CC BY
246
4. Симою М.П. Определение коэффициентов передаточных функций линеаризованных звеньев систем регулирования /М.П. Симою // Автоматика и телемеханика. 1957. № 6. С. 514-527.
5. Яковлев Ю.С. Системы локальной автоматики: конспект лекций / Ю.С. Яковлев. Чебоксары. Изд-во Чуваш. ун-та, 1993.
ИЛЬГАЧЁВ АНАТОЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных электротехнологических установок и систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ANIKIL47@mail.ru).
ILGACHEV ANATOLY NlKoLAYEVICH - candidate of technical sciences, associate professor of Automated Electrotechnic Sets and Systems Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
УДК 621.315.211:621.315.616.9]:330.13
Г.М. МИХЕЕВ, Л.Г. ЕФРЕМОВ, С.Н. БАТАЛЫГИН, АН. ПУЛИН
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КАБЕЛЯ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА ВЗАМЕН ТОКОПРОВОДА ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ ШИН
Ключевые слова: токопровод, ток короткого замыкания, кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена, экономическая эффективность.
Рассмотрены вопросы применения кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена взамен то-копровода из алюминиевых шин на электростанции. Показаны достоинства и недостатки данного решения. Изучены проблемы экономической эффективности.
G.M. MIKHEEV, L.G. EFREMOV, C.N. BATALYGIN, A.N. PULIN EFFECT OF XLPE-CABLE APPLICATION INSTEAD OF FROM ALUMINIUM CURRENT DISTRIBUTOR Key words: current distributor, short-circuit current, XLPE-cable, economic effect.
Issues of XLPE-cable application instead of dust bus on power station are considered. Advantages and shortcomings of the given decision are shown. Economic efficiency aspects are considered.
В последние годы в стране стали широко применять кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), который имеет существенные преимущества перед термопластичными: высокие электрические и механические параметры в более широком диапазоне рабочих температур, малую гигроскопичность (водонепроницаемость) и другие.
Положительные качества достигаются благодаря технологии сшивки, в процессе которой изменяется структура полиэтилена.
При производстве кабелей с СПЭ-изоляцией используются две технологии сшивания изоляции:
- технология пероксидной сшивки на линиях газовой вулканизации для кабелей среднего (10-35 кВ) и высокого напряжения (110 кВ и выше);
- технология сшивки силаном для кабелей низкого и среднего напряжения от 0,66 до 20 кВ.
По первой технологии процесс вулканизации (сшивки) полиэтиленовой изоляции производится химическим способом в среде нейтрального газа при давлении 800-900 кПа и температуре 285-400°С. В результате химической реакции изменяется молекулярная структура полиэтилена и образуются новые молекулярные связи, что приводит к изменению электрических и механических свойств веществ. Необходимо подчеркнуть, что изоляция и электропроводящие экраны накладываются в процессе тройной экструзии, после чего происходит одновременная сшивка всех трёх слоёв. При высокой тем-
пературе сшивка происходит равномерно по всей толщине изоляции, что невозможно обеспечить при использовании альтернативной силановой сшивки, которая не предполагает применения высоких температуры и давления [3].
Силовой кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6-10 кВ. Кабели на напряжение 6-10 кВ занимают особое место в категории кабелей среднего напряжения. Долгие годы в категории кабелей среднего напряжения превалировали кабели с бумажной пропитанной изоляцией (БПИ). Это связано с тем, что БПИ являлась единственным видом изоляции на данное напряжение.
Кабели с СПЭ-изоляцией призваны заменить морально устаревшие кабели с пропитанной бумажной изоляцией. Этот процесс в промышленно развитых странах начал осуществляться с 1960-х годов.
В настоящее время многие страны практически полностью перешли на использование силовых кабелей среднего напряжения с изоляцией из СПЭ и имеют положительный опыт эксплуатации. Так, в США и Канаде данные кабели занимают 85% всего рынка силовых кабелей, Германии и Дании - 95%, а в Японии, Франции, Финляндии и Швеции - 100% [3].
В нашей стране освоен выпуск кабелей с СПЭ-изоляцией до 220 кВ включительно. Производителями этих кабелей являются «АББ Москабель» и предприятие «Иркутск-кабель».
Завод-изготовитель «Камкабель» (г. Пермь) рекомендует к применению в энергосистемах кабели напряжением 10 кВ, производимые по технологии силанольного сшивания.
В последнее время в России ведущие энергосистемы также ориентированы на использование кабелей среднего напряжения с изоляцией из СПЭ при прокладке новых линий взамен старых, либо при капитальном ремонте.
Переход на кабели с изоляцией из СПЭ взамен с БПИ обусловлен рядом неоспоримых преимуществ:
- низкая повреждаемость (по зарубежным данным, процент электрических пробоев на два-три порядка ниже, чем у кабелей с бумажной изоляцией);
- прокладка и монтаж кабелей могут осуществляться при температуре до минус 15-20°С без предварительного подогрева;
- меньшие расходы на реконструкцию и содержание кабельных линий;
- низкие диэлектрические потери (коэффициент диэлектрических потерь 0,001 вместо 0,008);
- высокая стойкость к повреждениям;
- большая пропускная способность за счёт увеличения допустимой температуры нагрева жил: длительной (90°С вместо 70°С), при перегрузке (130°С вместо 90°С);
- более высокий ток термической стойкости (250 °С вместо 200 °С) при коротком замыкании (к.з.);
- низкая допустимая температура при прокладке без предварительного подогрева (-20 °С вместо 0 °С);
- низкое влагопоглощение;
- меньшая масса, диаметр и радиус изгиба, что облегчает прокладку на сложных трассах;
- возможность прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней;
- более экологичные монтаж и эксплуатация (отсутствие свинца, масла, битума);
- большая строительная длина (до 2000-4000 м) при использовании однофазного кабеля [1-5].
Выполнение токопровода из кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена. Появление новых качеств станционного оборудования, токопрово-дов и т.п. связано с его реконструкцией. В нашем случае - уменьшение электрических потерь в токопроводах за счёт уменьшения реактивного сопротивления в связи с применением кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена.
В данной работе рассматриваются два варианта производства работ: выполнение токопровода из алюминиевых шин; выполнение токопровода из кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Определим показатели экономической эффективности выполнения то-копровода из кабеля со сшитым полиэтиленом, учитывающие затраты и результаты, связанные с реализацией технического проекта.
Для сравнения двух вариантов приведём локальные сметы на выполнение работы по токопроводу (табл. 1 и 2).
Стоимостные показатели следующие:
- вариант выполнения работ по токопроводу из кабеля со сшитым полиэтиленом составляет - 668 741 руб. (табл. 1);
- вариант выполнения работ по токопроводу из алюминиевых шин составляет 2 910 250 руб. (табл. 2).
Таблица 1
Локальная смета на выполнение работ по токопроводу из кабеля со сшитым полиэтиленом на напряжение 10 кВ
Наименование Коли- чество Стоимость единицы, руб. Общая стоимость, руб. Примечания
Короб со стойками и полками для прокладки кабелей до 35 кВ, 100 м трасса 0,66 6389,32 4216,95 ФЕРм 0,8-0,2-153-01 Переход от Федеральной СНБ - 2001 к ТСНБ Нижегородской области
Короб кабельный прямой ККБ-П-0,95/0,6-2, шт. 27 1519,56 41028,14 НЗЭТА, г. Новосибирск
Короб кабельный прямой ККБ-УВ-0,95/0,6-2, шт. 2 970,2 1940,4
Короб кабельный прямой ККБ-УГН-0,95/0,6-2, шт. 2 990 1980
Короб кабельный прямой ККБ-УГН-0,95/0,6-2, шт. 2 891 1782
Кабель до 35 кВ, проложенных в трубах, блоках и коробах, масса 1 м до 6 кг, 100 м кабеля 7 1782,77 12479,36 ФЕРм 0,8-0,2-148-0,4
Кабель силовой с изоляцией из сшитого полиэтилена, ІМ = 10 кВ, с продольной и поперечной герметизацией, сечением 1 х 400 мм2, м 700 777,15 544005 Цена поставщика
Муфты концевые. Муфты для кабеля Uн = 10 кВ сечение 400 мм2, шт. 24 1564,54 37549,07 ФЕРм 0,8-0,2-165-09
Муфта концевая в комплекте с наконечниками РОЬТ-12Б/1Х-Ь12, шт 244 990 23760 Цена поставщика
Итого прямые затраты по акту в текущих ценах 668741 руб.
Таблица 2
Локальная смета выполнения работ по токопроводу из алюминиевых шин
Наименование Коли- чество Стоимость единицы, руб. Общая стоимость, руб. Примечания (обстоятельства)
Токопроводы экранирование из алюминиевых шин. Токопровод с круглой шиной для генераторов, мощность 500-1000 МВт, м (одна фаза) 171 1947,43 333010,97 ФЕРм 0,8-0,1-078-05 Пересчёт стоимости работ с Федеральной СНБ-2001 к ТСнБ-2001 по Нижегородской области
Токопровод отпаечный (в однофазном исполнении) ТЭНЕ-243150-750 УХЛ1, м 171 15071,57 2577238,69 ОАО «Московский завод «Электрощит»
Итого прямые затраты по акту в текущих ценах 2910250 руб.
Финансовые затраты на выполнение токопровода из кабеля со СПЭ-изоляцией в 4,35 раза меньше, чем затраты на выполнение токопровода из алюминиевых шин. Экономическая цена реконструкции очевидна и свидетельствует об экономической эффективности варианта выполнения токопро-вода из кабеля со СПЭ-изоляцией.
При выборе варианта токопровода из кабеля со СПЭ-изоляцией необходимо учитывать следующие обстоятельства.
Заводами изготовителями как отечественными, так и зарубежными сечения экранов выпускаются, как правило, до 35 мм2 включительно, допустимый ток термической стойкости составляет 7,1 кА [3]. По желанию заказчика заводы изготовители могут выпустить кабели с сечением экрана выше 35 мм2 (50, 70, 90, 120, 150). Однако при этом исполнение заказа увеличивается во времени, а стоимость такого кабеля значительно возрастает.
Нами проведён расчет токов двухфазного короткого замыкания на землю на одной из генерирующей станции Нижегородской области, где вместо токопрово-да из алюминиевых шин применён токопровод из 4 одножильных кабеля на фазу со СПЭ-изоляцией сечением 400 мм2, каждый с сечением экрана 35 мм2 (см. рис. 1). Длина одной нитки составляет 60 м. Тип кабеля - КЕХА№ К2Х8(БЬ)К 1х400 (производитель - Германия) (аналог ПвЭВНг (1x400/150)).
На рис. 1. а, б приведена электрическая схема включения силового трансформатора собственных нужд Т-2 посредством кабеля со СПЭ-изоляцией к генератору Г-1 и схема замещения для определения тока двухфазного короткого замыкания на землю в токопроводе, соответственно.
В схеме два источника: генератор мощностью 60 МВА и система бесконечной мощности. Определяем ток трёхфазного короткого замыкания в точке К!.
Для ветви Т-1: Храмин =-^^.+-^-1=3,5+20,4=23,9 Ом.
Дз.Maкc.(3:l=U/(V3•Xрез.мин.)=115000/(V3•23,9)=2777,8 А. Этот ток приведем к напряжению 10 кВ: /кзмакс.(3)=30423 А.
Из схемы замещения нетрудно рассчитать ток в ветви генератора до точки К: 4з.макс.(3)=Щ^3-Хг)=115000/(^3-23)=2886,8 А.
Приведенный к напряжению 10 кВ максимальный трёхфазный ток к.з. будет соответствовать: (/кз.макс.(3-31617 А).
ф
Х =3.5Ом
Сшт
Х т-1=20,4 Ом
Х г =23 Ом
(!)
Г-1
Рис. 1
С
б
Ток к.з. в точке К] определяется суммой токов ветвей Т-1 и Г-1. Максимальный ток трёхфазного к.з. в точке К1 соответственно будет равен следующему выражению: /кзмакаК1|'3—30423+31617=62040 А. В этом случае максимальный ток двухфазного к.з. равняется: мя„. К1 (2'|=/к, макс К1 (3)-У3/2=53730 А. Необходимо отме-
тить, что сопротивление кабеля со СПЭ-изоляцией крайне мало и в расчётах оно не учитывается.
Пути протекания тока короткого замыкания при пробое двух жил на экран разных фаз в кабеле со СПЭ-изоляцией показаны на рис. 2.
Рис. 2
Расчёты показывают, что двухфазный ток к.з. составляет 53,73 кА, что в несколько раз выше тока термической стойкости экрана с сечением 35 мм2 кабеля со СПЭ-изоляцией (7,1 кА). Это говорит о том, что при двухфазном коротком замыкании на землю в кабеле со СПЭ-изоляцией по сечению экрана в повреждённых двух фазах в одной из четырех жил потечет ток, равный 53,7 кА. Естественно, в этом случае в повреждённых жилах двух фаз токи к.з. будут настолько большими, что экран кабеля их не выдержит, и выйдет из строя.
Однако вероятность двухфазного короткого замыкания на землю в кабеле со СПЭ-изоляцией практически равна нулю. Дело в том, что на данной станции защита генератора от однофазного замыкания на землю выполнена таким образом, что при появлении напряжения более 10 В в нейтрали генератора с выдержкой времени 1 с он отключается с помощью выключателя. Значит, вероятность одновременного второго замыкания на землю в кабеле на другой фазе практически исключается.
Выводы. 1. Применение кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена взамен токопровода из алюминиевых шин оправдано как с экономической точки зрения (стоимость работ меньше в 4,35 раза), так и с технической эффективностью (электробезопасность, малые затраты во время текущей эксплуатации и высокая надёжность кабеля).
2. Вариант применения кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена в качестве токопровода необходимо рассматривать в каждом конкретном случае индивидуально, обязательно проверив на термическую стойкость экрана кабеля при междуфазном коротком замыкании.
Литература
1. Дмитриев М.В. Однофазные силовые кабели 6-500 кВ. Расчёт заземления экранов / М.В. Дмитриев, Г.А. Евдокунин // Новости электротехники. 2009. № 3.
2. Дмитриев М.В. Термическая стойкость экранов однофазных силовых кабелей при коротких замыканиях /М.В. Дмитриев, Г.А Евдокунин // Новости электротехники. 2008. N° 2 (50).
3. Ополева Г.Н. Схемы и подстанции электроснабжения. Справочник: учеб. пособие / Г.Н. Ополева. М.: ИД «ФОРУМ»; ИНФА-М, 2009. 480 с.
4. Руководство по выбору, прокладке, монтажу, испытанию и эксплуатации кабелей из сшитого полиэтилена. РД К28-003:2007. Харьков, 2007.
5. Сошинов А.Г. Основы технологии проектирования электроустановок систем электроснабжения / А.Г. Сошинов, С.А. Плаунов, А.М. Крайнев и др. Волгоград: РПК «Политехник», 2006. С. 112.
МИХЕЕВ ГЕОРГИЙ МИХАЙЛОВИЧ - доктор технических наук, доцент, главный инженер, ООО «НПП “Инженерный центр”», Россия, Чебоксары (mikheevg@rambler.ru).
MIKHEEV GEORGI MIHAYLOVICH - doctor of technical sciences, assistant professor, chief engineer, Scientific Industrial Enterprise «Engineering Centre», Russia, Cheboksary.
ЕФРЕМОВ ЛЕОНИД ГЕОРГИЕВИЧ - доктор экономических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (efremov1@chuvsu.ru).
EFREMOV LEONID GEORGIEVICH - doctor of economics sciences, professor of department of electrical supply of the industrial enterprises, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
БАТАЛЫГИН СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ - кандидат технических наук, директор ООО «НПП “Инженерный центр”», Россия, Чебоксары (batalygin@ingenergo.ru).
BATALYGIN SERGEY NIKOLAEVICH - candidate of technical sciences, director, Scientific Industrial Enterprise «Engineering Centre», Russia, Cheboksary.
ПУЛИН АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ - инженер, ООО «НПП “Инженерный центр”», Россия, Чебоксары (pulin1981@mail.ru).
PULIN ALEKSEY NIKOLAEVICH - engineer, Scientific Industrial Enterprise «Engineering Centre», Russia, Cheboksary.
