Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

Главная / №2 (20) Март-Апрель 2008 / Тема номера

Преимущества использования кабелей с отверстием внутри токоведущей жилы по сравнению с кабелем со сплошной жилой

Обычно высоковольтные кабели выполняются со сплошной медной жилой, состоящей из многих проволок для обеспечения гибкости кабеля. При такой конструкции кабелей их сечение ограничено условиями охлаждения при протекании тока нагрузки. Максимальное сечение высоковольтных кабелей с медной токоведущей жилой, выпускаемых в России, составляет 625 мм2, что определяет максимальный ток в кабеле 625 А. При этом толщина проводящего слоя меди составляет около 15 мм. Если сохранить неизменной толщину проводящего медного слоя жилы Δ, а ее сечение Fa увеличивать за счет увеличения наружного диаметра токоведущей жилы d1, то внутри нее образуется отверстие, диаметр которого равен:

При этом внешний диаметр токоведущей жилы:

При такой конструкции кабеля сечение его токопроводящей жилы может быть увеличено неограниченно, т. к. при любом сечении тепловая нагрузка на единицу поверхности охлаждения сохраняется неизменной. Больше того, внутренняя полость жилы может быть использована для дополнительного ее охлаждения и соответственно для повышения токовой нагрузки на сечение кабеля [1, 2]. Следует отметить, что при увеличении сечения токоведущей жилы выравнивается распределение напряженности поля в изоляции кабеля, что определяет возможность существенного уменьшения толщины изоляции кабеля и за счет этого дополнительно увеличить токовую нагрузку кабеля. Действительно, необходимый наружный диаметр изоляции одножильного кабеля для ограничения максимальной напряженности в ней Fмакс (на поверхности токоведущей жилы) равен:

Как видно из рис. 1 при увеличении сечения токоведущей жилы по сравнению с максимальной в настоящее время наружный радиус изоляции кабеля резко сокращается вплоть до сечений измеряемых тысячами мм2.

При сплошной жиле сечение кабеля не рассчитано на протекание тока I, близкого к натуральному току кабельной линии:

где z — волновое сопротивление кабельной линии.

При этом токоведущая жила оказывается нагруженной емкостным током, равным [2]:

Емкость кабеля 500 кВ с максимальным сечением составляет 0,19 мкФ/км., волновое сопротивление — около 30 Ом. Поэтому натуральный ток такой кабельной линии 500 кВ составит:

Эти данные позволяют составить уравнение для определения зависимости предельного передаваемого по линии тока от длины линии. Действительно суммарный протекающий по линии ток с учетом передаваемого активного и емкостного (реактивного) равен:

откуда получаем связь между предельным током в линии и ее длиной:

Результаты вычислений по этой формуле приведены в нижеследующей таблице 1.

Таблица 1. 
l, км
5
10
20
30
36
I, А
619
600
521
351
0

Для кабеля с внутренним отверстием, по которому обеспечивается охлаждение снаружи водой, а изнутри маслом или какой-либо другой жидкостью, токовая нагрузка может быть увеличена до 2 А/мм2. При сечении кабеля 4500 мм2 допустимый ток в кабеле составляет 9000 А.

При этих данных уравнение (6) принимает вид:

Откуда, разрешая квадратное уравнение относительно тока нагрузки I, получаем:

Результаты вычислений по этой формуле приведены в таблице 2.

Таблица 2.
l, км
10
50
100
200
300
400
500
522
I, А
9000
8994,7
8061,4
7929
7628
6873,3
3380
0

Как видно из сравнения таблиц 1 и 2, предельная длина кабельной линии при использовании кабеля увеличенного сечения с внутренним отверстием увеличивается в 15 раз и достигает 500 км.

При такой длине кабельной линии целесообразно установить управляемый реактор [3] на конце линии, чтобы емкостный ток разделить на две части, протекающие в противоположные стороны. В этом случае уравнение (8) перепишется в виде:

откуда допустимый ток нагрузки в зависимости от длины линии равен:

Результаты вычислений по последней формуле приведены в таблице 3.

Таблица 3.
l, км
20
100
200
400
600
800
1000
1044
I, А
9000
8994,7
8978,1
8902,4
8728,5
8278,9
5779
0

Как видно, при двусторонней компенсации емкостного тока кабельной линии, предельная ее длина увеличивается вдвое, достигая 1000 км. Однако, если кабельную линию разделить на участки длиной по 500 км, на стыке которых установлены управляемые реакторы, то в этом случае предельный ток соответствует длине линии 500 км согласно формуле (11) (I = 8833,2 А), а длина кабельной линии неограниченна. Максимальная передаваемая мощность при этом равна 7650 МВт.

Г. Н. АЛЕКСАНДРОВ,
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Литература

  1. Александров Г. Н. Передача электрической энергии. — СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2007. — 412 с.
  2. Александров Г. Н. Кабель. Патент на изобретение № 2314584. Бюл. № 1. 10.01.2008.
  3. Александров Г. Н. Быстродействующий управляемый реактор трансформаторного типа 420 кВ, 50 МВА пущен в эксплуатацию. — «Электричество», 2002, № 3. — 64-66 с.