Подземные кабельные системы: методы Эйнштейна

«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru

44

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ

Рытьё траншей на участках трассы проводилось в разре-

шённых зонах отвода компании. Кабелепроводы из ПВХ 

устанавливались в положение под углом на «10 часов» 

и «2 часа» непосредственно за трубопроводами кабеля 

для волоконной оптики распределённого измерения тем-

пературы. Волоконная оптика связи и контроля темпера-

туры размещалась в больших кабелепроводах, располо-

женных вне кабельных труб

Подземные кабельные 
системы: методы Эйнштейна

Компания PEPCO использует расчётную тепловую мощность в режиме 

реального времени для повышения пропускной способности и усиления кон-
троля и управления.  

Кристофер У. ШНЕТЦЛЕР (Christopher W. SCHNETZLER),

 Уильям А. ЛОПЕС (William A. LOPEZ) и Муса ХЕДЖАЗИ (Mousa HEJAZI),

 компания Potomac Electric Power Co., и

 Эрл С. БАСКОМ III (Earle C. Bascom III), компания Electrical Consulting Engineers, P.C.

П

одземная передача электроэнергии яв-
ляется неотъемлемой частью крупных 
городских районов, и город Вашингтон 
(округ Колумбия), где сосредоточены 

политические, социальные и, естественно, энер-
гетические процессы, не является исключени-
ем. История, действие которой началось с конца 
XIX века и согласно которой компании Potomac 
Electric Power Co. (PEPCO), PHI Service Co. и ком-
пании-предшественницы обслуживали районы 
и округа штата Мэриленд, восходит к компании 
Washington Traction and Electric Co., трамвайному 
предприятию. 

В течение столь продолжительного времени 

энергосистема развивалась по мере удовлет-
ворения постоянно растущего спроса на элек-

«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru

45

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ

Что такое кабель в трубе?

В основе технологии изготовления маслонаполненного кабеля 

(oilostatic) в трубопроводе лежит сочетание методики изготовления бу-
маги (1880 г.) и технологии изготовления изоляции из электрокартона, 
которая использовалась для силовых трансформаторов в 20-х годах про-
шлого столетия. Маслонаполненные кабели были впервые запатентованы 
как результат признания преимуществ изоляции при закачивании диэлек-
трической жидкости под давлением в сочетании с бумажными лентами. 

Компания PEPCO впервые применила такую систему в своей энерго-

системе в 1957 году на линии 69 кВ. В трубопроводной кабельной системе 
секции труб из углеродистой стали марки А сваривались вместе в тран-
шее с использованием кольцевой подкладки до покрытия термопеском 
или термостабилизирующей засыпкой. Стальная труба является неотъ-
емлемой частью системы, следовательно, для защиты трубы используются антикоррозийные покрытия и 
средства электрохимической защиты. Трубопроводы соединяют подстанции с промежуточными колодцами, 
в которые выведены кабельные муфты внутри сварных коробок.

Кабели состоят из многожильных медных или алюминиевых проводов со спиральной намоткой из крафт-

бумаги или многослойной ламинированной полипропиленовой бумажной ленты, пропитанной электроизоля-
ционной жидкостью. Для обеспечения механической защиты на каждый кабель наносятся защитная лента и 
проволока скольжения, и все три фазы одновременно протягиваются по установленному трубопроводу. Из 
трубопровода удаляется влага, и в него насосами, расположенными на одном или на обоих концах, закачи-
вается диэлектрическая жидкость под давлением 200 пси (14 атм). 

Хотя существует определённая тенденция применения других кабелей (например, кабелей с экструди-

рованной сплошной изоляцией), на подземных кабельных системах Северной Америки в 90-х годах в ос-
новном использовались трубопроводные кабели с хорошо зарекомендовавшей себя на многих объектах 
технологией бумажной изоляции. Трубопроводные системы продолжают выборочно использоваться в тех 
местах, где для кабелей с экструдированной изоляцией пространство под траншеи и кабельные колодцы 
ограничено, и для организации переходов может потребоваться направленное бурение, что даёт преимуще-
ство в виде длины проложенного кабеля. 

Помимо нюансов с многослойными полипропиленовыми лентами (крафт-бумага и полипропилен), в се-

мидесятых годах кабельные трубопроводные системы долгое время оставались без изменений. Однако это 
не означает, что здесь не осталось места для новых подходов в планировании, монтаже и эксплуатации. 

Параметры установленной кабельной 

системы 

Компонент

Описание

Провод, броня 

Медный провод размером 3000 круго-
вых мил с броней из металлизирован-

ной бумаги, намотанной перекрываю-

щими слоями, и медных лент 

Изоляция 

Ламинированная полипропиленовая 

бумага 0,5 дюйма (12,7 мм) 

Изоляция, 

броня 

Металлизированная бумага, намотан-

ная перекрывающими слоями, ленты 

из нержавеющей стали и два слоя 

майларовой плёнки 

Проволока 

скольжения 

Толщина слоя 3 дюйма (76 мм), 

D-образная, размер 0,1х0,2 дюйма 
(2,5х5 мм), из нержавеющей стали 

Наполнитель 

трубы 

Алкилбензол

Труба 

Диаметр 8,625 дюйма, толщина стенки 

0,25 дюйма (220 мм, 6,4 мм) 

Кабель из медного провода разме-

ром 3000 круговых мил с бронёй из 

нержавеющих лент и D-образной 

проволокой скольжения во время 

затяжки кабеля

тричество, и именно из-за этого спроса компа-
нии PEPCO приходится постоянно сталкиваться с 
проблемами. В рамках предпринимаемых усилий 
по повышению надёжности и удовлетворения по-
требностей региона в электроэнергии и сознавая 
перетоки мощности за пределы региона, PEPCO 
разработала кабельную систему 230 кВ, проложен-
ную в трубопроводе и соединяющую основные и 
соседние с Мэрилендом подстанции на протяжении 
5,4 мили (8,7 км), а также интегрированную в ли-
нию интеллектуальную технологию для оптимиза-
ции эксплуатационных характеристик и управления 
системой. 

Кабель для этого проекта был изготовлен ком-

панией The Okonite Cable Co. и состоял из медных 
секторных жил размером 3000 круговых мил, изоля-
ции 12,7 мм из полипропиленовой ламинированной 
бумаги и двух D-образных проволок скольжения из 
нержавеющей стали. Для установки трубы сорта-
ментом 8,625 дюйма (220 мм) Schedule 40 (0,25 дюй-
ма — 6,4 мм) и протягивания, сращивания и окон-
цевания PEPCO заключила контракт с компанией 
W.A. Chester.

«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru

46

Стойка системы контроля температуры и термической 

стойкости в здании диспетчерского управления на одной 

из подстанций линии передачи электроэнергии 230 кВ

СНЯТИЕ ЗАМЕРОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

При традиционных измерениях температуры 

обычно используется термопара «медь-константан» 
с измерительными контактами, выведенными в лю-
чок, для точечного замера при помощи переносных 
устройств или устройств регистрации данных с пи-
танием от батареи. Такие точечные датчики измеря-
ют температуру только в одном месте, а состояние 
кабеля по всей его длине может меняться даже на 
коротком участке. В результате «горячие точки» — 
сочетание условий монтажа и характеристики по-
чвы — могут быть пропущены, и кабель будет рабо-
тать на перегрев. 

К счастью, сейчас имеются современные мето-

ды контроля температуры. Для измерения темпера-
туры в непосредственной близости к кабельной си-
стеме устанавливается оптоволокно. В идеальном 
варианте будет измеряться температура самого 
провода, но, поскольку это измерение ограничива-
ет большинство параметров, оно нецелесообразно 
ввиду того, что фазное напряжение кабеля в даль-
нейшем осложняется диэлектрической жидкостью 
под давлением в стальной трубе. Поэтому для опто-
волокна непосредственно на трубах были установ-

лены двухдюймовые (50 мм) отводы в положении 
на «2» и «10 часов».

Как и положено, компания PEPCO в середине 

траншеи установила отводы под оптоволокно свя-
зи. На новой линии оптоволоконные кабели имеют 
двойное назначение — также и для измерения тем-
пературы. 

В качестве отработки процесса измерения тем-

пературы PEPCO хотела сравнить замеры, про-
изведённые непосредственно на трубе кабеля, с 
температурой, измеренной на выводах связи, для 
того чтобы набраться опыта в плане возможного 
усовершенствования трубопроводных кабелей, на 
которых установлены только выводы связи. На но-
вых линиях установлены четыре оптоволокна, но 
для контроля температуры и обеспечения обрат-
но рассеянного излучения необходимы только два 
оптоволокна. Запасные оптоволоконные кабели 
предусмотрены на случай повреждения во время 
монтажа или в процессе эксплуатации. 

Использование оптоволоконного кабеля для из-

мерения температуры кабельных систем на базе 
физического принципа, открытого в 20-х годах, 
обсуждалось в середине 90-х, т.е. это ещё один 
случай объединения старых и новых технологий. 
Импульсы лазерного излучения посылаются вдоль 
волокна для получения обратного рассеяния. В этом 
явлении, известном как эффект Рамана, для опре-
деления температуры приблизительно на каждом 
метре по всей длине оптоволокна и обеспечения 
полной картины температурного режима и тысячи 
замеров по всей длине кабельной системы PEPCO 
протяжённостью 5,4 мили используется спектр рас-
сеяния, который зависит от температуры волокна, и 
система обработки сигналов. При таком распреде-
лённом измерении температуры горячие точки не 
пропускаются. 

Компания PEPCO использовала систему рас-

пределённого измерения температуры (DTS) ком-
пании LIOS Technology. В большинстве систем 
DTS используется оптическая временная рефлек-
тометрия, распространённая в промышленности 
средств связи, но система компании LIOS основана 
на методе оптического распознавания для ускоре-
ния времени измерений и обеспечения общей на-
дёжности при длительной эксплуатации. Обычно 
для связи используется одномодовое оптическое 
волокно с малым уровнем потерь, но для повыше-
ния точности измерений (1°C — 1,8°F) и простран-
ственного разрешения (около 1 м) было выбрано 
многомодовое волокно 50 микрон.

Во время конфигурирования системы консуль-

тант по вопросам проектирования кабельных си-
стем из компании Electrical Consulting Engineers, 
P.C. ввёл известную информацию об условиях мон-
тажа по всей трассе кабеля, а также данные окон-

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ

«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru

47

Процесс затягивания кабеля в трубопровод

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ

Характеристики аварийных параметров в функции предварительной нагрузки

чательных исполнительных чертежей 
для идентификации областей инте-
реса с целью измерения наиболее 
важных температур для определения 
термической стойкости. Эффект от 
идентификации зон состоит в том, что 
на систему SCADA энергокомпании 
передаётся несколько десятков дан-
ных по температуре, а не те тысячи 
данных, измеренных системой DTS. 
При необходимости проведения де-
тальных исследований в системе из-
мерений подстанции остаётся полный 
комплект зарегистрированных мест 
перегрева. 

Определение мест перегрева и из-

мерение температурных зон произ-
водятся каждые 15 минут, поскольку 
этот интервал считается разумным 
балансом между временем обработ-
ки каждого замера температуры и до-
статочно продолжительной тепловой 
постоянной времени подземного кабеля. 

В дополнение к замерам температуры кабеля в 

трёх местах на заглублении 3, 6 и 9 футов (около 
1, 2 и 3 м) были сделаны петли из оптоволоконного 
кабеля (вдали от силовых кабелей и других тепло-

вых источников) для обеспечения ввода темпера-
туры окружающей среды при выборе номинальных 
параметров. 6 и 9 футов — это самые большие глу-
бины залегания кабеля по всей его трассе.  

РЕАЛЬНЫЕ ДЕЙСТВИЯ ПО ДОПУСТИМОЙ 

НАГРУЗКЕ И УСЛОВИЯМ НАГРЕВА

Проектирование традиционных кабельных си-

стем требует расчёта пропускной способности или 
нагрузки по току кабелей. Расчёт основан на мето-
де Neher-McGrath 1957 года и последующих стан-
дартах, таких, как МЭК 60287. Для этих методов 
требуется знание построения кабельной системы 
согласно спецификации производителя, ожидае-
мые схемы нагрузки (суточная нагрузка и коэффи-
циент потерь), а также информация по условиям 
монтажа, включая геометрию траншеи, разделение 
цепей, тип использованной специальной засыпки 
кабельных труб и характеристики грунта.

Часто причиной осторожных оценок характери-

стик становится недостаток и неточность информа-
ции. Некоторые параметры, такие, как температура 
окружающей среды, меняются в зависимости от 
сезона, а нагрузка линии может резко изменить-
ся за несколько часов, вызывая изменения формы 
нагрузки и условия предварительной нагрузки при 
расчёте параметров аварийных режимов. Что каса-
ется статистических справочных данных, использу-
емых операторами, то для разрешения неясностей 
применяются предположения о развитии наихуд-
шего варианта развития событий, часто в ущерб 
пропускной способности кабельной системы. 

Системы измерения температуры в реальном 

масштабе времени (RTTR) контролируют основные 

«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru

48

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ

Система управления и контроля на базе программируе-

мых логических контроллеров позволяет обслуживающе-

му персоналу компании дистанционно проанализировать 

состояние насосной установки

параметры кабельных систем, включая нагрузку 
линии и температуру окружающей среды, с целью 
избежать поверхностных расчётов параметров и оп-
тимизации пропускной способности кабельной сети. 
PEPCO применяет эту технологию вместе с систе-
мой LIOS, используя программу Cyme International 
для расчёта параметров в реальном масштабе вре-
мени.

Параллельно определению участков измерения 

температуры кабелей программой моделирования в 
режиме реального времени были сконфигурированы 
специфические условия монтажа именно для этих 
участков. В эти расчёты входили измерения тем-
пературы грунта, замеры нагрузки и температуры 
системой DTS по обратно рассеянному излучению 
оптоволокна, проложенного рядом с кабельными 
трубопроводами. Для расчёта аварийных параме-
тров бралась предварительная нагрузка линии, и 
программа производила расчёт новых значений по 
аварийным параметрам на основе значений пред-
варительной нагрузки в режиме реального времени, 
зачастую выдавая повышенные значения, особенно 
для кратковременных аварийных ситуаций. 

В компании PEPCO отобрали номинальные зна-

чения параметров и несколько значений продолжи-
тельности аварийной ситуации и ввели в систему 
RTTR. Рассчитанные значения передавались с ком-
пьютера RTTR на систему SCADA компании, откуда 
ими могут воспользоваться операторы сети и инже-
неры для оценки производительности линии и при-
нятия рыночного решения по пропускной способно-
сти всей кабельной системы 230 кВ. 

В процесс конфигурации входила проверка пра-

вильности расчёта по модели, согласно которой 
параметры, полученные системой RTTR, сопостав-

лялись со справочными данными. Система была 
признана годной для оценки надёжности и устойчи-
вости результатов расчёта в различных условиях. 

УСТОЙЧИВОСТЬ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Процесс поддержания диэлектрической жидко-

сти под давлением, для компенсации температур-
ного расширения и усадки, производится насосны-
ми установками, поставляемыми в контейнерах. 
Такие установки изготавливаются компанией MAC 
Products. На старых насосных установках для регу-
лировки давления при расширении или усадки ди-
электрика при цикличном изменении нагрузки ис-
пользуются электромеханические системы. Хотя эти 
системы считаются надёжными, при каждом ава-
рийном сигнале обслуживающему персоналу прихо-
дится идти к этой установке и принимать решение о 
вмешательстве в процесс.

В применяемых PEPCO насосных установках 

компании Benning-Ritchie используются системы 
мониторинга на полупроводниковых логических 
контроллерах, которые позволяют производить дис-
танционный контроль. При поступлении аварийного 
сигнала в любое время дня или ночи обслуживаю-
щий персонал может дистанционно проверить со-
стояние системы поддержания давления при помо-
щи переносного компьютера или подключившись к 
системе управления компании PEPCO.

ПРОБЛЕМЫ С ВНЕДРЕНИЕМ 

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Внедрение интеллектуальных технологий не про-

шло без сучка и задоринки. Одной из основных про-
блем стали протоколы безопасности сети. Системы 
DTS и RTTR были закуплены за пределами США и 
имели аналогичные, но не полностью идентичные 
протоколы связи с протоколами компании.

Более того, пакеты программ мониторинга темпе-

ратуры и определения параметров в режиме реаль-
ного времени оказались «неродными» для систем, 
которые были отработаны обслуживающим персо-
налом, отвечающим за безопасность. Это означает, 
что для получения информации из сети энергоком-
пании о нагрузке и температуре в режиме реального 
времени эти системы необходимо было подключить 
к отработанным информационным связям (в каче-
стве главного устройства), а результатов расчёта 
системы SCADA — уже в качестве ведомого устрой-
ства сети PEPCO. Для возможности организовать 
диалог между собой на нейронном уровне потребо-
валось решить проблемы на многих уровнях. Для 
получения интеллектуальной системы, какой она яв-
ляется в настоящее время, на замыкание синапсов 
ушло некоторое время.

В конечном счёте обработка вероятности пере-

ходов через коэффициенты Эйнштейна оправдала 

«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru

49

Актуально

ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ

свою эффективность для трубопро-
водной кабельной системы и позво-
лила компании PEPCO повысить 
пропускную способность других ли-
ний наряду с усовершенствовани-
ем системы управления и контроля 
в течение всего ожидаемого срока 
службы кабельной системы (40 лет). 

Кристофер У. Шнетцлер

 (Chris-

topher W. Schnetzler, cwschnetzler@
pepco.com) — инженер по подземным кабельным 
линиям передачи электроэнергии компании Potomac 
Electric Power Co. По окончании Университета штата 
Мэриленд получил степень бакалавра и сертификат 
по основам электротехники. 

Муса Хеджази

 (Mousa Hejazi, mhejazi@

pepcoholdings.com) до PEPCO Holdings Inc. в течение 
15 лет проработал в компании Greehorne & O'Mara 
Inc. (Stantec). Отвечает за управление гражданским 
строительством и консультационные услуги в обла-
сти планирования, разработки и строительства ин-
фраструктурных проектов энергетических систем 
и развития улично-дорожной сети. После оконча-
ния Университета Джорджа Вашингтона получил 
степень бакалавра (защита окружающей среды) и 
степень магистра по управлению технологическими 
процессами. Зарегистрированный дипломирован-
ный инженер штата Мэриленд. 

Уильям А. Лопес

 (William A. Lopez, walopez@

pepco.com) — ведущий инженер и технический кон-
сультант группы по передаче электроэнергии и руко-
водитель нескольких специальных проектов. Имеет 
степень бакалавра Университета штата Мэриленд, 
диплом мастера-электрика в штатах Мэриленд и 
Вирджиния. До поступления на работу в компанию 
PEPCO в 2000 году в качестве инженера по распре-
делительным системам Лопес в течение трёх лет 
работал в компании EMS Inc. в качестве энергетика-
эколога.  

Эрл С. (Rusty) Баском III

 (Earle C. «Rusty» 

Bascom III, [email protected]) до основа-
ния компании Electrical Consulting Engineers, P.C. в 
2010 году, где он занимает должности президента и 
главного инженера, работал в отделе подземных ка-
бельных систем компании Power Technologies Inc. и 
Power Delivery Consultants Inc. Баском имеет степень 
ассоциата по электротехнике, степень бакалавра 
по энергетике и степень магистра по электротехни-
ке Ренсселеровского политехнического института 
(Rensselaer Polytechnic Institute), а также степень ма-
гистра делового администрирования Университе-
та штата Нью-Йорк (State University of New York) в 

Олбани. Он — старший член Института инженеров 
по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE Power 
& Energy Society), член основного состава Ассоци-
ации по стандартам и Комитета по изолированным 
проводникам, член СИГРЭ и зарегистрированный 
профессиональный инженер в штатах Нью-Йорк, 
Флорида и Техас. 

Упомянутые в статье компании:

Cyme International | www.cyme.com

Electrical Consulting Engineers, P.C | 

www.ec-engineers.com

LIOS Technology | www.lios-tech.com

MAC Products | www.macproducts.net

PEPCO | www.pepco.com

The Okonite Cable Co. | www.okonite.com

W.A. Chester | www.wachester.com

Одна из двух насосных станций на концах линии переда-

чи 230 кВ. На вкладке — клапаны и датчики для контроля 

давления диэлектрической жидкости