 

Р

 

МЭК

 61386-2014 «

Трубные

 

системы

 

для

 

прокладки

 

кабелей

» (

этот

 

ГОСТ

 

имеет

 

область

 

действия

распространяющуюся

 

исключительно

 

на

 

низковольтные

 

сети

 

до

 1 

кВ

).

ПОПРАВОЧНЫЙ

 

КОЭФФИЦИЕНТ

 

НА

 

ПРОКЛАДКУ

 

В

 

ТРУБАХ

Согласно

 

каталогам

 

кабельных

 

заводов

 

при

 

про

-

кладке

 

кабеля

 6–500 

кВ

 

в

 

трубе

 

допустимый

 

ток

 

линии

 

снижается

 

на

 10% 

относительно

 

случая

 

про

-

кладки

 

прямо

 

в

 

грунте

Таким

 

образом

при

 

проекти

-

ровании

 

кабелей

 

в

 

трубах

 

проектировщикам

 

реко

-

мендуется

 

использовать

 

поправочный

 

коэффициент

 

0,9. 

К

 

сожалению

расчеты

 

показывают

что

 

данная

 

цифра

 

является

 

настолько

 

усредненной

что

 

ее

 

при

-

менение

 

никак

 

не

 

может

 

быть

 

рекомендовано

.

В

 

статье

 [5] 

после

 

выполнения

 

серии

 

расчетов

 

на

 

примере

 

кабеля

 110 

кВ

 1000/240 

мм

2

 

было

 

выявле

-

но

что

 

замена

 

традиционной

 

прокладки

 

в

 

открытом

 

грунте

 

на

 

трубную

 

при

 

определенных

 

условиях

 

не

 

только

 

не

 

снижает

 

пропускную

 

способность

 

линии

а

 

даже

 

наоборот

 

способна

 

вызвать

 

ее

 

повышение

 

вплоть

 

до

 5–15%. 

Эффект

 

роста

 

допустимого

 

тока

 

связан

 

с

 

тем

что

 

при

 

больших

 

диаметрах

 

труб

 

они

 

получают

 

значительную

 

площадь

 

контакта

 

с

 

грун

-

том

 

и

 

хорошо

 

охлаждаются

Иными

 

словами

в

 

те

-

пловой

 

схеме

 

на

 

рисунке

 2 

появление

 

труб

 

приво

-

дит

 

к

 

необходимости

 

учета

 

сопротивлений

 

R

В

 

и

 

R

Т

но

 

иногда

 

в

 

гораздо

 

большей

 

мере

 

оно

 

способству

-

ет

 

снижению

 

R

Г

что

 

в

 

итоге

 

и

 

вызывает

 

снижение

 

общего

 

суммарного

 

теплового

 

сопротивления

 

схе

-

мы

улучшение

 

охлаждения

 

жил

 

кабеля

рост

 

допу

-

стимого

 

тока

Особенно

 

заметным

 

рост

 

допустимого

 

тока

 

кабеля

 

оказывается

 

тогда

когда

 

при

 

выборе

 

внешнего

 

диа

-

метра

 

труб

 

отходят

 

от

 

описанного

 

в

 [2] 

традиционного

 

правила

 

D

/

d

 

 1,5 (

рисунок

 1), 

используя

 

вместо

 

него

 

правило

 

D

/

d

 

 2 ÷ 3. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. 

Прокладка

 

кабельных

 

линий

 

в

 

полимерных

 

тру

-

бах

 

может

 

не

 

только

 

снижать

но

 

и

 

повышать

 

до

-

пустимый

 

ток

 

для

 

жилы

 

кабеля

В

 

общем

 

случае

 

использование

 

поправочного

 

коэффициента

 0,9 

на

 

прокладку

 

в

 

трубах

 

является

 

неверным

.

2. 

Использование

 

полимерных

 

труб

 

с

 

удельным

 

те

-

пловым

 

сопротивлением

 

менее

 2–3 (

м

·

К

)/

Вт

 

не

 

из

-

меняет

 

допустимого

 

тока

 

жилы

 

кабельной

 

линии

.

3. 

Появление

 

в

 

кабельных

 

сетях

 

труб

 

с

 

тепловыми

 

сопротивлениями

 0,1–1 (

м

·

К

)/

Вт

 

или

соответствен

-

но

с

 

теплопроводностью

 1–10 

Вт

/(

м

·

К

не

 

имеет

 

ничего

 

общего

 

с

 

потребностями

 

энергетики

.

4. 

Для

 

повышения

 

допустимого

 

тока

 

жилы

 

кабеля

проложенного

 

в

 

полимерной

 

трубе

в

 

настоящее

 

время

 

есть

 

лишь

 

два

 

основных

 

способа

это

 

или

 

применять

 

трубы

 

увеличенного

 

диаметра

или

 

предусматривать

 

контролируемое

 

заполнение

 

труб

 

водой

  (

без

 

частиц

 

грунта

так

 

как

 

они

 

могут

 

вызвать

 

заиливание

 

кабеля

).  

ЛИТЕРАТУРА

1. 

Дмитриев

 

М

.

В

Полимерная

 

труба

 

как

 

важнейший

 

элемент

 

кабельной

 

системы

 6–500 

кВ

 // 

ЭЛЕКТРО

-

ЭНЕРГИЯ

Передача

 

и

 

распределение

, 2015, 

 6(33). 

С

. 78–83.

2. 

Дмитриев

 

М

.

В

Механический

 

расчет

 

полимерных

 

труб

 // 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ

Передача

 

и

 

распреде

-

ление

, 2016, 

 3(36). 

С

. 70–75.

3. 

ГОСТ

 

Р

 

МЭК

 60287-1-1-2009. 

Кабели

 

электриче

-

ские

Расчет

 

номинальной

 

токовой

 

нагрузки

.

4. 

ГОСТ

 23630.2-79. 

Пластмассы

Метод

 

определе

-

ния

 

теплопроводности

.

5. 

Дмитриев

 

М

.

В

Кабельные

 

линии

проложенные

 

в

 

полимерных

 

трубах

 6–500 

кВ

Тепловой

 

рас

-

чет

 // 

Новости

 

электротехники

, 2015, 

 5(95).

С

. 32–34.


Читать онлайн

В последние годы в России растет число кабельных линий классов 6–500 кВ, имеющих участки трассы, проложенные в полимерных трубах. Также постепенно увеличивается и протяженность таких участков, достигая 300–500 м, и теперь уже можно встретить линии, где в общей сложности более половины трассы размещено в трубах. Следовательно, особую актуальность приобретают вопросы выбора труб, их влияния на надежность и эффективность кабельных линий.В статье рассмотрены основные способы повышения длительно допустимого тока кабелей, проложенных в трубах.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»