Design og anvendelse af olie- og gasfyldte højspændingskabler

Underjordiske højspændingskabler er blevet brugt til at overføre elektricitet i mange år, og en række forskellige teknologier er blevet udviklet gennem årene.

Isolerede gas- og olierørledninger har tekniske, miljømæssige og driftsmæssige egenskaber, der gør dem til et rigtig godt alternativ, når højspændingstransmission er påkrævet i et begrænset rum, for eksempel når det er umuligt at bruge luftledninger.

Højspændingskabler i Spanien til spænding 400 kV

Gas- og olieisolerede transmissionskabler (højtryksgas- og oliekabler) er et sikkert og fleksibelt alternativ til luftledninger og fylder meget mindre, samtidig med at de giver den samme kraftoverførsel.

Da de har ringe eller ingen indvirkning på landskabet, og deres minimale elektromagnetiske emissioner betyder, at de kan bruges tæt på eller endda i bygninger, kan olie- og gasfyldte højspændingskabler overvejes til en bred vifte af anvendelser.

Den magnetiske indikation B, der kan måles nær en sådan struktur, er meget lav, meget lavere end for en tilsvarende luftledning. I en afstand på 5 meter fra rørene er den mindre end 1 μT.

De er velegnede til at videreføre underjordiske luftledninger, forbinde kraftværker med elnettet eller som en kompakt måde at forbinde store industrianlæg til det generelle net.

Når det bruges i kabler med øget tryk, øges den dielektriske styrke af kabelisoleringen betydeligt, og dens tykkelse og følgelig omkostninger reduceres. Det øgede tryk i olie- eller gasfyldte kabler genereres inde i isoleringen gennem en hul kerne eller andre ledninger langs kablet og påføres uden for isoleringen, hvis kablet placeres i et stålrør.

Konstruktion af en kabelledning med højspændingsgasfyldte kabler

Gasfyldte kabler anvender vandimplementeret isolering med et udtømt lag, i hvis lag der er en inert gas under tryk, som har gode elektriske egenskaber og høj varmeledningsevne (nitrogen, SF6-gas osv.). Udskiftning af luften med nitrogen eller SF6-gas undgår oxidation af isoleringen.

I henhold til trykkets størrelse skelnes kabler med lavt (0,7 - 1,5 atm), medium (op til 3 atm) og højt (12 - 15 atm) tryk. De første to typer kabler er hovedsageligt lavet af trefasede til 10 — 35 kV, og højtrykskablerne — enfasede til 110 — 330 kV.

Enkeltleder oliefyldte kabler til 110 kV udføres med en olieledende kanal i midten af ​​hulkernen, og for spænding 500 kV - med en central kanal i kernen og kanaler under beskyttelseskappen.

Trefaset oliefyldt design

Forøgelsen i tryk kræver forstærkning af den beskyttende skal ved at påføre forstærkende metalstrimler over den, som er beskyttet mod korrosion af passende belægninger, samt en panser af galvaniserede ståltråde.

En stor ulempe ved den moderne højspændingsledning lavet med oliefyldt kabel er behovet for meget dyrt og komplekst hjælpeudstyr, såsom: forsyningstanke, tryktanke, stop, koblinger og endestik.

Kompensation af ændringer i volumen af ​​imprægneringssammensætningen udføres ved hjælp af forsyningsanordninger bestående af forsyningstanke og en tryktank. Fødetankene sørger for, at en stor mængde olie føres ind eller ud af kablet med lille trykændring, og trykbeholderen holder trykket i kablet ved enhver ændring i olievolumen.

Olien bevæger sig langs kablet langs den centrale kanal af den strømførende ledning. Kabelledningen er opdelt ved at begrænse bøsninger i separate make-up dele.

Oliefyldt kabels stærkeste konkurrent er trykgaskabel. Sammenlignet med oliefyldt højspændingsgasfyldt kabel kræver det lavere ledningskonstruktionsomkostninger, behøver ikke komplekst hjælpeudstyr og er meget enkelt i både installation og drift.

Installation af en trefaset ledning med gasfyldte kabler

Den største fordel ved gasfyldte kabler sammenlignet med oliefyldte kabler er enkelheden ved at forsyne kabelledningen med gas, muligheden for at lægge kablet på stejlt skrånende og lodrette ruter.

Gasfyldte kabler er mest udbredt til spænding 10 — 35 kV.Ved spændinger på 110 kV og højere har gasfyldte kabler sammenlignet med oliefyldte kabler lavere impulsstyrke og højere termisk modstand. Derfor bruges disse kabler sjældent i vores land ved spændinger på 110 kV og derover.

I europæiske lande bruges derimod oliefyldte kabler (Oil Filled Cable) sjældnere end gasfyldte kabler (gasisolerede transmissionsledninger, GIL).

Denne teknologi begyndte at blive anvendt i Europa omkring i 70'erne. Den er specielt designet til at give mulighed for at nedgrave højspændingsnet i et bymiljø. I øjeblikket er der mange afsluttede projekter med gasfyldte kabler til spændinger op til 500 kV.

Fordelen ved gasfyldte kabler er en relativt stor sikkerhedsmargin ved nødtryksfald, som gør, at de ikke umiddelbart kan afbrydes, når trykket falder.

Gasfyldt kabeldesign

Kabler i en stålrørledning under trykolie er tre enkeltlederkabler med papirisolering imprægneret med mineralsk eller syntetisk olie (uden blykappe), som er placeret i en stålrørledning med trykolie op til 15 atm.

Typisk bruges mere tyktflydende olier til at imprægnere isoleringen, og mindre tyktflydende olier bruges til at fylde rørledningen. Sådanne kabelledninger i stålrørledninger med trykolie anvendes til spændinger på 110 — 220 kV.

Isoleringen er dækket af en skærm lavet af metalliseret papir eller perforerede kobberstrimler, hvorpå der er påført en tætningsbelægning - en polyethylenkappe, der forhindrer fugt i at trænge ind i kablet under transport.

To eller tre halvcirkulære bronze- eller kobbertråde påføres spiralt på tætningsbelægningen, som er designet til at lette træk af kablet ind i ledningen, desuden holder de faserne i en vis afstand fra hinanden, hvilket forbedrer cirkulation af olien og sikrer elektrisk kontakt mellem kabelskærmene og rørledningen.

Stålrøret, som holder trykket i kablet, er en pålidelig beskyttelse mod mekanisk skade. Olietrykket på isoleringen overføres gennem polyethylenkappen.

Overhead til kabel overgang

Det svage punkt ved et højspændingskabel er normalt stikkene. En af hovedopgaverne i udviklingen af ​​højspændingskabellinjer er skabelsen af ​​et stik, der er praktisk til installation og har en elektrisk styrke, der ikke er mindre end kablets.

Endeforbindelser er installeret i enderne af kabelledningen, og semi-stop-forbindelser er installeret hver 1 - 1,5 km af linjen (de forhindrer fri udveksling af olie mellem tilstødende sektioner af rørledningen).

Det forudindstillede olietryk i rørledningen opretholdes af en automatisk fungerende enhed, der tilfører olie til rørledningen, når trykket falder, og fjerner overskydende olie, når trykket stiger.

I stikforbindelserne på oliefyldte kabler foregår den elektriske tilslutning af de strømførende ledninger og tilslutningen af ​​kablets oliekanaler.

Kernerne presses sammen, og kontinuiteten af ​​oliekanalen sikres af et hult stålrør (svejsning eller lodning er ikke tilladt på grund af tilstedeværelsen af ​​olie).

En jordafskærmning (fortinnet kobberfletning) påføres langs hele bøsningens længde, og ydersiden af ​​bøsningen er indesluttet i et metalhus.

Kabelgennemføring af oliefyldt højspændingskabel

Kabler i en trykgasstålrørledning adskiller sig kun fra det tidligere design ved, at rørledningen i stedet for mineralsk eller syntetisk olie er fyldt med en komprimeret inert gas, normalt nitrogen ved et tryk på omkring 12-15 atm. Fordelen ved sådanne kabler er en betydelig forenkling og omkostningsreduktion af linjeforsyningssystemet.

Kabelisolering udsættes ikke kun for kontinuerlig eksponering for industriel frekvensspænding, men også for impulsspænding, da kablerne er forbundet direkte til luftledninger eller til elektrisk udstyr i åbne transformerstationer og koblingsanlæg, der opfatter effekterne atmosfæriske bølger. 

Impulsstyrken af ​​et oliefyldt kabel er højere end for et gasfyldt kabel, uanset olie- eller gastrykværdierne i dem. For enhver type kabel kan impulsgennembrudsspændingen øges ved at reducere tykkelsen af ​​papirstrimlerne, dvs. ved at mindske afstanden mellem dem. Oliefyldte kabler eller kabler under eksternt gastryk, hvor hullerne i isoleringen er fyldt med en imprægneringsmasse, har de højeste gennemslagsspændinger.

Gasfyldte højspændingskabler i en underjordisk manifold (tunnel) kan nemt flyttes mellem kabler, men denne type installation kræver næsten ingen vedligeholdelse

Højtryksgas- og olieisolerede kabelrørledninger har allerede bevist deres tekniske pålidelighed i adskillige årtier, da de udover deres meget gode transmissionsegenskaber giver enestående sikkerhed i drift og endda i tilfælde af nedbrud.

Tilstanden af ​​isoleringen af ​​kabelledningerne under drift kontrolleres gennem forebyggende test, som gør det muligt at identificere grove krænkelser af isoleringens integritet og defekter i den (fasejording, ledningsbrud osv.) mål isolationsmodstanden, lækstrømme, dielektrisk tabsvinkel osv.

Det skal bemærkes, at for isolering af kabelledninger er forebyggende test den eneste metode til at opdage defekte pletter i isoleringen, da kabelledningen er utilgængelig for inspektion og forebyggende reparation. Derfor bør forebyggende test af isolering af kabelledninger hurtigt identificere fejl i isolering af kabler og derfor reducere netværkets nødsituation.

Ud over artiklen - Siemens er ved at udvikle en gastransmissionsledning

Den nye linje er designet til at transmittere op til fem gigawatt (GW) strøm pr. system. Tysklands forbundsministerium for økonomiske anliggender og energi bevilger 3,78 millioner euro til dette udviklingsprojekt.

Jævnstrøms elektriske ledninger vil være baseret på teknologien fra den eksisterende gasisolerede transmissionsledning (TL), som består af to koncentriske aluminiumsrør. En blanding af gasser anvendes som isoleringsmedium.Hidtil har gasisolerede kabelledninger kun været tilgængelige for vekselstrøm.

Udbygning af transmissionsnettet er nødvendig, hvis 80 % af Tysklands elbehov skal dækkes af vedvarende energikilder i 2050.

Elektricitet produceret vindturbine i den nordlige del af landet og langs Tysklands kyst, vil skulle transporteres så effektivt som muligt til fragtcentrene i den sydlige del af Tyskland.DC transmission er bedst egnet til dette på grund af dets lave elektriske tab sammenlignet med AC transmission.

Netværksudvikling ved hjælp af højspændingsjævnstrøm (HVDC) ved brug af lufttransmissionsledninger og gasisolerede jævnstrømstransmissionsledninger lagt under jorden i visse områder kan realiseres ved brug af væsentligt færre ressourcer end trefaset teknologi.

"Underjordisk jævnstrømstransmission er essentiel for Tysklands overgang til en ny elstruktur, da udviklingen i første omgang vil finde sted i Tyskland. Senere vil henvendelser fra andre EU-lande eller andre lande rundt om i verden være ganske mulige. Under alle omstændigheder vil Tyskland med udviklingen af ​​en jævnstrømsgastransmissionslinje spille en førende rolle i designet af fremtidige transmissionssystemer," siger Denis Imamovic, ansvarlig for gastransmissionssystemer hos Siemens Energy Management.