Návrh a aplikácia vysokonapäťových káblov plnených olejom a plynom

Podzemné vysokonapäťové káble sa používajú na prenos elektriny už mnoho rokov a v priebehu rokov sa vyvinulo množstvo rôznych technológií.

Izolované plynovody a ropovody majú technické, environmentálne a prevádzkové vlastnosti, ktoré z nich robia veľmi dobrú alternatívu, keď sa vyžaduje prenos vysokého napätia v obmedzenom priestore, napríklad keď nie je možné použiť nadzemné elektrické vedenia.

Vysokonapäťové káble v Španielsku pre napätie 400 kV

Plynom a olejom izolované prenosové káble (vysokotlakové plynové a olejové káble) sú bezpečnou a flexibilnou alternatívou k nadzemným vedeniam a zaberajú oveľa menej miesta pri rovnakom prenose energie.

Keďže majú malý alebo žiadny vplyv na krajinu a ich minimálne elektromagnetické emisie znamenajú, že sa môžu používať v blízkosti budov alebo dokonca v budovách, vysokonapäťové káble naplnené olejom a plynom možno zvážiť pre širokú škálu aplikácií.

Magnetická indikácia B, ktorú je možné zmerať v blízkosti takejto konštrukcie, je veľmi nízka, oveľa nižšia ako pri ekvivalentnom nadzemnom vedení. Vo vzdialenosti 5 metrov od potrubí je to menej ako 1 μT.

Sú vhodné na zabezpečenie pokračovania podzemných nadzemných vedení, na pripojenie elektrární do elektrickej siete alebo ako kompaktný spôsob pripojenia veľkých priemyselných závodov do verejnej siete.

Pri použití v kábloch so zvýšeným tlakom sa výrazne zvýši dielektrická pevnosť izolácie kábla a zníži sa jej hrúbka a tým aj náklady. Zvýšený tlak v kábloch naplnených olejom alebo plynom je generovaný vo vnútri izolácie cez duté jadro alebo iné vedenia pozdĺž kábla a je aplikovaný mimo izolácie, ak je kábel umiestnený v oceľovom potrubí.

Výstavba káblového vedenia s vysokonapäťovými káblami plnenými plynom

Káble plnené plynom používajú vodnú izoláciu s ochudobnenou vrstvou, v ktorej vrstve je pod tlakom inertný plyn, ktorý má dobré elektrické vlastnosti a vysokú tepelnú vodivosť (dusík, plyn SF6 a pod.). Nahradením vzduchu dusíkom alebo plynom SF6 sa zabráni oxidácii izolácie.

Podľa veľkosti tlaku sa káble rozlišujú na nízky (0,7 — 1,5 atm), stredný (do 3 atm) a vysoký (12 — 15 atm) tlak. Prvé dva typy káblov sú prevažne trojfázové pre 10 – 35 kV a vysokotlakové káble – jednofázové pre 110 – 330 kV.

Jednožilové olejom plnené káble pre 110 kV sa vyrábajú s jedným olejovo vodivým kanálom v strede dutého jadra a pre napätie 500 kV - s centrálnym kanálom v jadre a kanálmi pod ochranným plášťom.

Trojfázové prevedenie plnené olejom

Zvýšenie tlaku vyžaduje spevnenie ochranného plášťa nanesením výstužných kovových pásov, ktoré sú chránené pred koróziou vhodnými nátermi, ako aj pancierovaním z pozinkovaných oceľových drôtov.

Hlavnou nevýhodou moderného vysokonapäťového vedenia s olejom naplneným káblom je potreba veľmi drahých a zložitých pomocných zariadení, ako sú: zásobovacie nádrže, tlakové nádrže, dorazy, spojky a koncové spojky.

Kompenzácia zmien objemov impregnačnej kompozície sa vykonáva pomocou prívodných zariadení pozostávajúcich zo zásobných nádrží a tlakovej nádrže. Napájacie nádrže zaisťujú, že veľké množstvo oleja je privádzané do alebo z kábla s malou zmenou tlaku a tlaková nádrž udržuje tlak v kábli pri akejkoľvek zmene objemu oleja.

Olej sa pohybuje pozdĺž kábla pozdĺž centrálneho kanála vodiča s prúdom. Káblové vedenie je rozdelené vymedzovacími vývodkami na samostatné dosadacie časti.

Najsilnejším konkurentom kábla naplneného olejom je kábel na stlačený plyn. V porovnaní s olejom plneným vysokonapäťovým káblom plneným plynom si vyžaduje nižšie náklady na výstavbu linky, nepotrebuje zložité pomocné vybavenie a je veľmi jednoduchý na inštaláciu aj obsluhu.

Inštalácia trojfázového vedenia s káblami plnenými plynom

Hlavnou výhodou káblov plnených plynom oproti káblom plneným olejom je jednoduchosť zásobovania káblového vedenia plynom, možnosť uloženia kábla na strmo sklonených a zvislých trasách.

Káble plnené plynom sa najčastejšie používajú pre napätie 10 — 35 kV.Pri napätí 110 kV a vyššom majú káble plnené plynom v porovnaní s olejmi nižšiu impulznú silu a vyšší tepelný odpor. Preto sa tieto káble u nás zriedka používajú pri napätiach 110 kV a vyšších.

Naopak, v európskych krajinách sa káble plnené olejom (Oil Filled Cable) používajú menej často ako káble plnené plynom (plynom izolované prenosové vedenia, GIL).

Táto technológia sa v Európe začala uplatňovať približne v 70-tych rokoch. Je špeciálne navrhnutý tak, aby poskytoval možnosť zakopania sietí vysokého napätia v mestskom prostredí. V súčasnosti je veľa dokončených projektov s použitím káblov plnených plynom pre napätie do 500 kV.

Výhodou káblov plnených plynom je pomerne veľká bezpečnostná rezerva v prípade núdzového poklesu tlaku, čo umožňuje ich okamžité odpojenie pri poklese tlaku.

Dizajn kábla plneného plynom

Káble v oceľovom potrubí pod tlakovým olejom sú tri jednožilové káble s papierovou izoláciou napustenou minerálnym alebo syntetickým olejom (bez oloveného plášťa), ktoré sú umiestnené v oceľovom potrubí s tlakovým olejom do 15 atm.

Typicky sa na impregnáciu izolácie používajú viskóznejšie oleje a na plnenie potrubia sa používajú menej viskózne oleje. Takéto káblové vedenia v oceľových potrubiach s tlakovým olejom sa používajú pre napätia 110 – 220 kV.

Izolácia je pokrytá sitom z metalizovaného papiera alebo perforovaných medených pásikov, na ktoré je nanesený tesniaci povlak - polyetylénový plášť, ktorý zabraňuje vniknutiu vlhkosti do kábla počas prepravy.

Na tesniacom povlaku sú špirálovito aplikované dva alebo tri polkruhové bronzové alebo medené drôty, ktoré sú navrhnuté tak, aby uľahčili vtiahnutie kábla do potrubia, navyše udržiavajú fázy v určitej vzdialenosti od seba, čo zlepšuje cirkuláciu oleja a zabezpečuje elektrický kontakt káblových tienenia s potrubím.

Oceľová rúrka, ktorá udržuje tlak v kábli, je spoľahlivou ochranou pred mechanickým poškodením. Tlak oleja na izoláciu sa prenáša cez polyetylénový plášť.

Prechod nad hlavou na kábel

Slabým miestom vysokonapäťového kábla sú zvyčajne konektory. Jednou z hlavných úloh pri vývoji vysokonapäťových káblových vedení je vytvorenie konektora, ktorý je vhodný na inštaláciu a má elektrickú pevnosť, ktorá nie je menšia ako pevnosť kábla.

Na koncoch káblového vedenia sa inštalujú koncové spojky a každých 1 – 1,5 km vedenia sa inštalujú polozastavovacie spojky (bránia voľnej výmene oleja medzi susednými úsekmi potrubia).

Prednastavený tlak oleja v potrubí je udržiavaný automaticky pracujúcou jednotkou, ktorá dodáva olej do potrubia pri poklese tlaku a odvádza prebytočný olej, keď tlak stúpa.

V konektoroch olejom naplnených káblov dochádza k elektrickému spojeniu vodičov s prúdom a k spojeniu olejových kanálov kábla.

Jadrá sú zlisované a kontinuita olejového kanála je zabezpečená dutou oceľovou rúrkou (zváranie alebo spájkovanie nie je povolené kvôli prítomnosti oleja).

Po celej dĺžke priechodky je aplikovaný uzemňovací štít (pocínovaný medený oplet) a vonkajšia strana priechodky je uzavretá v kovovom kryte.

Káblová priechodka vysokonapäťového kábla naplneného olejom

Káble v oceľovom potrubí na stlačený plyn sa líšia od predchádzajúcej konštrukcie len tým, že namiesto minerálneho alebo syntetického oleja je potrubie naplnené stlačeným inertným plynom, zvyčajne dusíkom pod tlakom asi 12-15 atm. Výhodou takýchto káblov je výrazné zjednodušenie a zlacnenie systému napájania vedenia.

Izolácia káblov je vystavená nielen nepretržitému vystaveniu priemyselnému frekvenčnému napätiu, ale aj impulznému napätiu, pretože káble sú pripojené priamo k nadzemným vedeniam alebo k elektrickým zariadeniam otvorených rozvodní a rozvádzačov, ktoré vnímajú vplyvy. atmosférické vlny. 

Impulzná sila kábla naplneného olejom je vyššia ako sila kábla naplneného plynom, bez ohľadu na hodnoty tlaku oleja alebo plynu v nich. Pre akýkoľvek typ kábla je možné impulzné prierazné napätie zvýšiť zmenšením hrúbky papierových pásikov, t.j. zmenšením medzier medzi nimi. Najvyššie prierazné napätia majú káble plnené olejom alebo káble pod vonkajším tlakom plynu, kde sú medzery v izolácii vyplnené impregnačnou hmotou.

Plynom naplnené vysokonapäťové káble v podzemnom potrubí (tuneli) možno medzi káblami ľahko premiestňovať, ale tento typ inštalácie nevyžaduje takmer žiadnu údržbu

Vysokotlakové plynové a olejom izolované káblovody už niekoľko desaťročí preverujú svoju technickú spoľahlivosť, pretože okrem veľmi dobrých prenosových vlastností poskytujú mimoriadnu bezpečnosť pri prevádzke a dokonca aj v prípade poruchy.

Stav izolácie káblových vedení počas prevádzky sa kontroluje prostredníctvom preventívnych testov, ktoré umožňujú identifikovať hrubé porušenia integrity izolácie a jej defekty (fázové uzemnenie, prerušenia vodičov atď.), ako aj zmerajte izolačný odpor, zvodové prúdy, uhol dielektrickej straty atď.

Je potrebné poznamenať, že pre izoláciu káblových vedení sú preventívne testy jedinou metódou detekcie chybných miest v izolácii, pretože káblové vedenie je neprístupné pre kontrolu a preventívnu opravu. Preventívne testovanie izolácie káblových vedení by preto malo rýchlo identifikovať chyby v izolácii káblov a znížiť tak núdzovú situáciu v sieti.

Okrem článku - Siemens vyvíja plynovod

Nová linka je navrhnutá na prenos až päť gigawattov (GW) energie na systém. Nemecké spolkové ministerstvo hospodárstva a energetiky poskytuje na tento rozvojový projekt 3,78 milióna eur.

Elektrické vodiče jednosmerného prúdu bude založená na technológii existujúceho plynovodu (TL), ktorý pozostáva z dvoch koncentrických hliníkových rúr. Ako izolačné médium sa používa zmes plynov.Doteraz boli plynom izolované káblové vedenia dostupné len pre striedavý prúd.

Rozšírenie prenosovej siete je nevyhnutné, ak má do roku 2050 pokryť 80 % nemeckého dopytu po elektrine obnoviteľné zdroje energie.

Vyrobená elektrina veterné turbíny v severnej časti krajiny a pozdĺž pobrežia Nemecka sa bude musieť čo najefektívnejšie prepraviť do stredísk nákladnej dopravy v južnej časti Nemecka.Prenos jednosmerným prúdom je na to najvhodnejší z dôvodu nízkych elektrických strát v porovnaní so striedavým prenosom.

Rozvoj siete s použitím vysokonapäťového jednosmerného prúdu (HVDC) s použitím nadzemných prenosových vedení a plynom izolovaných prenosových vedení jednosmerného prúdu uložených v určitých oblastiach pod zemou možno realizovať s použitím podstatne menšieho množstva zdrojov ako pri trojfázovej technológii.

„Podzemný prenos jednosmerného prúdu je nevyhnutný pre prechod Nemecka na novú elektrizačnú štruktúru, keďže jeho vývoj bude spočiatku prebiehať v Nemecku. Neskôr budú celkom možné dopyty z iných krajín EÚ alebo iných krajín z celého sveta. V každom prípade, s rozvojom plynovodu s jednosmerným prúdom bude Nemecko hrať vedúcu úlohu pri navrhovaní budúcich prepravných sústav,“ povedal Denis Imamovič, zodpovedný za prepravné plynové sústavy v spoločnosti Siemens Energy Management.