Справочная информация.
Энергетический переход Германии на возобновляемые источники энергии предусматривает постепенный отказ от атомной энергии к концу 2022 года и постепенный отказ от угля до 2038 года. Береговые и морские ветряные электростанции расположены в основном на севере страны, а солнечная энергетика - в основном на юге, и увеличение доли этих возобновляемых, но нестабильных источников энергии требует усиления существующей в стране сети переменного тока напряжением 380 кВ.
Основные центры нагрузки находятся на юго-западе, и площадки выведенных из эксплуатации атомных электростанций способны обеспечить мощные точки доступа к сети переменного тока 380 кВ. Три строящихся проекта коридора HVDC (постоянного тока сверхвысокого напряжения) улучшат балансировку электроэнергии от возобновляемых источников и одновременно обеспечат поставки электроэнергии после закрытия последних трех атомные электростанции в конце 2022 года.
Первоначально планировалось построить коридоры в виде воздушных линий, но, несмотря на широкое общественное одобрение энергетического перехода, возникли протесты. Поэтому в 2015 году федеральное правительство отдало приоритет кабелям над воздушными линиями, согласившись на более высокие затраты и полностью перепланировав проекты коридоров. В то время были доступны только экструдированные кабели HVDC напряжением 320 кВ и с ограниченным опытом эксплуатации, в основном за счет использования их в качестве экспортных кабелей для морских ветряных электростанций и для нескольких наземных проектов. Первое издание стандарта IEC 62895 «Высоковольтные кабели постоянного тока (HVDC) с экструдированной изоляцией и их принадлежности на номинальное напряжение до 320 кВ для наземного применения - Методы испытаний и требования» было опубликовано и поступило как раз вовремя для недавно запланированных проектов.
Рис. 1: Проекты кабельных коридоров HVDC 525 кВ в Германии (Ultranet: наземная линия HVDC 400 кВ).
Для уменьшения количества кабелей и особенно соединений, необходимых для запланированной пропускной способности почти наполовину, предпочтительным было бы номинальное напряжение 525 кВ.
Так как экструдированные кабели HVDC на 525 кВ не были на тот момент квалифицированы, соответствующий стандарт ограничивался напряжением 320 кВ. Поэтому, чтобы начать работу, испытания кабельных систем на 525 кВ первоначально проводились на основе рекомендации CIGRE TB 496. В 2018 и 2019 годах было успешно проведено несколько предквалификационных испытаний (PQ-тестов) экструдированных кабельных систем HVDC 525 кВ (т.е. кабеля, наружных заделок и соединений). Эти испытания PQ еще не включали интерфейсы распределительных устройств с элегазовой изоляцией, поскольку в то время не было сертификатов типовых испытаний для этого типа аксессуаров. После интенсивного обсуждения DIN IEC 62895 (включая немецкое приложение) был опубликован в 2019 году, в частности, для расширения области применения с 320 кВ до 525 кВ. На основании пройденных испытаний PQ в конце 2019 года немецкие TSO приняли решение о применении экструдированных кабелей HVDC 525 кВ для проектов коридоров. Выдача основных заказов была произведена в 2020 году, а текущие оценки общей стоимости проектов кабельных коридоров HVDC составляют от 50 до 70 млрд. евро. В августе 2020 года успешно прошло первое в мире утверждение типовых испытаний интерфейса распределительного устройства с элегазовой изоляцией для HVDC 525 кВ.
Ввод в эксплуатацию проектов кабельных коридоров HVDC планируется в 2025 году. SuedLink, самая длинная кабельная система, будет иметь протяженность около 700 км. Ввод в эксплуатацию SuedLink может быть отложен до 2028 года.
Кабельная система постоянного тока напряжением 525 кВ.
Кабельные системы проектов немецких коридоров будут состоять из экструдированных кабелей HVDC, соединений и наружных концевых заделок. Конструкция кабеля аналогична обычным конструкциям кабелей HVAC с ключевым отличием - проводником, который даже при самом высоком сечении не требует оптимизации потерь переменного тока (см. рис. 2).
Рис. 2: Конструкция экструдированного кабеля 525 кВ HVDC.
В проектах немецких коридоров для основной изоляции кабелей HVDC 525 кВ будут использоваться три различных полимерных изоляционных материала:
- сшитый полиэтилен, СПЭ;
- полипропилен, ПП;
- СПЭ с неорганическим наполнителем.
Только наполненный XLPE подходит для работы в «классических» системах HVDC с преобразователями LCC, где направление потока нагрузки изменяется полярностью постоянного напряжения. При использовании преобразователей SVC изменение полярности напряжения исключено. В отличие от длинных кабельных систем переменного тока, в кабельных системах HVDC нет необходимости в перекрестном соединении для минимизации потерь в экране. Соответственно, необходимы только прямые сквозные соединения (см. рис. 3).
Рис. 3: Типы соединений (упрощенно, без масштаба).
Тем не менее, разрывные соединения экрана с внешними и доступными соединениями экрана будут устанавливаться через каждые 5-12 км. Конструкция разрывных соединений экранов (DC) аналогична или идентична соединениям поперечного соединения переменного тока. Это позволяет заземлить экран кабеля и, при необходимости, получить доступ для проверки оболочки и локализации повреждений, и также позволяет обнаружить распределенные частичные разряды.
Индуктивные датчики ЧР на заземлении прямых сквозных соединений с дополнительным заземлением обеспечивают очень низкую чувствительность к частичным разрядам.
Из-за исключительной длины кабельных систем в немецких коридорных проектах каждая из них будет состоять из секций кабелей от разных производителей. С учетом ограничений послемонтажных испытаний длина каждой кабельной секции составит около 100 км. Очевидным выбором для соединения двух кабелей является соединение. Однако для соединения кабелей HVDC двух разных производителей потребуются специальные переходные соединения. В зависимости от количества производителей, переходные соединения придется разрабатывать для всех комбинаций. В дополнение к необходимым усилиям по разработке, это стало бы основной проблемой для логистики запасных частей.
По вышеуказанным причинам каждая кабельная секция будет оснащена наружными кабельными соединениями, которые могут быть легко подключены к следующей кабельной секции, что также позволит проводить отдельные испытания каждой кабельной секции. Это необходимо не только по техническим, но и по коммерческим причинам. Техническое сооружение для соединения двух кабельных секций называется «кабельной переходной станцией». Наружная кабельная переходная станция 525 кВ HVDC будет размером с небольшое распределительное устройство.
Рис. 4: Наружная кабельная переходная подстанция.
Чтобы снизить визуальное воздействие, станции кабельных переходов могут быть установлены под землей. Однако для этого потребуются соответственно большие и сложные здания. Наиболее компактным решением для соединения кабельных систем HVDC различных производителей является использование интерфейсов распределительных устройств с элегазовой изоляцией в конфигурации «друг к другу». При наличии двух встроенных разъединителей и подходящим наружным испытательным вводом, устанавливаемым только во время испытания напряжения, отдельное испытание каждой кабельной секции после монтажа должно осуществляться относительно просто. Но из-за позднего утверждения типа и отсутствия сертификата о предварительных квалификационных испытаниях это решение, как ожидается, не сыграет роли при реализации первого проекта коридора.