Проектирование высоковольтных систем на АЭС: практический опыт инженера Владимира Смыкала

фото:

На объектах критически важной энергетической инфраструктуры, таких как атомные электростанции (АЭС), надежность и устойчивость этих систем напрямую связаны с безопасностью региона и страны в целом.

Владимир Смыкал — инженер с более чем 14-летней практикой в проектировании, модернизации и строительстве высоковольтных систем на ключевых энергетических объектах, включая распределительные сети крупных городов, а также кабельные системы на атомных электростанциях. Его практический опыт охватывает полный цикл работы с высоковольтными системами — от выбора оптимальных решений до внедрения систем мониторинга и диагностики, повышающих надежность всей сети.

В этом интервью Владимир делится практическими кейсами, рассказывает о сложностях проектирования на объектах атомной энергетики и делится своими выводами о перспективах развития отрасли.

— Владимир, расскажите, какова специфика проектирования высоковольтных систем на атомных электростанциях (АЭС) по сравнению с другими объектами энергетики, например, на традиционных тепловых станциях или в промышленных сетях?

— Высоковольтные кабельные линии на АЭС, как и любое другое электрооборудование, всегда имеют более высокие требования по надежности, устойчивости к внешним воздействиям и контролю состояния в процессе эксплуатации. В обычных промышленных и энергетических объектах в приоритете стоит пропускная способность сети и оптимизация с точки зрения стоимости оборудования и его монтажа. На АЭС это не работает.

На атомных станциях на первый план выходят стойкость к радиационным воздействиям, долговечность при повышенных температурах, а также огнестойкость и работоспособность в аварийных ситуациях. Любая ошибка в проектировании кабельных систем на АЭС может привести не просто к отказу оборудования, а к угрозе радиационной безопасности. Однако благодаря многоуровневой системе защиты, использованию различных систем безопасности и многократному резервированию, риски сведены к минимуму.

Например, при проектировании высоковольтных кабельных трасс для кабелей 330 кВ и выше мы не можем использовать обычные кабели с полиэтиленовой оболочкой, так как они не обеспечат требуемую огнестойкость в случае инцидента. Мы применяем специальные кабели с оболочкой из полимерных композиций, не содержащих галогенов, и с термическим барьером по токопроводящей жиле, которые не только сохраняют работоспособность при аварии на кабельной линии, а также не выделяют вредных веществ в воздух, что особенно важно при прокладке кабелей в помещениях.

В случае прокладки кабелей внутри гермозоны к ним предъявляются гораздо более жесткие требования. Например, мы используем специальные материалы с высокой термической и радиационной устойчивостью. Это особенно важно, когда кабель проходит вблизи источников ионизирующего излучения или подвергается высоким температурам при аварийных ситуациях. Такие кабели сохраняют работоспособность даже в экстремальных условиях, обеспечивая надежность систем управления, защиты и аварийного электроснабжения.

— Можете привести примеры задач, где именно ваши решения повлияли на надежность систем на АЭС?

— Один из значимых проектов касался реконструкции и замены кабельных линий на действующей АЭС. Там стояла задача заменить старые маслонаполненные кабели на современные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE), но с учетом специфики работы объекта.

Для успешной реализации проекта я предложил комплексный подход, учитывающий строгие требования безопасности, надежности и минимального воздействия на эксплуатацию станции. В первую очередь это касалось поэтапной замены кабельных линий с минимальной остановкой работы ключевых систем.

Это особенно важно, поскольку основная задача атомной станции — бесперебойная выработка электроэнергии. Каждый день простоя не только снижает надежность электроснабжения региона, но и приводит к колоссальным убыткам для владельца станции.

Свести остановки к минимуму удалось благодаря тщательному проектированию и детальному анализу оптимальных технических решений. Особое внимание было уделено выбору маршрутов прокладки кабелей, чтобы максимально сократить время работ и избежать риска повреждения существующих инженерных коммуникаций. Такой подход обеспечил плавный переход на новую кабельную инфраструктуру без нарушения работы критически важных систем.

— С какими сложными ситуациями вы сталкивались при проектировании высоковольтных кабельных систем на АЭС?

— При проектировании высоковольтной кабельной линии на одном из энергоблоков АЭС, расположенного в регионе с экстремальными климатическими условиями, мы столкнулись с серьезной проблемой температурных расширений кабеля. Кабельная трасса проходила по наружной технологической эстакаде, где зимой температура опускалась до отрицательных значений, а летом достигала +50°C. Такие значительные колебания температуры приводили к постоянным механическим нагрузкам в местах крепления кабелей, что могло со временем вызвать повреждение оболочки кабеля с последующим пробоем основной изоляции с возникновением аварийной ситуации.

Обычно температурные расширения компенсируются определенной длиной провисания между точками крепления, но в данном случае стандартное решение не обеспечивало достаточной компенсации из-за высокой протяженности трассы и ограниченного пространства на эстакаде. Кроме того, из-за ветровых нагрузок и возможных сейсмических воздействий крепления должны были выдерживать дополнительные механические нагрузки.

После детального анализа условий эксплуатации и консультаций с производителями кабельной продукции было принято решение использовать шарнирно-подвесную систему крепления, обеспечивающую свободное термическое расширение кабеля без возникновения точек перегиба и чрезмерных напряжений. В качестве дополнительной меры в критических зонах трассы были установлены специальные демпфирующие вставки, позволяющие снижать нагрузку на оболочку кабеля при температурных деформациях.

Реализация этого решения позволила не только предотвратить преждевременный износ кабельной линии, но и значительно упростила последующее техническое обслуживание трассы. Этот случай стал отличным примером того, как комплексный подход к проектированию высоковольтных систем с учетом климатических и механических факторов позволяет обеспечить долгосрочную надежность и безопасность эксплуатации.

— Были ли случаи, когда вы выдвигали собственные технические решения, которые затем становились стандартом на объекте или в компании?

— Да, например, на одном из проектов по строительству кабельных линий 500 кВ я предложил использовать систему непрерывного мониторинга температуры кабеля и частичных разрядов в соединительных и концевых муфтах. Изначально заказчик планировал разовые проверки с применением портативных приборов, но я настоял на создании постоянной системы с выводом данных на центральный диспетчерский пульт.

Однако использование современных систем мониторинга в реальном времени позволяет предотвращать сокращение срока службы кабелей из-за перегрева, а также улучшить комплексную безопасности всей системы электроснабжения, а также предотвратить аварийные ситуации и увеличить пропускную способность линии.

Впоследствии такой подход был признан эффективным, и компания-заказчик включила его в свои корпоративные стандарты при проектировании всех новых высоковольтных линий.

— Какие особенности проектирования высоковольтных кабельных систем на АЭС вы считаете самыми сложными и важными для соблюдения?

— Во-первых, это требования по физическому разнесению трасс кабелей для  взаиморезервирующих систем. Нельзя допустить, чтобы кабель резервного питания прокладывался рядом с основным питающим кабелем — это недопустимо, так как значительно снижает надежность системы. На одном из объектов я лично участвовал в корректировке проектной документации, чтобы разнести трассы взаиморезервируемых линий по разным этажам кабельных тоннелей.

Во-вторых, это температурные и радиационные требования. Для кабелей, проходящих через гермооболочку реактора, я рекомендовал использование специальных многослойных герметичных кабельных вводов с системой компенсации термических расширений. Это решение снижает риск механических повреждений в условиях высоких температур, снижает нагрузки на кабели при изменении температуры, а также создает идеальную герметичность, что очень важно для недопущения утечки радиации.

В-третьих, это учет аварийных режимов. Для систем аварийного электроснабжения я всегда предлагаю дополнительные решения по защите не только самих кабелей, а также всей кабельной системы, которая включает в себя огнестойкие кабельные распределительные коробки, огнестойкие защитные трубы, а также огнестойкие кабельные ввода, способные выдерживать воздействие открытого пламени в течение 90 минут.

— Какие технологии прокладки высоковольтных кабелей вы считаете наиболее перспективными для АЭС?

— На мой взгляд, наиболее перспективны:

• Применение огнестойких кабелей с минеральной изоляцией , которые сохраняют работоспособность при температуре до 1000°C, что критично для обеспечения безопасности в случае пожара, обеспечивают низкий уровень газо- и дымовыделения, а также высокую механическую прочность и стойкость к агрессивным средам. Такие кабели будут идеальны для систем аварийного электроснабжения и управления.
• Применение кабелей с продвинутыми сенсорными системами, способными передавать информацию о состоянии изоляции в режиме реального времени. Они позволяют прогнозировать возможность отказа и предупреждают об авариях.
• Использование композитных оболочек с комбинированной стойкостью к радиации, высокой температуре и механическим нагрузкам.
• Внедрение цифровых двойников кабельных систем для прогнозирования их состояния на основе математического моделирования и реальных данных диагностики.

— Ваш опыт охватывает не только проектирование, но и эксплуатацию высоковольтных кабельных систем. Какие рекомендации вы могли бы дать американским коллегам, занимающимся модернизацией энергосетей?

— Главная рекомендация — не пытаться просто заменить старые системы новыми «один в один». Энергетика сейчас меняется, сети становятся более гибкими, децентрализованными, интегрированными с ВИЭ. При модернизации всегда нужно учитывать перспективу, закладывать возможности для адаптации к новым технологиям.

Второе — повышенное внимание к диагностике. На многих объектах Европы и США до сих пор применяют устаревшие методы диагностики по принципу «работает — не трогаем». В современных системах необходим постоянный мониторинг всех критичных параметров, особенно частичных разрядов, температуры.

И, конечно, обучение персонала. Никакое оборудование не будет работать надежно без грамотного персонала. Я всегда уделяю особое внимание подготовке специалистов, которые будут эксплуатировать системы, разработанные с моим участием.

— Насколько высока роль энергоэффективности при проектировании высоковольтных кабельных систем, и какие технические решения позволяют снизить потери?

— Энергоэффективность для высоковольтных кабельных систем имеет критическое значение. Причем это не просто вопрос оптимизации эксплуатационных расходов — энергоэффективность напрямую связана с безопасностью и стабильностью работы всей системы.

Высоковольтные кабели часто работают в режиме постоянных высоких нагрузок, и каждый процент потерь становится фактором, влияющим на общий баланс мощности и устойчивость системы. В частности, когда атомная генерация выступает базовой и зачастую единственной гарантированной мощностью в энергоузле, минимизация потерь на каждом участке сети особенно важна.

Существует несколько ключевых решений, позволяющих существенно повысить энергоэффективность кабельных систем:

• Оптимизация сечения кабелей. В проектах, где я участвовал, проводился детальный расчет оптимального баланса между сечением, длиной линии и нагрузкой, что позволяло выбирать кабели с минимальным сопротивлением при сохранении требуемой механической и термической стойкости.
• Современные методы расчета потерь. В работе я активно применял программные комплексы, позволяющие моделировать потери на всей кабельной трассе с учетом особенностей грунта, температуры окружающей среды и электромагнитных влияний. Такой подход позволяет выявлять потенциальные проблемные зоны еще на этапе проектирования.
• Современные типы изоляции. Для высоковольтных кабелей я рекомендовал использовать сшитый полиэтилен последнего поколения, который обладает низкими диэлектрическими потерями и высокой стойкостью к частичным разрядам. Это особенно важно для кабелей, проложенных в сложных условиях, например, в кабельных тоннелях или под землей.
• Системы постоянного мониторинга потерь. На некоторых объектах, где я принимал участие, были внедрены системы мониторинга распределенных потерь (Distributed Temperature Sensing – DTS), которые в режиме реального времени отслеживают температурные перепады по всей длине кабеля, позволяя оперативно выявлять зоны локального перегрева и неравномерных потерь.
• Снижение индуктивных и емкостных потерь. Это достигается за счет правильной компоновки кабельных систем в каналах и тоннелях. Я всегда акцентировал внимание на необходимость минимизации паразитных токов и магнитных наводок.

В целом, комплексный подход, который я применял, позволял добиваться потерь на уровне 0,2–0,3%, что для таких систем считается отличным показателем. В условиях других стран, где значительная часть инфраструктуры требует модернизации, эти решения особенно актуальны — внедрение энергоэффективных технологий позволит не только снизить операционные расходы, но и повысить надежность сети в условиях растущих нагрузок.

— Как вы оцениваете перспективы применения подводных и подземных кабельных линий при подключении новых потребителей к сетям в сложных географических и климатических условиях?

— Перспективы применения подземных и подводных кабельных линий я оцениваю как крайне высокие, особенно в условиях Канады и США, где многие новые и модернизируемые станции будут расположены в сложных географических зонах.

Подземные и подводные кабельные линии обладают рядом стратегических преимуществ:

• Устойчивость к внешним воздействиям. Подземные и подводные линии менее подвержены воздействию ураганов, обледенений и других климатических факторов, что особенно важно для объектов на побережье Атлантики и в зонах, подверженных штормам.
• Повышенная безопасность. Кабели, проложенные под землей или водой, значительно сложнее повредить вандалам или при случайных строительных работах. Для объектов критической инфраструктуры,, это фактор первостепенной важности.
• Оптимизация использования земель. В условиях плотной застройки и развитой городской инфраструктуры, прокладка воздушных ЛЭП зачастую невозможна или вызывает протесты со стороны местных сообществ. Подземные трассы позволяют минимизировать визуальное воздействие на ландшафт и обходить зоны с особо охраняемыми природными территориями.

В моей практике был ряд проектов, где мы применяли сложные схемы подводной прокладки высоковольтных кабелей. Например, при прокладке кабеля через небольшие водоемы и заливы мы применяли метод HDD (горизонтально-направленное бурение) для прокладки под дном, что позволяло избежать нарушения экосистемы и снизить строительные риски. На одном из международных проектов нам пришлось реализовывать комбинированную схему, где часть трассы проходила по дну реки, а часть — через скальные участки с минимальной глубиной заложения. Это потребовало использования специальных защитных оболочек с повышенной стойкостью к механическим повреждениям ввиду повышенной сейсмоактивности региона.

Также важна грамотная инженерная оценка температурных режимов, возникающих при укладке кабелей в грунте или под водой. В условиях плотной застройки приходится учитывать тепловое влияние соседних коммуникаций, а в подводных участках — влияние течений и температурных скачков. Поэтому в своей работе я всегда использовал многопараметрическое моделирование, чтобы заранее учесть все эти факторы.

Для новых потребителей электроэнергии во всем мире подземные и подводные кабельные линии станут не просто желательной, а во многом необходимой практикой. Сочетание современных технологий прокладки, систем мониторинга и защиты, а также оптимизированных схем укладки позволит значительно повысить надежность всей энергосистемы и обеспечивает соответствие самым строгим требованиям к устойчивости критически важной инфраструктуры.