Projektowanie i zastosowanie kabli wysokiego napięcia wypełnionych olejem i gazem
Podziemne kable wysokiego napięcia są wykorzystywane do przesyłu energii elektrycznej od wielu lat i na przestrzeni lat opracowano wiele różnych technologii.
Izolowane rurociągi gazowe i naftowe mają właściwości techniczne, środowiskowe i eksploatacyjne, które czynią je bardzo dobrą alternatywą, gdy wymagany jest przesył wysokiego napięcia na ograniczonej przestrzeni, np. napowietrzne linie energetyczne.
Kable wysokiego napięcia w Hiszpanii dla napięcia 400 kV
Przewody przesyłowe w izolacji gazowej i olejowej (przewody gazowe i olejowe pod wysokim ciśnieniem) stanowią bezpieczną i elastyczną alternatywę dla linii napowietrznych i zajmują znacznie mniej miejsca przy takim samym przesyłaniu mocy.
Ponieważ mają niewielki lub żaden wpływ na krajobraz, a ich minimalne emisje elektromagnetyczne oznaczają, że mogą być używane w pobliżu budynków, a nawet w budynkach, kable wysokiego napięcia wypełnione olejem i gazem można rozważyć w szerokim zakresie zastosowań.
Indeks magnetyczny B, który można zmierzyć w pobliżu takiej konstrukcji, jest bardzo niski, znacznie niższy niż dla równoważnej linii napowietrznej. W odległości 5 metrów od rur jest to mniej niż 1 μT.
Nadają się do zapewnienia kontynuacji podziemnych linii napowietrznych, podłączenia elektrowni do sieci elektroenergetycznej lub jako kompaktowy sposób podłączenia dużych zakładów przemysłowych do sieci ogólnej.
W przypadku stosowania w kablach o zwiększonym ciśnieniu wytrzymałość dielektryczna izolacji kabla jest znacznie zwiększona, a jego grubość i odpowiednio koszty są zmniejszone. Podwyższone ciśnienie w kablach wypełnionych olejem lub gazem jest wytwarzane wewnątrz izolacji poprzez rdzeń drążony lub inne przewody wzdłuż kabla i jest przykładane na zewnątrz izolacji, jeśli kabel jest umieszczony w rurze stalowej.
Budowa linii kablowej z przewodami gazowymi wysokiego napięcia
W kablach wypełnionych gazem stosuje się izolację wodoodporną z warstwą zubożoną, w której warstwie znajduje się pod ciśnieniem gaz obojętny, który ma dobre właściwości elektryczne i wysoką przewodność cieplną (azot, gaz SF6 itp.). Zastąpienie powietrza azotem lub gazem SF6 pozwala uniknąć utleniania izolacji.
W zależności od wielkości ciśnienia kable wyróżnia się niskim (0,7 - 1,5 atm), średnim (do 3 atm) i wysokim (12 - 15 atm) ciśnieniem. Pierwsze dwa rodzaje kabli są wykonane głównie z kabli trójfazowych na napięcie 10-35 kV, a kable wysokiego napięcia — jednofazowego na napięcie 110-330 kV.
Kable jednożyłowe olejowe na napięcie 110 kV wykonuje się z jednym kanałem olejowym w środku rdzenia drążonego, a na napięcie 500 kV z kanałem centralnym w rdzeniu i kanałami pod powłoką ochronną.
Konstrukcja trójfazowa wypełniona olejem
Wzrost ciśnienia wymaga wzmocnienia płaszcza ochronnego poprzez nałożenie na niego wzmocnionych taśm metalowych, które są zabezpieczone przed korozją odpowiednimi powłokami oraz pancerza z drutów stalowych ocynkowanych.
Istotną wadą nowoczesnej linii wysokiego napięcia wykonanej z kabla wypełnionego olejem jest konieczność stosowania bardzo drogich i skomplikowanych urządzeń pomocniczych, takich jak: zbiorniki zasilające, zbiorniki ciśnieniowe, ograniczniki, mufy i łączniki końcowe.
Kompensację zmian objętości kompozycji impregnującej przeprowadza się za pomocą urządzeń zasilających składających się ze zbiorników zasilających i zbiornika ciśnieniowego. Zbiorniki zasilające zapewniają podawanie dużej ilości oleju do lub z kabla przy niewielkiej zmianie ciśnienia, a zbiornik ciśnieniowy utrzymuje ciśnienie w kablu przy każdej zmianie objętości oleju.
Olej porusza się wzdłuż kabla wzdłuż centralnego kanału drutu przewodzącego prąd. Linia kablowa jest podzielona przepustami ograniczającymi na oddzielne części uzupełniające.
Najsilniejszym konkurentem kabla wypełnionego olejem jest kabel gazowy pod ciśnieniem. W porównaniu z wysokonapięciowym kablem olejowym wypełnionym gazem wymaga niższych kosztów budowy linii, nie wymaga skomplikowanych urządzeń pomocniczych i jest bardzo prosty zarówno w instalacji, jak i eksploatacji.
Montaż linii trójfazowej przewodami wypełnionymi gazem
Główną zaletą kabli wypełnionych gazem w porównaniu z kablami wypełnionymi olejem jest prostota zasilania linii kablowej gazem, możliwość układania kabla na trasach stromo nachylonych i pionowych.
Kable wypełnione gazem są najczęściej stosowane do napięć 10 — 35 kV.Przy napięciu 110 kV i wyższym kable wypełnione gazem w porównaniu z olejem mają niższą udarność i większą odporność termiczną. Dlatego kable te są rzadko używane w naszym kraju przy napięciach 110 kV i wyższych.
Natomiast w krajach europejskich kable wypełnione olejem (Oil Filled Cable) są używane rzadziej niż kable wypełnione gazem (linie transmisyjne z izolacją gazową, GIL).
Technologia ta zaczęła być stosowana w Europie mniej więcej w latach 70. Jest specjalnie zaprojektowany, aby zapewnić możliwość zakopania sieci wysokiego napięcia w środowisku miejskim. Obecnie zrealizowanych jest wiele projektów wykorzystujących kable wypełnione gazem na napięcia do 500 kV.
Zaletą przewodów wypełnionych gazem jest stosunkowo duży margines bezpieczeństwa na wypadek awaryjnego spadku ciśnienia, co pozwala na uniknięcie ich natychmiastowego odłączenia w przypadku spadku ciśnienia.
Konstrukcja kabla wypełnionego gazem
Kable w rurociągu stalowym pod ciśnieniem oleju to trzy jednożyłowe kable o izolacji papierowej impregnowanej olejem mineralnym lub syntetycznym (bez powłoki ołowianej), które układa się w rurociągu stalowym z olejem pod ciśnieniem do 15 atm.
Zazwyczaj do impregnacji izolacji używa się olejów o większej lepkości, a do wypełnienia rurociągu stosuje się oleje o mniejszej lepkości. Takie linie kablowe w rurociągach stalowych z olejem pod ciśnieniem są stosowane dla napięć 110 — 220 kV.
Izolacja pokryta jest ekranem z papieru metalizowanego lub perforowanych pasków miedzianych, na który nakładana jest powłoka uszczelniająca - osłona polietylenowa zapobiegająca przedostawaniu się wilgoci do kabla podczas transportu.
Na powłokę uszczelniającą nałożone są spiralnie dwa lub trzy półokrągłe druty z brązu lub miedzi, które mają za zadanie ułatwić wciągnięcie kabla do rury, dodatkowo utrzymują fazy w pewnej odległości od siebie, co poprawia obieg oleju i zapewnia kontakt elektryczny ekranów kabli z rurociągiem.
Stalowa rura utrzymująca ciśnienie w kablu stanowi niezawodne zabezpieczenie przed uszkodzeniami mechanicznymi. Ciśnienie oleju na izolację jest przenoszone przez płaszcz polietylenowy.
Przejście z góry na kabel
Słabym punktem kabla wysokiego napięcia są zwykle złącza. Jednym z głównych zadań w rozwoju linii kablowych wysokiego napięcia jest stworzenie złącza wygodnego w instalacji i mającego wytrzymałość elektryczną nie mniejszą niż kabel.
Na końcach linii kablowej montuje się łączniki końcowe, a co 1 — 1,5 km linii instaluje się łączniki półstopowe (uniemożliwiają swobodną wymianę oleju pomiędzy sąsiednimi odcinkami rurociągu).
Zadane ciśnienie oleju w rurociągu jest utrzymywane przez automatycznie działającą jednostkę, która dostarcza olej do rurociągu w przypadku spadku ciśnienia i usuwa nadmiar oleju w przypadku wzrostu ciśnienia.
W złączach kabli wypełnionych olejem następuje elektryczne połączenie przewodów przewodzących prąd oraz połączenie kanałów olejowych kabla.
Rdzenie są dociskane do siebie, a ciągłość kanału olejowego zapewnia pusta rura stalowa (spawanie lub lutowanie nie jest dozwolone ze względu na obecność oleju).
Na całej długości przepustu zastosowano ekran uziemiający (oplot z ocynowanej miedzi), a zewnętrzną stronę przepustu zamknięto w metalowej obudowie.
Przepust kablowy przewodu wysokiego napięcia wypełnionego olejem
Kable w gazociągu stalowym pod ciśnieniem różnią się od poprzedniej konstrukcji tylko tym, że zamiast oleju mineralnego lub syntetycznego rurociąg wypełniony jest sprężonym gazem obojętnym, najczęściej azotem pod ciśnieniem ok. 12-15 atm. Zaletą takich kabli jest znaczne uproszczenie i obniżenie kosztów układu zasilania linii.
Izolacja kabli jest narażona nie tylko na ciągłą ekspozycję na napięcie o częstotliwości przemysłowej, ale także na napięcie impulsowe, ponieważ kable są podłączone bezpośrednio do linii napowietrznych lub do urządzeń elektrycznych otwartych stacji i rozdzielnic, które odczuwają skutki fale atmosferyczne.
Siła impulsu kabla wypełnionego olejem jest wyższa niż kabla wypełnionego gazem, niezależnie od wartości ciśnienia oleju lub gazu w nich panujących. Dla każdego rodzaju kabla impulsowe napięcie przebicia można zwiększyć poprzez zmniejszenie grubości pasków papieru, tj. poprzez zmniejszenie odstępów między nimi. Największe napięcia przebicia mają kable wypełnione olejem lub kable pod zewnętrznym ciśnieniem gazu, w których szczeliny w izolacji są wypełnione środkiem impregnującym.
Wypełnione gazem kable wysokiego napięcia w podziemnym kolektorze (tunelu) można łatwo przenosić między kablami, ale ten typ instalacji nie wymaga prawie żadnej konserwacji
Wysokociśnieniowe rurociągi kablowe w izolacji gazowej i olejowej już od kilkudziesięciu lat dowodzą swojej technicznej niezawodności, ponieważ poza bardzo dobrymi właściwościami przesyłowymi zapewniają wyjątkowe bezpieczeństwo eksploatacji, nawet w przypadku awarii.
Stan izolacji linii kablowych podczas eksploatacji jest sprawdzany poprzez badania prewencyjne, które pozwalają na wykrycie rażących naruszeń integralności izolacji i jej wad (uziemienie fazowe, przerwanie przewodu itp.), a także zmierzyć rezystancję izolacji, prądy upływu, kąt strat dielektrycznych itp.
Należy zauważyć, że w przypadku izolacji linii kablowych badania prewencyjne są jedyną metodą wykrywania wadliwych miejsc w izolacji, ponieważ linia kablowa jest niedostępna do kontroli i naprawy zapobiegawczej. Dlatego prewencyjne badania izolacji linii kablowych powinny szybko identyfikować wady izolacji kabli, a tym samym zmniejszać awaryjność sieci.
Oprócz artykułu — Siemens rozwija linię przesyłu gazu
Nowa linia ma przesyłać do pięciu gigawatów (GW) mocy na system. Niemieckie Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii przyznaje na ten projekt rozwojowy 3,78 mln euro.
Przewody elektryczne prądu stałego będzie oparty na technologii istniejącej linii przesyłowej w izolacji gazowej (TL), która składa się z dwóch koncentrycznych rur aluminiowych. Jako środek izolujący stosuje się mieszaninę gazów.Do tej pory linie kablowe z izolacją gazową były dostępne tylko dla prądu przemiennego.
Rozbudowa sieci przesyłowej jest konieczna, jeśli do 2050 roku 80% zapotrzebowania Niemiec na energię elektryczną ma być pokrywane przez odnawialne źródła energii.
Wytwarzana energia elektryczna turbiny wiatrowe w północnej części kraju i wzdłuż wybrzeża Niemiec, będą musiały być przetransportowane możliwie sprawnie do centrów towarowych w południowej części Niemiec.Transmisja prądu stałego najlepiej się do tego nadaje ze względu na niskie straty elektryczne w porównaniu z transmisją prądu przemiennego.
Rozwój sieci z wykorzystaniem wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC) z wykorzystaniem napowietrznych linii przesyłowych oraz izolowanych gazem linii przesyłowych prądu stałego ułożonych pod ziemią na niektórych obszarach może być realizowany przy użyciu znacznie mniejszych zasobów niż technologia trójfazowa.
„Podziemny przesył prądu stałego jest niezbędny do przejścia Niemiec na nową strukturę elektroenergetyczną, ponieważ jego rozwój będzie początkowo miał miejsce w Niemczech. Później zapytania z innych krajów UE lub innych krajów na całym świecie będą całkiem możliwe. W każdym razie, wraz z rozwojem linii przesyłu gazu prądu stałego, Niemcy będą odgrywać wiodącą rolę w projektowaniu przyszłych systemów przesyłowych” – powiedział Denis Imamovic, odpowiedzialny za systemy przesyłu gazu w firmie Siemens Energy Management.