Кабельное электроснабжение для северных регионов

Российская Арктика / РЭЭ №5-6, 2019

Кабельное электроснабжение для северных регионов

Главная особенность северных регионов – это сложные климатические условия. Большие перепады температуры, сильные ветры, снежные заносы – все это очень усложняет эксплуатацию линий электропередачи. Основное требование для арктических условий – все электрооборудование должно выдерживать температуру до –55°С. Наш сегодняшний собеседник Юрий Леонидович Беньяш предлагает инновационную технологию по электроснабжению отдаленных территорий.

Старший преподаватель кафедры “Электроэнергетика транспорта” Российского университета транспорта (МИИТ)

Беньяш Юрий Леонидович

– Юрий Леонидович, почему Вы решили разрабатывать технологию по электроснабжению северных регионов?

– Общеизвестно, что в Арктике довольно сложные климатические условия: морозы, сильные ветры, снежные заносы в зависимости от рельефа местности. Если ветры влажные, то еще образуется гололед. Для воздушных линий электропередачи эти обстоятельства требуют увеличенного сечения проводов, чтобы повысить механическую прочность. Провода линий электропередач должны быть рассчитаны на гололедные условия и ветровые нагрузки, так как в сочетании с силой тяжести они могут привести к обрыву провода. Утяжеление провода требует увеличения массы опор, они должны быть прочнее, что затрудняет и удорожает строительство и доставку материалов с материка.

Преимущество воздушных линий в том, что технология их обслуживания отработана, например, для поиска явных повреждений достаточно произвести их визуальный осмотр, например, с использованием беспилотных технологий, которые сегодня широко применяются в различных сферах деятельности. Однако для надежности электроснабжения необходимо техническое обслуживание линий электропередачи, а это очень сложно в суровых условиях полярной ночи. К сожалению, статистики по частоте повреждений ЛЭП именно в арктических регионах в виду малого их числа практически нет, а надежное и бесперебойное электроснабжение – это жизненно важное условие для севера. Поэтому предпринята попытка разработки альтернативной системы электроснабжения.

– Расскажите, какую технологию Вы разработали и в чем ее преимущества?

– Альтернатива воздушным линиям электропередачи – кабельные линии, для которых внешние метеорологические условия малозначимы. Недостаток традиционных кабельных линий в том, что они подходят только для небольших расстояний. В стандартной кабельной трехжильной линии все жилы находятся рядом, поэтому в кабельной линии преобладает емкостное сопротивление, которое ограничивает ее длину. В связи с этим по кабельным линиям невозможно передавать большой объем энергии, для передачи переменного тока максимальная протяженность кабеля в сотни километров.

В воздушных линиях электропередачи преобладает индуктивное сопротивление, и энергия по ним может передаваться на сотни километров. Например, известные линии от АЭС Билибино до Певека и северные районы Якутии напряжением 110 кВ имеют длину более 500 км в обе стороны. Кабельных линий такой протяженности нет. Однако энергопотребители часто жалуются на обрывы воздушных линий электропередачи. Думаю, наши военные базы, радиолокационные, метеорологические станции – наиболее заинтересованы в развитии кабельных сетей.

Плюс при освоении месторождений нужно постоянное электроснабжение, а для проведения строительных работ нужны и временные решения электроснабжения, например, например, для строительства Ленского моста.

– Какие есть решения по увеличению дальности передачи энергии?

Для кабельных линий предлагается такое решение: кабели делать одножильными и размещать их на таком расстоянии друг от друга, чтобы емкость резко упала, тогда можно было бы значительно увеличить расстояние передачи электроэнергии. Образно говоря, берем воздушную линию с ее параметрами, проецируем ее вниз и помещаем в приповерхностном слое земли. Такая кабельная линия получает свойства воздушных линий – у нее будет преобладать индуктивность, а не емкость, и по своим свойствам она приблизится к компактным воздушным линиям. Главное достоинство этого – все системы устройства контроля и защиты линий, существующие для воздушных линий, можно применить к новой кабельной системе.

Замечу, что это не просто кабель, а кабельная система, потому что кабели каждой фазы нужно разместить на определенном расстоянии друг от друга в приповерхностном слое земли и это расстояние зафиксировать, чтобы не менялось линейное сопротивление и остальные параметры. Таким образом, мы получим систему с четкой геометрией. То есть мы сохраняем все свойства компактной воздушной линии и размещаем ее под землей, так, чтобы преобладала индуктивная составляющая, а не емкостная. Характеристики будут схожи с компактными воздушными линиями. В обоих видах линий электропередачи будет повышенная натуральная мощность.

К достоинствам этой системы отнесем и то, что можно увеличить длину кабеля на кабельном барабане и тем самым увеличить расстояние между кабельными муфтами в 2,5 раза, и сократить их количество, повысив этим надежность.

Мы подготовили заявку на патент по этой технологии. Будем надеяться, что в недалеком будущем кабельные системы появятся в Арктике.

– Каковы особенности этой технологии?

– На севере резко возрастает значение параметров, неактуальных для средней полосы. Это надо обязательно учитывать. С изменением температуры от +15 до –55°С (годовой разброс температуры в 70 градусов) меняется длина проводящих жил кабелей. Очень часто разрывы происходят из-за того, что при прокладке линий электропередачи не учитывается сезонное изменение длины. В кабельной системе нужно периодически устраивать компенсационные камеры, то есть при укладке кабеля в теплое время года нужно делать в них запас кабеля, аналогично стреле провеса в воздушных линиях, чтобы в мороз, когда кабель натягивается, этого запаса хватило, и не было обрывов линии.

В обычных условиях средней полосы при прокладке кабеля часто используют песок для выравнивания ложа кабеля. Но на севере песка нет, поэтому можно использовать кабель-канал в виде трубы из изоляционного материала. Такое решение известно, но для коротких кабелей, до километра. Мы предлагаем несколько другую технологию. Делать трубы не полностью, а в виде полуцилиндров, укладывать в них кабель и уже на месте их сваривать. Получается надежная двойная изоляция и непрерывный кабель в рамках одного кабель-канала.

– Расскажите о Вашей идее транспортного коридора.

– Транспортный коридор. Чем он хорош в условиях Арктики? Для того чтобы обслуживать кабельную линию, желательно, чтобы рядом была дорога. А чтобы обслуживать дорогу, нужна энергия. Причем нужен не зимник, а всесезонная – автомобильная или железная дорога. Мы предлагаем прокладывать кабельную линию вдоль автомобильной трассы и сделать у трассы домики-приюты, которые будут снабжаться электроэнергией от нашей кабельной системы. Всем известно, что на севере расстояния между населенными пунктами довольно большие, это сотни километров. Домики-приюты могут помочь водителям, попавшим в пургу или просто решившим отдохнуть в пути. Это повысит социальный комфорт для работающих людей. Можно будет не только отдохнуть в тепле, но и разогреть еду и т.д. Рядом может быть база для хранения восстановительной дорожной техники.

Наша инновационная технология кабельных систем позволит повысить комфортность пребывания людей в суровых северных условиях.

Беседовала Екатерина Жолудева

Кабельная передача электроэнергии

В условиях сурового северного климата с большими морозами, снежной зимой, сильными ветрами и гололедом существуют особые условия для передачи электрической энергии от источника до потребителя.

Для уменьшения влияния атмосферных явлений – гололеда, ветра, морозов предлагается инновационное решение – кабельные линии. Однако для расстояний в 100–200 км кабельные линии не используют, так как они обладают большой емкостью, что серьезно затрудняет их использование для передачи электроэнергии.

Если при кабельной передаче электроэнергии токопроводящие жилы разместить отдельно друг от друга, в виде отдельных кабелей, на некотором расстоянии друг от друга, то кабельная система по своим физическим свойствам будет приближаться к воздушным линиям. То есть будет возможно передать энергию уже на сотни километров.

В кабельной ЛЭП увеличить натуральную мощность линии возможно при обратном геометрическом действии, а именно при разнесении токоведущих жил разных фаз кабельной системы между собой. Тогда три фазы образуют не одну кабельную единицу, а образуют кабельную систему из трех кабелей. Желательна фиксация расстояния между жилами, для однородности физических свойств кабельной системы по ее длине.

Критерием для увеличения расстояния является преобладание индуктивной составляющей сопротивления кабельной системы над емкостной составляющей. Это позволит использовать наработанные методики контроля передачи энергии по воздушным линиям.

Рассмотрим пример такой «длинной» кабельной системы с ПНМ. Основой ее является одножильный кабель. Каждый отдельный кабель в процессе монтажа помещают в свою укладочную трубу – кабель-канал. Укладочную трубу выполняют состоящей из двух полутруб по длине кабеля, причем перед опусканием кабеля две полутрубы сваривают между собой. Укладочные трубы могут непосредственно служить фиксатором расстояния между жилами, при расположении их оболочек вплотную друг к другу.

Одножильные кабели позволяют иметь на кабельном барабане кабель большей длины, чем трехфазный кабель с теми же сечениями токопроводящих жил. Это уменьшает число муфт по сравнению с использованием традиционным трехфазным кабелем и упрощает их конструкцию.

На трассе обязательны компенсационные камеры, в которых в теплое время года будет находиться избыток фазного кабеля. Иначе в холодное время года кабель может порваться от сильного натяжения. Компенсационную камеру выполняют с направляющим выступом и ее размещают на возвышенной части межмуфтовой секции кабеля.

В способе кабельной передачи электроэнергии важную роль играет разделение токоведущих жил кабеля на отдельные кабели, как показано на Рис. 2 – пример укладки кабельной системы из трех отдельных кабелей 2, 3 и 4 в земле. Это позволяет разнести токоведущие жилы на расстояние, при которых емкостная составляющая сопротивления кабеля будет существенно уменьшена. Как известно, погонная величина емкости линии обратно зависит от расстояния между жилами кабеля. Увеличение расстояния между фазами уменьшает зарядную мощность кабельной линии, которая расходуется на нагрев жил кабелей и ограничивает полезную передаваемую мощность.

Сами муфты при этом будут конструктивно проще трехфазных и поэтому надежнее. Расположение муфт и компенсационных камер вдоль линии приведено на Рис. 3. Компенсационные камеры не должны находиться в пониженных местах, где могут появиться почвенные воды в теплое время года.

На Рис. 4 приведена токоведущая жила кабеля 8, оболочка жилы кабеля 9, укладочная труба 10. Укладочная труба необходима для выравнивания дна кабельной канавы, при отсутствии песка, например, в условиях тундры. Она может служить и как дополнительная оболочка для одножильного кабеля. Оболочка может быть изготовлена при укладывании кабеля, если она будет состоять, например, из двух полутруб, нижней 11 и верхней 12, которые будут свариваться в процессе укладки кабеля швом 13.

Фиксаторы, компенсационные и муфтовые камеры могут быть выполнены из бетонов. В качестве армирующих материалов желательно использовать гидрофобные бетоны, например, серобетон для работы в условиях появления приповерхностных вод из-за таяния вечной мерзлоты в летнее время.

Хотите читать больше подобных новостей?

Подпишитесь на электронную рассылку!

Свежий выпуск РЭЭ с доставкой прямо в почтовый ящик