Кабели за вятърни турбини

ВЕИ енергетикaСп. Енерджи ревю - брой 4, 2019 • 04.07.2019

Повечето вятърни турбини както за наземни, така и за офшорни инсталации, са с конвенционален дизайн, включващ предавателна кутия и генератор в главината. Обикновено в главината се използват два основни вида кабели – за ниско и средно напрежение. Кабелите в главината служат за пренос на нисконапреженови сигнали за управление, данни и комуникационни сигнали. Други кабели пренасят електроенергията от генератора до комутационната апаратура в основата на ветрогенераторната кула.

Кабелите ниско/средно напрежение обикновено са предназначени за приложения, изискващи гъвкавост, което налага необходимостта от подходящ радиус на огъване. Причината за това е фактът, че кабелите от генератора падат няколко метра под главината, което дава възможност за въртенето й, без да се стига до навиване или натоварване на кабела. Тези кабели трябва да могат да издържат на екстремно високи/ниски температури, което обуславя необходимостта от наличието на специална изолация.

Системите в турбините изискват и усъвършенствани кабели за управление и пренос на данни. Кабелите за управление са гъвкави, обикновено екранирани, за да се предотвратят електромагнитните смущения, и се използват за пренасяне на малки по големина токове и нискочестотни сигнали за контролиране на моторното задвижване, спирачната система на генератора, позициониране на главината и оптимизиране на скоростта на ротора.

Кабелите за пренос на данни се използват за управлението на всички електронни и механични устройства и при измерването на скоростта на вятъра, температурата и параметрите, свързани с производителността.
Кабелите в главините на вятърните турбини трябва да са и маслоустойчиви, тъй като съществува възможност за експозицията им на хидравлично масло или масло от предавателната кутия. В резултат на излагането на смазочни течности изолацията на кабелите може да се втвърди и проводниците да бъдат подложени на значително износване.

Други важни характеристики за кабелите за вятърни турбини са устойчивост на абразия, ултравиолетово излъчване, озон и издръжливост на температури от -40°C до 90°C. Все по-често сред изискванията е и материалите за изолацията и екранировката на кабелите да не съдържат халогенни елементи и да отделят малко дим в случай на пожар.

 

Фактори при избора на кабели

Когато се избира кабел за подмяна във вятърна турбина, техниците трябва да имат предвид няколко фактора. Първо е необходимо да се инспектира размерът на проводника, за да се гарантира, че може да понесе номиналните нива на натоварване. Втвърденият материал на проводника е знак, че е необходимо да се използва кабел с по-висок токоносещ капацитет.

Пукнатините в кабелната обшивка са друг проблем. Когато се установи наличието на пукнатини, е от критично значение кабелът да бъде подменен с такъв с по-добри съпротивителни характеристики. Важно е да се открие и причината за появата на пукнатините, за да се предприемат стъпки за намаляване на въздействията върху новия кабел. Често срещани причини за такъв вид увреждания на кабела са експозицията на озон, смазочни материали, електрически полета и механични натоварвания.

Съвременните кабели за вятърни турбини включват нови технологии, които увеличават експлоатационния им живот и степента на увреждане, която могат да понесат. За силовите кабели се разработват изолационни материали, позволяващи по-високи температури на проводника и осигуряващи по-добри характеристики по отношение на абразията, което подобрява цялостната ефективност на турбината. Все по-често за проводниците във ветрогенераторните кули вместо медни проводници се използват алуминиеви, които са с 60% по-леки, имат малко по-големи диаметри и струват наполовина на медните кабели, като същевременно предлагат аналогични работни характеристики.

 

Офшорни вятърни паркове

Електроенергията, генерирана от офшорни вятърни паркове, се пренася до брега посредством кабели, преминаващи под вода. Повечето индивидуални ветрогенератори произвеждат 690 VAC. В случай че няма електрическа подстанция за повишаване на напрежението, която е разположена във водата до ветрогенераторната кула, кабелното напрежение трябва да бъде същото като генераторното.

Това значително ще повиши загубите при пренос. Както при наземните инсталации обаче, офшорните вятърни паркове като цяло работят при нивото на напрежение на разпределителна подстанция. Под всяка ветрогенераторна кула се инсталира трансформатор, който да повиши напрежението до това на подстанцията, която обикновено е разположена малко по-далеч от парка и изисква високо напрежение – 35 kV или повече, с цел да се сведат до минимум загубите на електроенергия.

За много големи ветропаркове с капацитет над 300 MW преносното напрежение може да се наложи да надвиши дори 150 kV, достигайки до около 350 kV. С повишаване на нивото на напрежение обаче се увеличават разходите за трансформатора и комутационната апаратура. 160-мегаватовият датски ветрогенераторен парк Hornes Rev например използва напрежение от 36 kV за офшорната колекторна подстанция, която е изградена като триподна структура.

Стоманената конструкция се намира на 14 м над средното морско ниво, като на платформата са разположени 36/150 kV повишаващ трансформатор, комутационна апаратура, авариен дизелов генератор, контролно-измервателна техника, обслужващи помещения и др. Такива офшорни подстанции високо напрежение са сравнително нови разработки, въпреки че нефтената и газовата индустрия отдавна използва 135-киловолтови електроенергийни системи.

Офшорната система високо напрежение подобрява енергийната ефективност, но същевременно е свързана с високи капиталови разходи. Тъй като цената на енергията е много по-ниска при ветропарка, отколкото при крайния потребител, е налице икономическа компенсация за използване на ниско разпределително напрежение, като това решение е с по-ниска ефективност, но и с ниски капиталови разходи.

Турбините в един типичен ветрогенераторен парк са свързани в радиална конфигурация. Броят на турбините в едно от радиалните отклонения определя капацитета на кабела. Тази конфигурация е по-ненадеждна, тъй като при повреда на кабела ще бъдат деактивирани всички турбини, свързани към него. За по-надеждна може да се смята пръстеновидната конфигурация. Кабелът обикновено се полага на 1 до 4 м дълбочина в морското дъно, за да се осигури защитата му от котви на кораби и морски течения.

Тази дълбочина може да не е достатъчна в близост до натоварени пристанища, където котвите на големи кораби могат да достигнат до 10-12 м в земята. Тъй като не е практично да се полагат кабели на такива големи дълбочини, добро ниво на надеждност може да се осигури благодарение на резервен кабел, прокаран по различно трасе. Поради факта, че процедурата по получаването на разрешително за прекарването на един кабел е достатъчно сложна, операторите на повечето вятърни паркове се задоволяват и с надеждността, постижима само с един кабел.

Разходите за инсталирането на подводни кабели могат да възлязат на 1 до 3 пъти цената на самите кабели. Монтажът обикновено се осъществява от специализиран кабелополагащ съд, разполагащ с оборудване за опъване на кабела, динамично позициониране за прецизно маневриране, изкопно съоръжение и опитен екипаж.
Използването на стандартни решения за изкопаване на траншея за кабела може да е трудно или невъзможно в близост до брега и в плитките води около основите на вятърните турбини.

В зависимост от корабната активност в зоната, къси вътрешни кабели могат да бъдат прокарани и над морското дъно. Когато е необходим повече от един кабел, е важно да се внимава за разстоянието между отделните кабели. Препоръчва се AC кабелите да се полагат в близост един до друг, тъй като индуцираните токове се повишават с увеличаване на разстоянието. DC кабелите също трябва да бъдат инсталирани възможно най-близо един до друг, за да се редуцира генерирането на магнитни полета.

Електроенергията от всички офшорни ветрогенераторни паркове се пренася към брега посредством AC кабели. При високи мощности и големи разстояния AC кабелите имат следните недостатъци: значително увеличаване на загубите; необходима е компенсация на реактивната мощност в двата края на кабела; капацитетът на кабела може да е ограничен. DC кабелите високо напрежение (HVDC) могат да елиминират гореописаните недостатъци. Използването на HVDC обаче изисква AC-DC и DC-AC преобразувания в двата края на преносния кабел, което значително увеличава капиталовите и експлоатационните разходи. Установено е, че традиционният HVDC пренос не е икономически изгоден за мощности под 400 до 500 MW и разстояния под 50 км.

 

Структура на подводните кабели

Три вида изолация са характерни за подводните преносни кабели за големи разстояния (поне няколко километра). Въпреки че структурата и дебелината на изолацията варира в зависимост от напрежението и трите вида се използват както за средно, така и за високо напрежение. Изолацията се класифицира въз основа на материала й, структурата и това дали диелектрикът е навит или екструдиран.

Маслонапълнените кабели с изолация от импрегнирана с течност хартия (LPOF) са най-разпространени за подводен пренос на AC ток. Изолацията е импрегнирана със синтетично масло, чието налягане обикновено се поддържа чрез помпени станции в двата края. Течността под налягане предотвратява образуването на кухини в изолацията при разширяване и свиване на проводника в резултат на изменящото се натоварване. Въпреки че тези кабели се използват широко в световен мащаб, поради разходите за спомагателно оборудване, свързаните с тях рискове за околната среда и разработването на по-евтини алтернативи с по-ниски загуби, се очаква употребата им да намалее. С подобна конструкция са кабелите с навита хартиена изолация, импрегнирана с високовискозна течност, при които обаче рискът от течове е елиминиран.

Кабелите с изолация от омрежен полиетилен (XLPE) са по-евтини от аналогичните LPOF кабели и имат по-ниско капацитивно съпротивление, което води до по-ниски загуби при AC приложения. Друг вид екструдирана изолация, използвана за подводни кабели, е етилен-пропиленовият каучук (EPR), който има свойства, подобни на тези на XLPE при по-ниски напрежения, но при и над 69 kV има по-високо капацитивно съпротивление.

Проводникът в кабелите средно и високо напрежение е меден, по-рядко алуминиев, който има по-нисък токоносещ капацитет и изисква по-голям диаметър. Капацитетът за пренос на ток се увеличава пропорционално с площта на напречното сечение, което може да достигне до около 2000 кв. мм преди кабелът да стане неудобен за боравене и радиусът на огъване стане прекалено голям.

Големите кабели могат да имат радиус на огъване до 6 м. Кабелите за AC приложения обикновено са трижилни, тъй като полагането им е свързано с по-ниски разходи, генерират по-слаби електромагнитни полета и се характеризират с по-ниски загуби заради индуцирани токове в сравнение с 3 едножилни кабела. С нарастване на товаровите изисквания се увеличава и диаметърът на проводника, но с това трижилните кабели стават трудни за боравене и нецелесъобразни. Сред предимствата на едножилните кабели е възможността за прокарването на по-големи разстояния, без да са необходими допълнителни съединения.

Проводниците са обвити с метална екранировка, изпълняваща няколко функции – допринася за заземяването на кабела и пренася тока при повреда. При AC кабелите в тази екранировка се индуцира ток, водещ до загуби. За разлика от другите видове кабели, тези с EPR изолация не изискват метална екранировка. Конструкцията на подводните кабели за офшорни вятърни турбини се завършва с армировка за корозионна защита, понякога включваща биоцид за инхибиране на деструкцията от морските организми.


Top