Руководство по применению и выбору кабеля среднего напряжения для новых энергетических проектов

В проектах ветряной и солнечной энергетики 35 кВ зарекомендовало себя как фактический стандартный уровень напряжения для коллекторных линий. Но одно дело указать это на чертеже, а на самом деле правильный выбор кабеля — от материала проводника до типа изоляции, от структуры брони до огнестойкости - это решение, которое напрямую влияет на безопасность и экономичность проекта на протяжении всего жизненного цикла. В этом руководстве описывается логика выбора кабелей среднего напряжения 35 кВ, заземленных в реальных условиях проекта.

Почему 35 кВ стали предпочтительными для новых энергетических проектов

Электрическая схема типичной береговой ветряной электростанции или крупномасштабной солнечной фотоэлектрической установки последовательна: мощность генератора или массива (690 В или 10 кВ) сначала проходит через местный повышающий трансформатор до 35 кВ, затем по коллекторным линиям поступает на главную повышающую подстанцию, где она подключается к сети. снова увеличен для подключения к электросети.

Три объективных фактора объясняют, почему 35 кВ стали основным выбором для новых энергетических проектов в Китае, Центральной и Юго-Восточной Азии и на других развивающихся рынках.

Во-первых, это приемлемая дальность передачи. Экономичный радиус передачи для систем напряжением 35 кВ составляет примерно от 5 до 15 километров, что соответствует площади большинства наземных ветряных электростанций. За пределами 15 километров потери в линии заметно возрастают, и только тогда стоит задуматься о 66 кВ или более высоком напряжении.

Во-вторых, отлажена цепочка поставок оборудования. Распределительные устройства напряжением 35 кВ, трансформаторы, монтируемые на площадках, кабельные соединения и концевые заделки - все это строго стандартизировано как в отечественных, так и в международных цепочках поставок. Сроки выполнения заказов невелики, запасные части широко доступны, а бригады на местах уже знакомы с оборудованием, что само по себе является часто упускаемым из виду преимуществом в плане затрат.

В—третьих, эффективность передачи по сравнению с 10 кВ значительно выше - в 3,5 раза. При том же токе линия напряжением 35 кВ обеспечивает мощность, в 3,5 раза превышающую мощность линии напряжением 10 кВ (P = √3 × U × I). С практической точки зрения: при той же мощности цепь напряжением 35 кВ потребляет всего 28,6% тока, требуемого для цепи напряжением 10 кВ, а потери в линии (которые зависят от квадрата тока) снижаются примерно до 8% от уровня 10 кВ. По сравнению с 66 кВ затраты на распределительное устройство и трансформаторы обычно примерно на 40% выше, а технические требования к бригадам по эксплуатации и техническому обслуживанию выше, что не является экономически выгодным компромиссом для проектов мощностью менее 100 МВт.

Для подавляющего большинства наземных ветряных или солнечных электростанций мощностью менее 100 МВт 35 кВ - оптимальное решение, позволяющее сбалансировать стоимость оборудования, сложность конструкции и эксплуатационные потери.

Пять параметров выбора: разбивка по уровням

Выбор не сводится к копированию спецификации. Ниже, начиная с проводника, мы рассмотрим логику для каждого функционального слоя.

1. Материал проводника: медь по сравнению с Алюминий

Это первый момент принятия решения в любом новом энергетическом проекте.

Проводимость меди составляет примерно 58 МКС/м по сравнению с примерно 35 МКС/м для алюминия. При одинаковом поперечном сечении кабель с медной жилой обеспечивает более высокую пропускную способность по току и меньшее сопротивление постоянному току. Медь также превосходит алюминий по сопротивлению ползучести и коррозии — это означает, что при высоких температурах или ежедневных циклических нагрузках медные соединения менее подвержены расшатыванию и более стабильны в долгосрочной перспективе.

Медь лучше подходит для более высоких уровней напряжения (≥35 кВ), более тяжелых нагрузок и основных цепей, где надежность имеет первостепенное значение. Алюминий обеспечивает меньшую стоимость материалов и меньший вес, что делает его более экономичным при передаче на большие расстояния с большим поперечным сечением, но для этого требуются соответствующие переходные клеммы из меди в алюминий и строгий контроль крутящего момента при монтаже.

Возьмем, к примеру, медный проводник размером 3×150 мм2, указанный в стандарте IEC 60502-2:2014. Стандарт устанавливает максимальное сопротивление постоянному току 0,124 Ом/км при 20°C. В фактических протоколах заводских испытаний проекта ветроэлектростанции в Узбекистане измеренные значения для красной, желтой и зеленой фаз составили 0,120, 0,121 и 0,120Ом/км соответственно, что примерно на 3,2% ниже стандартного предела.

Для покупателей EPC требование к поставщику указывать измеренное сопротивление постоянному току для каждой фазы в сертификате заводских испытаний является наиболее простым способом убедиться в том, что поперечное сечение проводника не было уменьшено и чистота материала соответствует техническим требованиям.

2. Изоляция: почему по умолчанию был выбран сшитый полиэтилен

Для кабелей среднего напряжения выбор изоляции в основном делается между сшитым полиэтиленом (XLPE) и поливинилхлоридом (ПВХ), при этом EPR (этиленпропиленовый каучук) используется только в специализированных гибких применениях.

Сшитый полиэтилен обладает тремя ключевыми преимуществами.

Более высокая рабочая температура. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена имеют постоянную рабочую температуру 90°C и номинальную температуру короткого замыкания 250°C по сравнению с 70°C и 160°C для ПВХ. Это более высокое тепловое сопротивление напрямую приводит к увеличению пропускной способности по току примерно на 15-20% при том же поперечном сечении проводника.

Более низкие диэлектрические потери. Диэлектрическая проницаемость сшитого полиэтилена составляет примерно 2,3, что значительно ниже, чем у ПВХ (4-5). При высоком напряжении и на больших расстояниях разница в диэлектрических потерях становится существенной.

Более высокое сопротивление изоляции. Объемное удельное сопротивление сшитого полиэтилена на несколько порядков выше, чем у ПВХ, и его электрические свойства гораздо меньше ухудшаются под воздействием влаги.

Критическим показателем долговечности изоляции из сшитого полиэтилена является уровень частичного разряда (PD). Любые пустоты или загрязнения в изоляции могут вызывать кратковременные разряды под воздействием сильных электрических полей. Со временем эти разряды приводят к повреждению электрических цепей и, в конечном итоге, к поломке. В соответствии с требованиями стандарта IEC 60502-2:2014 для кабелей среднего напряжения частичный разряд при 1,73 u ⋅ не должен превышать 10%.

В упомянутом ранее проекте в Узбекистане трехфазные значения PD составляли 4pC, 5pC и 5pC - всего 40-50% от максимального значения стандарта. В рамках тех же стандартов серийное производство с неизменно низкими значениями PD (стабильно ниже 5%) является надежным показателем стабильного контроля процесса сшивания и высокой чистоты сырья.

3. Армирование: когда это необходимо, а когда можно обойтись без него

Армирование выполняет одну функцию: механическую защиту. Это требуется не при каждой установке.

Стальная ленточная броня (обозначаемая кодом "23" в стандартах IEC) подходит для непосредственного захоронения или установки, где может возникнуть проблема с радиальным давлением — уплотнением засыпки, риском наезда транспортного средства и тому подобным. "Стальная" проволочная броня (коды "33" или "43") используется там, где требуется осевое натяжение, например, на вертикальных трассах, подводных установках или при строительстве длиннопролетных переходов. Для новых энергетических проектов на суше с прямыми коллекторными линиями, проходящими под землей, стальная ленточная броня является стандартным решением.

При выборе стальной ленты важны два параметра: номинальная толщина и коэффициент нахлеста. В стандарте IEC 60502-2:2014 указана минимальная толщина стальной ленты, основанная на диаметре кабеля над слоем брони. Покупателям следует запросить у поставщика сертификаты на материал и данные измерений фактической толщины. Для работ на засоленных почвах или почвах с высокой влажностью стандартная оцинкованная сталь может иметь недостаточный запас прочности при коррозии - рассмотрите возможность использования более прочного цинкового покрытия или добавления экструдированного слоя ПВХ поверх ленты для комплексной защиты.

Если кабель полностью проходит в кабельных лотках, кабелепроводах или закрытых траншеях, где нет опасности механических повреждений и нападения грызунов, можно не использовать защиту.

4. Материал оболочки и степень огнестойкости: Соответствуют условиям, не завышайте требования

Оболочка является последней защитой кабеля от агрессивных воздействий окружающей среды.

Оболочка из ПВХ (поливинилхлорида) экономична, обладает достаточной устойчивостью к кислотам, щелочам и маслам для обычных наружных применений и обеспечивает некоторую устойчивость к ультрафиолетовому излучению, что делает ее наиболее широко используемым материалом оболочки для кабелей среднего напряжения. Оболочка из ПЭ (полиэтилена) обеспечивает лучшую влагостойкость и прочность при низких температурах, что делает ее предпочтительной для применения под водой или в мерзлом грунте. Оболочка LSZH (с низким содержанием дыма и нулевым содержанием галогенов) при горении не выделяет токсичных галогенов, что делает ее обязательной для использования в туннелях, при монтаже внутри помещений и в жилых помещениях.

Показатели огнестойкости соответствуют тому же принципу — они соответствуют фактическому риску. FR-C (соответствует стандарту GB/T 18380.33-36 или IEC 60332-3-24) подходит для полевых станций на открытой местности, где существует реальная опасность пожара, но с распространением огня можно справиться. Класс А или В предназначен для подземных галерей или туннелей, где плотно проложено несколько кабелей. Если в соответствии с противопожарными нормами принимающей страны установлены ограничения на токсичность газов, образующихся при горении, обшивка из LSZH становится обязательной, что, как правило, увеличивает стоимость материала примерно на 30% по сравнению с ПВХ.

5. Поперечное сечение и пропускная способность по току: три поправочных коэффициента, которые часто упускаются из виду

Выбор размера начинается с расчета максимального постоянного рабочего тока, а затем применяются поправочные коэффициенты к стандартным таблицам номинального тока. Чаще всего не учитываются три поправки.

Температура окружающей среды. Стандартные значения тока обычно основаны на температуре окружающей среды 25°C (воздух) или 15-20°C (почва). Если фактическая температура на объекте отличается от контрольной, требуется коррекция в соответствии с IEC 60287. Например, в Центральной Азии летом температура грунта может превышать 40°C, что снижает мощность кабеля примерно на 10-15%.

Прокладка нескольких кабелей параллельно. При прокладке нескольких кабелей в одной траншее ухудшается теплоотдача, что требует корректирующего коэффициента группирования.

Тепловое сопротивление грунта. Песчаная или каменистая засыпка имеет более высокое тепловое сопротивление, чем глинистая, что непосредственно влияет на отвод тепла от кабеля.

Распространенная ошибка при выборе размеров в новых энергетических проектах: на этапе проектирования температура окружающей среды должна составлять 25°C, в то время как в реальных условиях эксплуатации температура постоянно выше. В результате в течение всего срока службы кабель работает при предельной температуре или выше нее, что ускоряет старение изоляции. Правильный подход заключается в том, чтобы потребовать от поставщика предоставить расчетную ведомость, основанную на фактических параметрах площадки, на этапе проведения торгов, а не просто указывать стандартные таблицы производственных мощностей.

Для упомянутого здесь проекта Uzbekistan wind было выбрано поперечное сечение 3×150 мм2, соответствующее уровню напряжения 26/35 кВ. При температуре окружающей среды на объекте и условиях монтажа запас прочности был достаточным для соответствия профилю нагрузки, указанному проектным институтом.

Заводские испытания: Три проверки, которые ни один покупатель EPC не должен пропустить.

Отчет о заводских испытаниях является самым непосредственным свидетельством качества кабеля. Эти три испытания являются обязательными — ни одно из них нельзя пропустить.

Сопротивление проводника постоянному току. Это позволяет убедиться, что фактическое поперечное сечение и электропроводность соответствуют техническим требованиям. Каждая фаза измеряется при температуре 20°C, и измеренные значения не должны превышать пределов, указанных в таблице 2 стандарта IEC 60502-2:2014 для указанного поперечного сечения и материала. Если в отчете об испытаниях поставщика этот параметр не указан или он включен, но в нем не указана наценка, покупатели должны быть начеку — уменьшение диаметра проводника или использование низкосортной вторичной меди/алюминия являются распространенной практикой среди производителей с низкими затратами.

Испытание на частичный разряд. Это является прямым показателем чистоты изоляции и контроля технологического процесса. Испытательное напряжение составляет 1,73 Вт, допустимый предел - 10 ВТ. Для марок 35 кВ постоянно измеряемые значения PD ниже 5% указывают на стабильную сшивку и чистоту материалов; большие различия между партиями или значения, приближающиеся к пределу в 10%, свидетельствуют о несогласованности управления технологическим процессом.

Испытание на устойчивость к переменному напряжению. Это окончательная проверка общей целостности изоляции. В ходе стандартных заводских испытаний кабели напряжением 35 кВ подвергаются воздействию напряжения переменного тока напряжением 65 кВ в течение 30 минут — критерием соответствия является отсутствие пробоев. В стандарте IEC 60502-2:2014 также указано, что на этапе типовых испытаний выдерживается 4u₀ в течение 4 часов - это проводится во время квалификации продукта, а не для каждого барабана.

Адаптация к условиям окружающей среды для Центральной Азии и Ближнего Востока

Новые энергетические проекты в Центральной Азии и на Ближнем Востоке сопряжены с рядом экологических проблем, которые резко отличаются от тех, что существуют на восточных прибрежных равнинах Китая. При выборе трех областей необходимо уделить особое внимание.

Экстремальные перепады температур. Циклические тепловые расширения и сжатия создают нагрузку на соединения. При выборе следует учитывать данные поставщика об усадке изоляции и особые требования к снятию полупроводникового слоя и установке конуса напряжения. В некоторых проектах уже используется предварительная холодная усадка вместо традиционных термоусадочных наконечников, чтобы уменьшить влияние изменчивости качества монтажа на адаптацию к температурным условиям.

Воздействие песка, пыли и ультрафиолета. Оболочка из ПВХ ускоряет старение под воздействием длительного солнечного света — видимыми признаками являются растрескивание поверхности и миграция пластификатора. Для прокладки кабеля над землей укажите толщину оболочки в верхней части допуска IEC или добавьте отдельную механическую защиту/защиту от ультрафиолета.

Засоленные и щелочные почвы. На некоторых проектных площадках в Центральной Азии почвы с низким pH (ниже 6), которые особенно подвержены коррозии стальной ленточной брони. Скорость коррозии на таких почвах может в два-три раза превышать скорость коррозии на нейтральных почвах. Варианты смягчения последствий включают в себя: нанесение более плотного оцинкованного покрытия (≥275 г/м2 на каждую сторону), добавление слоя экструдированного полиэтилена поверх стальной ленты для создания композитной оболочки или включение в технические характеристики требования к испытанию солевым напылением (например, 240 часов без образования красной ржавчины).

Закрытие

Выбор кабелей среднего напряжения заключается не в том, чтобы найти номер модели в каталоге. Выбор меди или алюминия зависит от плотности нагрузки и бюджета. Изоляция из сшитого полиэтилена в основном согласована, но уровень частичного разряда - это то, что отличает качество от среднего. Армирование — добавлять его или нет и в каком количестве — зависит от механических воздействий на кабельную трассу. Класс огнестойкости соответствует местным противопожарным нормам, а не самому высокому из доступных классов. А размеры поперечного сечения должны основываться на реальных условиях эксплуатации с применением поправочных коэффициентов, а не на таблицах пропускной способности в стандартных условиях.

За каждой хорошо работающей коллекторной линией напряжением 35 кВ стоит набор технических параметров, которые были подобраны, пункт за пунктом, в соответствии с конкретными условиями проекта.

Технические данные и результаты испытаний, упомянутые в этой статье, взяты из фактических протоколов заводских испытаний (выполненных в соответствии с IEC 60502-2:2014), проведенных компанией Zhongdong Cable Manufacturing Co., Ltd для проекта береговой ветроэлектростанции в Узбекистане. Для получения помощи в выборе кабеля среднего напряжения для новых энергетических проектов в Центральной Азии, на Ближнем Востоке или в других регионах, EPC-подрядчики и инженерные институты могут связаться с нами для получения расчетов размеров для конкретного проекта и копий отчетов об испытаниях за прошлые периоды.   

Ссылки на стандарты в этой статье: IEC 60502-2:2014 Силовые кабели с экструдированной изоляцией и принадлежности к ним для номинального напряжения от 1 кВ (Um=1,2 кВ) до 30 кВ (Um=36 кВ) – Часть 2. Кабели для номинального напряжения от 6 кВ (Um=7,2 кВ) до 30 кВ (Um=36 кВ)