Olaj- és gáztöltésű nagyfeszültségű kábelek tervezése és alkalmazása

A földalatti nagyfeszültségű kábeleket évek óta használják villamosenergia-átvitelre, és az évek során számos különböző technológiát fejlesztettek ki.

A szigetelt gáz- és olajvezetékek olyan műszaki, környezeti és üzemeltetési jellemzőkkel rendelkeznek, amelyek nagyon jó alternatívát jelentenek, ha korlátozott helyen nagyfeszültségű átvitelre van szükség, például amikor nem használható légvezetékek.

Nagyfeszültségű kábelek Spanyolországban 400 kV feszültséghez

A gáz- és olajszigetelt átviteli kábelek (nagynyomású gáz- és olajkábelek) biztonságos és rugalmas alternatívát jelentenek a felsővezetékekkel szemben, és sokkal kevesebb helyet foglalnak el, miközben ugyanazt az erőátvitelt biztosítják.

Mivel csekély vagy semmilyen hatást nem gyakorolnak a tájra, és minimális elektromágneses kibocsátásuk azt jelenti, hogy épületek közelében vagy akár épületekben is használhatók, az olajjal és gázzal töltött nagyfeszültségű kábelek széles körben alkalmazhatók.

Az ilyen szerkezet közelében mérhető B mágneses jelzés nagyon alacsony, sokkal alacsonyabb, mint egy ekvivalens légvezetéknél. A csövektől 5 méteres távolságban kevesebb, mint 1 μT.

Alkalmasak földalatti légvezetékek folytatásának biztosítására, erőművek elektromos hálózatra történő csatlakoztatására vagy nagy ipari üzemek általános hálózatra történő csatlakoztatásának kompakt módjaként.

Megnövelt nyomású kábelekben történő felhasználás esetén a kábelszigetelés dielektromos szilárdsága jelentősen megnő, vastagsága és ennek megfelelően a költségek is csökkennek. Az olajjal vagy gázzal töltött kábelekben a megnövekedett nyomás a szigetelésen belül egy üreges magon vagy a kábel mentén lévő egyéb vezetékeken keresztül jön létre, és a szigetelésen kívülre kerül, ha a kábelt acél vezetékbe helyezik.

Kábelvezeték építése nagyfeszültségű gáztöltésű kábelekkel

A gáztöltésű kábeleknél kimerült rétegű, vízzel megvalósított szigetelést használnak, melynek rétegében nyomás alatt álló inert gáz van, amely jó elektromos tulajdonságokkal és nagy hővezető képességgel rendelkezik (nitrogén, SF6 gáz stb.). A levegő nitrogénnel vagy SF6 gázzal történő helyettesítésével elkerülhető a szigetelés oxidációja.

A nyomás nagysága szerint megkülönböztetünk alacsony (0,7-1,5 atm), közepes (3 atm-ig) és magas (12-15 atm) nyomású kábeleket. Az első két típusú kábel főként háromfázisú 10-35 kV, a nagynyomású kábelek pedig egyfázisúak 110-330 kV-hoz.

A 110 kV-os egyerű olajjal töltött kábelek az üreges mag közepén egy olajvezető csatornával készülnek, 500 kV-os feszültség esetén pedig egy központi csatornával a magban és csatornákkal a védőköpeny alatt.

Háromfázisú, olajjal töltött kivitel

A nyomásnövekedés megkívánja a védőhéj megerősítését erősítő fémcsíkok felhordásával, amelyeket megfelelő bevonatokkal védenek a korróziótól, valamint horganyzott acélhuzalok páncélzatát.

A korszerű, olajtöltésű kábellel készült nagyfeszültségű vezeték nagy hátránya, hogy igen költséges és összetett segédberendezésekre van szükség, mint pl.: táptartályok, nyomótartályok, ütközők, csatlakozók és végcsatlakozók.

Az impregnáló készítmény térfogatában bekövetkezett változások kompenzálása ellátó tartályokból és nyomótartályból álló ellátó eszközökkel történik. A betápláló tartályok biztosítják, hogy kis nyomásváltozás mellett nagy mennyiségű olaj kerüljön a kábelbe vagy ki belőle, a nyomótartály pedig fenntartja a nyomást a kábelben az olajtérfogat bármilyen változása esetén.

Az olaj a kábel mentén az áramvezető vezeték központi csatornája mentén mozog. A kábelvezeték határoló perselyekkel van felosztva különálló pótrészekre.

Az olajjal töltött kábel legerősebb versenytársa a túlnyomásos gázkábel. Az olajtöltésű nagyfeszültségű gáztöltésű kábelhez képest alacsonyabb vezetéképítési költségeket igényel, nem igényel bonyolult segédberendezéseket, és nagyon egyszerű mind a telepítése, mind az üzemeltetése.

Háromfázisú vezeték szerelése gáztöltésű kábelekkel

A gáztöltésű kábelek fő előnye az olajtöltésű kábelekhez képest a kábelvezeték gázellátásának egyszerűsége, a kábel lefektethetősége meredeken lejtős és függőleges útvonalakon.

A gáztöltésű kábeleket leggyakrabban 10-35 kV feszültséghez használják.A 110 kV-os és magasabb feszültségen a gáztöltésű kábelek az olajtöltésűekhez képest kisebb impulzusszilárdsággal és nagyobb hőellenállással rendelkeznek. Ezért ezeket a kábeleket hazánkban ritkán használják 110 kV-os és magasabb feszültségen.

Ezzel szemben az európai országokban az olajjal töltött kábeleket (Oil Filled Cable) ritkábban használják, mint a gázzal töltött kábeleket (gázszigetelt távvezetékek, GIL).

Ezt a technológiát Európában körülbelül a 70-es években kezdték alkalmazni. Kifejezetten úgy tervezték, hogy lehetőséget biztosítson a nagyfeszültségű hálózatok betemetésére városi környezetben. Jelenleg sok olyan befejezett projekt létezik, amelyek gázzal töltött kábeleket használnak 500 kV feszültségig.

A gáztöltésű kábelek előnye a viszonylag nagy biztonsági sáv vészhelyzeti nyomásesés esetén, ami lehetővé teszi, hogy a nyomás csökkenésekor ne válasszák le azonnal.

Gáztöltésű kábel kivitel

Nyomás alatt lévő acélcsővezetékben lévő kábelek három egyeres, ásványi vagy szintetikus olajjal impregnált papírszigetelésű kábelek (ólomköpeny nélkül), amelyek egy acélcsőben helyezkednek el, nyomás alatti olajjal 15 atm-ig.

Jellemzően viszkózusabb olajokat használnak a szigetelés impregnálására, és kevésbé viszkózus olajokat a csővezeték feltöltésére. Az ilyen, nyomott olajjal ellátott acélcsővezetékekben lévő kábelvezetékeket 110-220 kV feszültségre használják.

A szigetelést fémezett papírból vagy perforált rézcsíkokból készült szita fedi, amelyre tömítőbevonatot alkalmaznak - polietilén burkolatot, amely megakadályozza a nedvesség bejutását a kábelbe szállítás közben.

A tömítőbevonatra spirálisan két vagy három félkör alakú bronz- vagy rézhuzal kerül felvitelre, amelyek a kábel vezetékbe való behúzását hivatottak megkönnyíteni, emellett a fázisokat bizonyos távolságban tartják egymástól, ami javítja a az olaj keringetését és biztosítja a kábelernyők elektromos érintkezését a csővezetékkel.

Az acélcső, amely fenntartja a nyomást a kábelben, megbízható védelmet nyújt a mechanikai sérülésekkel szemben. A szigetelésre gyakorolt ​​olajnyomás a polietilén köpenyen keresztül jut át.

Átmenet fejről kábelre

A nagyfeszültségű kábelek gyenge pontja általában a csatlakozók. A nagyfeszültségű kábelvonalak fejlesztésének egyik fő feladata egy olyan csatlakozó létrehozása, amely kényelmesen telepíthető, és amelynek elektromos szilárdsága nem kisebb, mint a kábelé.

A kábelvezeték végein végcsatlakozókat, a vezeték 1-1,5 km-enként félig tartó csatlakozókat szerelnek fel (megakadályozzák az olaj szabad cseréjét a csővezeték szomszédos szakaszai között).

A csővezetékben előre beállított olajnyomást egy automatikusan működő egység tartja fenn, amely a nyomás csökkenésekor olajat szállít a csővezetékbe, és eltávolítja a felesleges olajat, ha a nyomás emelkedik.

Az olajtöltésű kábelek csatlakozóiban az áramvezető vezetékek elektromos bekötése és a kábel olajcsatornáinak bekötése történik.

A magokat egymáshoz préselik, és az olajcsatorna folytonosságát egy üreges acélcső biztosítja (hegesztés, keményforrasztás nem megengedett az olaj jelenléte miatt).

A persely teljes hosszában köszörült pajzsot (ónozott rézfonatot) alkalmaznak, a persely külső oldala pedig fémházba van zárva.

Olajjal töltött nagyfeszültségű kábel kábelhüvelye

A nyomás alatti gázacél csővezeték kábelei csak annyiban térnek el a korábbi kialakítástól, hogy ásványi vagy szintetikus olaj helyett sűrített inert gázzal, általában nitrogénnel töltik fel a vezetéket körülbelül 12-15 atm nyomáson. Az ilyen kábelek előnye, hogy jelentősen leegyszerűsítik és csökkentik a vonali ellátórendszert.

A kábelek szigetelése nemcsak folyamatos ipari frekvenciafeszültségnek van kitéve, hanem impulzusfeszültségnek is, mivel a kábelek közvetlenül csatlakoznak a felsővezetékekhez vagy a nyitott alállomások és kapcsolóberendezések elektromos berendezéseihez, amelyek érzékelik a hatásokat. légköri hullámok. 

Az olajjal töltött kábel impulzusszilárdsága nagyobb, mint a gázzal töltött kábeleké, függetlenül a benne lévő olaj- vagy gáznyomás értékétől. Bármilyen típusú kábelnél az impulzus áttörési feszültség növelhető a papírcsíkok vastagságának csökkentésével, pl. a köztük lévő rések csökkentésével. Az olajjal töltött vagy külső gáznyomású kábelek, ahol a szigetelés hézagait impregnáló keverékkel töltik ki, a legnagyobb áttörési feszültség.

A földalatti elosztóban (alagútban) lévő gáztöltésű nagyfeszültségű kábelek könnyen mozgathatók a kábelek között, de ez a fajta telepítés szinte nem igényel karbantartást

A nagynyomású gáz- és olajszigetelésű kábelvezetékek már több évtizede bizonyították műszaki megbízhatóságukat, hiszen rendkívül jó átviteli tulajdonságaik mellett üzemeléskor és üzemzavar esetén is kivételes biztonságot nyújtanak.

A kábelvezetékek üzem közbeni szigetelésének állapotát megelőző tesztekkel ellenőrzik, amelyek lehetővé teszik a szigetelés integritásának súlyos megsértését és a benne lévő hibákat (fázisföldelés, vezetékszakadások stb.), valamint mérje meg a szigetelési ellenállást, a szivárgási áramokat, a dielektromos veszteségszöget stb.

Meg kell jegyezni, hogy a kábelvezetékek szigetelésénél a megelőző vizsgálatok az egyetlen módszer a szigetelés hibás helyeinek kimutatására, mivel a kábelvezeték nem hozzáférhető ellenőrzés és megelőző javítás céljából. Ezért a kábelvezetékek szigetelésének megelőző vizsgálatával gyorsan azonosítani kell a kábelek szigetelési hibáit, és ezáltal csökkenteni kell a hálózat vészhelyzetét.

A cikken kívül - A Siemens gázszállító vezetéket fejleszt

Az új vonalat rendszerenként legfeljebb öt gigawatt (GW) teljesítmény továbbítására tervezték. A német Szövetségi Gazdasági és Energiaügyi Minisztérium 3,78 millió eurót támogat erre a fejlesztési projektre.

Egyenáramú elektromos vezetékek a meglévő gázszigetelt távvezeték (TL) technológiájára épül, amely két koncentrikus alumíniumcsőből áll. Szigetelő közegként gázkeveréket használnak, eddig csak váltakozó áramú gázszigetelésű kábelvezetékek voltak elérhetők.

Az átviteli hálózat bővítése szükséges ahhoz, hogy 2050-re Németország villamosenergia-szükségletének 80%-át megújuló energiaforrásokból fedezzék.

Megtermelt villamos energia szélturbinák az ország északi részén és Németország partjai mentén a lehető leghatékonyabban kell szállítani a Németország déli részén található árufuvarozási központokba.Az egyenáramú átvitel erre a legalkalmasabb, mivel az AC átvitelhez képest alacsony az elektromos vesztesége.

A nagyfeszültségű egyenáramú (HVDC) hálózatfejlesztés egyes területeken föld alá fektetett légvezetékekkel és gázszigetelésű egyenáramú távvezetékekkel lényegesen kevesebb erőforrás felhasználásával valósítható meg, mint a háromfázisú technológia.

„A föld alatti egyenáramú átvitel elengedhetetlen ahhoz, hogy Németország átálljon egy új villamosenergia-struktúrára, mivel annak fejlesztése kezdetben Németországban történik. Később más EU-országokból vagy a világ más országaiból is lehet majd érdeklődni. Mindenesetre az egyenáramú gázvezeték fejlesztésével Németország vezető szerepet fog játszani a jövőbeli átviteli rendszerek tervezésében” – mondta Denis Imamovic, a Siemens Energy Management gázszállítási rendszereiért felelős vezetője.