Σχεδιασμός και εφαρμογή καλωδίων υψηλής τάσης με πλήρωση πετρελαίου και αερίου

Τα υπόγεια καλώδια υψηλής τάσης χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας εδώ και πολλά χρόνια και μια σειρά από διαφορετικές τεχνολογίες έχουν αναπτυχθεί όλα αυτά τα χρόνια.

Οι μονωμένοι αγωγοί αερίου και πετρελαίου έχουν τεχνικά, περιβαλλοντικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά που τους καθιστούν μια πολύ καλή εναλλακτική όταν απαιτείται μετάδοση υψηλής τάσης σε περιορισμένο χώρο, για παράδειγμα όταν είναι αδύνατη η χρήση εναέριες γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας.

Καλώδια υψηλής τάσης στην Ισπανία για τάση 400 kV

Τα καλώδια μετάδοσης με μόνωση αερίου και λαδιού (καλώδια υψηλής πίεσης αερίου και λαδιού) είναι μια ασφαλής και ευέλικτη εναλλακτική λύση στις εναέριες γραμμές και καταλαμβάνουν πολύ λιγότερο χώρο ενώ παρέχουν την ίδια μετάδοση ισχύος.

Καθώς έχουν μικρή ή καθόλου επίδραση στο τοπίο και οι ελάχιστες ηλεκτρομαγνητικές εκπομπές τους σημαίνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν κοντά ή ακόμα και σε κτίρια, τα καλώδια υψηλής τάσης με πετρέλαιο και φυσικό αέριο μπορούν να ληφθούν υπόψη για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.

Η μαγνητική ένδειξη Β που μπορεί να μετρηθεί κοντά σε μια τέτοια δομή είναι πολύ χαμηλή, πολύ χαμηλότερη από ό,τι για μια ισοδύναμη εναέρια γραμμή. Σε απόσταση 5 μέτρων από τους σωλήνες είναι μικρότερη από 1 μT.

Είναι κατάλληλα για την παροχή της συνέχισης των υπόγειων εναέριων γραμμών, τη σύνδεση σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας ή ως συμπαγή τρόπο σύνδεσης μεγάλων βιομηχανικών εγκαταστάσεων με το γενικό δίκτυο.

Όταν χρησιμοποιείται σε καλώδια με αυξημένη πίεση, η διηλεκτρική αντοχή της μόνωσης του καλωδίου αυξάνεται σημαντικά και το πάχος του και, κατά συνέπεια, το κόστος μειώνεται. Η αυξημένη πίεση στα καλώδια γεμάτα λάδι ή αέριο δημιουργείται μέσα στη μόνωση μέσω ενός κοίλου πυρήνα ή άλλων αγωγών κατά μήκος του καλωδίου και εφαρμόζεται έξω από τη μόνωση εάν το καλώδιο τοποθετηθεί σε χαλύβδινο αγωγό.

Κατασκευή καλωδιακής γραμμής με καλώδια υψηλής τάσης πλήρωσης αερίου

Τα καλώδια με αέριο χρησιμοποιούν μόνωση νερού με εξαντλημένο στρώμα, στο στρώμα του οποίου υπάρχει αδρανές αέριο υπό πίεση, το οποίο έχει καλά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και υψηλή θερμική αγωγιμότητα (άζωτο, αέριο SF6 κ.λπ.). Η αντικατάσταση του αέρα με άζωτο ή αέριο SF6 αποφεύγει την οξείδωση της μόνωσης.

Σύμφωνα με το μέγεθος της πίεσης, τα καλώδια διακρίνονται σε χαμηλή (0,7 — 1,5 atm), μέτρια (έως 3 atm) και υψηλή (12 — 15 atm) πίεση. Οι δύο πρώτοι τύποι καλωδίων κατασκευάζονται κυρίως από τριφασικά για 10 — 35 kV και τα καλώδια υψηλής πίεσης — μονοφασικά για 110 — 330 kV.

Τα μονοπύρηνα γεμάτα λάδια καλώδια για 110 kV κατασκευάζονται με ένα κανάλι αγωγιμότητας λαδιού στο κέντρο του κοίλου πυρήνα και για τάση 500 kV - με κεντρικό κανάλι στον πυρήνα και κανάλια κάτω από το προστατευτικό περίβλημα.

Τριφασικός σχεδιασμός με πλήρωση λαδιού

Η αύξηση της πίεσης απαιτεί ενίσχυση του προστατευτικού κελύφους με την εφαρμογή ενισχυτικών μεταλλικών λωρίδων πάνω του, οι οποίες προστατεύονται από τη διάβρωση με κατάλληλες επιστρώσεις, καθώς και θωράκιση από γαλβανισμένα χαλύβδινα σύρματα.

Ένα σημαντικό μειονέκτημα της σύγχρονης γραμμής υψηλής τάσης που κατασκευάζεται με καλώδιο γεμάτο λάδι είναι η ανάγκη για πολύ ακριβό και πολύπλοκο βοηθητικό εξοπλισμό, όπως: δεξαμενές τροφοδοσίας, δεξαμενές πίεσης, στοπ, ζεύκτες και ακροδέκτες.

Η αντιστάθμιση των αλλαγών στους όγκους της σύνθεσης εμποτισμού πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας συσκευές τροφοδοσίας που αποτελούνται από δεξαμενές τροφοδοσίας και μια δεξαμενή πίεσης. Οι δεξαμενές τροφοδοσίας διασφαλίζουν ότι μια μεγάλη ποσότητα λαδιού τροφοδοτείται μέσα ή έξω από το καλώδιο με μικρή αλλαγή στην πίεση και η δεξαμενή πίεσης διατηρεί την πίεση στο καλώδιο με οποιαδήποτε αλλαγή στον όγκο λαδιού.

Το λάδι κινείται κατά μήκος του καλωδίου κατά μήκος του κεντρικού καναλιού του σύρματος μεταφοράς ρεύματος. Η γραμμή καλωδίου χωρίζεται περιορίζοντας τους δακτυλίους σε ξεχωριστά μέρη make-up.

Ο ισχυρότερος ανταγωνιστής του καλωδίου με λάδι είναι το καλώδιο αερίου υπό πίεση. Σε σύγκριση με το καλώδιο υψηλής τάσης με αέριο γεμάτο λάδι, απαιτεί χαμηλότερο κόστος κατασκευής γραμμής, δεν χρειάζεται πολύπλοκο βοηθητικό εξοπλισμό και είναι πολύ απλό τόσο στην εγκατάσταση όσο και στη λειτουργία.

Τοποθέτηση τριφασικής γραμμής με καλώδια αερίου

Το κύριο πλεονέκτημα των καλωδίων με αέριο σε σύγκριση με τα καλώδια πετρελαίου είναι η απλότητα τροφοδοσίας της καλωδιακής γραμμής με αέριο, η δυνατότητα τοποθέτησης του καλωδίου σε απότομες και κάθετες διαδρομές.

Τα καλώδια με αέριο χρησιμοποιούνται ευρέως για τάση 10 — 35 kV.Σε τάσεις 110 kV και άνω, τα καλώδια με αέριο, σε σύγκριση με τα με πετρέλαιο, έχουν χαμηλότερη παλμική αντοχή και υψηλότερη θερμική αντίσταση. Επομένως, αυτά τα καλώδια χρησιμοποιούνται σπάνια στη χώρα μας σε τάσεις από 110 kV και άνω.

Στις ευρωπαϊκές χώρες, αντίθετα, τα καλώδια με πλήρωση λαδιού (Oil Filled Cable) χρησιμοποιούνται λιγότερο συχνά από τα καλώδια με πλήρωση αερίου (γραμμές μεταφοράς με μόνωση αερίου, GIL).

Αυτή η τεχνολογία άρχισε να εφαρμόζεται στην Ευρώπη περίπου στη δεκαετία του '70. Είναι ειδικά σχεδιασμένο για να παρέχει τη δυνατότητα ενταφιασμού δικτύων υψηλής τάσης σε αστικό περιβάλλον. Επί του παρόντος, υπάρχουν πολλά ολοκληρωμένα έργα που χρησιμοποιούν καλώδια με αέριο για τάσεις έως 500 kV.

Το πλεονέκτημα των καλωδίων με αέριο είναι ένα σχετικά μεγάλο περιθώριο ασφαλείας σε περίπτωση έκτακτης πτώσης της πίεσης, το οποίο επιτρέπει την άμεση αποσύνδεσή τους όταν πέσει η πίεση.

Σχεδιασμός καλωδίων με αέριο

Τα καλώδια σε έναν χαλύβδινο αγωγό υπό πίεση λαδιού είναι τρία μονοπύρηνα καλώδια με μόνωση χαρτιού εμποτισμένη με ορυκτό ή συνθετικό λάδι (χωρίς θήκη μολύβδου), τα οποία βρίσκονται σε χαλύβδινο αγωγό με λάδι πίεσης έως 15 atm.

Συνήθως, χρησιμοποιούνται περισσότερα παχύρρευστα λάδια για τον εμποτισμό της μόνωσης και λιγότερο παχύρρευστα λάδια χρησιμοποιούνται για την πλήρωση του αγωγού. Τέτοιες γραμμές καλωδίων σε χαλύβδινους αγωγούς με λιπαντικό υπό πίεση χρησιμοποιούνται για τάσεις 110 — 220 kV.

Η μόνωση καλύπτεται με μια οθόνη από επιμεταλλωμένο χαρτί ή διάτρητες λωρίδες χαλκού, στην οποία εφαρμόζεται μια στεγανωτική επίστρωση - μια θήκη πολυαιθυλενίου που εμποδίζει την υγρασία να εισέλθει στο καλώδιο κατά τη μεταφορά.

Δύο ή τρία ημικυκλικά χάλκινα ή χάλκινα σύρματα εφαρμόζονται σπειροειδώς στη στεγανωτική επίστρωση, τα οποία έχουν σχεδιαστεί για να διευκολύνουν το τράβηγμα του καλωδίου στον αγωγό, επιπλέον, διατηρούν τις φάσεις σε μια ορισμένη απόσταση μεταξύ τους, γεγονός που βελτιώνει την κυκλοφορία του λαδιού και εξασφαλίζει την ηλεκτρική επαφή των σήτων των καλωδίων με τον αγωγό.

Ο χαλύβδινος σωλήνας, ο οποίος διατηρεί την πίεση στο καλώδιο, είναι μια αξιόπιστη προστασία από μηχανικές βλάβες. Η πίεση λαδιού στη μόνωση μεταφέρεται μέσω της θήκης πολυαιθυλενίου.

Εναέρια μετάβαση σε καλώδιο

Το αδύνατο σημείο ενός καλωδίου υψηλής τάσης είναι συνήθως οι σύνδεσμοι. Ένα από τα κύρια καθήκοντα στην ανάπτυξη καλωδιακών γραμμών υψηλής τάσης είναι η δημιουργία ενός συνδέσμου που είναι βολικό για εγκατάσταση και έχει ηλεκτρική αντοχή όχι μικρότερη από αυτή του καλωδίου.

Οι τερματικοί σύνδεσμοι εγκαθίστανται στα άκρα της καλωδιακής γραμμής και οι σύνδεσμοι ημι-σταματοποίησης τοποθετούνται κάθε 1-1,5 km της γραμμής (αποτρέπουν την ελεύθερη ανταλλαγή λαδιού μεταξύ παρακείμενων τμημάτων του αγωγού).

Η προκαθορισμένη πίεση λαδιού στον αγωγό διατηρείται από μια μονάδα αυτόματης λειτουργίας που παρέχει λάδι στον αγωγό όταν πέφτει η πίεση και αφαιρεί το υπερβολικό λάδι όταν αυξάνεται η πίεση.

Στους συνδέσμους των γεμισμένων με λάδι καλωδίων γίνεται η ηλεκτρική σύνδεση των καλωδίων μεταφοράς ρεύματος και η σύνδεση των καναλιών λαδιού του καλωδίου.

Οι πυρήνες συμπιέζονται μεταξύ τους και η συνέχεια του καναλιού λαδιού εξασφαλίζεται από έναν κοίλο χαλύβδινο σωλήνα (δεν επιτρέπεται η συγκόλληση ή η συγκόλληση λόγω παρουσίας λαδιού).

Εφαρμόζεται μια θωράκιση εδάφους (επικασσιτερωμένη πλεξούδα χαλκού) σε όλο το μήκος του δακτυλίου και το εξωτερικό του δακτυλίου περικλείεται σε μεταλλικό περίβλημα.

Δοχείο καλωδίου καλωδίου υψηλής τάσης γεμάτο λάδι

Τα καλώδια σε έναν αγωγό χάλυβα αερίου υπό πίεση διαφέρουν από τον προηγούμενο σχεδιασμό μόνο στο ότι αντί για ορυκτό ή συνθετικό πετρέλαιο, ο αγωγός γεμίζει με συμπιεσμένο αδρανές αέριο, συνήθως άζωτο σε πίεση περίπου 12-15 atm. Το πλεονέκτημα τέτοιων καλωδίων είναι η σημαντική απλοποίηση και μείωση του κόστους του συστήματος παροχής γραμμής.

Η μόνωση καλωδίων εκτίθεται όχι μόνο σε συνεχή έκθεση σε τάση βιομηχανικής συχνότητας, αλλά και σε τάση ώθησης, καθώς τα καλώδια συνδέονται απευθείας με εναέριες γραμμές ή με ηλεκτρικό εξοπλισμό ανοιχτών υποσταθμών και διακοπτών που αντιλαμβάνονται τις επιπτώσεις ατμοσφαιρικά κύματα. 

Η παλμική ισχύς ενός καλωδίου γεμισμένου με λάδι είναι υψηλότερη από εκείνη ενός καλωδίου με αέριο, ανεξάρτητα από τις τιμές πίεσης λαδιού ή αερίου σε αυτά. Για κάθε τύπο καλωδίου, η τάση διάσπασης παλμών μπορεί να αυξηθεί μειώνοντας το πάχος των λωρίδων χαρτιού, δηλ. μειώνοντας τα κενά μεταξύ τους. Τα καλώδια με πετρέλαιο ή τα καλώδια υπό εξωτερική πίεση αερίου, όπου τα κενά στη μόνωση γεμίζονται με ένα εμποτιστικό υλικό, έχουν τις υψηλότερες τάσεις διάσπασης.

Τα καλώδια υψηλής τάσης με αέριο σε υπόγεια πολλαπλή (σήραγγα) μπορούν εύκολα να μετακινηθούν μεταξύ των καλωδίων, αλλά αυτός ο τύπος εγκατάστασης δεν απαιτεί σχεδόν καμία συντήρηση

Οι καλωδιωτικοί αγωγοί υψηλής πίεσης αερίου και πετρελαίου έχουν αποδείξει την τεχνική τους αξιοπιστία εδώ και αρκετές δεκαετίες, καθώς παρέχουν εξαιρετική ασφάλεια στη λειτουργία και ακόμη και σε περίπτωση βλάβης, εκτός από τα πολύ καλά χαρακτηριστικά μετάδοσης.

Η κατάσταση της μόνωσης των καλωδιακών γραμμών κατά τη λειτουργία ελέγχεται μέσω προληπτικών δοκιμών, οι οποίες καθιστούν δυνατό τον εντοπισμό σοβαρών παραβιάσεων της ακεραιότητας της μόνωσης και ελαττωμάτων σε αυτήν (γείωση φάσης, σπασίματα καλωδίων κ.λπ.), καθώς και μετρήστε την αντίσταση μόνωσης, τα ρεύματα διαρροής, τη γωνία απώλειας διηλεκτρικού κ.λπ.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι για τη μόνωση καλωδιακών γραμμών, οι προληπτικές δοκιμές είναι η μόνη μέθοδος ανίχνευσης ελαττωματικών σημείων στη μόνωση, καθώς η καλωδιακή γραμμή είναι απρόσιτη για επιθεώρηση και προληπτική επισκευή. Επομένως, ο προληπτικός έλεγχος της μόνωσης των καλωδιακών γραμμών θα πρέπει να εντοπίζει γρήγορα ελαττώματα στη μόνωση των καλωδίων και επομένως να μειώνει την έκτακτη ανάγκη του δικτύου.

Εκτός από το άρθρο - Η Siemens αναπτύσσει γραμμή μεταφοράς φυσικού αερίου

Η νέα γραμμή έχει σχεδιαστεί για να μεταδίδει έως και πέντε γιγαβάτ (GW) ισχύος ανά σύστημα. Το Ομοσπονδιακό Υπουργείο Οικονομικών Υποθέσεων και Ενέργειας της Γερμανίας χορηγεί 3,78 εκατομμύρια ευρώ για αυτό το αναπτυξιακό έργο.

Ηλεκτρικά καλώδια συνεχούς ρεύματος θα βασίζεται στην τεχνολογία της υφιστάμενης γραμμής μεταφοράς με μόνωση αερίου (TL), η οποία αποτελείται από δύο ομόκεντρους σωλήνες αλουμινίου. Ως μονωτικό μέσο χρησιμοποιείται ένα μείγμα αερίων.Μέχρι τώρα, οι καλωδιακές γραμμές με μόνωση αερίου ήταν διαθέσιμες μόνο για εναλλασσόμενο ρεύμα.

Η επέκταση του δικτύου μεταφοράς είναι απαραίτητη εάν το 80% της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας της Γερμανίας πρόκειται να καλυφθεί από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έως το 2050.

Παράγεται ηλεκτρική ενέργεια ανεμογεννήτριες στο βόρειο τμήμα της χώρας και κατά μήκος των ακτών της Γερμανίας, θα πρέπει να μεταφερθούν όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά στα εμπορευματικά κέντρα στο νότιο τμήμα της Γερμανίας.Η μετάδοση DC είναι η καταλληλότερη για αυτό λόγω των χαμηλών ηλεκτρικών απωλειών σε σύγκριση με τη μετάδοση AC.

Η ανάπτυξη δικτύου με χρήση συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης (HVDC) χρησιμοποιώντας εναέριες γραμμές μεταφοράς και γραμμές μεταφοράς συνεχούς ρεύματος με μόνωση αερίου που τοποθετούνται υπόγεια σε ορισμένες περιοχές μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας σημαντικά λιγότερους πόρους από την τριφασική τεχνολογία.

«Η υπόγεια μεταφορά συνεχούς ρεύματος είναι απαραίτητη για τη μετάβαση της Γερμανίας σε μια νέα δομή ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς η ανάπτυξή της θα γίνει αρχικά στη Γερμανία. Αργότερα, οι έρευνες από άλλες χώρες της ΕΕ ή άλλες χώρες σε όλο τον κόσμο θα είναι αρκετά πιθανές. Σε κάθε περίπτωση, με την ανάπτυξη μιας γραμμής μεταφοράς φυσικού αερίου συνεχούς ρεύματος, η Γερμανία θα διαδραματίσει ηγετικό ρόλο στο σχεδιασμό μελλοντικών συστημάτων μεταφοράς», δήλωσε ο Denis Imamovic, υπεύθυνος για τα συστήματα μεταφοράς φυσικού αερίου στη Siemens Energy Management.