Требования к полиэтиленовым трубам для прокладки кабельных линий 6–500 кВ

Page 1

Page 2

108

XX заседание Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

ДМИТРИЕВ М.В.,

к.т.н., заместитель генерального директора по научной работе

ПКБ «РосЭнергоМонтаж», г. Санкт-Петербург

ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛИЭТИЛЕНОВЫМ ТРУБАМ
ДЛЯ ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЬНЫХ
ЛИНИЙ 6–500 КВ

ВВЕДЕНИЕ

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 осуществля-
ется различными способами, один их которых
— прокладка линий в так называемых проколах.
После выполнения прокола грунта в него поме-
щаются трубы, в которые затягиваются фазы
кабельной линии.

Первые проколы в России выполнялись глав-

ным образом под дорогами и площадями, т.е.
там, где ведение открытых земляных работ
было сопряжено с рядом трудностей. Поскольку
протяжённость проколов была небольшой, то в
качестве труб для прокладки кабелей можно
было использовать, например, асбоцементные
трубы, обладающие достаточной механической
прочностью и термостойкостью во всех возмож-
ных температурных режимах.

По мере роста объёмов строительства

кабельных линий стала появляться потреб-
ность 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 направлен-
ного бурения (ГНБ) с использованием поли-
этиленовых труб холодного водоснабжения,
выполненных из полиэтилена низкого давления
(ПНД). Такие трубы недорого стоят, гладкие
и лёгкие, обладают необходимой гибкостью,
легко и быстро свариваются друг с другом для
образования протяжённых однородных участ-
ков.

Постепенное удешевление технологии ГНБ,

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

К сожалению, как выяснилось, ПНД-трубы

предназначены для работы в диапазоне

Page 3

109

2–4 июня 2014 г., Нижний Новгород

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

) — короткий трубный участок;

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

температур до 40

С, что меньше температуры

С, характерной для нормального режима

кабельных линий с изоляцией из сшитого поли-
этилена, и существенно меньше тех температур,
которые возникают при коротких замыканиях в
кабеле или во внешней сети. Из-за недостаточ-
ной термостойкости ПНД-труб существует риск
их критической деформации и/или сплавления с
оболочкой кабеля, что исключает возможность
извлечения кабеля из ПНД-трубы с целью его
ремонта или замены.

Отмеченные недостатки ПНД-труб, по

сути, вызывают недоиспользование возмож-
ностей дорогостоящих кабельных линий
6—500 кВ и высокотехнологичного современно-
го ГНБ-метода. Поэтому в последнее время для
организации проколов всё чаще стали использо-
вать термостойкие трубы ProTectorFlex из специ-
альной полимерной композиции, имеющие ряд
важных преимуществ над ПНД-трубами, одно из
которых — повышенная длительно допустимая
температура.

Рассмотрим подробнее последствия массо-

вого применения ГНБ-технологии и ПНД-труб
для кабельных линий 6—500 кВ с изоляцией из
сшитого полиэтилена.

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
заземления, а также оболочку (для защиты кабе-
ля от попадания воды). На рис. 1б схематично
изображена фаза кабельной линии, проложен-
ная в заполненной воздухом полиэтиленовой
трубе, размещённой в грунте.

При увеличении длин участ-

ков кабельной линии, прокла-
дываемых в трубах, будет
постепенно ухудшаться её
охлаждение, а значит, снижать-
ся пропускная способность
кабеля, которая определяется
исходя из недопустимости
длительного перегрева изоля-
ции из сшитого полиэтилена
сверх 90

С [1].

Так, на рис. 2а показано, что

охлаждение кабеля в короткой
трубе происходит не только за

счёт отвода тепла в грунт в радиальном направ-
лении, но и частично в аксиальном направлении
— вдоль оси кабеля. За счёт этого пропускная
способность кабеля снижается незначительно
(на 5—10%) по сравнению со случаем, когда
кабель был бы проложен в открытом грунте без
применения трубы.

На рис. 2б при увеличении длины трубы

становится ясно, что средний участок кабеля
теряет возможность охлаждаться в аксиальном
направлении, т.е. будет иметь повышенную

Page 4

110

XX заседание Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

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

температуру, из-за чего пропускная способность
кабеля снижается заметнее (на 10—20%).

К сожалению, в ряде случаев на стадии проек-

тирования 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 послед-
ствий для изоляции самого кабеля проблемы
могут возникнуть и у трубы.

Если полиэтиленовая труба, в которой проло-

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

оболочке кабеля. В любом случае извлечение
кабеля из трубы при возникновении такой необ-
ходимости окажется невозможным.

Одним из способов снижения температуры

изоляции кабельной линии 6—500 кВ и повыше-
ния её пропускной способности является борьба
с паразитными токами и потерями мощности в
экранах кабеля, наводимыми рабочими тока-
ми жил. Эти потери существуют при простом
двустороннем заземлении экранов (рис. 3а), но
в схемах рис. 3б и 3в они отсутствуют [3]. Таким
образом, для кабельных линий, имеющих длин-
ные трубные участки, важным является приме-
нение:
• термостойких труб;
• схем заземления без потерь мощности в экра-

нах.

ПОИСК ПОВРЕЖДЕНИЙ

КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ, ПРОЛОЖЕННОЙ

В ТРУБАХ

Повреждения однофазных кабелей можно

условно разделить на повреждения основной
изоляции и повреждения оболочки.

Если говорить об основной изоляции, то её

повреждения практически всегда приходятся на
концевые или соединительные муфты и связаны
с качеством муфт и их монтажом. Поскольку
кабельные муфты обустраиваются вне трубных
участков, то наличие проколов не изменяет усло-
вий поиска повреждений изоляции и её ремонта.

Если говорить об оболочке кабеля, то её

повреждения случаются гораздо чаще, чем у
главной изоляции, и могут происходить в любом
месте линии, в том числе и на трубных участках.
Нарушение целостности оболочки, как прави-
ло, связано или с небрежным монтажом, или с
внешними воздействиями в процессе эксплуата-
ции (земляные работы рядом с линией, просад-
ки грунта и др.). Например, во время монтажа
кабель затягивали в трубу и при этом серьёзно
поцарапали его оболочку — один из возможных
случаев, когда повреждение оболочки окажется
на участке внутри трубы.

Нормативные документы предписывают пери-

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

Page 5

111

2–4 июня 2014 г., Нижний Новгород

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

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

Существующие приборы

позволяют определить место
повреждения оболочки кабель-
ной линии, проложенной в
открытом грунте. Однако если
повреждение будет на трубном
участке, то найти его точное
местоположение в трубе уже
не получится. Дело в том, что
полиэтиленовая труба изоли-
рует кабель от окружающего
грунта и выход тока с экрана
через повреждённую оболочку
в грунт возможен только по
концам трубы. Приборы зафиксируют наличие
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
повреждённую оболочку, то место поврежде-
ния 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 поставить по концам
трубного участка внеплановые соединительные
муфты. Однако даже при желании и готовности
выполнить столь сложный ремонт он может не
состояться по причине невозможности извлече-
ния 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

монтажа кабельных линий, но было бы неплохо
сполна пользоваться её преимуществами ещё
и на протяжении 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 условия:
• труба не должна быть деформирована из-за

нерасчётных температурных режимов, в кото-
рые она могла попасть в процессе эксплуата-
ции линии;

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

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

ственных линий с однофазными кабелями в
дополнение к трём фазным трубам можно пред-
усмотреть ещё одну трубу (рис. 4б), выполняю-
щую роль резервной, на тот случай, если что-то
случится с кабелем в одной из трёх фазных труб
и его будет оттуда 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 возможности каждой из фазных
труб, а к резервной прибегать в самых экстрен-
ных случаях. Для этого следует признать
важность выполнения названных выше условий:
труба должна быть термостойкой (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 несложно. Наиболее трудными задача-
ми являются обеспечение гарантий отсутствия
кольцевой деформации трубы и её слипания с
проложенным кабелем.

НЕДОСТАТКИ ТРУБ

ХОЛОДНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

ТИПА ПНД

В настоящее время при прокладке кабель-

ных линий методом ГНБ используются трубы
из поли этилена низкого давления (ПНД). Эти
трубы, по сути, являются трубами холодного

Page 6

112

XX заседание Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

Рис. 5. Перегрев ПНД-трубы и её деформация

водоснабжения и по ГОСТ 18599 2001 предна-
значены для длительной работы в температур-
ном диапазоне до 40

С, а температура их плав-

ления составляет всего 132—135

С [4]. Вместе

с тем известно, что температура кабельной
линии с однофазными кабелями с изоляцией
из сшитого полиэтилена в нормальном режиме
может достигать 90

С. Кроме того, в ряде случа-

ев температура линии может превосходить
90

С, например, это возможно при перегрузках.

Или же это возможно в случаях, когда реаль-
ная пропускная способность кабеля оказалась
меньше тех значений, которые требуются потре-
бителю, по одной из причин:
• неверно выполнен тепловой расчёт (в него

заложено заниженное значение теплового
сопротивления грунта, не учтено тепловое
сопротивление трубы и воздуха, который её
заполняет; другие возможные ошибки);

• неверно выбрана схема заземления экранов

кабельной 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 самом кабеле.

Если говорить о внешних коротких замыка-

ниях, то их подпитка по жилам кабеля является
дополнительным источником нагрева как само-
го кабеля, так и трубы, в которой он проложен.
Например, если в смешанной сети, содержа-
щей и кабельные линии, и воздушные линии
(ВЛ), короткое замыкание
было на ВЛ и за небольшой
интервал времени на ВЛ
многократно запускался цикл
автоматического повторного
включения (АПВ), очевидно,
что при некоторых схемах
сети кабель будет обтекаться
сквозными токами короткого
замыкания и окажется нагрет
сверх 90

С, а процесс его

остывания до исходных 90

займёт от десятков минут до
нескольких часов (постоян-
ная времени нагрева/охлаж-
дения кабеля именно такова
и связана с инерционностью
тепловых процессов в грун-
те).

Если говорить о внутренних коротких замы-

каниях, то здесь ток короткого замыкания сети
проходит по жиле кабеля через место повреж-
дения изоляции в экран и далее в его заземля-
ющие устройства. При этом температура жилы
может достигать 250

С, а экрана — до 350

С [1].

После быстрого (за время короткого замыка-
ния) нагрева жилы и экрана током короткого
замыкания до указанных температур жила
и экран отдают своё тепло изоляции кабеля
и его оболочке, а их конечная температура
будет зависеть от теплоёмкости изоляции и
оболочки.

Согласно расчётам, если температура жилы

и экрана выходит на предельные значения 250
и 350

С соответственно, то такого тепловыде-

ления 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 номи-
нального напряжения кабеля (от объёма изоля-
ции). Прогрев изоляции и оболочки происходит
не позднее нескольких десятков минут с момента
короткого замыкания и отключения кабеля от
сети релейной защитой, а вот охлаждение кабе-
ля до температуры окружающего грунта (около
15

С) будет происходить медленно — вплоть до

нескольких суток (из-за инерции грунта).

Поскольку температура плавления ПНД-трубы

составляет всего 132—135

С (а температура

размягчения ещё меньше), то следует ожидать

Page 7

113

2–4 июня 2014 г., Нижний Новгород

Рис. 6. Деформация ПНД-трубы и защемление проложенного

в ней однофазного кабеля

Рис. 7. Прилипание ПНД-трубы к поверхности оболочки

однофазного кабеля

деформации трубы и/или её
прилипания к оболочке кабеля
и в нормальном режиме рабо-
ты линии, и при перегрузках, и
при внешних по отношению к
кабелю коротких замыканиях,
и особенно при внутренних
повреждениях самой линии.

Деформация ПНД-трубы и/

или её слипание с оболочкой
сделают невозможным извле-
чение кабельной линии из
трубы с целью её ремонта или
замены — потребуется или
использование единственной
резервной трубы (если она
была предусмотрена), или
длительная и дорогостоящая
организация нового прокола
под аварийную фазу, а также
закупка однофазного кабеля
необходимой длины. К слову
сказать, заказ кабеля, его
изготовление и доставка к
месту монтажа могут занять
до нескольких месяцев.

Результаты некоторых

предварительных лаборатор-
ных исследований ПНД-труб
в условиях воздействия на
них температур, характерных
для кабельных линий с одно-
фазными кабелями с изоля-
цией 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 эксплуатирующей органи-
зации на ремонт кабельной линии, или, иными
словами, приводит к недоиспользованию всех
возможностей как технологии ГНБ, так и самих
кабельных линий.

Оболочка кабеля изготавливается из полиэ-

тилена низкого давления. Однако в отличие от
ПНД-труб оболочка делается не из обычного
ПНД, а из специальных кабельных марок поли-
этиленов с присадками и антипиренами. Поэто-
му оболочка кабеля имеет более высокую темпе-
ратуру размягчения и плавления, т.е. в слипании

кабеля с трубой виновата именно ПНД-труба, а
не оболочка кабеля.

Если в силу каких-то исключительных обсто-

ятельств короткое замыкание 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, которые не сможет
выдержать не только любая полиэтиленовая,
но даже и металлическая труба. В этом случае
обеспечить целостность трубы и отсутствие
её слипания с кабелем будет уже невозможно.
Однако тут, повторимся, следует отметить,
что согласно опыту эксплуатации по понятным
причинам подавляющее большинство повреж-
дений изоляции кабелей 6—500 кВ приходится

Page 8

114

XX заседание Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

на соединительные или концевые муфты или
же на участки с прокладкой кабелей в открытом
грунте, не имеющих защиты лотками или труба-
ми. Заметим также, что защита кабеля, проло-
женного в трубе, происходит не из-за самой
трубы, а из-за того, что при ГНБ-прокладке
труба оказывается заложенной на большой
глубине (до 3 м и даже более), что исключает её
повреждение сторонними организациями при
выполнении земляных работ.

Учитывая изложенное, короткое замыкание в

кабеле на трубном участке следует считать прак-
тически маловероятным и не принимать его в
качестве расчётного случая. Основное внимание
надо сосредоточить на работе трубы в нормаль-
ном 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,

выполненные по ГОСТ 18599

2001, не годятся

для прокладки кабелей 6—500 кВ с изоляцией из
сшитого полиэтилена, поскольку рассчитаны на
работу при температурах до 40

С.

ТРЕБОВАНИЯ К ТРУБАМ

ДЛЯ ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЬНЫХ

ЛИНИЙ

Перечисленные особенности протяжённых

трубных участков трассы кабеля, а также свой-
ства ПНД-труб заставляют серьёзно задуматься
о требованиях к трубным участкам и применяе-
мым на них трубам.

Главным специфическим требованием к

трубам, которые можно использовать для
прокладки кабельных линий, является их термо-
стойкость в различных режимах работы КЛ,
которая заключается в том, что трубы не должны
терять кольцевой жёсткости и прилипать к кабе-
лям.

Для кабельных линий 6—500 кВ с изоляцией

из сшитого полиэтилена трубы должны быть
термостойкими, во-

первых, при характерных

для длительного нормального режима темпера-
турах до 90

С. Во- вторых, при температурах до

150

С (и более), связанных с перегревом кабеля

токами короткого замыкания или с возможными
ошибками в проектировании кабельных линий
(неверный тепловой расчёт, неверная схема
заземления экранов, неверный учёт перегру-
зок).

Кроме того, трубы должны обладать характе-

ристиками, которые позволили бы беспрепят-
ственно монтировать их с применением техноло-
гии ГНБ:
• труба должна быть в достаточной степени

гибкой;

• труба должна подвергаться контактной сварке

для организации сплошных проколов большой
длины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПНД-труба является трубой холодного водо-

снабжения и предназначена для длительной
работы в диапазоне температур до 40

С, что

существенно меньше тех значений температур,
которые характерны в различных режимах рабо-
ты линий 6–500 кВ с однофазными 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 рекомен-
дуется производить не в ПНД-трубах, а в трубах
типа ProTectorFlex из полимерной композиции
высокой термостойкости.

ЛИТЕРАТУРА

1. СТО

56947007 29.060.20.071 2011 «Сило-

вые кабельные линии напряжением 110—
500 кВ. Условия создания. Нормы и требова-
ния» (Москва, ОАО «ФСК ЕЭС», 2011).

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

прокладки на температурный режим кабель-
ных линий 6—10 кВ и выше //«Новости Элек-
тротехники», № 3 (75), 2012 г.

3. СТО 56947007 29.060.20.103 2011 «Силовые

кабели. Методика расчёта устройств зазем-
ления экранов, защиты от перенапряжений
изоляции силовых кабелей на напряжение
110—500 кВ с изоляцией из сшитого полиэти-
лена» (Москва, ОАО «ФСК ЕЭС», 2011).

4. ГОСТ 18599 2001 «Трубы напорные из полиэти-

лена. Технические условия».

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 затягиваются фазы кабельной линии.