Projektiranje i primjena visokonaponskih kabela punjenih uljem i plinom

Podzemni visokonaponski kabeli koriste se za prijenos električne energije dugi niz godina i tijekom godina razvijen je niz različitih tehnologija.

Izolirani plinovodi i naftovodi imaju tehničke, ekološke i radne karakteristike koje ih čine vrlo dobrom alternativom kada je potreban prijenos visokog napona u ograničenom prostoru, na primjer kada je nemoguće koristiti nadzemni električni vodovi.

Visokonaponski kabeli u Španjolskoj za napon 400 kV

Prijenosni kabeli izolirani plinom i uljem (visokotlačni plinski i uljni kabeli) sigurna su i fleksibilna alternativa nadzemnim vodovima i zauzimaju puno manje prostora, a pružaju isti prijenos energije.

Budući da imaju mali ili nikakav utjecaj na krajolik, a njihova minimalna elektromagnetska emisija znači da se mogu koristiti u blizini ili čak u zgradama, visokonaponski kabeli punjeni uljem i plinom mogu se uzeti u obzir za širok raspon primjena.

Magnetska indikacija B koja se može izmjeriti u blizini takve strukture je vrlo niska, puno niža nego za ekvivalentni nadzemni vod. Na udaljenosti od 5 metara od cijevi manja je od 1 μT.

Prikladni su za osiguravanje nastavka podzemnih nadzemnih vodova, spajanje elektrana na električnu mrežu ili kao kompaktan način povezivanja velikih industrijskih postrojenja na opću mrežu.

Kada se koristi u kabelima s povećanim tlakom, dielektrična čvrstoća izolacije kabela značajno se povećava, a njegova debljina i, sukladno tome, troškovi se smanjuju. Povećani tlak u kabelima punjenim uljem ili plinom stvara se unutar izolacije kroz šuplju jezgru ili druge kanale duž kabela i primjenjuje se izvan izolacije ako je kabel postavljen u čelični vod.

Izgradnja kabelskog voda s visokonaponskim kabelima punjenim plinom

Kabeli punjeni plinom koriste izolaciju izvedenu vodom s osiromašenim slojem, u čijem se sloju nalazi inertni plin pod tlakom, koji ima dobra električna svojstva i visoku toplinsku vodljivost (dušik, plin SF6 i dr.). Zamjenom zraka dušikom ili plinom SF6 izbjegava se oksidacija izolacije.

Prema veličini tlaka, kabeli se razlikuju s niskim (0,7 - 1,5 atm), srednjim (do 3 atm) i visokim (12 - 15 atm) tlakom. Prve dvije vrste kabela uglavnom su trofazne za 10 - 35 kV, a visokotlačne - jednofazne za 110 - 330 kV.

Jednožilni uljni kabeli za 110 kV izrađuju se s jednim uljnim kanalom u središtu šuplje jezgre, a za napon 500 kV - sa središnjim kanalom u jezgri i kanalima ispod zaštitnog omotača.

Trofazni dizajn punjen uljem

Povećanje tlaka zahtijeva ojačanje zaštitne ovojnice nanošenjem preko nje armaturnih metalnih traka koje su odgovarajućim premazima zaštićene od korozije, kao i oklopom od pocinčane čelične žice.

Veliki nedostatak suvremenog visokonaponskog voda izrađenog s kabelom punjenim uljem je potreba za vrlo skupom i složenom pomoćnom opremom, kao što su: opskrbni spremnici, tlačni spremnici, graničnici, spojnice i krajnji konektori.

Kompenzacija promjena volumena impregnacijske smjese provodi se pomoću uređaja za opskrbu koji se sastoje od spremnika za opskrbu i tlačnog spremnika. Napojni spremnici osiguravaju dovod velike količine ulja u ili iz kabela s malom promjenom tlaka, a tlačni spremnik održava tlak u kabelu s bilo kojom promjenom volumena ulja.

Ulje se kreće duž kabela duž središnjeg kanala žice koja nosi struju. Kabelski vod je graničnim čahurama podijeljen na zasebne sastavne dijelove.

Najjači konkurent kabelu punjenom uljem je plinski kabel pod tlakom. U usporedbi s visokonaponskim kabelom punjenim plinom punjenim uljem, zahtijeva niže troškove izgradnje linije, ne treba složenu pomoćnu opremu i vrlo je jednostavan za instalaciju i rad.

Montaža trofaznog voda s plinskim kabelima

Glavna prednost kabela punjenih plinom u odnosu na kabele punjene uljem je jednostavnost opskrbe kabelskog voda plinom, mogućnost polaganja kabela na strmim nagibima i okomitim trasama.

Kabeli punjeni plinom najviše se koriste za napon 10 — 35 kV.Na naponima od 110 kV i više, plinom punjeni kabeli, u usporedbi s uljem, imaju nižu impulsnu snagu i veću toplinsku otpornost. Stoga se ovi kabeli rijetko koriste u našoj zemlji na naponima od 110 kV i više.

U europskim zemljama, naprotiv, kabeli punjeni uljem (Oil Filled Cable) koriste se rjeđe od kabela punjenih plinom (gasom izolirani prijenosni vodovi, GIL).

Ova se tehnologija u Europi počela primjenjivati ​​otprilike 70-ih godina prošlog stoljeća. Posebno je dizajniran za pružanje mogućnosti ukopavanja visokonaponskih mreža u urbanoj sredini. Trenutno postoji mnogo završenih projekata koji koriste kabele punjene plinom za napone do 500 kV.

Prednost kabela punjenih plinom je relativno velika granica sigurnosti u slučaju hitnog pada tlaka, što im omogućuje da se ne odvoje odmah kada tlak padne.

Dizajn kabela punjenog plinom

Kabeli u čeličnom cjevovodu pod tlakom ulja su tri jednožilna kabela s papirnatom izolacijom natopljenom mineralnim ili sintetičkim uljem (bez olovnog plašta), koji se nalaze u čeličnom cjevovodu s tlakom ulja do 15 atm.

Obično se za impregnaciju izolacije koriste viskoznija ulja, a za punjenje cjevovoda manje viskozna ulja. Takvi kabelski vodovi u čeličnim cjevovodima s uljem pod tlakom koriste se za napone od 110 - 220 kV.

Izolacija je prekrivena ekranom od metaliziranog papira ili perforiranih bakrenih traka, na koje se nanosi brtveni premaz - polietilenski omotač koji sprječava ulazak vlage u kabel tijekom transporta.

Dvije ili tri polukružne brončane ili bakrene žice nanesene su spiralno na brtveni premaz, koje su dizajnirane da olakšaju uvlačenje kabela u cjevovod, osim toga, drže faze na određenoj udaljenosti jedna od druge, što poboljšava cirkulaciju ulja i osigurava električni kontakt ekrana kabela s cjevovodom.

Čelična cijev, koja održava tlak u kabelu, pouzdana je zaštita od mehaničkih oštećenja. Pritisak ulja na izolaciju prenosi se preko polietilenskog omotača.

Prijelaz iznad glave na kabel

Slaba točka visokonaponskog kabela obično su konektori. Jedan od glavnih zadataka u razvoju visokonaponskih kabelskih vodova je stvaranje konektora koji je pogodan za ugradnju i ima električnu čvrstoću koja nije manja od čvrstoće kabela.

Krajnje spojnice postavljaju se na krajeve kabelskog voda, a poluzaustavne spojnice postavljaju se svakih 1 — 1,5 km voda (spriječavaju slobodnu izmjenu ulja između susjednih dijelova cjevovoda).

Unaprijed podešeni tlak ulja u cjevovodu održava automatski radna jedinica koja dovodi ulje u cjevovod kada tlak padne i uklanja višak ulja kada tlak poraste.

U konektorima uljnih kabela odvija se električni spoj strujnih žica i spoj uljnih kanala kabela.

Jezgre su pritisnute jedna uz drugu, a kontinuitet uljnog kanala osigurava šuplja čelična cijev (zavarivanje ili tvrdo lemljenje nije dopušteno zbog prisutnosti ulja).

Po cijeloj dužini čahure postavljen je uzemljeni štit (pletenica od pokositrenog bakra), a čahura je izvana zatvorena metalnim kućištem.

Kabelska čahura visokonaponskog kabela punjenog uljem

Kabeli u čeličnom cjevovodu pod tlakom plina razlikuju se od prethodnog dizajna samo po tome što je umjesto mineralnog ili sintetičkog ulja cjevovod ispunjen komprimiranim inertnim plinom, obično dušikom pod tlakom od oko 12-15 atm. Prednost ovakvih kabela je značajno pojednostavljenje i smanjenje troškova mrežnog sustava napajanja.

Izolacija kabela izložena je ne samo trajnoj izloženosti naponu industrijske frekvencije, već i impulsnom naponu, budući da su kabeli spojeni izravno na nadzemne vodove ili na električnu opremu otvorenih trafostanica i rasklopnih uređaja koji percipiraju učinke atmosferski valovi. 

Snaga impulsa kabela punjenog uljem veća je od snage kabela punjenog plinom, bez obzira na vrijednosti tlaka ulja ili plina u njima. Za bilo koju vrstu kabela, impulsni probojni napon može se povećati smanjenjem debljine papirnatih traka, tj. smanjenjem razmaka između njih. Najveće probojne napone imaju kabeli punjeni uljem ili kabeli pod vanjskim tlakom plina, gdje su praznine u izolaciji ispunjene impregnacijskom masom.

Visokonaponski kabeli punjeni plinom u podzemnom razvodniku (tunelu) mogu se lako premještati između kabela, ali ovakva instalacija ne zahtijeva gotovo nikakvo održavanje

Visokotlačni plinski i uljem izolirani kabelski cjevovodi već su nekoliko desetljeća dokazali svoju tehničku pouzdanost, jer uz vrlo dobre prijenosne karakteristike pružaju iznimnu sigurnost u radu pa čak iu slučaju kvara.

Stanje izolacije kabelskih vodova tijekom rada provjerava se preventivnim ispitivanjima, koja omogućuju prepoznavanje grubih povreda cjelovitosti izolacije i nedostataka u njoj (fazno uzemljenje, prekidi žice itd.), Kao i izmjeriti otpor izolacije, struje curenja, kut dielektričnih gubitaka itd.

Treba napomenuti da su za izolaciju kabelskih vodova preventivna ispitivanja jedina metoda otkrivanja neispravnih mjesta u izolaciji, budući da je kabelski vod nedostupan za pregled i preventivni popravak. Stoga bi preventivnim ispitivanjem izolacije kabelskih vodova trebalo brzo identificirati nedostatke u izolaciji kabela i time smanjiti hitnost mreže.

Uz članak — Siemens razvija plinovod

Nova linija je dizajnirana za prijenos do pet gigavata (GW) snage po sustavu. Savezno ministarstvo gospodarstva i energetike Njemačke za ovaj razvojni projekt daje 3,78 milijuna eura.

Električne žice istosmjerne struje temeljit će se na tehnologiji postojećeg plinom izoliranog dalekovoda (DV) koji se sastoji od dvije koncentrične aluminijske cijevi. Kao izolacijski medij koristi se mješavina plinova.Do sada su kabelski vodovi izolirani plinom bili dostupni samo za izmjeničnu struju.

Proširenje prijenosne mreže je neophodno ako se 80% njemačke potražnje za električnom energijom do 2050. godine podmiruje iz obnovljivih izvora energije.

Proizvedena električna energija vjetrenjače u sjevernom dijelu zemlje i uz obalu Njemačke, morat će se što učinkovitije transportirati do teretnih centara u južnom dijelu Njemačke.DC prijenos je najprikladniji za to zbog niskih električnih gubitaka u usporedbi s AC prijenosom.

Razvoj mreže pomoću visokonaponske istosmjerne struje (HVDC) korištenjem nadzemnih dalekovoda i plinom izoliranih istosmjernih dalekovoda položenih pod zemljom u određenim područjima može se realizirati korištenjem znatno manje resursa od trofazne tehnologije.

„Podzemni prijenos istosmjerne struje ključan je za prijelaz Njemačke na novu elektroenergetsku strukturu, jer će se njegov razvoj u početku odvijati u Njemačkoj. Kasnije će biti sasvim mogući upiti iz drugih zemalja EU ili drugih zemalja diljem svijeta. U svakom slučaju, razvojem istosmjernog plinovoda Njemačka će imati vodeću ulogu u projektiranju budućih transportnih sustava“, rekao je Denis Imamović, odgovoran za plinske transportne sustave u Siemens Energy Managementu.