Надежная альтернатива

В связи с возросшим интересом к подземным системам передачи электроэнергии газоизолированные линии электропередачи (ГИЛ) представляют собой привлекательную альтернативу кабельным решениям.

ГИЛ применяются, как правило, на поверхности земли (например, на подстанциях, электростанциях и проч.) или в подземных тоннелях. Однако новым является вариант прямой прокладки ГИЛ в земле, не требующий расходов на прокладку тоннеля и демонстрирующий ряд преимуществ, включая высокую пропускную способность, низкие показатели потерь, низкую зарядную емкость и т. д.

Традиционные способы прокладки

Конструкция ГИЛ аналогична сборным шинам КРУЭ. За последние 35 лет, в течение которых эксплуатируются ГИЛ, они получили признание в качестве альтернативы кабелям и воздушным линиям, способным соединять электростанции с подстанциями или воздушными линиями. Основные преимущества решения ГИЛ в подобных ситуациях – высокая передающая способность и компактность.

Несколько линий ГИЛ проведено также в подземных тоннелях. Подобный проект был недавно реализован в австрийском городе Лимберге (КРУЭ на 400 кВ для гидроаккумулирующей электростанции соединено с воздушной ЛЭП на вершине горы через ГИЛ, проложенную через тоннель с крутым уклоном). Отсутствие угрозы пожара и малое электромагнитное поле – основные причины, побудившие заказчика выбрать решение ГИЛ.
Прямая прокладка в земле

В 2008 году было принято решение о применении ГИЛ в сети одной из крупнейших немецких энергокомпаний Амприон. В районе аэропорта Франкфурта-на-Майне была введена в эксплуатацию двухцепная ГИЛ длиной около одного километра, обеспечивающая безопасное расстояние между существующей воздушной линией электропередачи (ЛЭП) и новой взлетно-посадочной полосой. ГИЛ, содержащая в качестве изолирующего средства газовую смесь азота и элегаза (N2/SF6), с одного конца соединяется с подстанцией высокого напряжения КРУЭ. Другой конец ГИЛ подключен к питающей ЛЭП через элегазовые изоляторы.

В рамках реализации данного проекта предметом тщательных исследований стало прокладывание линий на большие расстояния. Была систематически изучена и максимально рационализирована процедура прокладки, когда монтажный тент располагался в середине траншеи и выполнял функцию основного логистического центра работ. Здесь же хранились все вовремя поставленные компоненты после выполнения всех механических работ (например, изготовления отрезков труб заданной длины, шлифовки и т. д.)
Вслед за ультразвуковой проверкой каждого сварного шва модули втягивают в траншею в направлении ЛЭП и здания КРУЭ соответственно. Механические леса фиксируют трубы ГИЛ в траншее и вынуждают их следовать пространственной кривой ландшафта прямо перед засыпкой.
После завершения монтажа двух цепей ГИЛ в траншею заливается жидкая термически стабилизирующая засыпка. Толщина почвы над трубами ГИЛ равна 1,2 м. Общая ширина шести фаз ГИЛ составляет около 9 м.

Пропускная способность

Отдельного внимания заслуживает передающая способность на короткое и длительное время. Первоначально ГИЛ была спроектирована более консервативно в плане электропроводимости и высыхания почвы.
Расчет передачи электроэнергии показал результат 2 x 1800 МВА, который эквивалентен номинальному току силой 2 x 2700 A. Первостепенным ограничивающим фактором стала расчетная температура внешнего корпуса. Однако исследования прототипа дали определенное понимание того, что нагрузочная и перегрузочная способность превышает оценки. Были проведены дополнительные имитации с применением адекватного моделирования, учитывающего условия данной почвы. Результаты проведенных нами исследований можно использовать для оптимизации передающей способности ГИЛ в общем.

Для этой цели ГИЛ была снабжена системой мониторинга температуры на основе оптоволоконных кабелей. Они были задействованы в качестве чувствительных элементов и расположены поверх труб корпуса каждой отдельной фазы на всем протяжении системы.
Чтобы определить температуру почвы в качестве референтного значения для температур корпуса, параллельно траншее ГИЛ проведен дополнительный оптоволоконный кабель. Поскольку нагрузка в диапазоне номинальных величин не могла ожидаться в течение первого периода эксплуатации, для испытаний токовой нагрузкой был применен трансформатор тока. С помощью этого тестового комплекта можно получить нагрузку в 3000 A, что примерно на 10% больше номинального значения.

Защита от коррозии

Внешняя труба фазы ГИЛ оснащена пассивной защитой от коррозии. Эта мера сопоставима с покрытием высоковольтных силовых кабелей слоем пластика. Черный слой полиэтилена толщиной несколько миллиметров наносится на заводе на каждую трубу. После проведения сварки на месте свариваемые сечения (около 30 см) защищаются с помощью того же самого пластикового материала, который напыляется последовательно на каждый шов. Чтобы дополнительно обезопасить себя от коррозии, которая может произойти из-за внешнего повреждения пластикового покрытия, применяется метод активной защиты.
Трубы подключены к ячейкам, которые обеспечивают отрицательный потенциал напряжением 1,5 В относительно земли. В конструкции активной системы защиты от коррозии предусмотрена также возможность устойчивости к токам короткого замыкания.

Высоковольтные испытания на месте

Испытания на месте служат проверке диэлектрической целостности ГИЛ. Программа испытаний обнаруживает различные типы дефектов, которые могут привести к внутреннему короткому замыканию во время эксплуатации: неправильную сборку, присутствие инородных тел (таких как отдельные частицы металла и выступы, а также повреждения во время транспортировки, хранения или монтажа).

Рекомендация IEC 61640 для высоковольтных испытаний на месте установки основана на современных испытаниях КРУЭ и учитывает характеристики длинной ГИЛ. Однако процедура испытаний на месте не является фиксированной, и по каждому отдельному проекту следует согласовывать соответствующую процедуру испытаний. При испытании ГИЛ на месте установки успешно применялся метод УВЧ (ультравысокой частоты) – сканирования частичного разряда. Расстояние между соседними датчиками частичного разряда может превышать несколько сот метров из-за слабого затухания сигнала в ГИЛ. Точность испытаний напряжением промышленной частоты на месте и УВЧ-сканирования частичного разряда уже доказана в ходе различных предшествующих проектов ГИЛ.

Процедура испытаний на месте, состоящая из подачи переменного тока определенного качества, тестирования на переменной частоте и дополнительного УВЧ-сканирования частичного разряда, учитывала рекомендации IEC/CIGRE и опыт производителя в плане тестирования КРУЭ и ГИЛ.
Каждая фаза ГИЛ была определена в качестве отдельного испытательного участка. Четыре датчика УВЧ-сканирования частичного разряда расположены вдоль каждой отдельной фазы ГИЛ; максимальное расстояние между соседними датчиками составляет около 500 м. Требуемая чувствительность при обнаружении частичного разряда 5 пКл была подтверждена на месте согласно рекомендации CIGRE.

Система мониторинга

Так же как и КРУЭ, ГИЛ демонстрирует высокую степень надежности. Тем не менее вероятность диэлектрического повреждения нельзя исключить полностью. Перед началом ремонтных работ дефект необходимо обнаружить и локализовать как можно более точно. В принципе, применимы все методы, известные по другим подземным линиям, таким как силовые кабели. В случае пробоя лавина напряжения вызывает появление блуждающей волны. Это переходное явление может быть записано соответствующими датчиками. Поскольку ГИЛ оснащена датчиками частичного разряда, их можно использовать для записи импульсных помех, если правильно подключена низковольтная емкость.

Датчики с преобразователями локализации дуги монтируются в начале и в конце установки и подключаются к коммуникационным модулям. Один из них играет роль ведущего устройства, а другой – ведомого устройства. Оба они подключаются к системе коммуникационной шины.

Синхронизация ведущего и ведомого устройства достигается за счет сигнала GPS. Если сверхбыстрый импульсный сигнал создается дугой в системе, то он вызывает проведение измерений времени прохождения сигнала обоими датчиками. Место пробоя выявляется путем сравнения этих данных. Визуализация системы указывает, в какой именно цепи возникла дуга и в каком именно месте. Эффективность системы подтверждена испытаниями на месте. Результаты были сравнены с обычными значениями измерений. Удалось достичь точности, значительно превышающей ±5 м.

В связи с возросшим интересом к подземной передаче в системах высшего напряжения ГИЛ представляет собой привлекательную альтернативу кабельным решениям. Во время реализации первого проекта прямой прокладки ГИЛ в земле были детально проанализированы различные аспекты: конструктивные особенности, инжиниринг, монтаж, сборка и процедура прокладки, а также испытания на месте. Измерения температуры показали, что передающая способность оказалась выше, чем при первоначальных расчетах. Тем временем с помощью системы мониторинга температуры были собраны точные данные, подтверждающие более высокие номиналы тока. Описанное опытное внедрение ГИЛ позволило придать импульс внедрению технологии прямой прокладки ГИЛ в земле.