Термическая стойкость кабельных линий 6–500 кВ. Требования к полиэтиленовым трубам

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2014, www.kabel-news.ru

Тема номера

ÏÐÎÊËÀÄÊÀ ÊË

ВВЕДЕНИЕ

Линии с однофазными кабелями с изоляцией из

сшитого полиэтилена (СПЭ) находят широкое при-
менение в сетях всех классов напряжения — от 6
до 500 кВ. Монтаж таких линий осуществляется
различными способами, один их которых — про-
кладка линий в так называемых проколах. После
выполнения прокола грунта в него помещаются
трубы, в которые затягиваются фазы кабельной
линии.

Первые проколы в России выполнялись главным

образом под дорогами и площадями, т.е. там, где
ведение открытых земляных работ было сопряже-
но с рядом трудностей. Поскольку протяжённость
проколов была небольшой, то в качестве труб для
прокладки кабелей можно было использовать, на-
пример, асбоцементные трубы, обладающие доста-
точной механической прочностью и термостойко-
стью во всех возможных температурных режимах.

По мере роста объёмов строительства кабельных

линий стала появляться потребность в протяжённых
проколах, где по понятным причинам применение
асбоцементных труб уже было невозможно — ведь
эти трубы не гнутся, имеют большой вес и трение о
грунт. Тогда для прокладки кабельных линий было
опробовано применение метода горизонтально на-
правленного бурения (ГНБ) с использованием по-
лиэтиленовых труб холодного водоснабжения, вы-
полненных из полиэтилена низкого давления (ПНД).
Такие трубы недорого стоят, гладкие и лёгкие, обла-
дают необходимой гибкостью, легко и быстро свари-
ваются друг с другом для образования протяжённых
однородных участков.

Постепенное удешевление технологии ГНБ, а

также широкое использование недорогих ПНД-труб
привели к тому, что такому способу монтажа кабе-
лей отдают предпочтение даже тогда, когда кабель
можно было бы без особых помех для ежедневной
жизни городов проложить обычным способом при
помощи открытых земляных работ. В результате
этой тенденции доля линий, имеющих протяжённые
проколы, постоянно растёт, и уже, например, извест-
ны кабельные линии, трасса которых почти полно-
стью проходит в ПНД-трубах.

К сожалению, как выяснилось, ПНД-трубы пред-

назначены для работы в диапазоне температур до
40

С, что меньше температуры 90

С, характерной

для нормального режима кабельных линий с изо-
ляцией из сшитого полиэтилена, и существенно
меньше тех температур, которые возникают при ко-
ротких замыканиях в кабеле или во внешней сети.
Из-за недостаточной термостойкости ПНД-труб
существует риск их критической деформации и/
или сплавления с оболочкой кабеля, что исключа-
ет возможность извлечения кабеля из ПНД-трубы с
целью его ремонта или замены.

Отмеченные недостатки ПНД-труб, по сути, вы-

зывают недоиспользование возможностей дорого-
стоящих кабельных линий 6—500 кВ и высокотех-
нологичного современного ГНБ-метода. Поэтому
в последнее время для организации проколов всё
чаще стали использовать термостойкие трубы
ProTectorFlex из специальной полимерной компози-
ции, имеющие ряд важных преимуществ над ПНД-
трубами, одно из которых — повышенная длительно
допустимая температура.

Термическая стойкость
кабельных линий 6—500 кВ.
Требования к
полиэтиленовым трубам

Михаил ДМИТРИЕВ, заместитель генерального директора по научной работе

ПКБ «РосЭнергоМонтаж», г. Санкт-Петербург, к.т.н.

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2014, www.kabel-news.ru

Тема номера

ÏÐÎÊËÀÄÊÀ ÊË

Рассмотрим подробнее последствия массового

применения ГНБ-технологии и ПНД-труб для кабель-
ных линий 6—500 кВ с изоляцией из сшитого поли-
этилена.

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ,

ПРОЛОЖЕННОЙ В ТРУБАХ

На рис. 1а показана принципиальная конструк-

ция однофазного кабеля 6—500 кВ, имеющего
жилу, изоляцию, медный экран, требующий зазем-
ления, а также оболочку (для защиты кабеля от по-
падания воды). На рис. 1б схематично изображена
фаза кабельной линии, проложенная в заполнен-
ной воздухом полиэтиленовой трубе, размещённой
в грунте.

При увеличении длин участков кабельной линии,

прокладываемых в трубах, будет постепенно ухуд-
шаться её охлаждение, а значит, снижаться про-
пускная способность кабеля, которая определяется
исходя из недопустимости длительного перегрева
изоляции из сшитого полиэтилена сверх 90

С [1].

Так, на рис. 2а показано, что охлаждение кабеля

в короткой трубе происходит не только за счёт отво-
да тепла в грунт в радиальном направлении, но и ча-
стично в аксиальном направлении — вдоль оси ка-
беля. За счёт этого пропускная способность кабеля
снижается незначительно (на 5—10%) по сравнению
со случаем, когда кабель был бы проложен в откры-
том грунте без применения трубы.

На рис. 2б при увеличении длины трубы становит-

ся ясно, что средний участок кабеля теряет возмож-
ность охлаждаться в аксиальном направлении, т.е.
будет иметь повышенную температуру, из-за чего
пропускная способность кабеля снижается заметнее
(на 10—20%).

К сожалению, в ряде случаев на стадии проекти-

рования неверный тепловой расчёт линии приводит
к завышению ожидаемой пропускной способности
кабеля по сравнению с реальной. По этой причине
при последующей эксплуатации может происходить
перегрев кабеля, особенно на трубных участках [2].

Кроме негативных последствий для
изоляции самого кабеля проблемы мо-
гут возникнуть и у трубы.

Если полиэтиленовая труба, в ко-

торой проложен кабель, не является
в достаточной степени термостойкой,
то под действием температуры кабеля
она может потерять свою механиче-
скую прочность и деформироваться,
сблизившись с проложенным в ней
кабелем (рис. 2в). Также возможна
ситуация, когда труба не потеряет
кольцевую жёсткость, но несколько
размягчится (особенно внутренний
слой) и прилипнет к оболочке кабеля.

В любом случае извлечение кабеля из трубы при
возникновении такой необходимости окажется не-
возможным.

Одним из способов снижения температуры изо-

ляции кабельной линии 6—500 кВ и повышения её
пропускной способности является борьба с паразит-
ными токами и потерями мощности в экранах кабе-
ля, наводимыми рабочими токами жил. Эти потери
существуют при простом двустороннем заземлении
экранов (рис. 3а), но в схемах рис. 3б и 3в они от-
сутствуют [3]. Таким образом, для кабельных линий,
имеющих длинные трубные участки, важным явля-
ется применение:
• термостойких

труб;

• схем заземления без потерь мощности в экранах.

Рис. 1. Конструкция однофазного кабеля 6—500 кВ

с изоляцией из сшитого полиэтилена (а) и кабель,

проложенный в полиэтиленовой трубе в грунте (б)

Рис. 2. Отвод тепла от кабельной линии,

проложенной в трубе

а) — короткий трубный участок;
б) — длинный трубный участок;
в) — деформация длинной трубы в её средней части.

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2014, www.kabel-news.ru

ПОИСК ПОВРЕЖДЕНИЙ КАБЕЛЬНОЙ

ЛИНИИ, ПРОЛОЖЕННОЙ В ТРУБАХ

Повреждения однофазных кабелей можно услов-

но разделить на повреждения основной изоляции и
повреждения оболочки.

Если говорить об основной изоляции, то её по-

вреждения практически всегда приходятся на кон-
цевые или соединительные муфты и связаны с ка-
чеством муфт и их монтажом. Поскольку кабельные
муфты обустраиваются вне трубных участков, то
наличие проколов не изменяет условий поиска по-
вреждений изоляции и её ремонта.

Если говорить об оболочке кабеля, то её повреж-

дения случаются гораздо чаще, чем у главной изо-
ляции, и могут происходить в любом месте линии,
в том числе и на трубных участках. Нарушение це-
лостности оболочки, как правило, связано или с не-
брежным монтажом, или с внешними воздействиями
в процессе эксплуатации (земляные работы рядом с
линией, просадки грунта и др.). Например, во вре-
мя монтажа кабель затягивали в трубу и при этом

серьёзно поцарапали его оболочку — один из воз-
можных случаев, когда повреждение оболочки ока-
жется на участке внутри трубы.

Нормативные документы предписывают перио-

дические испытания оболочки однофазных кабелей
6—500 кВ постоянным напряжением 10 кВ в течение
1 (10) минут. При сильном повреждении оболочка не
выдержит таких испытаний, место её повреждения
придётся искать и ремонтировать.

Существующие приборы позволяют определить

место повреждения оболочки кабельной линии,
проложенной в открытом грунте. Однако если по-
вреждение будет на трубном участке, то найти его
точное местоположение в трубе уже не получится.
Дело в том, что полиэтиленовая труба изолирует ка-
бель от окружающего грунта и выход тока с экра-
на через повреждённую оболочку в грунт возможен
только по концам трубы. Приборы зафиксируют на-
личие процессов по концам трубы, но где именно
в трубе повреждена оболочка кабеля, определить
не удастся.

Поскольку нет гарантий, что в трубе отсутству-

ет влага, способная проникнуть в кабель через по-
вреждённую оболочку, то место повреждения надо
оперативно обнаружить и оболочку восстановить.
Увы, единственная возможность выполнить такое —
это обрезать кабель по концам трубного участка,
извлечь его из трубы, найти место повреждения,
исправить, а затем вновь поместить в трубу и по-
ставить по концам трубного участка внеплановые
соединительные муфты. Однако даже при желании и
готовности выполнить столь сложный ремонт он мо-
жет не состояться по причине невозможности извле-
чения кабеля из ПНД-трубы из-за её деформации и/
или слипания с оболочкой.

РЕМОНТ ИЛИ ЗАМЕНА КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ,

ПРОЛОЖЕННОЙ В ТРУБАХ

Технология ГНБ является удобной на стадии мон-

тажа кабельных линий, но было бы неплохо сполна
пользоваться её преимуществами ещё и на протя-
жении последующей эксплуатации линии. Иными
словами, в случае необходимости всегда должна
быть возможность извлечения кабеля из трубы.

Для того чтобы беспрепятственно извлечь кабель

из трубы, должны быть выполнены три важных ус-
ловия:
• труба не должна быть деформирована из-за не-

расчётных температурных режимов, в которые
она могла попасть в процессе эксплуатации ли-
нии;

• труба не должна слипаться с кабелем;
• труба не должна быть заилена из-за плохой гер-

метизации своих концов.
Строго говоря, при прокладке наиболее ответ-

ственных линий с однофазными кабелями в допол-

Тема номера

ÏÐÎÊËÀÄÊÀ ÊË

а) — заземление экранов с двух сторон;
б) — заземление экранов с одной стороны;
в) — транспозиция экранов.

Рис. 3. Основные схемы соединения и

заземления экранов однофазных кабелей

6—500 кВ

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2014, www.kabel-news.ru

нение к трём фазным трубам мож-
но предусмотреть ещё одну трубу
(рис. 4б), выполняющую роль ре-
зервной, на тот случай, если что-
то случится с кабелем в одной из
трёх фазных труб и его будет от-
туда не извлечь. Однако возмож-
но представить ситуацию, когда
за 30—40 лет эксплуатации линии
её ремонт потребуется, скажем,
дважды и одной резервной трубы
будет уже недостаточно.

Очевидно, что имеет смысл

максимально использовать воз-
можности каждой из фазных труб,
а к резервной прибегать в самых
экстренных случаях. Для этого
следует признать важность выполнения назван-
ных выше условий: труба должна быть термостой-
кой (механически прочной, нелипкой), концы трубы
должны быть закрыты.

Если говорить о герметизации концов трубы как

способе препятствовать попаданию внутрь трубы
грунта и грунтовых вод, то эту задачу решить не-
сложно. Наиболее трудными задачами являются
обеспечение гарантий отсутствия кольцевой дефор-
мации трубы и её слипания с проложенным кабелем.

НЕДОСТАТКИ ТРУБ ХОЛОДНОГО

ВОДОСНАБЖЕНИЯ ТИПА ПНД

В настоящее время при прокладке кабельных

линий методом ГНБ используются трубы из поли-
этилена низкого давления (ПНД). Эти трубы, по сути,
являются трубами холодного водоснабжения и по
ГОСТ 18599-2001 предназначены для длительной
работы в температурном диапазоне до 40

С, а тем-

пература их плавления составляет всего 132—135

[4]. Вместе с тем известно, что температура кабель-
ной линии с однофазными кабелями с изоляцией из
сшитого полиэтилена в нормальном режиме может
достигать 90

С. Кроме того, в ряде случаев темпера-

тура линии может превосходить 90

С, например, это

возможно при перегрузках. Или же это возможно в
случаях, когда реальная пропускная способность ка-
беля оказалась меньше тех значений, которые тре-
буются потребителю, по одной из причин:
• неверно выполнен тепловой расчёт (в него зало-

жено заниженное значение теплового сопротив-
ления грунта, не учтено тепловое сопротивление
трубы и воздуха, который её заполняет; другие
возможные ошибки);

• неверно выбрана схема заземления экранов ка-

бельной линии (применена схема рис. 3а вместо
оптимальных схем рис. 3б и 3в).
Ещё одним случаем разогрева кабельной линии

сверх 90

С являются короткие замыкания как во

внешней по отношению к кабелю сети, так и в са-
мом кабеле.

Если говорить о внешних коротких замыканиях,

то их подпитка по жилам кабеля является дополни-
тельным источником нагрева как самого кабеля, так
и трубы, в которой он проложен. Например, если в
смешанной сети, содержащей и кабельные линии, и
воздушные линии (ВЛ), короткое замыкание было на
ВЛ и за небольшой интервал времени на ВЛ много-
кратно запускался цикл автоматического повторного
включения (АПВ), очевидно, что при некоторых схе-
мах сети кабель будет обтекаться сквозными токами
короткого замыкания и окажется нагрет сверх 90

С,

а процесс его остывания до исходных 90

С займёт

от десятков минут до нескольких часов (постоянная
времени нагрева/охлаждения кабеля именно такова
и связана с инерционностью тепловых процессов в
грунте).

Если говорить о внутренних коротких замыкани-

ях, то здесь ток короткого замыкания сети проходит
по жиле кабеля через место повреждения изоляции
в экран и далее в его заземляющие устройства. При
этом температура жилы может достигать 250

С, а

экрана — до 350

С [1]. После быстрого (за время

короткого замыкания) нагрева жилы и экрана то-
ком короткого замыкания до указанных температур
жила и экран отдают своё тепло изоляции кабеля и
его оболочке, а их конечная температура будет за-
висеть от теплоёмкости изоляции и оболочки.

Согласно расчётам, если температура жилы

и экрана выходит на предельные значения 250 и
350

С соответственно, то такого тепловыделения в

кабеле хватит на то, чтобы равномерно прогреть его
изоляцию и оболочку до 140—160

С. Конкретные

значения конечной температуры зависят от многих
факторов, в том числе от сечения жилы и экрана
кабеля, от класса номинального напряжения кабеля
(от объёма изоляции). Прогрев изоляции и оболочки
происходит не позднее нескольких десятков минут с

Тема номера

ÏÐÎÊËÀÄÊÀ ÊË

Рис. 4. Кабельная линия 6—500 кВ с однофазными кабелями,

проложенными в трубах без резервной трубы (а) и с ней (б)

Page 6

«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2014, www.kabel-news.ru

момента короткого замыкания и отключения кабеля
от сети релейной защитой, а вот охлаждение кабеля
до температуры окружающего грунта (около 15

С)

будет происходить медленно — вплоть до несколь-
ких суток (из-за инерции грунта).

Поскольку температура плавления ПНД-трубы

составляет всего 132—135

С (а температура раз-

мягчения ещё меньше), то следует ожидать дефор-
мации трубы и/или её прилипания к оболочке кабеля
и в нормальном режиме работы линии, и при пере-
грузках, и при внешних по отношению к кабелю ко-
ротких замыканиях, и особенно при внутренних по-
вреждениях самой линии.

Деформация ПНД-трубы и/или её слипание с обо-

лочкой сделают невозможным извлечение кабельной
линии из трубы с целью её ремонта или замены —
потребуется или использование единственной ре-
зервной трубы (если она была предусмотрена), или
длительная и дорогостоящая организация ново-
го прокола под аварийную фазу, а также закупка
однофазного кабеля необходимой длины. К слову
сказать, заказ кабеля, его изготовление и достав-
ка к месту монтажа могут занять до нескольких
месяцев.

Результаты некоторых предварительных лабора-

торных исследований ПНД-труб в условиях воздей-
ствия на них температур, характерных для кабель-
ных линий с однофазными кабелями с изоляцией из
сшитого полиэтилена, представлены на рис. 5, 6, 7.
Зафиксированные здесь деформация трубы и её
прилипание к оболочке кабеля делают невозможным
извлечение кабеля из трубы в случае возникновения
такой необходимости, что увеличивает расходы экс-
плуатирующей организации на ремонт кабельной
линии, или, иными словами, приводит к недоисполь-
зованию всех возможностей
как технологии ГНБ, так и
самих кабельных линий.

Оболочка кабеля изго-

тавливается из полиэтиле-
на низкого давления. Одна-
ко в отличие от ПНД-труб
оболочка делается не из
обычного ПНД, а из специ-
альных кабельных марок
полиэтиленов с присадками
и антипиренами. Поэтому
оболочка кабеля имеет бо-
лее высокую температуру
размягчения и плавления,
т.е. в слипании кабеля с тру-
бой виновата именно ПНД-
труба, а не оболочка кабеля.

Если в силу каких-то

исключительных обсто-
ятельств короткое за-

мыкание в кабельной линии всё же пришлось
на прокол, то тогда температура кабеля и трубы
в месте короткого замыкания может достигать
очень высоких значений в тысячи градусов, ко-
торые не сможет выдержать не только любая по-
лиэтиленовая, но даже и металлическая труба.
В этом случае обеспечить целостность трубы и от-
сутствие её слипания с кабелем будет уже невоз-
можно. Однако тут, повторимся, следует отметить,
что согласно опыту эксплуатации по понятным при-
чинам подавляющее большинство повреждений
изоляции кабелей 6—500 кВ приходится на соеди-
нительные или концевые муфты или же на участки с
прокладкой кабелей в открытом грунте, не имеющих
защиты лотками или трубами. Заметим также, что
защита кабеля, проложенного в трубе, происходит
не из-за самой трубы, а из-за того, что при ГНБ-
прокладке труба оказывается заложенной на боль-
шой глубине (до 3 м и даже более), что исключает
её повреждение сторонними организациями при вы-
полнении земляных работ.

Учитывая изложенное, короткое замыкание в ка-

беле на трубном участке следует считать практиче-
ски маловероятным и не принимать его в качестве
расчётного случая. Основное внимание надо сосре-
доточить на работе трубы в нормальном режиме с
учётом возможных перегрузок и при прохождении
по жилам и экранам токов короткого замыкания,
место которого лежит за пределами трубного
участка.

Как показали исследования, ПНД-трубы, выпол-

ненные по ГОСТ 18599-2001, не годятся для про-
кладки кабелей 6—500 кВ с изоляцией из сшитого
полиэтилена, поскольку рассчитаны на работу при
температурах до 40

С.

Тема номера

ÏÐÎÊËÀÄÊÀ ÊË

Рис. 5. Перегрев ПНД-трубы и её деформация

Page 7

«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2014, www.kabel-news.ru

Тема номера

ÏÐÎÊËÀÄÊÀ ÊË

ТРЕБОВАНИЯ К ТРУБАМ ДЛЯ

ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЬНЫХ

ЛИНИЙ

Перечисленные особенности про-

тяжённых трубных участков трассы
кабеля, а также свойства ПНД-труб
заставляют серьёзно задуматься о
требованиях к трубным участкам и
применяемым на них трубам.

Главным специфическим требо-

ванием к трубам, которые можно ис-
пользовать для прокладки кабельных
линий, является их термостойкость в
различных режимах работы КЛ, кото-
рая заключается в том, что трубы не
должны терять кольцевой жёсткости
и прилипать к кабелям.

Для кабельных линий 6—500 кВ с

изоляцией из сшитого полиэтилена
трубы должны быть термостойкими,
во-первых, при характерных для дли-
тельного нормального режима тем-
пературах до 90

С. Во-вторых, при

температурах до 150

С (и более), свя-

занных с перегревом кабеля токами
короткого замыкания или с возмож-
ными ошибками в проектировании
кабельных линий (неверный тепловой
расчёт, неверная схема заземления
экранов, неверный учёт перегрузок).

Кроме того, трубы должны обла-

дать характеристиками, которые по-
зволили бы беспрепятственно монти-
ровать их с применением технологии
ГНБ:
• труба должна быть в достаточной

степени гибкой;

• труба должна подвергаться кон-

тактной сварке для организации
сплошных проколов большой длины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПНД-труба является трубой холодного водоснаб-

жения и предназначена для длительной работы в диа-
пазоне температур до 40

С, что существенно меньше

тех значений температур, которые характерны в раз-
личных режимах работы линий 6–500 кВ с однофаз-
ными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Поэтому целесообразно приостановить применение
ПНД-труб для прокладки силовых кабелей 6–500 кВ
и использовать термостойкие трубы.

Прокладку кабельных линий классов номи-

нального напряжения от 6 до 500 кВ рекомендует-
ся производить не в ПНД-трубах, а в трубах типа
ProTectorFlex из полимерной композиции высокой
термостойкости.

Рис. 6. Деформация ПНД-трубы и защемление проложенного в

ней однофазного кабеля

Рис. 7. Прилипание ПНД-трубы к поверхности оболочки

однофазного кабеля

ЛИТЕРАТУРА

1. СТО 56947007-29.060.20.071-2011 «Силовые ка-

бельные линии напряжением 110—500 кВ. Ус-
ловия создания. Нормы и требования» (Москва,
ОАО «ФСК ЕЭС», 2011).

2. Титков В.В., Дудкин С.М. Влияние способов про-

кладки на температурный режим кабельных ли-
ний 6—10 кВ и выше //«Новости Электротехни-
ки», № 3 (75), 2012 г.

3. СТО 56947007-29.060.20.103-2011 «Силовые ка-

бели. Методика расчёта устройств заземления
экранов, защиты от перенапряжений изоляции
силовых кабелей на напряжение 110—500 кВ с
изоляцией из сшитого полиэтилена» (Москва,
ОАО «ФСК ЕЭС», 2011).

4. ГОСТ 18599-2001 «Трубы напорные из полиэти-

лена. Технические условия».

Оригинал статьи: Термическая стойкость кабельных линий 6–500 кВ. Требования к полиэтиленовым трубам

Читать онлайн

Линии с однофазными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) находят широкое применение в сетях всех классов напряжения – от 6 до 500 кВ. Монтаж таких линий осуществляется различными способами, один их которых – прокладка линий в так называемых проколах. После выполнения прокола грунта в него помещаются трубы, в которые далее затягиваются фазы кабельной линии.