Современные решения по устройству транспозиции экранов кабелей

При заземлении экранов однофазных кабелей с двух сторон в экранах неизбежно образуются потери мощности, которые нередко превосходят потери в токопороводящей жиле (ТПЖ) кабеля. И помимо возникновения дополнительных финансовых затрат, которые вынуждена нести эксплуатирующая организация, оплачивая данные потери, последние также приводят к перегреву самого кабеля, его интенсивному термическому старению, а иногда и к плавлению изоляции (если вероятность указанного перегрева не была учтена при выборе сечения ТПЖ кабеля). Одним из эффективных способов борьбы с паразитными потерями в экранах однофазных кабелей является их транспозиция. К сожалению, часто возникающие ошибки при проектировании и сооружении узлов транспозиции могут привести не только к нарушению схемы соединения и заземления экранов кабелей, но и к выходу из строя кабельной линии. О проблемах устройства узлов транспозиции экранов, а также технических решениях, способных свести к минимуму данные проблемы, далее в статье.

ПРОБЛЕМЫ УСТРОЙСТВА УЗЛОВ ТРАНСПОЗИЦИИ

Как известно, для организации транспозиции экранов кабельная линия (КЛ) должна быть разделена на три равных по длине участка, в местах соединения которых экраны перекрестно соединяются между собой (рисунок 1). Данные места называются узлами транспозиции.

Узлы транспозиции, как правило, представляют собой небольшое кабельное сооружение, внутри которого размещается одна или несколько коробок транспозиции. В некоторых европейских странах, а также странах Ближнего Востока коробки транспозиции зачастую размещают в специальных кабельных шкафах или киосках, которые устанавливаются непосредственно на поверхности земли. Данный способ устройства узлов транспозиции удобен тем, что позволяет обеспечить оперативный доступ к размещаемому оборудованию для проведения, например, диагностики коробок транспозиции или испытаний оболочки кабелей, однако с точки зрения вандалозащищенности не всегда является идеальным. В России же узлы транспозиции размещают под землей, устанавливая коробки транспозиции в кабельных колодцах. Этот способ размещения является наиболее совершенным с эстетической точки зрения, так как не нарушает естественного ландшафта в зоне прокладки КЛ и не вызывает интереса у вандалов, поскольку полностью находится под землей. Однако у данного способа сооружения есть существенный недостаток — воздействие грунтовых вод и естественных осадков, которые при отсутствии должной герметичности у колодца приводят к его затоплению и попаданию влаги внутрь коробки транспозиции, нарушая при этом схему соединения экранов.

К сожалению, данная проблема является достаточно распространенной, ведь часто в качестве колодцев для размещения коробок транспозиции используются составные железобетонные изделия (рисунок 2), которые даже при высоком уровне строительных работ не способны обеспечить полную герметичность узла транспозиции. Такие колодцы состоят из состыкованных друг с другом нижней и верхней частей. При этом следует понимать, что вода внутрь таких колодцев попадает не только через стык двух частей колодца, но и через места ввода кабелей транспозиции, а также через негерметичную крышку колодца, которая представляет собой обычный чугунный люк. Как результат, железобетонные колодцы, особенно в период весенних паводков, наполняются водой, исключая возможность выполнения технического обслуживания размещенных в них коробок транспозиции. В итоге эксплуатирующим организациям приходится откачивать воду, что не всегда представляется возможным ввиду постоянно проникающей в колодец воды. Кроме того, наличие воды в колодце создает опасность поражения персонала электрическим током, вплоть до летального исхода (при отсутствии должного уровня сопротивления заземляющего контура, к которому присоединяется корпус металлических коробок транспозиции).

Также наличие воды в колодце может привести к ее проникновению внутрь самой транспозиционной коробки. Классические коробки транспозиции, представленные на рынке, как правило, имеют металлический корпус, герметичность которого обеспечивается за счет фланцевого соединения крышки коробки с ее корпусом (рисунок 3). Проблемой данной конструкции является не сам фланец, а то, что для его надежной фиксации используется множество болтов, расположенных по периметру коробки (у некоторых производителей насчитывается до 50 штук). В связи с этим при подключении кабелей транспозиции или при необходимости отключения ограничителей перенапряжений (ОПН) крышка металлической коробки снимается, а при обратной ее установке болты зачастую либо не докручивают, либо вовсе теряют, что приводит к нарушению герметизации изделия.

Таким образом ввиду неудачно устроенных узлов транспозиции из-за использования составных железобетонных колодцев, а также коробок транспозиции с многоболтовым фланцевым соединением создается риск затопления колодца и попадания внутрь коробки воды, из-за чего происходит нарушение схемы соединения экранов. В результате потери в экранах кабелей, с которыми должна бороться транспозиция, возникают вновь, что неизбежно приводит к перегреву кабеля и, как следствие, его ускоренному термическому старению, сокращая заявленный производителем срок службы, либо же, если потери значительные, — к плавлению изоляции и оболочки кабеля (рисунок 4), а в некоторых случаях даже его возгоранию. При этом стоит отметить, что если КЛ не оборудована системой термомониторинга и мониторинга токов в экранах, то эксплуатирующая организация в течение длительного времени может даже не знать о наличии перегрева и не предпринимать действий по предотвращению нарушения.

НАДЕЖНЫЕ УЗЛЫ ТРАНСПОЗИЦИИ

Внимательно проанализировав проблемы устройства узлов транспозиции, несложно сделать вывод о том, что для выполнения качественной транспозиции экранов кабелей важно применение герметичных колодцев с размещенными внутри коробками, не требующими вскрытия, а в случае необходимости их обслуживания — надежным и простым конструктивом, минимизирующим вероятность нарушения герметичности коробки при ее вскрытии.

Указанные требования были сформулированы ведущей российской сетевой компанией ПАО «Россети», опираясь на накопленный в сетях опыт устройства и эксплуатации узлов транспозиции, после чего эти требования были внесены в положение «О единой технической политике в электросетевом комплексе». Так, в соответствии с этим документом:

• специализированные транспозиционные колодцы для кабельных линий должны быть герметичными, обслуживаемыми и иметь защиту от доступа посторонних лиц (п. 2.6.5.4 [1]);
• должны применяться специализированные герметичные колодцы для кабельных линий из монолитного железобетона или полимерных материалов с возможностью обслуживания, имеющие защиту от доступа посторонних лиц (п. 2.6.6.13 [1]);
• для КЛ 110 кВ и выше, в случае применения схемы заземления экранов с их транспозицией, следует применять коробки (ящики, шкафы) для транспозиции экранов из немагнитного материала, с надежной герметизацией от проникновения влаги, простотой монтажа и возможностью перемонтажа кабелей транспозиции без замены конструктивных элементов; рекомендуется применение конструкции коробок с ОПН, которые можно не отключать на время проведения испытаний оболочки кабеля постоянным напряжением 10 кВ, с размерами коробок, позволяющими их замену без разборки строительных конструкций кабельных сооружений (колодцев); для размещения коробок транспозиции (заземления) преимущественно использовать кабельные сооружения (транспозиционные колодцы) (п. 2.6.5.8. [1]).

Для повышения надежности узлов транспозиции, описанных в технической политике, в российской компании Энерготэк разработали и внедрили несколько инновационных решений. В основе которых лежит использование современных полимерных материалов, которые помимо абсолютной коррозионной стойкости обладают диэлектрическими свойствами, исключающими поражение электрическим током обслуживающего персонала.

Так для размещения коробок транспозиции компания Энерготэк разработала герметичные полимерные колодцы марки ПротекторФлекс^® ПКЭТ-1500 (рисунок 5). Данные колодцы представляют собой изделие заводской готовности с предустановленными кабельными вводами и специальной антивандальной крышкой, обеспечивающей степень защиты от пыли и влаги IP 68. Для выполнения требований пожарной безопасности полимерные колодцы ПротекторФлекс^® ПКЭТ имеют внутренний слой, стойкий к воздействию открытого пламени категории ПВ-0 и не подверженный стиранию или смыванию в ходе эксплуатации, что гарантирует сохранение пожаробезопасных свойств на протяжении всего срока службы колодцев.

Коробки транспозиции производства компании Энерготэк (рисунок 6) имеют ряд принципиальных отличий от изделий большинства других производителей. В основе создания конструктива коробок транспозиции Энерготэк стояла задача минимизировать вероятность нарушения герметичности коробки в ходе ее монтажа и технического обслуживания. Это стало возможным благодаря специально разработанным проходным изоляторам, а также за счет применения новых ОПН, позволяющих проводить испытания оболочек силовых кабелей постоянным напряжением 10 кВ без необходимости их отключения.

Преимущество применения проходных изоляторов заключается в том, что, в отличие от других коробок транспозиции, для подключения кабеля транспозиции коробки Энерготэк не требуют вскрытия корпуса, следовательно, не нарушается заводская сборка изделия и минимизирован риск того, что при обратной установке крышки будут допущены нарушения, способные привести к потере герметичности коробки.

Ограничители перенапряжений, используемые в составе транспозиционных коробок Энерготэк, разработаны таким образом, чтобы обеспечивать эффективную защиту от возможных в ходе эксплуатации перенапряжений, при этом не требуя отключения при испытаниях оболочки кабеля постоянным напряжением 10 кВ, что также позволяет исключить необходимость вскрытия коробки в ходе эксплуатации и технического обслуживания КЛ.

В случае, если вскрытие коробки все же потребуется, к примеру, для испытания изоляции кабеля (когда необходимо изменение схемы соединения экранов), нарушение герметичности коробки Энерготэк сведено к минимуму. В отличие от большинства коробок транспозиции, представленных на рынке, соединение крышки с корпусом у коробок Энерготэк производится не за счет множества болтов, расположенных по периметру фланца (у некоторых производителей насчитывается до 50 штук), а с помощью четырех болтов, размещенных по углам коробки, и, следовательно, минимизирована вероятность недокручивания болтов или их потери.

КОМПАКТНЫЕ УЗЛЫ ТРАНСПОЗИЦИИ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ

Преимущества описанных выше решений неоспоримы, однако важная для развития энергосистемы необходимость в строительстве и реновации КЛ формирует новые задачи, к которым должна быть адаптирована производимая продукция. Так электросетевые компании при строительстве новых КЛ в условиях плотной городской застройки, насыщенной различными коммуникациями, столкнулись с проблемой высокой стесненности, не позволяющей установить даже классические полимерные колодцы диаметром 1,5 м. В результате, в ответ на обращение одной из проектных организаций Санкт-Петербурга, компанией Энерготэк был разработан узел транспозиции нового поколения (рисунок 7), в основу которого легла компактная полимерная капсула. Данный узел представляет собой капсулу (полимерный колодец диаметром 1 метр), внутри которой в условиях заводской сборки установлена обновленная коробка транспозиции с симметрично расположенными с двух сторон проходными изоляторами. Такая конструкция позволяет разместить узел транспозиции непосредственно у поверхности земли, что в отличие от традиционных решений не требует разрытия котлована большой глубины (1 м против 3 м) и диаметра (1,5 м против 3 м). Кроме того, за счет компактного формфактора и приповерхностного расположения техническое обслуживание коробок транспозиции производится непосредственно с поверхности земли без необходимости спуска внутрь колодца. При этом новые узлы транспозиции также обладают всеми необходимыми для надежной и безопасной эксплуатации характеристиками, а именно герметичностью (степень защиты от пыли и влаги IP 68), а также электробезопасным исполнением (диэлектрический корпус капсулы и коробки).

ВОЗМОЖНОСТИ ИНЖИНИРИНГОВОГО ЦЕНТРА ЭНЕРГОТЭК

Необходимость применения той или иной схемы заземления и транспозиции экранов силовых кабелей должна определяться на основании инженерных расчетов и зависит от множества факторов, таких как расстояние между фазами, сечение металлических экранов, электрическое сопротивление грунта, протяженность кабельной линии и ее условия прокладки. Методики расчета и выбора экранов кабелей подробно описаны как в отечественной литературе [2], так и зарубежной [3].

Однако, несмотря на наличие описанных методик в различных технических документах, при проектировании и выборе схем заземления экранов кабелей нередко допускаются ошибки ввиду сложности расчетов, а также отсутствия необходимого опыта у проектировщиков.

Поэтому для упрощения работы специалистов проектных организаций, а также исключения возможных ошибок, компания Энерготэк разработала специализированное программное обеспечение для расчетов эксплуатационных характеристик кабелей и определения необходимой схемы заземления и соединения экранов. Данные программы размещены в свободном доступе на сайте компании и распространяются бесплатно.

Кроме того, в компании успешно функционирует инжиниринговый центр, осуществляющий полный спектр услуг, направленных на повышение качества проектирования и строительства КЛ, в том числе расчеты и выбор схем заземления экранов кабелей. В связи с чем в целях получения помощи при проектировании КЛ специалисты проектных, эксплуатирующих и подрядных организаций могут обращаться в компанию Энерготэк для получения безвозмездной технической поддержки.

Среди основных задач, выполняемых инжиниринговым центром:

• техническое сопровождение и поддержка по проектированию кабельных линий и адаптации решений, выпускаемых компанией;
• проведение механических и электрических расчетов;
• разработка нетиповых технических решений;
• разработка динамических и информационных моделей (BIM);
• разработка специализированного программного обеспечения, а также альбомов проектных решений для проектировщиков;
• обучение по устройству и эксплуатации кабельных линий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Положение ПАО «Россети» «О единой технической политике в электросетевом комплексе» (новая редакция). Приложение 1 к решению Совета директоров ПАО «Россети» (протокол заседания от 02.04.2021 № 450).
2. Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6–500 кВ. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 152 с.
3. Техническая брошюра Cigré Brochure № 283 «Special bonding of HV power cables» («Специальные способы заземления высоковольтных силовых кабелей»).