Когда кабели не подходят

автор: Эрик Джонсон (Eric Johnson)

Надземные линии электропередачи являются угрозой безопасности вблизи аэропортов. Возможным решением является двойная газоизолированная система, проложенная в узкой траншее.

Все чаще и чаще проектировщики электрических сетей сталкиваются с ситуациями, в которых для передачи высокого напряжения не подходят ни воздушные надземные линии, ни подземные кабели. Следовательно, им приходится обращаться к новому решению: газоизолированным линиям (GIL).

Опоры высоковольтных линий передачи электроэнергии можно найти в любом месте земного шара. Они маршируют через горы, пересекают пустыни и степи, их жесткие фигуры, напоминающие роботов, обеспечивают передачу больших объемов энергии с одного места в другое. Будучи настолько распространенными, что они уже превратились в символ, опоры линий электропередачи стали лицом электрической индустрии. Тем не менее, существует множество мест, где размещать их нельзя. И иногда, использование даже их наиболее распространенных дублеров - подземных кабелей - тоже оказывается проблематичным. Возьмите, например, основную артерию гидроаккумулирующей электростанции - линию высокого напряжения между генераторной полостью и внешней распределительной аппаратурой. Или, к примеру, внутренние и внешние соединения газоизолированного распределителя (GIS). Или, раз уж на то пошло, любое место, в котором высокое напряжение должно соседствовать в тесном помещении с людьми, и с ценным оборудованием. Компания Siemens предлагает собственное решение этой проблемы: газоизолированные линии передачи энергии (GIL). Начиная с дебюта этого подхода, состоявшегося в 1974 году на гидроэлектростанции (которая, кстати, все еще работает без перерывов), расположенной в юго-западной части Германии, технология GIL начала входить, как составляющая, в построенные компанией Siemens в 30 различных местах линии электропередачи.

Нарастание идет непрерывно. Половина этих конструкций были сертифицированы в последние годы, и еще больше их стоит в очереди на сертификацию.

Хотя объем GIL пока еще не угрожает символическому статусу опор высоковольтных линий электропередачи, и не является заменой всех подземных кабелей, эта технология явно находится на подъеме. Чтобы выяснить, почему это так, издательство Living Energy переговорило со Стивеном Пёхлером, экспертом по технологии GIL в отделении энергетики компании Siemens. Вкратце, суть в следующем: технология GIL уже сейчас является основной возможностью для гидроэлектростанций, и ее часто стоит принимать во внимание и в других стесненных ситуациях. Эта технология может быть применена четырьмя основными способами (см. ниже).

Газоизолированные линии могут прокладываться с очень крутым наклоном (фото сверху: электростанция Limberg, Австрия), или проходить под землей (фото снизу: Kelsterbach, около аэропорта Франкфурта, Германия, перед засыпкой траншеи).

Скажите, почему

Как оказалось, преимуществ у GIL множество, и они часто весьма тонкие.

- Большая пропускная способность

По максимуму, GIL способна передавать до 3700 МВА, но как отмечает Пёхлер, это действительно максимум, который требует усиленного охлаждения для рассеивания тепла. Типичная нагрузка для GIL лежит в районе 2500 МВА.

Эта пропускная способность легко конкурирует с пропускной способностью надземных линий электропередачи (имея при этом потери в 2-3 раза ниже), и намного опережает то, что может дать использование только подземных кабельных систем. Это оказалось критическим фактором при выборе GIL, введенной в эксплуатацию в международном аэропорту Франкфурта в Германии. Передавать двойную мощность в 1800 МВА на подстанцию, расположенную вблизи новой взлетно-посадочной полосы с применением воздушных линий передачи энергии оказалось невозможным, так как они представляли бы опасность для воздушного трафика. Поэтому выбор следовало сделать между GIL, и подземным кабелем. Была выбрана технология GIL, поскольку, среди других причин, траншея для ее прокладки оказалась почти вдвое уже, чем требовалось для сдвоенного подземного кабеля.

Для систем низкого напряжения, отмечает Пёхлер, подземные кабели, как правило, неплохо справляются с этой работой. Однако в диапазоне 300-500 кВ, GIL начинает становиться весьма конкурентоспособной.

- Невозгораемость

"Представьте себе, что вы на своей кухне нагреваете кастрюлю с водой, - размышляет Пёхлер. - А теперь подумайте о том, что вы нагреваете ту же самую кастрюлю, но без воды". Первая аналогия соответствует GIL, а вторая - традиционному кабелю, изолированному посредством XLPE (сшитый полиэтилен, пластический материал). Высокое содержание металла в GIL поглощает больше тепла, чем в кабеле, изолированном XLPE, позволяя сохранять более низкие рабочие температуры даже под нагрузкой. Опять же, благодаря своей массивной, прочной конструкции, GIL гораздо меньше подвержена возникновению внутренних электрических дуг и короткий замыканий. Как и в случае надземных линий, на ней легко организовать автоматическое повторное включение.

Невозгораемость была среди основных соображений в последних применениях GIL на гидроэлектростанциях. Например, в Капруне (Австрия), введена в действие 150-метровая система GIL, а в провинции Сычуань (Китая) строится 650-метровая линия, состоящая из 13 километров труб GIL. В обоих случаях энергия передается от генераторов, находящихся в глубине горы, на ее вершину, где к потребителям она доставляется воздушной высоковольтной линией электропередачи. Использование невоспламеняющейся GIL вместо традиционного кабеля, который способен загореться, имеет два основных преимущества. Во-первых, в туннеле нет необходимости в установке брандмауэров, препятствующих распространению огня, и заодно блокирующих воздухообмен, что затрудняет охлаждение. Во-вторых, гарантируется доступность к системе, и безопасность обслуживающего персонала в течение всего времени эксплуатации.

- Гибкость маршрутов прокладки

Благодаря своим уникальным свойствам, системы GIL сегодня используются во всем мире в таких местах, где сложность задач передачи энергии требует сложных маршрутов прокладки линий. Они могут быть расположены любым удобным способом, в шахтах, идущих почти вертикально на высоту 200 метров по крутым склонам. Они могут проходить вокруг зданий, в том числе и вокруг подземных строений. Они могут следовать изгибам серпантина в горах, не соединяясь под углом. Возможны расстояния до 70 километров, говорит Пёхлер, при этом не требуется компенсация реактивной мощности. В противоположность этому, кабели XLPE требуют компенсации реактивной мощности примерно в восьмикратном объеме на линии той же самой протяженности. Это не только увеличивает стоимость линии. Компенсация реактивной мощности, как известно, вызывает рассеянный шум от воздушного охлаждения - и раздражает живущих поблизости людей. Более того, она увеличивает операционные потери, что также является немаловажным фактором, который следует учитывать.

Но при этом, Пёхлер предостерегает от необоснованных надежд, что газоизолированные линии должны стать в будущем основной формой передачи высоковольтной энергии. Значительные переносы нагрузки, ожидаемые для новых удаленных районов генерации, таких как юго-запад США (солнечная и ветряная энергия), или Северное Море (энергия ветра и, возможно, приливов и волн) будут осуществляться, в основном, надземными линиям электропередачи. "А в чувствительных областях вместо них могут быть использованы GIL, - отмечает он, - но в качестве рабочей лошадки останутся надземные линии".

- Прямая связь с GIS

Это, как отец и сын: технология GIL выросла из технологии GIS (газоизолированного распределительного оборудования), и их продолжающаяся связь делает их естественными партнерами. Они обладают похожими, или даже идентичными характеристиками, связанными с передачей энергии, со способностями к перегрузке, с автоматическим повторным включением, и с другими техническими факторами. Это делает их соединение проще, дешевле, и, как правило, компактнее.

- Самое слабое электромагнитное поле

Благодаря своей конструкции "провод в трубе", которая нейтрализует индуктивный ток, электромагнитное поле, порождаемое газоизолированной линией, в 15-20 раз слабее, чем у традиционных кабелей. При этом верхние пределы удерживаются на уровне не выше 1 рТ. Поэтому данная технология более пригодна там, где предъявляются повышенные требования к электромагнитному излучению: в больницах, в центрах управления движением, или в компьютерных кластерах. Или, например, в выставочных залах: На выставке Palexpo в Женеве (Швейцария) в 2001 году была установлена 500-метровая GIL на 300-кВ, позволившая построить новый выставочный зал непосредственно над линией электропередачи (проходящей на глубине нескольких метров под землей). При этом высокочувствительное выставочное оборудование не испытывает никаких помех.

- Отсутствие старения

В отличие от изоляции XLPE, которая разрушается в процессе использования, газ в GIL не стареет. Поэтому работа линии электропередачи не ухудшается со временем. А так как она работает при более низких температурах, чем традиционные кабели, то GIL также подвергается и меньшей температурной нагрузке.

Итак, что же это?

Невозможно точно сказать, чье будущее наиболее важно. Убедительность аргументов, говорит Пёхлер, варьируется от одного потребителя к другому. "И GIL не должны быть единственным решением, пригодным для всех, - добавляет он. - Но поскольку это технология передачи энергии, она будет развиваться и расти". Вряд ли она вырастет в полную замену надземных воздушных линий электропередачи, но она станет занимать достаточно большое место, чтобы принимающие решения люди, испытывали потребность знать о ней.

Типы приложений передачи энергии

Газоизолированные линии (GIL) не являются чем-то новым, но они представляют собой привлекательную альтернативу традиционным кабелям, хотя и вряд ли заменят их. GIL используются в четырех различных типах приложений:

Надземные GIL, как правило, не подвержены влиянию экстремальных условий. Наиболее высокие мощности передачи энергии могут быть достигнуты для GIL, проходящих над землей.

Туннельные системы GIL монтируются в туннелях, оставаясь доступными для инспекций. Они не подвержены риску возгорания, и позволяют использовать туннель, в котом они проложены, также и для целей вентиляции.

Вертикальные GIL могут проходить под любым наклоном, даже вертикально, что делает их очень привлекательными для применения в гидронакопительных электростанциях, в которых генераторы располагаются в пещерах.

Укладываемые непосредственно в грунт линии обматываются полиэтиленом, чтобы защитить оболочку, и находящаяся сверху почва может быть восстановлена для сельскохозяйственного применения. Ожидается, что такие системы будет работать более 40 лет.

Спецификации GIL

- максимальная пропускная способность на одну систему: 3 700 МВА

- максимальное напряжение, до 550 кВ

- максимальная дальность передачи энергии без компенсации реактивной мощности: до 70 км.

- показатели работы не изменяются со временем; система не стареет

- пожароустойчивая

- способна к высоким нагрузкам

- высокая способность выдерживать короткие замыкания

- функциональность автоматического повторного включения

- очень слабое электромагнитное поле

Сравнение Магнитного поля для различных систем передачи электричества высокого напряжения, для сдвоенной системы 400 кВ при нагрузке 2 х 1000 МВА.

Перевод: ess-ltd.ru, источник (англ.): siemens.com.

Дополнительная информация о газоизолированных линиях (GIL) может быть найдена в этой книге инженера компании Siemens, Германа Коха, одобренной Институтом Инженеров по Электротехнике и электронике (IEEE).

H. Koch: GIL –

Gas-Insulated

Transmission

Lines (Wiley,

2011).