Návrh a aplikace vysokonapěťových kabelů plněných olejem a plynem

Podzemní vysokonapěťové kabely se používají k přenosu elektřiny po mnoho let a v průběhu let byla vyvinuta řada různých technologií.

Izolované plynovody a ropovody mají technické, ekologické a provozní vlastnosti, které z nich činí velmi dobrou alternativu tam, kde je vyžadován přenos vysokého napětí v omezeném prostoru, například když je nemožné použít nadzemní elektrické vedení.

Vysokonapěťové kabely ve Španělsku pro napětí 400 kV

Plynem a olejem izolované přenosové kabely (vysokotlaké plynové a olejové kabely) jsou bezpečnou a flexibilní alternativou k venkovnímu vedení a zabírají mnohem méně místa při stejném přenosu výkonu.

Protože mají malý nebo žádný dopad na krajinu a jejich minimální elektromagnetické emise znamenají, že mohou být použity v blízkosti budov nebo dokonce v budovách, lze vysokonapěťové kabely plněné olejem a plynem zvážit pro širokou škálu aplikací.

Magnetická indikace B, kterou lze měřit v blízkosti takové konstrukce, je velmi nízká, mnohem nižší než u ekvivalentního venkovního vedení. Ve vzdálenosti 5 metrů od potrubí je to méně než 1 μT.

Jsou vhodné pro zajištění pokračování podzemních nadzemních vedení, připojení elektráren k elektrické síti nebo jako kompaktní způsob připojení velkých průmyslových závodů k obecné síti.

Při použití v kabelech se zvýšeným tlakem se výrazně zvýší dielektrická pevnost izolace kabelu a sníží se její tloušťka a tím i náklady. Zvýšený tlak v kabelech naplněných olejem nebo plynem je generován uvnitř izolace prostřednictvím dutého jádra nebo jiných trubek podél kabelu a je aplikován vně izolace, pokud je kabel umístěn v ocelové trubce.

Výstavba kabelového vedení s vysokonapěťovými plynem plněnými kabely

Plynem plněné kabely využívají vodou realizovanou izolaci s ochuzenou vrstvou, v jejíž vrstvě je pod tlakem inertní plyn, který má dobré elektrické vlastnosti a vysokou tepelnou vodivost (dusík, plyn SF6 atd.). Nahrazením vzduchu dusíkem nebo plynem SF6 se zabrání oxidaci izolace.

Podle velikosti tlaku se kabely rozlišují na nízký (0,7 — 1,5 atm), střední (do 3 atm) a vysoký (12 — 15 atm) tlak. První dva typy kabelů jsou převážně třífázové pro 10 — 35 kV a vysokotlaké kabely — jednofázové pro 110 — 330 kV.

Jednožilové olejové kabely pro 110 kV jsou vyrobeny s jedním olejovým kanálem ve středu dutého jádra a pro napětí 500 kV - s centrálním kanálem v jádře a kanály pod ochranným pláštěm.

Třífázové provedení s olejovou náplní

Zvýšení tlaku vyžaduje zesílení ochranného pláště nanesením výztužných kovových pásků, které jsou chráněny před korozí vhodnými nátěry, a také pancířem z pozinkovaných ocelových drátů.

Velkou nevýhodou moderního vysokonapěťového vedení vyrobeného s olejem plněným kabelem je potřeba velmi drahých a složitých pomocných zařízení, jako jsou: zásobní nádrže, tlakové nádrže, zarážky, spojky a koncové konektory.

Vyrovnání změn objemů impregnační kompozice se provádí pomocí přívodních zařízení sestávajících ze zásobních nádrží a tlakové nádrže. Napájecí nádrže zajišťují, že je do kabelu nebo z něj přiváděno velké množství oleje s malou změnou tlaku a tlaková nádrž udržuje tlak v kabelu při jakékoli změně objemu oleje.

Olej se pohybuje podél kabelu podél centrálního kanálu vodiče s proudem. Kabelové vedení je rozděleno omezovacími vývodkami na samostatné dosazovací části.

Nejsilnějším konkurentem kabelu plněného olejem je kabel na stlačený plyn. Ve srovnání s olejem plněným vysokonapěťovým kabelem plněným plynem vyžaduje nižší náklady na výstavbu vedení, nepotřebuje složité pomocné zařízení a je velmi jednoduchý jak z hlediska instalace, tak provozu.

Instalace třífázového vedení s plynem plněnými kabely

Hlavní výhodou plynem plněných kabelů oproti olejovým je jednoduchost zásobování kabelového vedení plynem, možnost uložení kabelu na strmě nakloněných a svislých trasách.

Kabely plněné plynem se nejvíce používají pro napětí 10 — 35 kV.Při napětí 110 kV a vyšším mají kabely plněné plynem oproti olejovým nižší impulsní sílu a vyšší tepelný odpor. Proto se tyto kabely u nás málo používají při napětí 110 kV a výše.

Naopak v evropských zemích se kabely plněné olejem (Oil Filled Cable) používají méně často než kabely plněné plynem (plynem izolované přenosové vedení, GIL).

Tato technologie se v Evropě začala uplatňovat přibližně v 70. letech. Je speciálně navržen tak, aby poskytoval možnost zasypání sítí vysokého napětí v městském prostředí. V současné době existuje mnoho dokončených projektů využívajících plynem plněné kabely pro napětí do 500 kV.

Výhodou plynem plněných kabelů je poměrně velká bezpečnostní rezerva v případě nouzového poklesu tlaku, což umožňuje jejich okamžité odpojení při poklesu tlaku.

Konstrukce kabelu plněného plynem

Kabely v ocelovém potrubí pod tlakovým olejem jsou tři jednožilové kabely s papírovou izolací napuštěné minerálním nebo syntetickým olejem (bez olověného pláště), které jsou umístěny v ocelovém potrubí s tlakovým olejem do 15 atm.

Obvykle se k impregnaci izolace používají více viskózní oleje a k plnění potrubí se používají méně viskózní oleje. Taková kabelová vedení v ocelových potrubích s tlakovým olejem se používají pro napětí 110 – 220 kV.

Izolace je pokryta stíněním z metalizovaného papíru nebo perforovaných měděných pásků, na které je nanesen těsnící povlak - polyetylenový plášť, který zabraňuje vnikání vlhkosti do kabelu během přepravy.

Na těsnicím povlaku jsou spirálovitě naneseny dva nebo tři půlkulaté bronzové nebo měděné dráty, které jsou navrženy tak, aby usnadnily vtažení kabelu do trubky, navíc udržují fáze v určité vzdálenosti od sebe, což zlepšuje cirkulaci oleje a zajišťuje elektrický kontakt kabelových stínění s potrubím.

Ocelová trubka, která udržuje tlak v kabelu, je spolehlivou ochranou proti mechanickému poškození. Tlak oleje na izolaci je přenášen přes polyetylénový plášť.

Přechod nad hlavou na kabel

Slabým místem vysokonapěťového kabelu bývají konektory. Jedním z hlavních úkolů při vývoji vysokonapěťových kabelových vedení je vytvoření konektoru, který je vhodný pro instalaci a má elektrickou pevnost, která není menší než síla kabelu.

Koncové spojky jsou instalovány na koncích kabelového vedení a polodorazové spojky jsou instalovány každých 1 — 1,5 km vedení (zabraňují volné výměně oleje mezi sousedními úseky potrubí).

Přednastavený tlak oleje v potrubí je udržován automaticky pracující jednotkou, která při poklesu tlaku dodává olej do potrubí a při zvýšení tlaku odvádí přebytečný olej.

V konektorech kabelů naplněných olejem se uskutečňuje elektrické připojení vodičů vedoucích proud a připojení olejových kanálů kabelu.

Jádra jsou slisována k sobě a kontinuita olejového kanálu je zajištěna dutou ocelovou trubkou (svařování nebo pájení není povoleno kvůli přítomnosti oleje).

Zemnící stínění (pocínovaný měděný oplet) je aplikováno po celé délce průchodky a vnější strana průchodky je uzavřena v kovovém pouzdře.

Kabelová průchodka olejem naplněného vysokonapěťového kabelu

Kabely v ocelovém potrubí na tlakový plyn se od předchozího provedení liší pouze tím, že místo minerálního nebo syntetického oleje je potrubí naplněno stlačeným inertním plynem, obvykle dusíkem o tlaku asi 12-15 atm. Výhodou takových kabelů je výrazné zjednodušení a zlevnění systému napájení vedení.

Izolace kabelů je vystavena nejen trvalému vystavení průmyslovému frekvenčnímu napětí, ale také impulsnímu napětí, protože kabely jsou připojeny přímo k venkovnímu vedení nebo k elektrickému zařízení otevřených rozvoden a rozvaděčů, které vnímají vlivy. atmosférické vlny. 

Impulzní síla kabelu naplněného olejem je vyšší než síla kabelu plněného plynem, bez ohledu na hodnoty tlaku oleje nebo plynu v nich. U jakéhokoli typu kabelu lze impulsní průrazné napětí zvýšit snížením tloušťky papírových proužků, tzn. zmenšením mezer mezi nimi. Nejvyšší průrazná napětí mají kabely naplněné olejem nebo kabely pod vnějším tlakem plynu, kde jsou mezery v izolaci vyplněny impregnační hmotou.

Plynem plněné vysokonapěťové kabely v podzemním potrubí (tunelu) lze snadno přenášet mezi kabely, ale tento typ instalace nevyžaduje téměř žádnou údržbu

Vysokotlaké plynové a olejové izolované kabelovody prokazují svou technickou spolehlivost již několik desítek let, protože kromě velmi dobrých přenosových vlastností poskytují mimořádnou bezpečnost provozu a dokonce i v případě poruchy.

Stav izolace kabelových vedení během provozu je kontrolován prostřednictvím preventivních testů, které umožňují identifikovat hrubá porušení integrity izolace a vady v ní (fázové uzemnění, přerušení vodičů atd.), jakož i měřit izolační odpor, svodové proudy, úhel dielektrické ztráty atd.

Je třeba poznamenat, že pro izolaci kabelových vedení jsou preventivní testy jedinou metodou detekce vadných míst v izolaci, protože kabelové vedení je nepřístupné pro kontrolu a preventivní opravu. Preventivní testování izolace kabelových vedení by proto mělo rychle identifikovat závady v izolaci kabelů a snížit tak havarijní stav sítě.

Kromě článku — Siemens vyvíjí plynovod

Nová linka je navržena pro přenos až pěti gigawattů (GW) výkonu na systém. Spolkové ministerstvo hospodářství a energetiky Německa poskytuje na tento rozvojový projekt 3,78 milionu eur.

Stejnosměrné elektrické vodiče bude založeno na technologii stávajícího plynem izolovaného přepravního vedení (TL), které se skládá ze dvou soustředných hliníkových trubek. Jako izolační médium se používá směs plynů.Doposud byla plynem izolovaná kabelová vedení k dispozici pouze pro střídavý proud.

Rozšíření přenosové sítě je nezbytné, pokud má být 80 % německé poptávky po elektřině do roku 2050 pokryto obnovitelnými zdroji energie.

Vyrobená elektřina větrné turbíny v severní části země a podél pobřeží Německa, budou muset být co nejefektivněji přepravovány do nákladních center v jižní části Německa.Pro tento účel je nejvhodnější stejnosměrný přenos, protože má ve srovnání se střídavým přenosem nízké elektrické ztráty.

Rozvoj sítě využívající vysokonapěťový stejnosměrný proud (HVDC) využívající nadzemní přenosová vedení a plynem izolovaná přenosová vedení stejnosměrného proudu uložená v určitých oblastech pod zemí lze realizovat s použitím výrazně méně zdrojů než u třífázové technologie.

„Podzemní přenos stejnosměrného proudu je nezbytný pro přechod Německa na novou strukturu elektřiny, protože jeho vývoj bude zpočátku probíhat v Německu. Později budou docela možné dotazy z jiných zemí EU nebo jiných zemí světa. V každém případě bude Německo s rozvojem stejnosměrného plynovodu hrát vedoucí roli při navrhování budoucích přepravních soustav,“ uvedl Denis Imamovic, odpovědný za plynové přepravní soustavy ve společnosti Siemens Energy Management.