«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2013, www.kabel-news.ru
40
Актуально
ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ
Прокладка участков
сверхвысоковольтной линии
электропередачи под землёй
*
ВВЕДЕНИЕ
Целью данной публикации является подроб-
ный анализ факторов, которые необходимо при-
нимать во внимание при возможной частичной
прокладке СВВ ЛЭП под землёй при использова-
нии кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена
(XLPE-кабель).
Компания операторов систем передачи (TSO)
планирует реализовать в Европе, в частности, в
Германии и Нидерландах, несколько проектов, в ко-
торых часть линий электропередачи на напряжение
400 кВ будет проложена под землёй. Эти проекты
будут реализованы в соответствии с национальным
законодательством, которое налагает ограничения
на строительство новых ВЛЭП вблизи жилых домов.
В этом случае регулирующие организации позволя-
ют TSO перекладывать дополнительные затраты на
конечных потребителей.
В целом, технология хорошо себя зарекомендова-
ла, накапливается опыт технического обслуживания
и эксплуатации, но стоимость подземной кабель-
ной линии будет выше, чем эквивалентной секции
ВЛЭП. Более высокие затраты требуют согласова-
ния с регулирующими органами, но стоимость соб-
ственно передачи электроэнергии составляет лишь
малую часть (например, около 3%) общей платы
за электроэнергию и может быть распределена на
28 миллионов потребителей электричества по всей
Великобритании.
ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ
XLPE-КАБЕЛЕЙ
Компании, которые входят в Европейскую ор-
ганизацию операторов систем передачи (TSO) и в
Europacable, имеют более чем 25-летний опыт ком-
мерческой эксплуатации XLPE-кабелей:
• XLPE-кабели на сверхвысокое напряжение 220 и
275 кВ используются более 20 лет;
* Представленный выше перевод является сокращен-
ной версией оригинальной работы, ее источник —
http://www.stirlingbeforepylons.org/docs/Europacable
PaperStirlingMitigation.pdf.
• XLPE-кабели на сверхвысокое напряжение 400 кВ
применяются более 14 лет, самый старый XLPE-
кабель эксплуатируется в Копенгагене с 1996 г.;
большая часть проектов была успешно заверше-
на в течение нескольких последних лет;
• самая протяжённая двухцепная система с исполь-
зованием сверхвысоковольтного XLPE-кабеля
напряжением 500 кВ (прокладка в тоннеле) экс-
плуатируется в Японии с 2000 г.;
• кабельные линии на напряжение 220 кВ длиной
1100 км и на напряжение 400 кВ протяжённостью
200 км, проложенные в Европе, подтвердили эф-
фективность технологии, в основе которой лежит
стандарт 62067 МЭК. Эта технология, как обще-
признано, соответствует уровню современных
требований, несмотря на то, что каждый проект
в силу своих специфических особенностей уника-
лен.
КОНСТРУКЦИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКА
XLPE-КАБЕЛЯ
XLPE-кабели могут поставляться строительными
длинами до 1150 м. Как правило, для линий электро-
передачи напряжением 400 кВ строительная длина
кабеля составляет 700—1000 метров.
Конструкция высоковольтного кабеля содержит
следующие элементы: медный проводник (альтерна-
тива – Al); 2 полупроводника; XLPE-изоляцию; влаго-
поглотитель; металлический экран и влагоизоляцию
(фольга, ламинированная алюминием), а также на-
ружную оболочку из полиэтилена.
Основное ограничение на строительную длину
кабеля связано с логистикой: необходимо оценивать
вес и габариты кабельного барабана с точки зрения
возможности его транспортировки (рис. 1).
Барабаны с кабелем обычно перевозятся в не-
обходимое место по железной дороге или автотран-
спортом. Типовой кабельный барабан имеет внешний
диаметр 4,2 м, ширину 2,5—3 м и вес 35—40 тонн.
ПРОКЛАДКА XLPE-КАБЕЛЕЙ
XLPE-кабели могут прокладываться непосред-
ственно в грунт или в тоннелях, кабельных траншеях
или трубах в соответствии с требованиями, связан-
«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2013, www.kabel-news.ru
41
Актуально
ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ
ными с окружающей средой, для усиления защиты
от внешних повреждений или для облегчения про-
кладки других кабелей.
Типовая глубина непосредственной прокладки
в грунте — около 1,5 м. В таких случаях извлечён-
ный грунт (70—80%) может быть помещён обратно
в траншею, если это песок, глина, мелкий гравий
или любая их смесь. Почва не должна вывозиться с
места строительных работ. XLPE-кабель засыпает-
ся песком, а в некоторых случаях — смесью песка
и слабого цемента для обеспечения лучшего тепло-
отвода.
Такой тип прокладки кабеля в основном исполь-
зуется в сельской местности. При прокладке кабеля
в кабельных каналах или трубах для обеспечения
дополнительной механической защиты от внешних
повреждений облегчается доступ к кабелю (рис. 2).
В тех случаях, когда прокладка вблизи поверхно-
сти грунта невозможна, кабель может быть проло-
жен в тоннелях.
Секции кабеля соединяются каждые 700—
1000 м в так называемых кабельных колодцах. Как
правило, эти кабельные колодцы имеют размер
10х2,5 м и глубину 2,1 м. Определение мест рас-
положения кабельных колодцев является одной из
задач проектирования линии (рис. 3).
Кабельные колодцы могут располагаться непо-
средственно в земле, от которой они отделены толь-
ко слоем песка. В случае необходимости они могут
быть размещены в подземной инфраструктуре.
Эти сооружения почти или совсем не видны над
поверхностью земли. Технологические разработки
сборных соединительных узлов и устройств раздел-
ки концов кабелей существенно облегчают возведе-
ние кабельных колодцев на месте, сокращают вре-
мя, необходимое для осуществления их монтажа.
Транзитные станции для заделки кабельных
окончаний предназначены для соединения ВЛЭП с
её секциями, проложенными под землёй. Размеры
транзитной станции в большой степени зависят от
пропускной способности линии передачи и конструк-
ции устройств защиты, которые необходимо исполь-
зовать в этой линии.
Площадь транзитной станции лежит в пределах
2000—4000 м
2
, в зависимости от рабочего напря-
жения, количества цепей и типа дополнительно-
го оборудования или вспомогательных устройств,
устанавливаемых на станции. Эти составляющие
оборудования транзитных станций часто могут раз-
мещаться в экранах (рис. 4).
К компонентам транзитных станций относятся око-
нечные устройства, разрядники для защиты от атмос-
ферных перенапряжений, заземляющие устройства,
анкерные крепления растяжек вышек ЛЭП. В зависи-
мости от требований TSO к конкретному проекту на
транзитной станции могут размещаться трансформа-
торы напряжения и тока, а также объекты для уста-
новки дополнительного оборудования.
Кабельные вводы обычно монтируются внутри
транзитных станций на концах кабельной линии.
В некоторых случаях кабельные вводы устанавли-
ваются на транзитных станциях — воздушная ли-
Рис. 1. Перевозка барабанов с XLPE-кабелем
на грузовике
Рис. 2. Проложенная в трубах и закопанная в
землю кабельная система
Рис. 3. Пример соединительного отсека,
непосредственно размещённого в земле
«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2013, www.kabel-news.ru
42
ния передачи/подземный кабель, а при напряжении
275 кВ и ниже могут непосредственно устанавли-
ваться на последней опоре ВЛЭП.
Кабельное окончание может быть изготовлено из
фарфора или композитных материалов (рис. 5).
На основании предварительных испытаний на со-
ответствие техническим условиям с циклическими
нагрузками по стандарту IEC 62067 XLPE-кабели и
вспомогательное оборудование проектируются та-
ким образом, чтобы обеспечить продолжительность
срока их службы — порядка трёх десятилетий.
Системы мониторинга, работающие в режи-
мах оперативном и ручного управления, позволяют
осуществлять контроль состояния (линии) на осно-
вании измерений температуры кабеля и регистра-
ции возможных частичных разрядов для принятия
своевременных мер, обеспечивающих заданный
срок его службы.
В соответствии с существующим стандартом
IEC 62067 результаты предварительных испытаний
кабельных линий на соответствие техническим тре-
бованиям должны быть оформлены специальным
протоколом. Процесс предварительных испытаний
продолжается 12 месяцев, его цель — продемон-
стрировать удовлетворительную работоспособность
полной кабельной системы (кабель и вспомогатель-
ное оборудование) в течение продолжительного
времени.
Некоторые организации, в частности, МЭК и
СИГРЭ, продвигают свой лучший опыт и разра-
батывают правила, гармонизирующие основные
принципы технологии высоковольтных кабелей. Это
гарантирует необходимый минимальный уровень
стандартизации и качества.
Время, необходимое для строительства кабель-
ной линии, зависит от характеристик кабельной
трассы, типа прокладки кабеля и необходимых стро-
ительных работ.
На строительство линии Turbigo-Rho, в которой в
подземной секции на напряжение 400 кВ вдоль до-
роги было установлено 6 кабелей длиной 8,4 км, по-
требовалось 14 месяцев. При этом пришлось пере-
сечь множество других инфраструктур, используя
направленную проходку.
Почва в основном состояла из смеси глины и
гравийных камней. Минимальная глубина проклад-
ки составляла 1,2 м в соответствии с итальянскими
стандартами.
Среднее время строительства (непосредствен-
ная прокладка в грунт) составило 1,5 мес./км, вклю-
чая рытье траншеи (на цепь), прокладку кабеля и
засыпку траншеи. Собственно на прокладку кабеля
потребовались 1—2 дня на фазу.
После завершения установки линии могут потре-
боваться дополнительные испытания, включая тесты
на частичные разряды во вспомогательном оборудо-
вании и монтажных узлах. На это может уйти около
недели, в зависимости от длины испытуемой секции
и количества узлов, которые необходимо тестиро-
вать. Следует заметить, что целью испытаний после
установки линии является проверка того, что такие
операции, как прокладка кабеля, монтаж разъёмов
и кабельных вводов, выполнены надлежащим об-
разом. Качество кабеля и вспомогательных узлов,
проверенных предварительно в заводских условиях,
контролю не подвергается.
ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ
И ПОТЕРИ В СЕТЯХ
Кабель проектируется таким образом, чтобы он
мог работать при потоках нагрузки в нормальных и
аварийных условиях в соответствии с требованиями
эксплуатации сети с учётом необходимой надёжно-
сти и непрерывности передачи электроэнергии.
При интеграции частей линий электропередачи,
проложенных под землей, в ВЛЭП могут быть рас-
Рис. 4. Транзитная станция для перехода
ВЛЭП/кабель 400 кВ
Рис. 5. Кабельное окончание на 400 кВ
Актуально
ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ
«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2013, www.kabel-news.ru
43
смотрены и дополнительные вопросы — ситуация с
реактивной мощностью, защита, порядок коммута-
ции и др.
Типовая ВЛЭП состоит из двух систем, каждая
из которых способна пропускать номинальный ток
3600 А. Для удовлетворения требований (n-1) на-
грузка каждой из двух кабельных цепей должна со-
ставлять до 70% (2520 А) при нормальных условиях
работы. В случае отказа одной из систем остав-
шаяся должна работать при токе 3600 А в течение
всего аварийного периода.
Поперечное сечение кабеля, как правило, вклю-
чает одиночные медные проводники (иногда алю-
миниевые), и обычно диаметр поперечного сечения
кабеля больше, чем поперечное сечение проводов
ВЛЭП (обычно алюминиевых), хотя при использова-
нии витых проводов в ВЛЭП диаметры поперечных
сечений могут быть равными. Однако медь обладает
меньшим сопротивлением, чем алюминий. При этом
при одинаковых токах потери в кабелях ниже, чем
в ВЛЭП. Необходимо также обращать внимание на
потери в металлических оболочках в подземных ка-
бельных линиях, которые зависят от конфигурации
прокладываемой линии, типа соединения металли-
ческих оболочек и др.
Потери в ВЛЭП и в подземных участках кабель-
ных линий зависят от диаметра провода и кабеля,
числа проводников и количества систем на цепь
передачи, от необходимости охлаждения, от компен-
сации реактивной мощности. Потери также могут
значительно зависеть от реальной нагрузки в линии.
Следовательно, расчёт величины потерь должен
производиться в каждом конкретном случае.
Однако подземные кабельные части линии
электропередачи длиной несколько километров
могут быть причиной лишь небольшой части всех
потерь.
НАДЁЖНОСТЬ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
С ПОДЗЕМНЫМИ КАБЕЛЬНЫМИ
УЧАСТКАМИ
Системы с XLPE-кабелями перед вводом в экс-
плуатацию подвергаются проверочным испытаниям
в соответствии со стандартами МЭК при уровнях те-
пловых и механических нагрузок, превышающих ра-
бочие значения. Прошедшие испытания кабельные
системы тщательно проверяются перед отправкой и
вводом в эксплуатацию:
• производство XLPE-кабеля и всех компонентов
системы проходит контроль и стандартные испы-
тания для подтверждения соответствия нормам
качества, определённым международными стан-
дартами;
• в процессе монтажа линии кабельные систе-
мы подвергаются приёмочным испытаниям для
подтверждения того, что линия проложена и
смонтирована в соответствии с заданными тре-
бованиями.
После завершения строительства линии XLPE-
кабельная система находится в безопасности и хо-
рошо защищена от влияния внешних погодных усло-
вий (наводнения, оползни, лавины).
Системы мониторинга позволяют осуществлять
тщательный контроль за состоянием кабеля, для
того чтобы избежать перегрева кабельной системы.
Принимая во внимание значения вероятности
аварий в сверхвысоковольтных кабелях и монтаж-
ных узлах, а также данные СИГРЭ, для любой ка-
бельной системы можно рассчитать вероятность
отказа. Если длина кабельной секции, проложенной
под землей, равна 10 км (строительная длина ка-
беля — 1000 м), то вероятность отказов для одной
смонтированной системы составит 0,0307 отказа в
год. Это эквивалентно 33 годам между отказами.
Ширина траншеи зависит в основном от:
• необходимой пропускной способности линии;
• состояния
почвы;
• существующих вблизи инфраструктур (дороги,
скоростные шоссе, железные дороги, реки и др.),
• наличия других кабельных систем, расположен-
ных в непосредственной близости от вновь про-
ложенных;
• доступного для использования пространства.
Каждая цепь прокладывается в траншее глуби-
ной приблизительно 1—1,5 м и шириной от 1 до 2 м.
Если две системы должны быть установлены в двух
раздельных траншеях, расстояние между которыми
составляет 5 м, общая ширина занимаемого участка
будет не более 10 м. Если необходимо проложить три
траншеи, то общая ширина занимаемого участка бу-
дет не более 15 м. Если требуется проложить четыре
траншеи, то потребуется полоса земли шириной не
более 20—25 м. В любом случае всегда должна су-
ществовать возможность доступа к кабельным си-
стемам вдоль всей трассы (рис. 6, 7, 8).
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗЕМЛИ
Единственным ограничением на использование
земли для прокладки части линии электропередачи
в виде подземных кабельных секций является нали-
чие деревьев с глубокими корнями на трассе плюс
запас по ширине до 5 м для предотвращения про-
никновения их корней в кабельную траншею. Кроме
того, не должно быть никаких ограничений на воз-
делывание земли, включая сельскохозяйственные
работы. Прокладка кабелей должна осуществляться
на глубине, достаточной для того, чтобы избежать
любых повреждений кабельных траншей и соб-
ственно кабеля при проведении сельскохозяйствен-
ных работ на земле над проложенными кабелями.
Трасса прокладки кабелей должна проходить мимо
любых зданий.
Актуально
ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ
«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2013, www.kabel-news.ru
44
Во время эксплуатации температура кабеля бу-
дет повышаться в зависимости от величины проте-
кающего тока и коэффициента нагрузки. Распреде-
ление тепла в окружающей почве зависит от вида
засыпочного материала. Влияние излучения тепла
на температуру почвы носит локальный характер и
весьма ограничено. Только при условии работы на
полную нагрузку почва непосредственно над кабель-
ной траншеей может нагреваться примерно на 2
о
С.
Если нагрузка меньше, эта цифра будет меньше.
В случае необходимости тепловой эффект может
быть дополнительно снижен использованием кабеля
с проводящей жилой большего поперечного сечения.
ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА ВО ВРЕМЯ
ПРОКЛАДКИ И МОНТАЖА
Работы по строительству подземных кабельных
участков высоковольтной линии электропередачи
могут оказывать существенное влияние на окру-
жающую среду. Для прокладки кабельных траншей
и транспортировки барабанов с кабелями требуется
тяжёлая техника. На время строительных работ к ме-
сту их проведения необходимо обеспечить прокладку
подъездных дорог. Эти дороги после завершения ра-
бот должны быть ликвидированы. При этом решают-
ся вопросы необходимого доступа к кабельной трас-
се во время эксплуатации линии электропередачи.
Водные преграды или менее значимые участ-
ки суши могут быть пересечены с использованием
техники бурения для обеспечения возможности про-
кладки кабелей. Таким образом могут быть преодо-
лены расстояния до 1 км.
В большинстве случаев кабельные системы про-
кладываются непосредственно в грунт, при этом 70—
80% почвы должно быть снова внесено в траншею.
На время строительства вынутый грунт может разме-
щаться вдоль прокладываемой траншеи. Вплоть до
30% засыпочного материала должно доставляться к
трассе из отдалённых от строительства мест (рис. 9).
В зависимости от типов выращиваемых овощей
земля обычно поливается в течение 18—24 месяцев.
Площадь под овощами над кабельной трассой долж-
на планироваться таким образом, чтобы избежать
нежелательного проникновения воды в кабельную
трассу за всё планируемое время службы кабельной
системы.
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
СТРОИТЕЛЬСТВА ВЛЭП С ПОДЗЕМНЫМИ
КАБЕЛЬНЫМИ СЕКЦИЯМИ
В целом, с учётом сложности технологии и мас-
штаба строительных работ стоимость строитель-
ства километра подземной кабельной линии всегда
выше, чем ВЛЭП той же длины.
Каждый проект уникален, и полная экономиче-
ская оценка строительства подземной кабельной
линии должна производиться с учётом стоимости
прокладки и монтажа, планируемого срока служ-
бы, влияния на землю, мер по защите окружающей
среды и т.д. В результате стоимость подземной ка-
бельной линии может оказаться в 3—10 раз больше.
Некоторые проекты, в которых строятся кабельные
тоннели, могут оказаться ещё дороже из-за высокой
стоимости строительных работ, которые могут со-
ставить до 60% от общей стоимости строительства.
Когда речь идёт о строительстве ЛЭП с подземными
кабельными участками, увеличение коэффициента
стоимости строительства относится только к послед-
ним. Этот коэффициент должен учитывать специфи-
ческие требования к проекту, включая, в случае
Рис. 6. Пример одиночной системы переменного
тока на напряжение 400 кВ, мощность —
1250 МВА
Рис. 7. Пример двухцепной линии переменного
тока на 400 кВ, мощность — 2500 МВА
Рис. 8. Пример двух двухцепных линий
переменного тока на напряжение 400 кВ,
общая мощность — 5000 МВА
Актуально
ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ
«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2013, www.kabel-news.ru
45
необходимости, стоимость транзитных станций и
оборудования компенсации.
По опыту, приобретённому TSO во Франции (RTE),
для подземных участков с пропускной способностью
3000—4000 МВА стоимость подземного кабельного
участка лежит в диапазоне 5—9 млн евро за кило-
метр. В процессе эксплуатации кабельная система
почти не требует технического обслуживания. Систе-
мы мониторинга позволяют наблюдать за частичны-
ми разрядами. Как любой коридор, занятый линией
передачи, кабельная трасса должна регулярно ин-
спектироваться для предотвращения её разрушения.
Как уже отмечалось, поскольку кабельная ВЛЭП
составляет лишь ограниченную часть общей длины
линии электропередачи, она не может значительно
влиять на эксплуатационные расходы всей линии.
В ходе публичных дебатов о строительстве под-
земных кабельных линий обсуждается множество
дополнительных статей расходов. Некоторые из них
не поддаются количественному описанию из-за от-
сутствия понятных и прозрачных критериев. Тем не
менее необходимо принимать во внимание социаль-
ные аспекты, такие, как влияние ВЛЭП на визуаль-
ную панораму и стоимость недвижимости вблизи
трассы линии электропередачи или величина ком-
пенсации владельцам отчуждаемой для прокладки
линии электропередачи земли.
Если только одна десятая общей длины линии
электропередачи проложена под землей и величина
инвестиций в подземную кабельную часть в 3—10 раз
больше воздушной секции такой же длины, строи-
тельство подземных кабельных участков приведёт к
увеличению инвестиций в целом в 1,2—2 раза, без
учёта стоимости транзитной станции, компенсато-
ров реактивной мощности и т.д.
Перевод Святослава ЮРЬЕВА
Рис. 9. Кабельная трасса в сельской местности
Актуально
ÊÀÁÅËÜÍÛÅ ËÈÍÈÈ
Оригинал статьи: Прокладка участков сверхвысоковольтной линии электропередачи под землёй
В статье приводится подробный анализ факторов, которые необходимо принимать во внимание при возможной частичной прокладке сверхвысоковольтной ЛЭП под землей при использовании кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.