Токопоисковые трубы ПротекторФлекс^® ОМП — трубы, предупреждающие выходы кабелей из строя

Получившие в последнее время широкое распространение полимерные трубы имеют существенный недостаток — за счет высоких диэлектрических свойств они не позволяют достоверно испытать оболочку кабеля и обнаружить его возможные повреждения. В результате в эксплуатацию могут вводиться кабельные линии с дефектами, способными в дальнейшем привести к пробою и выходу линии из строя. На смену таким трубам пришли токопоисковые трубы — трубы с возможностью определения места повреждения оболочки кабеля, позволяющие своевременно, еще на стадии приемо-сдаточных испытаний, зафиксировать факт повреждения кабеля, предупредив тем самым его выход из строя в ходе эксплуатации.

ПРОБЛЕМА ИСПЫТАНИЙ КАБЕЛЕЙ В ТРУБАХ

Развитие энергосистемы, а также стремление к повышению ее надежности требует модернизации и строительства линий электропередачи. Вновь возводимые кабельные линии в условиях плотной застройки неизбежно пересекают инженерные коммуникации, которыми насыщены городские и промышленные зоны.

Как известно, в соответствии с ПУЭ, а также стандартами крупных российских электросетевых компаний, кабельные линии при пересечении с подземными коммуникациями, проходами под водными преградами, автомобильными и железными дорогами должны прокладываться в трубах.

Сегодня все чаще встречаются проекты, где прокладка кабелей в трубах составляет 60% от длины кабельной трассы, превосходя по расстоянию траншейную прокладку. Более того, существуют кабельные линии, где трубные каналы достигают 90% от протяженности всей линии.

И это вполне обосновано, так как прокладка кабелей в трубах не только обеспечивает защиту кабельных линий при пересечении коммуникаций и позволяет выполнить проходы, которые невозможны стандартным траншейным методом, но также способствует значительному сокращению сроков и стоимости строительных работ.

Согласно данным крупных электросетевых компаний России (рисунок 1), основными причинами выходов кабельных линий из строя являются: нарушение технологии монтажа, воздействие посторонних лиц и строительных организаций, ошибки эксплуатации, заводской брак, природные воздействия. При этом большинство отказов приходится именно на ошибки при монтаже кабельных линий — более 45%.

При нарушении технологии производства работ по прокладке кабельной линии зачастую происходят повреждения внешней оболочки кабеля (рисунок 2). Это могут быть дефекты, вызванные внешними механическими воздействиями, превышением усилий тяжения кабеля, несоблюдением радиусов изгибов и температурных режимов, халатным отношением персонала к выполняемой работе, актами вандализма и т.д.

Сегодня для своевременного обнаружения данных повреждений в соответствии с СТО ПАО «ФСК ЕЭС» [1], а также инструкциями заводов-изготовителей кабелей, после прокладки и монтажа кабельной линии производят испытания оболочки выпрямленным напряжением 10 кВ в течение 1 минуты.

Данные испытания высокоэффективны в случае, когда кабель находится в непосредственном контакте с землей, так как в месте повреждения оболочки ток от испытательной установки беспрепятственно выходит на землю, подтверждая тем самым наличие отклонения.

В случае если кабель проложен в трубе, ситуация складывается иначе. Трубные кабельные каналы, выполненные из обычных полимерных труб, стенки которых имеют высокое электрическое сопротивление, изолируют кабели от земли. И даже серьезные повреждения кабелей, находящихся в таких трубах, не могут быть выявлены при испытании оболочки (рисунок 3).

В результате данные участки кабельной линии остаются неиспытанными, и если их суммарная длина, как отмечено в начале статьи, составляет 60% от всей длины трассы, то кабельная линия вводится в эксплуатацию проверенной менее чем наполовину.

Таким образом, возможные повреждения, находящиеся в трубах, не могут быть своевременно обнаружены, что повышает аварийность кабельной линии и приводит к снижению ее надежности.

Это происходит за счет того, что вода, попавшая в трубу в процессе строительно-монтажных работ, со временем проникает через поврежденную оболочку в изоляцию кабеля, образовывая в ней водные триинги, приводящие в результате к пробою кабеля.

При этом образование водных триингов — достаточно продолжительный процесс и в зависимости от условий, в которых эксплуатируется кабель, может составлять до нескольких лет.

Согласно статистике (рисунок 4), максимум отказов кабельных линий возникает спустя 10 лет эксплуатации. Очевидно, что данные цифры обусловлены в первую очередь старением изоляции, которое, в том числе, связано с наличием в ней влаги.

Стоит отметить, что большинство отказов происходит значительно раньше установленного срока службы кабеля (30 лет), но при этом позже даты окончания гарантии. В связи с чем вышеуказанные проблемы в работе кабельных линий начинают возникать уже в постгарантийный период и ложатся на плечи эксплуатирующих организаций.

ЗАРУБЕЖНАЯ И ОТЕЧЕСТВЕННАЯ ПРАКТИКА

По причине того, что полимерные трубы для прокладки кабелей в России получили свое массовое применение относительно недавно, количество выходов из строя кабельных линий в трубах только начинает расти. Так как обнаружить факт повреждения оболочки кабеля до ввода линии в эксплуатацию в обычных полимерных трубах не представляется возможным, эксплуатирующие организации сталкиваются уже с последствиями данных повреждений — пробоями изоляции кабеля. И для того чтобы найти место повреждения, определить причину пробоя и выявить виновных, электросетевой компании приходится вскрывать трубный участок и методом последовательных приближений искать место пробоя, что подтверждает статья [2]. Это создает высокий риск повреждения кабеля, находящегося в трубе, так как ее вскрытие, как правило, производится с использованием пилы. Кроме того, при значительной длине трубного участка процедура его вскрытия и поиска места повреждения может достигать нескольких суток.

Многие зарубежные электросетевые компании делают выбор в пользу возведения трубных каналов для прокладки кабельных линий по тем же причинам, что и в России:

• организация переходов там, где невозможна траншейная прокладка;
• сокращение сроков и стоимости строительно-монтажных работ.

При этом трубы укладываются как непосредственно в землю и засыпаются песком, так и монтируются в виде кабельных блоков, залитых снаружи бетоном. Однако при всех преимуществах трубной прокладки, ввиду использования диэлектрических труб для ее организации, проблема обнаружения и локализации мест повреждения оболочек кабелей в полимерных трубах также является актуальной и для мировой электроэнергетики.

Так в технической брошюре международного совета по большим электрическим системам высокого напряжения CIGRE «Обнаружение повреждений подземных и морских кабельных линий» [3] отмечено, что:

• определение места повреждения кабелей в полимерных трубах проблематично;
• акустические методы поиска повреждений в трубах неэффективны;
• для поиска повреждений строительные организации вынуждены разрезать трубы;
• наличие полупроводящего/графитового слоя по оболочке кабеля не решает проблему локализации места повреждения.

Полупроводящий слой, опционально наносимый на оболочку кабелей высокого напряжения (110 кВ и более), действительно не способствует определению точного места повреждения в трубном канале. Это связано с тем, что испытательный ток, стекающий на данное покрытие, не способен пройти через диэлектрическую стенку трубы и выходит только по ее торцам. Поэтому для локализации места повреждения кабеля с полупроводящим слоем по оболочке необходимо будет производить откопку всего трубного участка, а после — вскрытие самих труб, что требует значительных финансовых и временных затрат.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ — ТОКОПОИСКОВЫЕ ТРУБЫ

Решением проблемы определения и поиска места повреждения оболочек кабелей, находящихся в трубах, стали специальные токопоисковые трубы ПротекторФлекс^® ОМП, которые активно применяются на объектах строительства с 2019 года и на сегодняшний день уже являются стандартом отрасли.

Трубы нового поколения позволяют определить факт повреждения оболочки кабеля, проложенного в трубе, и точно локализовать его место еще на этапе приемо-сдаточных испытаний, существенно сократив при этом сроки и стоимость ремонтно-восстановительных работ. Это происходит за счет того, что при проведении испытаний оболочки кабеля постоянным напряжением 10 кВ токопоисковые трубы ПротекторФлекс^® ОМП не препятствуют выходу испытательного тока через повреждение оболочки и далее через стенку трубы в окружающий грунт вне зависимости от глубины залегания линии.

Данный результат достигается за счет снижения электрического сопротивления стенки трубы, что позволяет обеспечить необходимую точность поиска места повреждения.

В результате при испытании оболочки кабеля токи утечки, стекающие через стенку трубы в землю, имеют максимальные значения, выдаваемые установкой, а испытательное напряжение, как правило, не достигает нормируемой величины 10 кВ.

Токопоисковая труба эффективно позволяет обнаружить место пробоя оболочки кабеля даже в случае, когда повреждение не находится в прямом контакте с внутренней поверхностью трубы. Это обусловлено тем, что в условиях высокой влажности, наличия на оболочке кабеля загрязнений и остатков смазки для протяжки, а также конденсата внутри трубы, величины испытательного напряжения 10 кВ достаточно для возникновения поверхностного разряда, выходящего с места пробоя оболочки на внутреннюю поверхность трубы.

Стоит отметить, что, помимо вышеизложенных преимуществ, трубы нового поколения ПротекторФлекс^® ОМП сохранили все физико-механические и эксплуатационные свойства, устанавливаемые отраслевыми стандартами к термостойким трубам для прокладки кабелей.

Токопоисковые трубы зарекомендовали себя как эффективный инструмент повышения надежности кабельных линий, прокладываемых в трубах. Данная разработка прошла аттестацию ПАО «Россети», а также ряд исследовательских и натурных испытаний, в том числе независимыми организациями: ПАО «ФИЦ», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ), ПАО «Россети Ленэнерго», ПАО «Сахалинэнерго» и др. На основании чего рекомендации о применении токопоисковых труб как прогрессивного технического решения были включены в ряд стандартов ПАО «Россети», а также в ГОСТ [4].

Более того, экспертами ПАО «Россети» с целью аттестации данных труб, а также исключения поставок фальсификата на объекты строительства были разработаны все необходимые методы испытаний и входного контроля токопоисковых труб, а также параметры, характеризующие токопоисковые трубы.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТОКОПОИСКОВЫХ ТРУБ

Для оценки экономической эффективности применения токопоисковых труб было произведено сравнение затрат на ремонтно-восстановительные работы по устранению повреждения кабеля в токопоисковой и обычной полимерной трубе (рисунки 6 и 7). Анализ проводился для кабеля номинальным напряжением 110 кВ, проложенного в трубном канале длиной 200 м и имеющего повреждение наружной оболочки.

По причине того, что обычные полимерные трубы не позволяют обнаружить повреждение оболочки кабеля до ввода линии в эксплуатацию, ремонтно-восстановительные работы в этом случае будут проводиться спустя несколько лет работы КЛ, когда через повреждение оболочки в изоляцию проникнет влага и приведет к пробою кабеля. В этой связи ремонт будет проводиться путем установки кабельной вставки или замены кабеля на всем трубном участке (черный и серый столбцы на рисунках 6 и 7).

При этом в случае установки кабельной вставки работы будут включать:

• электрические испытания оболочки;
• откопку и вскрытие всей длины трубного участка;
• визуальный поиск места повреждения;
• монтаж кабельной вставки (20 м);
• монтаж соединительных муфт (2 шт.);
• восстановление трубного участка;
• обратную засыпку вскрытых участков и повторные испытаний оболочки кабеля.

Продолжительность ремонтных работ методом установки кабельной вставки составит около 18 дней. Данные сроки не включают в себя процедуру согласований с системным оператором, а также землепользователями.

Замена кабеля на всем трубном участке (ввиду того, что не требует вскрытия труб) по продолжительности не превысит 7 дней. Работы будут состоять из откопки котлованов на торцах трубного участка, замены поврежденного кабеля или затяжки кабеля длиной 200 метров в резервную трубу, монтажа двух соединительных муфт и проведения испытаний. Однако за счет высокой стоимости необходимого оборудования (кабель — 200 м, соединительные муфты — 2 шт.) данный вид работ будет самым дорогим.

Так как токопоисковые трубы позволяют обнаружить и точно локализовать место повреждения оболочки еще до ввода кабеля в эксплуатацию, то в случае прокладки кабелей в данных трубах проведение ремонтных работ не будет требовать отключения линии и вызывать простой в работе оборудования. А восстановление оболочки кабеля за счет своевременного обнаружения дефекта будет проводиться путем установки термоусаживаемой манжеты (красный столбец на рисунках 6 и 7). 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.

Стоит отметить, что описанный принцип ремонтно-восстановительных работ и экономическая эффективность от применения специальных токопоисковых труб аналогичны для КЛ среднего напряжения. А с учетом того, что стоимость токопоисковых труб ПротекторФлекс^® ОМП соответствует стоимости нетокопоисковых термостойких труб производства Энерготэк, применение труб нового поколения позволит не только сократить эксплуатационные затраты, но и не приведет к увеличению стоимости строительства объекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Благодаря возможностям, которые открывают токопоисковые трубы (определить и локализовать место повреждения кабеля), применение данных труб позволяет электросетевым компаниям произвести своевременный ремонт кабеля еще на этапе строительства, предупредив тем самым вероятный выход кабельной линии из строя в процессе эксплуатации, а также сократить объем ремонтно-восстановительных работ и снизить перерывы в работе линии.

Согласно проекту Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года, а также Концепции «Цифровая трансформация 2030», разработанной во исполнение указа Президента Российской Федерации Путина В.В. от 09.05.2017 № 203, одними из ключевых задач данных документов являются повышение надежности электроснабжения потребителей, а также оптимизация операционных и капитальных затрат.

Учитывая изложенное, трубы нового поколения строго соответствуют данной концепции, обеспечивая как повышение надежности кабельных линий путем улучшения качества приемосдаточных испытаний, так и оптимизацию эксплуатационных затрат за счет возможности проведения оперативных работ по восстановлению работоспособности ЛЭП.

Таким образом, переход от обычных термостойких труб к специальным токопоисковым — это еще один шаг к выполнению задач, установленных Минэнерго РФ и ПАО «Россети».

ЛИТЕРАТУРА

1. СТО 56947007-29.060.20.071-2011. Силовые кабельные линии напряжением 110–500 кВ. Условия создания. Нормы и требования. Стандарт ОАО «ФСК ЕЭС», 2011. URL: https://rosseti.ru/upload/iblock/0c5/ti5ojv9ry0pg9c6nh3cfvkvpp8u11 93s.pdf.
2. Дмитриев М.В. Испытания кабелей 6–500 кВ в полимерных трубах // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2019, № 4(55). С. 82–86.
3. Fault location on land and submarine links (AC & DC). CIGRE. Technical Brochure No 773, September 2019, 152 p.
4. ГОСТ Р 70751-2023. Трубы термостойкие полимерные для прокладки силовых кабелей напряжением от 1 до 500 кВ. Общие технические условия. URL: https://docs.cntd.ru/document/1301694696.