На главную страницу Rambler's Top100

О журнале

Архив

Разделы

Полезные ссылки

Rambler's Top100

Yandex.CN Сделано для России , тематический каталог отборных русских сайтов.

 

А. В. Майоров


генеральный директор ОАО «Объединённая энергетическая компания», почётный энергетик
  • Энергобезопасность и энергосбережение №6, 2015

    Анализ условий прокладки питающих кабельных линий 20 кВ в мегаполисе

    Опыт проектирования и строительства электрических сетей 20 кВ проанализирован с точки зрения обоснования структуры и параметров систем электроснабжения крупных городов. При обосновании и выборе питающих кабельных линий необходимо принимать во внимание многократные и значительные изменения допустимой токовой нагрузки кабельных линий в реальных условиях прокладки.

    Ключевые слова: электроснабжение городов, электрические сети, питающие кабельные линии

    В последние годы в Москве интенсивно строились и вводились в эксплуатацию электрические сети сравнительно новой ступени напряжения 20 кВ. Развитие таких сетей происходило по классическому сценарию: на первых этапах была максимально охвачена территория за счёт организации связей – питающих кабельных линий 20 кВ между центрами питания сети 110–220/20 кВ; в настоящее время их количество составляет более двадцати. В данные связи врезались нагрузочные узлы – распределительные пункты 20 кВ, к которым, в свою очередь, коммутировались трансформаторные подстанции 20/0,4 кВ как с использованием технологии соединительных пунктов, так и без них.

    На сегодняшний день накоплен определённый опыт проектирования и строительства сетей 20 кВ. Его анализ может быть полезен специалистам при обосновании и выборе структуры и параметров систем электроснабжения крупных городов.

    При обосновании и выборе питающих кабельных линий (ПКЛ) 20 кВ одним из центральных вопросов являлось определение их допустимой токовой нагрузки (пропускной способности). Как известно, при прочих равных условиях она зависит от большого количества влияющих факторов: способа прокладки, температуры и удельного теплового сопротивления окружающей среды, числа параллельно проложенных кабелей и расстояний между ними, глубины прокладки, способов заземления экранов и др. [1, 2]. С указанных позиций анализу были подвергнуты фактические условия прохождения трасс десяти ПКЛ 20 кВ в Москве общей протяжённостью около 170 км (табл. 1). Их выборка произведена так, чтобы были охвачены все возможные условия прохождения в центральных и периферийных районах города. Способы прокладки в табл. 1 сгруппированы таким образом, чтобы выявить однородные условия, влияющие на допустимые токовые нагрузки. Пункты 1–3 табл. 1 относятся к прокладке в земле, пункт 4 – к прокладке в городских коллекторах, то есть в воздухе.


    На рис. 1 даны характерные конфигурации сети 20 кВ, поясняющие условные обозначения в табл. 1: ПКЛ с условным номером 1–1 длиной 2x22,32 км соответствует рис. 1 а; с условным номером 8–8 длиной 2x1,58 км – рис. 1 в; с условным номером 9/9 длиной 3,09/1,64 км – рис. 1 б.


    При прочих равных условиях наибольшая допустимая токовая нагрузка обеспечивается при прокладке кабельной линии в воздухе; далее в порядке убывания – в траншее на глубине 0,8 м, в трубной канализации неглубокого залегания и, наконец, в закрытых переходах на больших глубинах. Как видно из табл. 1, любая ПКЛ 20 кВ имеет по трассе все вышеперечисленные условия прохождения. Естественно, что для кабельных линий, прокладываемых по трассам с различными условиями охлаждения, параметры линии должны выбираться по участку трассы с наихудшими условиями. Также обратим внимание, что для ПКЛ с условными номерами 9/9 или 10/10 одна из линий полностью проходит в коллекторе. То есть имеет более благоприятные условия с позиций охлаждения и допустимой токовой нагрузки. Однако расчётными для выбора последней будут продолжительные ремонтные или послеаварийные режимы (известный принцип n – 1), когда вся нагрузка ложится на оставшуюся в работе линию, проходящую в земле, в том числе в закрытых переходах на больших глубинах (худшие условия охлаждения). В табл. 2 для рассматриваемых кабельных линий приведены особенности их прохождения по местности. Как видно из табл. 2, условия прокладки ПКЛ 20 кВ с позиций допустимой токовой нагрузки меняются каждые 10–30 м, то есть на 1 км трассы приходятся 30–100 разнородных участков. В табл. 3 представлены допустимые токовые нагрузки, рассчитанные по методикам [1, 2] для характерных условий прокладки, выделенных в табл. 1 и 2. Во внимание принят наиболее часто используемый одножильный алюминиевый кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена сечением 500 мм2 , медным экраном сечением 70 мм2 ; три одножильных кабеля укладываются треугольником. За 100 % допустимой токовой нагрузки в табл. 3 при-нята таковая для одиночного кабеля в воздухе.


    Из табл. 3 следует, что при прокладке в траншее на глубине 0,8 м (обычные расчётные условия, отражённые в справочной литературе) пропускная способность кабельной линии составляет 74 %. При её размещении в трубной канализации длиной более 10 м допустимая токовая нагрузка снижается до 51–67 %, то есть уменьшается примерно на 10–45 %.

    В закрытых переходах пропускная способность линии составляет около 40 %, то есть падает почти вдвое (на 85 %). Причём в нормальном режиме нагрузка кабельной линии должна быть ещё в два раза ниже, чем в табл. 3 для обеспечения полного электроснабжения потребителей в продолжительных ремонтных или послеаварийных режимах при отключении одной из линий.

    Таким образом, при обосновании и выборе необходимо учитывать многократные (табл. 2) и значительные (табл. 3) изменения допустимой токовой нагрузки кабельных линий в реальных условиях. Это требует понимания их технико-экономических характеристик.


    Для рассматриваемых ПКЛ 20 кВ анализу была подвергнута структура затрат на их строительство (табл. 4). За основу взята проектно-сметная документация, прошедшая государственную экспертизу.

    В первую очередь следует обратить внимание (табл. 4), что в общих затратах стоимость кабельной продукции незначительна и составляет лишь 15–25 % в тех случаях, когда свыше 50 % трассы проложено в земле. Более весомую часть составляют затраты на строительно-монтажные работы по тому или иному способу разработки грунтов. При приведении к текущим ценам составляющие затрат имеют различные переводные коэффициенты. Поэтому в табл. 5 представлена укрупнённая структура затрат на рассматриваемые кабельные линии в текущих ценах.


    Как видно из табл. 5, относительная стоимость проектно-изыскательских работ заметно снизилась в сравнении с данными из табл. 4 (базовые цены 2000 года). Тем не менее, их доля сравнительно высока из-за объёма и дороговизны инженерно-геодезических, инженерно-геологических, инженерно-экологических изысканий, а также большого объёма платных согласований, что, по-видимому, характерно лишь для очень крупных городов.


    Наконец, в табл. 6 даны технико-экономические характеристики ПКЛ 20 кВ с дифференциацией их для кабелей, прокладываемых в коллекторе и в земле, в ценах 2000 г. (здесь и далее без НДС). Для перехода к текущим ценам необходимо ввести повышающий коэффициент из диапазона 4,7–5,4.

    Как видно из табл. 6, стоимость одной кабельной линии 20 кВ в земле находится в пределах 2,5–3,5 млн руб./км. Более высокие значения характерны для центральных районов города с относительно короткими трассами, прокладываемыми в закрытых переходах. Стоимость ПКЛ 20 кВ в городских коллекторах в 2–4 раза ниже.

    С учётом полученных технических и экономических характеристик обсудим подходы к обоснованию и выбору параметров электрической сети рассматриваемой ступени напряжения. Согласно Правилам устройства электроустановок, для кабельных линий, прокладываемых по трассам, проходящим в различных грунтах и условиях окружающей среды, выбор конструкций и сечений кабелей следует производить по участку с наиболее тяжёлыми условиями, если длина участков с более лёгкими условиями не превышает строительной длины кабеля. Кроме того, на 1 км одножильных кабелей 20 кВ должно приходиться не более двух соединительных муфт. Принимая во внимание технологических особенностей монтажа кабельных линий и их весовых характеристик, обычная строительная длина одножильных кабелей 20 кВ сечением 500 мм2 и выше берётся на уровне 0,5 км. С учётом данных табл. 2 на одну строительную длину придётся 15–50 участков с различными условиями прокладки. Из них 20–30 % гарантированно придётся (табл. 2) на трубную канализацию длиной более 10 м и закрытые переходы. Как уже отмечалось ранее, снижение пропускной способности кабельных линий составит 10–45–85 % по сравнению с их прокладкой в траншее на глубине 0,8 м.


    Лишь на первый взгляд повышение пропускной способности линии достигается увеличением её сечения. На рис. 2 приведены зависимости относительной стоимости C и допустимой токовой нагрузки Iдоп от сечения S кабельной линии при прокладке в земле. За 100 % приняты соответствующие значения для одиночного кабеля сечением 240 мм2 .


    Из рис. 2 следует, что, например, увеличение сечения кабеля одной строительной длины с 500 мм2 (Iдоп = 146 %; С = 130 %) до 630 мм2 другой строительной длины (Iдоп = 167 %; С = 146 %) приведёт к увеличению Iдоп на 14 %, а С на 12 %. Это не решает проблемы снижения пропускной способности кабельной линии в условиях разнородности трассы. Последующее увеличение сечения в данном случае не принимается во внимание, так как технологии соединительных муфт для кабелей сравнительно больших сечений предусматривают сопряжение кабелей лишь смежных сечений.

    С другой стороны, гипотетическое увеличение сечения кабеля 20 кВ с 500 мм2 до предельных 1600 мм2 (Iдоп = 235 %; С = 259 %) позволит увеличить Iдоп лишь на 59 %, при том, что С возрастет практически вдвое. Следовательно, более предпочтительным видится не увеличение сечений кабельных линий, а увеличение их количества между центрами питания сети. Очевидно, подобные выводы были сделаны более 40 лет назад при формировании сети 20 кВ в г. Париже [3]: между центрами питания сети сразу закладывалось шесть кабельных линий соответствующего класса напряжения.

    Другим дополнительным и менее дорогостоящим способом повышения пропускной способности ПКЛ 20 кВ является совершенствование систем контроля и управления электрической сетью. Заводы-изготовители кабельной продукции регламентируют следующую перегрузку кабелей: 20 % непрерывно в течение 8 часов за сутки (30–40 % в течение 4 часов), но не более 100 часов в год и 1000 часов за весь срок эксплуатации. Как правило, на всех распределительных пунктах мощностью 20 кВ устанавливаются устройства телемеханики. Интеграция с ними упрощённых средств температурного контроля кабелей 20 кВ позволит гибко использовать их перегрузочную способность в различных эксплуатационных режимах. При этом стоимость силового кабеля 20 кВ при встраивании в него оптического кабеля для температурного контроля растёт лишь на 3 %.

    Итак, фактические условия прохождения кабельных линий 20 кВ в мегаполисе таковы, что на одну её строительную длину приходится 15–50 участков с различными условиями прокладки. Немалая их часть приводит к 10–45–85 %-му снижению пропускной способности кабелей (здесь и далее – по сравнению с прокладкой кабелей в траншее на глубине 0,8 м).

    При наличии закрытых переходов глубокого заложения пропускная способность кабельных линий 20 кВ составляет 38–45 %. При этом по условиям расчётных продолжительных ремонтных или послеаварийных режимов нагрузка питающей кабельной линии должна быть ещё в два раза ниже. Такие длительно допустимые нагрузки соответствуют мощности распределительного пункта 20 кВ на уровне 10 МВт, что пока не оправдало высоких ожиданий от пропускной способности этой сети. На данном временном промежутке с технико-экономических позиций наиболее предпочтительно повышать пропускную способность питающих кабельных линий не за счёт увеличения их сечения до предельных значений, а за счёт увеличения количества параллельных кабельных линий.

    Дополнительным организационно-техническим мероприятием по повышению пропускной способности электрической сети 20 кВ следует считать внедрение устройств температурного контроля кабелей в системах диспетчерского и технологического управления с целью гибкого использования их перегрузочной способности в различных эксплуатационных режимах.

    Литература

    1. ГОСТ Р МЭК 60287-1-1-2009. Кабели электрические. Расчёт номинальной токовой нагрузки. Часть 1-1. Уравнения для расчёта номинальной токовой нагрузки (100 %-ный коэффициент нагрузки) и расчёт потерь. Общие положения [Электронный ресурс]. Код доступа: www.dokipedia.ru/document/5140252.

    2. ГОСТ Р МЭК 60287-2-1-2009. Кабели электрические. Расчёт номинальной токовой нагрузки. Часть 2-1. Тепловое сопротивление. Расчёт теплового сопротивления [Электронный ресурс]. Код доступа: www.doci- pedia.ru/document/5140889.

    3. Пелисье Р. Энергетические системы. – М.: Высшая школа, 1982.

  • © «Московский институт энергобезопасности и энергосбережения»
    Полное или частичное использование материалов возможно только с разрешения редакции.
    Политика в отношении персональных данных
    Зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере массовых коммуникаций, связи и охраны культурного наследия. Свидетельство ПИ № ФС77-28742

    webmaster: webmaster@endf.ru