2.3. Кабельные линии электропередачи переменного тока

На всех этапах развития мировой электротехники создание кабельных линий высокой пропускной способности сдерживалось значительными трудностями по достижению необходимой электрической прочности изоляции высоковольтных кабелей. Такая изоляция должна выдерживать высокие напряжения и гарантировать долговременную надежность кабеля при одновременном сохранении приемлемых параметров массы на единицу длины кабеля и его наружного диаметра.

С 20-х годов ХХ века для кабелей нашли повсеместное применение многослойная бумажная изоляция, пропитанная маслоканифольным составом, а также покрытие силовых кабелей свинцовыми оболочками для увеличения их механической прочности. Это позволило довести линейное напряжение КЛ до 30–40 кВ.

Борьба за повышение напряжения на кабельных линиях привела сначала к изобретению маслонаполненных кабелей низкого давления в свинцовой оболочке, а затем маслонаполненных кабелей высокого давления. Конструкция последних представляет

собой три экранированные токопроводящие жилы, которые находятся в стальной трубе, заполненной минеральным маслом под давлением до 1,5 МПа. Такая конструкция позволила поднять рабочее напряжение КЛ до 220 кВ, а позднее и до 500 кВ. Однако обслуживание таких линий с жидкой изоляцией оказалось довольно сложным из-за большого количества кабельных колодцев с телеуправляемыми системами маслоподпитки кабеля и соединительных муфт.

Поиск более удобных изоляционных материалов в 70-е годы ХХ века привел к технологии изготовления кабелей с твердой изоляцией из «сшитого» полиэтилена (международное обозначение XPLE). Благодаря высокой электрической прочности и надежности при сроке службы не менее 30 лет, простоте эксплуатации, ремонта и экологической чистоте высоковольтные кабели с изоляцией XPLE стали наиболее распространенными во всем мире в диапазоне напряжений от 35 до 420 кВ.

Промышленное производство кабелей с изоляцией XPLE напряжением от 6 до 330 кВ впервые в СНГ освоено в Украине на заводе «Южкабель».

Несмотря на возможности, которые открывает новый тип изоляции XPLE, кабельные линии переменного тока не могут соперничать с воздушными линиями в качестве межсистемных связей. Однако такие КЛ становятся реальным средством доставки электроэнергии в крупнейшие узлы электропотребления урбанизированных территорий.

В 2003–2004 годах в Центральном Лондоне проложена мощная кабельная линия напряжением 400 кВ. На линии применен кабель с изоляцией XPLE с медными жилами сечением 2500 кв. мм в фазе. Пропускная способность линии 1600 МВт. В условиях Лондона наиболее приемлемым конструктивным решением оказалась прокладка кабелей в подземном вентилируемом туннеле диаметром 3 м длиной 20 км, на глубине до 30 м. Туннель выполнен с возможностью прокладки второй кабельной линии, которая будет представлять собой газоизолированную линию (токопроводящая жила каждой фазы находится в металлической трубе, заполненной электроизолирующим газом SF 6, так называемым элегазом).

Так, в 2009 году завершено строительство кабельной линии электропередачи напряжением 220 кВ ТЭЦ-27 – Хлебниково протяженностью 15 км. Трасса ее прошла под землей – под автомобильными магистралями и действующими промышленными объектами по территории Мытищинского района Московской области. Она предназначена для выдачи мощности энергоблока № 3 ТЭЦ-27 в объеме 450 МВт в сеть 220 кВ Московской энергосистемы.

Для выполнения функций межсистемных связей КЛ с изоляцией XPLE нашли применение в электропередачах постоянного тока (ЭППТ) при необходимости прокладки линий через значительные водные пространства (морские проливы, мелководные моря). В таких условиях, когда построить в акватории воздушную линию не представляется возможным, прокладка кабельной линии постоянного тока по морскому дну оказывается единственным оправданным решением. В униполярной передаче для этого требуется только один кабель. В биполярной передаче прокладывают два кабеля (с полярностью «+» и полярностью «–»). Здесь в случае отключения одного кабеля передача работает на половину своей мощности.

Кабельный тоннель под высоковольтные линии электропередачи между подстанциями «Войковская» и «Гражданская» в Москве (протяженность 3349 м)

Ожидается, что следующим этапом развития кабельной техники станет создание криогенных кабелей, использующих эффект сверхпроводимости металлов при их глубоком охлаждении. При температуре жидкого азота 77 К активное сопротивление меди и алюминия снижается в десятки раз, а при температуре жидкого водорода 20,4 К – до 200 раз. Металл ниобий (Nb) и его соединения (Nb 3 Sn, Nb 3 Al) при температуре жидкого гелия 4,2 К переходят в состояние сверхпроводимости. Сжиженные газы для охлаждения проводников могут быть использованы в качестве изолирующей среды криогенных кабелей. Мощность криогенных электропередач оценивается от 10 до 100 ГВт.