Снижение затрат на эксплуатацию и повышение надежности КЛ за счет применения токопоисковых труб с возможностью ОМП

Токопоисковые трубы, обеспечивающие возможность определения места повреждения (ОМП) оболочек кабелей, активно применяются на объектах электросетевого хозяйства Российской Федерации и стран ближнего зарубежья уже не первый год. Данные трубы стали стандартом отрасли и признаны ведущими специалистами электроэнергетических компаний как эффективный инструмент повышения надежности силовых кабельных линий и предупреждения выходов кабелей из строя. В статье проведен технико-экономический анализ эксплуатации токопоисковых труб и рассмотрен реальный эффект от их применения согласно методике ПАО «Россети», используемой при внедрении инновационных решений и технологий на объектах компании.

КОРОТКО О ТОКОПОИСКОВЫХ ТРУБАХ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ОМП

Основной задачей, которую решают токопоисковые трубы, является возможность предупреждения выходов кабелей из строя за счет своевременного обнаружения места повреждения оболочки кабеля и точной локализации этого места по длине трубного участка.

Повреждения наружной оболочки кабелей в процессе прокладки являются самым распространенным видом повреждений кабелей. Если по каким-то причинам наружная оболочка оказалась повреждена, то из грунта в кабель начинает проникать влага. Молекулы воды, попав в изоляцию, вызывают там развитие дефектов, прогрессирующих под действием фазного напряжения, что с течением времени приводит к короткому замыканию (КЗ) изоляции и дорогостоящему ремонту КЛ.

Таким образом, для обеспечения длительной и бесперебойной эксплуатации КЛ важнейшей задачей любой сетевой компании является контроль за состоянием оболочки кабелей в рамках приемо-сдаточных испытаний, а также в процессе эксплуатации. К сожалению, когда повреждение оболочки находится в обычной (нетокопоисковой) трубе, последняя из-за своих диэлектрических свойств изолирует кабель от грунта и не дает испытательному току выйти с места повреждения на землю. В связи с чем оболочка кабеля ошибочно будет полагаться целостной, а КЛ — пригодной к эксплуатации (рисунок 1).

Токопоисковые трубы лишены данного недостатка и в отличие от обычных полимерных труб не изолируют кабель от грунта и не препятствуют выходу тока с экрана кабеля через оболочку в грунт (рисунок 2) — тем самым такие трубы способствуют определению мест повреждения (ОМП), позволяя получить информацию о состоянии КЛ. А за счет своевременного обнаружения повреждения оболочки кабеля (еще до монтажа кабельных муфт и ввода линии в эксплуатацию) возможно предотвратить вероятный выход кабеля из строя в дальнейшем, существенно сократив при этом сроки и стоимость ремонта, а также повысить качество электромонтажных работ и надежность КЛ.

Установление фактов повреждения оболочки — это важный шаг к повышению надежности КЛ и всей сети. Однако еще одной задачей, которую позволяют решить токопоисковые трубы, является точный поиск (локализация) места повреждения. Стандартные методы поиска (мостовой метод, метод шагового напряжения и др.) работают при условии, что имеется возможность выхода тока с экрана кабеля через оболочку в грунт, а значит их использование затруднено в случае прокладки кабелей в обычных полимерных трубах. Только токопиосковые трубы ПротекторФлекс^® ОМП обеспечивают оперативную локализацию места повреждения КЛ, сокращая тем самым сроки и стоимость работ.

СНИЖЕНИЕ ЗАТРАТ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ТОКОПОИСКОВЫХ ТРУБ

Для оценки экономической эффективности инновационных решений и технологий ПАО «Россети» была разработана и внедрена в 2018 году «Унифицированная методика оценки эффективности инновационных проектов с учетом отраслевой специфики» (утверждена распоряжением ПАО «Россети» № 440 от 01.10.2018). Благодаря данной методике, стало возможно оценить реальный эффект от внедрения новых уникальных решений, применяемых на объектах ПАО «Россети».

Для комплексного анализа экономической эффективности применения токопоисковых труб было проведено два расчета, учитывающих разные аспекты экономических потерь в сравнении с применением обычных полимерных труб (без функции ОМП):

• определение эффекта от увеличения уровня наблюдаемости сети и сокращения затрат и времени на локализацию технологического нарушения (метод по п. 8.3.2 унифицированной методики);
• определение эффекта от повышения уровня промышленной безопасности благодаря снижению затрат на ликвидацию аварий, а также снижению аварийного недоотпуска электроэнергии (метод по п. 8.3.7 унифицированной методики).

Сравнение затрат и длительности ремонтно-восстановительных работ по устранению последствий повреждения оболочки кабеля, проложенного в токопоисковой и обычной полимерной трубах, было проведено для трубного канала КЛ 110 кВ длиной 200 м. При этом эффективность применения токопоисковых труб не зависит от класса напряжения КЛ и актуальна в равной степени как для КЛ среднего напряжения 6–35 кВ, так и для высоковольтных КЛ напряжением 110–500 кВ.

Согласно исследованиям рабочей группы B1.36 СИГРЭ, представленным в техническом регламенте 689 «Оценка жизненного цикла подземных кабелей» (LIFE CYCLE ASSESSMENT OF UNDERGROUND CABLES WORKING GROUP B1.36), высоковольтные КЛ выходят из строя в среднем около двух раз за весь срок службы. Однако для упрощения восприятия расчет экономической эффективности будет проведен для одного повреждения.

Определение эффекта от увеличения уровня наблюдаемости сети и сокращения времени локализации технологического нарушения. Оценка эффективности за счет сокращения затрат и времени на локализацию проводится по формуле:

где ΔC_набл — изменение (сокращение) затрат за счет увеличения уровня наблюдаемости сети, руб./год; C_ЛОК1 — затраты на локализацию технологического нарушения при использовании обычных труб (без функции ОМП), руб.; C_ЛОК2 — затраты на локализацию технологического нарушения при использовании токопоисковых труб, руб.

1. Расчет затрат на локализацию технологического нарушения при использовании обычных полимерных труб (без ОМП). Использование обычных полимерных труб предполагает два варианта ремонтно-восстановительных работ на КЛ в случае возникновения технологического нарушения. Оба варианта связаны с ремонтом вышедшей из строя КЛ по причине КЗ, вызванного пробоем основной изоляции кабеля. Как было отмечено ранее, пробой основной изоляции вероятен вследствие увлажнения изоляции кабеля водой, попавшей через своевременно не обнаруженное повреждение наружной оболочки кабеля, так как на этапе приемо-сдаточных испытаний КЛ обычная труба изолирует кабель от грунта и не позволяет испытательному току выйти с места повреждения кабеля на землю и определить факт повреждения кабеля.

Первый вариант ремонтно-восстановительных работ в обычных трубах требует установки кабельной вставки в месте КЗ после определения места повреждения. В таком случае перечень проводимых работ будет следующим:

• испытание оболочки кабеля; 
• откопка всего трубного участка (требует получения допусков и согласования проведения работ с землепользователями);
• поиск места повреждения методом последовательных приближений (сущность метода заключается в том, что труба первоначально вскрывается в предварительно выбранном месте, далее методом шагового напряжения происходит определение направления до предполагаемого места повреждения, после чего проводится очередное вскрытие трубы в предполагаемом месте и повторное определение направления до места пробоя, и таким образом путем последовательных приближений и вскрытий трубного канала определяется точное место повреждения кабеля);
• монтаж кабельной вставки (кабель, предназначенный для организации вставки, должен иметь длину не менее 20 м для обеспечения возможности монтажа двух соединительных муфт, а также укладки компенсационных дуг);
• монтаж соединительных муфт (2 шт.);
• восстановление трубы и установка железобетонных лотков в местах монтажа соединительных муфт;
• обратная засыпка вскрытой траншеи и повторные испытания оболочки кабеля.

С учетом получения необходимых разрешений на выполнение работ общая продолжительность вышеперечисленных ремонтно-восстановительных работ в условиях города составит 18 дней, а стоимость — 2,166 млн руб. Стоит отметить, что в данную стоимость не включены затраты на благоустройство территории, которые зависят от местности проведения работ, а также затраты на оплату услуг контролирующих органов при выполнении работ на территории сторонних организаций.

Второй вариант ремонтно-восстановительных работ в обычных полимерных трубах предполагает замену кабеля на всем протяжении трубного участка без поиска точного места повреждения. В данном случае производится вскрытие трубного участка только по его концам для обрезки кабеля, но при этом растут расходы на материалы, так как данный вид работ подразумевает замену всей длины кабеля 110 кВ, проложенного по длине трубного участка (200 м). В результате срок выполнения работ сокращается до 7 дней, а общая стоимость возрастает до 4,558 млн руб.

2. Расчет затрат на локализацию технологического нарушения при использовании токопоисковых труб. Как было отмечено ранее, токопоисковые трубы обеспечивают возможность обнаружения и локализации места повреждения оболочки еще на стадии приемо-сдаточных испытаний (до монтажа муфт и до ввода линии в эксплуатацию), в связи с чем становится возможным предупредить вероятный выход кабеля из строя в дальнейшем, а также значительно сократить затраты на ремонтные работы и исключить потери от недоотпуска электроэнергии. Восстановление оболочки кабеля за счет своевременного обнаружения дефекта будет проводиться путем установки термоусаживаемой манжеты. Вся же процедура ремонтно-восстановительных работ с учетом поиска места повреждения, вытягивания кабеля из трубы, восстановления оболочки, обратной затяжки и повторных испытаний составит не более 2,5 дней и обойдется подрядной организации в 0,23 млн руб.

Таким образом, применение токопоисковых труб позволяет сократить стоимость ремонтно-восстановительных работ в 17–40 раз (рисунок 3), а их длительность в 3–7 раз (рисунок 4).

3. Расчет эффективности от сокращения затрат и времени на локализацию технологического нарушения. Учитывая проведенные выше расчеты, получаем, что при использовании токопоисковых труб с возможностью ОМП сокращение затрат по сравнению с проведением ремонта по установке кабельной вставки только на одном трубном участке составит:

• при ремонте кабельной вставкой

• при ремонте заменой кабеля

Рассчитанные затраты указаны для одного повреждения. В зависимости от количества повреждений сумма затрат будет пропорционально выше.

Определение эффекта от повышения уровня промышленной безопасности благодаря снижению затрат на ликвидацию аварий и снижению аварийного недоотпуска электроэнергии. Согласно ПУЭ, потребители первой и второй категории должны питаться от двух независимых источников питания — двух линий электропередачи, запитанных от отдельных силовых трансформаторов. В связи с этим при выходе из строя одной линии все электроснабжение осуществляется по второй КЛ. Однако именно в этот момент учащаются случаи выходов КЛ из строя, так как вторая КЛ в таком случае работает в режиме полной загрузки, температура нагрева кабелей значительно возрастает за счет увеличенной токовой нагрузки и токов в экранах кабелей (при заземлении экранов с двух сторон). Таким образом изоляция кабелей, находящаяся под воздействием повышенной температуры, при наличии в ней незначительных дефектов наиболее подвержена электрическому пробою и выходу из строя, полностью останавливая электроснабжение потребителей и приводя к серьезным экономическим потерям для электросетевой организации. В этой связи в качестве расчетного будет рассмотрен случай полной остановки электроснабжения по КЛ и оценены потери, вызванные недоотпуском электроэнергии.

Стоимость ликвидации аварии зависит от длительности ремонтно-восстановительных работ и, согласно Методике, рассчитывается следующим образом:

Мощность потребителей, подключенных в конце двухцепной КЛ, для расчета принимается 80 МВт = 80 000 кВт.

Затраты на аварийный недоотпуск электроэнергии в сутки рассчитывается по формуле:

где P_КЛ — мощность кабельной линии по проектной документации, кВт; 24 — число часов в сутках; S_э/э — стоимость электроэнергии, руб./кВт·ч (для ориентировочного расчета принята стоимость 3 руб./кВт·ч).

1. Расчет затрат при использовании обычных полимерных труб (без ОМП). Использование обычных полимерных труб предполагает два варианта ремонтно-восстановительных работ на КЛ в случае возникновения технологического нарушения — путем установки кабельной вставки и замены кабеля на трубном участке. На основании ранее проведенных расчетов длительности ремонтно-восстановительных работ потери за недоотпуск электроэнергии составят:

• кабельная вставка

• замена кабеля

При этом в случае выставления штрафов и исков со стороны потребителей за недоотпуск электроэнергии затраты энергоснабжающей организации могут быть еще выше.

2. Расчет затрат при использовании токопоисковых труб. Поскольку использование токопоисковых труб способствует выявлению повреждения оболочки еще на этапе приемо-сдаточных испытаний (до включения КЛ в работу), то работы по ремонту оболочки кабеля не приведут к аварийному недоотпуску электроэнергии. Поэтому для расчета потерь на ремонтно-восстановительные работы принимается 0 (ноль) дней:

Затраты на аварийный недоотпуск сведены в диаграмму (рисунок 5). Таким образом, экономия денежных средств благодаря снижению затрат на аварийный недоотпуск электроэнергии при использовании ОМП труб с учетом одного КЗ в трубном участке в год составит 103,680 млн руб. и 40,320 млн руб. соответственно.

Рис. 5. Затраты на аварийный недоотпуск электроэнергии на время ремонтно-восстановительных работ КЛ

Рассчитанные затраты указаны для одного повреждения. В зависимости от количества повреждений сумма затрат будет пропорционально увеличена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Токопоисковые трубы обеспечивают возможность испытать кабель перед вводом в эксплуатацию, что невозможно в случае применения обычных труб и отсутствия кабеля с полупроводящим слоем. Это позволяет эксплуатирующей организации принимать качественную КЛ, а строителям исключать затраты на гарантийное восстановление КЛ.

Использование токопоисковых труб позволяет сократить стоимость ремонтно-восстановительных работ в случае повреждения кабеля в 17–40 раз, а их длительность в 3–7 раз и не приводит к увеличению капитальных затрат (наличие технологии ОМП в трубах ПротекторФлекс^® не увеличивает их стоимость).

Токопоисковые трубы позволяют предупредить повреждение и выход КЛ из строя в процессе эксплуатации, снизив тем самым затраты на аварийный недоотпуск электроэнергии на 40–103 млн руб.

Применение труб с возможностью ОМП предусмотрено требованиями ГОСТ Р 70751, прошедшего согласование техническим комитетом при Росстандарте ТК 016 «Электроэнергетика» и вступившего в действие с мая 2024 года.

Трубы с возможностью ОМП рекомендованы к применению согласно нормативной документации ПАО «Россети». Для отнесения труб к типу «с возможностью ОМП» ПАО «Россети» разработана методика «Контроль наличия технологии ОМП», включенная в СТО 34.01-2.3.3-037-2020.