智能電網與電力電纜的技術

　　智能電網與電力電纜

　　國家能源委員會的成立，標志著國家對"能源問題"提升到十分重要的地位。我國已經成為世界上能源消耗第二位的國家，但按人口計算，平均每人用電量仍然較低。智能電網可非常有效的提高能源合理分配和使用效應。

　　智能電網與電力電纜

　　智能電網另一個大型工程，就是加大城市配電網、農村配電網建設和改造力度，特別是加大中低壓配電網投資比例，解決供電和卡脖子等突出問題。由此可見，中低壓交聯聚乙烯絕緣電力電纜將分得較大的市場份額。10kV和35kV移動型乙丙橡膠絕緣軟電力電纜的需求也會上升。110kV和220kV交聯電力電纜年需求量也將逐年增加，500kV交聯電力電纜，若干年后，也會逐步走向國產化。另外，海上大型風力發電建設和并網，需要35kV淺海電力電纜的支持，數量也很可觀。

　　智能電網與超導電纜

　　美國超導電纜技術基本成熟，但是傳輸參數和經濟效應，目前尚未達到大量推向商業化的程度，因此超導電纜能真正地在智能電網種應用，還存在較長的時期。

　　1.超導電纜聯網

　　美國打算在智能電網中推廣應用超導電纜，而并非超高壓輸電技術，目標是超越四個時區將全國主要電網連接起來，以提高電網的安全性和電力調配能力。由于超導輸電電壓相對較低，與超高壓線路相比，可減少輸電損耗、電磁污染、占用走廊寬度降至最低，代表了世界先進的技術方向。美國紐約長島電力局（LIPA）與美國超導公司更聯合建設的世界上第一條高溫超導（HTS）電纜已于2008年4月22日投入商業運行。這一超導輸電系統在滿負荷運轉時能夠滿足30萬戶家庭的用電需求，僅由三根138千伏的電纜組成。相比同樣粗細的銅導線，他們的輸電能力高達150倍。盡管這一工程造價昂貴，但是新型超導電纜的造價將降低五分之四，輸電纜溝的寬度僅為一米左右。它的另一個優點是這種電纜能夠防止由電網短路造成的故障電流。超導體有一種天生的電流限制能力，一旦電流增強到一定程度，它們就會失去超導性而變得像普通導體一樣有電阻，使電流衰減。因此，該技術也得到美國國土安全部的支持。

　　2.熱核聚變應用

　　超導托卡馬克實驗裝置（所謂"人造太陽"），也就是國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）建設工程。

　　作為當今世界迄今為止最大的熱核聚變實驗項目，改項目所需要的高溫環境必須由超導磁體提供的巨大磁性容器所提供，因此，超導電纜屬于核心部件，"人造太陽"需要大量的超導電纜，這項應用優可能超前于電網連接超導的應用。

　　3.近期應用領域

　　比較近期的高溫超導電纜應用，可能包括以下領域：城市密集居住區、摩天大廈等;金屬冶煉設備等大電流、短距離、小空間的應用中;電站和變電站內大電流傳輸母線等。國內曾有人提出，超導電纜有望取代八成城市地下電纜的觀點。

　　4.經濟和商業反應

　　智能電網正成為拉動世界經濟的下一個引擎，對中國而言，智能電網對投資的拉動作用非常大。世界銀行也曾預測，2020年，高溫超導電纜將取代80%的城市傳統地下電纜，世界市場超導電纜銷售額將達300億美元。輿論驅動了股市狂熱，一些打算投資超導的電纜企業，已經大肆宣傳其股份前途一片光明，甚至鼓吹"超導是新能源最后的處女地!"，超導[淘股吧]作為大牛股的最低也得漲10倍!有許多股份從低部買入，翻番后仍然拿住的不多，能拿5倍以上的更是鳳毛麟角。但是也有人認為，早期發現大牛股其實并不是問題的關鍵，關鍵的是在逆境中能否堅持住。當然這些只是不屬于技術的題外話。

　　中國超導電纜已經研究了一段時期，實際上國內有多個領域的研究項目，其中上海電纜研究所、上海交通大學，上海工業大學和上海電纜廠協作的超導項目研究正在進展之中。

　　智能電網與高壓輸配電架空導線

　　根據以華北、華中和華東為超高壓同步電網為受端，東北超高壓電網、西北750千伏電網為送端，電網需要大量高壓輸配電架空導線。

　　1.擴徑導線

　　擴大導線直徑可減小表面電暈損耗，擴大直徑方法之一，是在絞合導線的中間幾層，用稀疏單線絞合，型號為LGJK。擴大直徑方法之二，是采用中心支撐構件，如波紋鋁管、蛇皮管等，型號為LGKK，擴徑導線用于750kV輸電線路。

　　2.自阻尼導線

　　架空導線在受力狀態下，因風力激勵而可能產生強烈振動，導致發生導線斷股、斷線等嚴重事故。自阻尼導線采用型線絞合，但在鋁線和鋼芯之間留有0.6～1.0mm的間隙，鋼芯和鋁線層分別形成獨立部分，具有不同的自振頻率，在風振狀態下造成二者振動幅度不同，因而產生相互撞擊，自動消耗風力的激勵能量，從而減少微風引起的振動，也不致產生大幅度舞動而避免事故。

　　使用自阻尼導線，也可加大塔桿間距或降低塔桿度高，從而降低設計制造成本。自阻尼導線的絞合狀態。

　　3.防冰雪導線

　　輸電線路上如覆冰過重或積雪過多，就可能發生斷線或倒桿的重大事故，造成巨大的經濟損失。所以在重冰區的輸電線路上最好采用防冰雪導線。研發的防冰雪導線有防雪環式、低居里合金式、和涂料防冰式等多種型式。防雪環由聚碳酸酯塑料制成，狀如指環。套裝在導線上，指環間距約為線股節距的兩倍。可使積雪在沿導線滑動時受阻而脫落。低居里點合金是一種鎳-鉻-硅-鐵四元合金，在溫度0～20℃時能產生磁性。將這種線嵌絞在導線中，在覆冰時能產生渦流發熱而融冰。涂料防冰式導線，是將憎冰性涂料涂在導線上，能減小冰對導線的附著力，使冰易于脫落。此外有一種帶翼式防冰雪導線，將兩根翼形導線對稱嵌絞在外層，它的防雪原理與防雪環基本相似。

　　4.倍容量導線

　　倍容量導線由特耐熱鋁合金線與鋁包高強度殷鋼線組合絞制而成。長期使用溫度在150℃以下，但允許達230℃，短路溫度290℃。與普通鋼芯鋁絞線相比，在外徑及單位重量相當的情況下，載流量約提高一倍。由于這種結構的價格較高，線路損耗也較大，一般僅在大跨越或需要增容的線路上采用。鋁包高強度殷鋼線在230℃以下的線脹系數為3.3×10-6/℃。

　　5.鋼芯軟鋁絞線

　　鋼芯軟鋁絞線由軟鋁線與鋼芯組合絞制而成，其結構形式上沒有多大改變。其特點是在運行過程中，在超過應力轉移溫度以上時，軟鋁線處于松弛狀態，機械負荷可以認為全由鋼芯承擔。正常運行溫度可高達160℃。載流量可提高近1倍，而弧垂并不明顯增大，比較適合于需要改建增大容量的線路。這種導線的自阻尼性能也較好。一般設計鋁導體線截面為240～480mm2，架設線路時需有特殊預拉力措施。

　　6.間隙式架空導線

　　間隙式架空導線與自阻尼導線有些相似，其中心為高強度鍍鋅鋼線絞合的鋼芯，鋼芯外絞制耐熱拱形鋁合金線，但二者之間留有間隙，間隙內充實耐高溫硅脂，拱形線外再絞圓形耐熱鋁合金線。工作溫度達150℃，與一般架空導線比較，載流量約提高到1.6倍，并具有阻尼性能，日本已有應用。

　　7.型線同心絞架空導線

　　型線同心絞架空導線等同采用IEC62219：2002《型線同心絞架空導線》標準。

　　8.500kV超高壓架空線用鋼芯鋁絞線，已有統一的企業標準，基本上屬于定點生產。

　　9.復合材料加強芯鋁絞線

　　芳綸纖維、碳纖維或玻璃纖維與樹脂制成的纖維復合增強塑料構件（FRP），在電纜行業中廣泛應用，最近架空導線也開始研究發展FRP的應用。復合材料加強芯鋁絞線的英文縮寫為ACCC，與傳統的鋼芯鋁較線相比，它具有比強度大、重量輕、耐高溫，耐腐，體脹系數小（弛度亦小）的優點，在可比對條件下，當增加28%的鋁導體截面，有可能提高整體容量1倍和鐵塔數量可減少20%。

　　10.光纖復合架空地線

　　光纖復合架空地線（OPGW），國內已有標準。由通信用光纖置于鋁管或不銹鋼管中組成的光單元與鋁包鋼線或鋁合金線組合絞制而成，具有防雷保護和通信兩種功能。光纖具有信息容量大、傳輸衰減小、不受電磁干擾及使用安全可靠等優點，能適應電力系統中遙控、遙測和大容量信息傳輸的需要。

　　11.光纖復合架空相線

　　光纖復合架空相線（OPPC），它的架設基本上同OPGW類似，是依據IEEEStd1138-1994、IEEEStd524-1992等電力部門架空線安裝安全管理規程和操作技術，但OPPC的接續涉及到光纖接續和光電分離技術,對接續的技術、高壓絕緣有嚴格要求。

　　12.溫度監測跳線

　　高壓架空線的溫度監測，是建立于光纖（FBG）傳感系統的基礎上，采用這項新技術不需要投入大量資金來更換整條線路，而是在一座鐵塔上二根斷開的架空導線，補充連接一根跳線，這樣不妨害原有線路的正常運行。跳線導體結構與原來線路中高壓相線基本相同，在跳線中放置一根具有溫度敏感功能的特殊光纖，這一結構與OPGW相似。跳線一端接入分離器，在分離器內，將溫度敏感光纖連接到常規光纖，由常規光纖將信號輸出，進一步將數據輸出到工作站，其他連接與常規架空導線相同。該系統主要監測參數是導體溫度，這種遠程監測和控制，為實現智能電網提供了條件。

　　上海電纜研究所會同各著名電纜廠，合作研發了多種高壓架空輸配電架空導線，建立了高壓架空輸電線試驗基地，具備各種精良試驗設備，可為智能電網架空導線提供優質服務。

　　智能電網與光纜、電纜和綜合光-電纜

　　四網融合是國家電網公司發展規劃之一，公司成立了智能電網部，專門負責推進這項工作，電力網的最大優勢是包羅了一切用戶。目前只有部分家庭擁有電話和寬帶，但所有家庭都用電，電力線上網比其他各種上網方式都擁有更多接入用戶。至于技術上問題不大，實際上電力線上網早在5年前技術已經基本成熟，并在多個地區進行了試點。如果多網合一，主要是在400伏的配電網中加一根光纖，現在光纖的成本非常低，如果光纖跟著電纜走，在技術上來說也有好處。但是四網融合涉及到多個政府部門管轄的事，不是輕易能解決的問題。目前電網系統內部，也需要很大的信息傳遞，所以光電合一事智能電網中必不可少的一頁。

　　1.光纖-電力電纜

　　光纖-電力電纜的含義是電力電纜中包含了光纖單元，光纖-電力電纜設計既應符合電力電纜指標要求，又應保護光纖，并保證光纖的信號傳輸可靠性。因為有力纜和光纜二部分組成，連接盒的設計比較復雜，所以制造光纖-電力電纜長度很長，不用中間連接盒。淺海需要連接電力電纜的情況很多，如采用光纖-電力電纜，更為方便。當代的光纖信息傳遞技術已大大超過對稱和同軸通信電纜，并重量輕、體積小和信息量大等有點。

　　光纖-電力電纜的機械性能如下：1）外徑98.8mm;2）空氣中重量21.7kg/m;3）水中重量13.9kg/m;4）最大工作負荷70噸;5）軸向堅實度293.6MN;6）20℃時彎曲堅實度1.6kN·m2。電氣性能如下：1）電壓等級12/20;2）運行電壓13.8kV;3）頻率60Hz;4）額定電流265A;5）電容0.3μF/km;6）電感0.4mH/km。

　　光纜部分性能如下：1）光纖根數可到48根;2）外徑14mm;3）重量215kg/km;4）最大拉力2700N;5）彎曲直徑625mm;6）耐擠壓220N/cm;7）耐水壓力22.5kgf/cm2;8）運行溫度范圍為-20℃～70℃。

　　2.家用網絡系統柔軟光纜

　　光纜到戶以后，建立家庭光纖網絡的要求也不斷增加，更重要的是家庭網絡的配線元件，有效的方法是將光纜傳入已經埋在墻內的管道內。然而，現有的方法并不能很奏效，因為需要調整電纜的長度和二端的連接器，此外，還需要有配合過渡到光纖的外接口，可想而知，利用已經埋設的管道，并非簡單的工作。新方法是采用可卷繞柔軟光纜使配線系統得到改善。

　　關鍵技術是制造一種"光纖卷繞繩"，既然稱它為"繩"，則其可卷繞性當然非常順手，在相當程度上可任意伸展，可隨意與電纜或連接器連接，更形象化的解釋，可把它看成是彈簧形光纜。與此同時，光纖衰減和連接器衰減也必需符合規定。國內是否發展，有待觀察。

　　光纖卷繞繩的結構，是具有輔助孔光纖的螺旋繩，并有覆蓋層，這種結構在彎曲時，光纖的衰減特別小。

　　3.光-電綜合通信光纜

　　光-電綜合通信光纜中含一個8芯光纖單位，7個銅線四線組和9個對稱線對。該電纜主要應用在通信系統中，光纖作為大容量通信，四線組和線對作為區間通信和信號傳輸用。由于將光纖單元和其他線組絞合成纜，可降低線路的造價。至于電纜的屏蔽、護套、鎧裝等結構，可按使用環境設計。

　　4.其他綜合光纜

　　綜合光纜在鐵路領域中早已廣泛應用，對于智能電網也有可能需求。綜合光纜的結構，除含有光纖單元外，還包含小規格電力線、控制線、信號線、儀表線、數據線和電話線等。目前沒有定型，今后將按照智能電網規范或標準要求制造。

　　當前智能電網的國際趨勢

　　近年來，歐美一些發達國家大力提倡和積極發展智能電網，將其提升到國家能源、環境與經濟可持續發展戰略的高度來全力推行，并試圖通過投資建設智能電網達到近期刺激經濟發展的效果。在國際金融危機中，奧巴馬的經濟刺激計劃就包括了加快智能電網的發展。

　　智能電網的核心價值是提高能效，減少溫室氣體排放，利用各種高科技手段提升發、輸、配、用電各環節的運行管理水平，節約資源，保護環境，最終能下降電價，廣大用戶受益。智能電網的推廣可減少25%以上的由發電產生的二氧化碳，這相當于1.3億輛汽車啟動瞬間二氧化碳的排放量。智能電網還可以提升供電及服務質量，并帶動整個產業鏈的發展。總之，智能電網將現有電網所強調的安全、可靠、穩定，提高到一個全新的高度，進一步體現了電網對環境、經濟乃至整個社會的積極貢獻。

　　美國能源部部長和商務部部長訪華時指出，智能電網是世界電網發展的新趨勢，可以引導各方更加高效地用電，實現節能減排，并希望中美雙方能夠在解決相關問題方面攜手合作。當前美國積極推進智能電網的發展和試點工作，這是奧巴馬政府組建以來著力推進的一件大事。美國已發布了智能電網建設的第一批標準。

　　中國各地區差異太大，不但環境不同，生活習俗不同，用電和缺電不平衡，完全實現智能電網目標，還存在漫長的路程，所以中國的智能電網發展必須走循序前進的道路，有地區試點逐步走向全國，先解決用電和缺電的平衡，再解決更加高深的全面智能化技術。

　　國內開始啟動

　　我國面對新形勢新挑戰，國家電網公司迅速將"智能電網"上升到戰略層面，今年上半年適時提出了全面建設以超高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強電網為基礎，以信息化、數字化、自動化、互動化為特征的統一堅強智能電網計劃。并針對此計劃國家電網做出了三步走的規劃，2009年至2010年為規劃試點階段，2011年至2015年為全面建設階段，2016年至2020年為引領提升階段。2009年8月，第一階段工作已全面啟動，將重點開展電網智能化規劃工作，制定技術標準和管理規范，研究關鍵技術和研發智能化設備，開展各環節的試點工作，目前第一階段工作已取得了一定的進展。

　　2010年開展第二批試點：如加快建設上海世界博覽會園區智能電網綜合示范工程;在張北建設的我國第一個風光儲能綜合示范項目;選定天津一個區進行智能小區試點等。中國的智能電網建標準尚未出臺，根據國家電網的規劃，從2009到2010年要首先完成標準的制定和重點地區的試點。到2010年底，跨區直流工程投產規模達到1290萬千瓦。到2015年，以超高壓為核心的堅強國家電網初步形成，超高壓及跨區電網輸送能力超過2.4億千瓦。

　　到2020年，基本進程堅強智能電網。形成以華北、華中和華東（簡稱三華）為超高壓同步電網為受端，東北超高壓電網、西北750千伏電網為送端，連接各大煤電基地、大水電基地、大核電基地、大型可再生能源基地的堅強電網結構，超高壓及跨區電網輸送能力超過4億千瓦。為了達到這個目標，需要加大城市配電網、農村配電網建設和改造力度，特別是加大中低壓配電網投資比例，解決供電和卡脖子等突出問題。此外，由于國家智能電網目前的標準并未確定，這也是影響智能電網發展的重要因素。據國家電網內部人士透露，國家電網將積極參與制定智能電網相關國際標準與規范，推動企業標準成為行業標準、國家標準和國際標準。發展智能電網是一項復雜的系統工程，是一個循序漸進的發展過程。智能電網的建成需要政府、企業及相關行業的共同努力。

　　美國的目標內容比較遠，很多電力公司都把安裝智能電能表及建設先進的計量系統作為建設智能電網的重要內容。作為用電客戶與電力公司的實時交互工具，智能電能表主要有兩大功能：其一，它是實現需求響應的信息及控制終端;其二，它是停電管理、電能質量管理等功能模塊的信息來源，它將整個營配系統的故障定位及電能監控深入到供電末端。加上集成的地理信息系統及專家系統，電力企業就能更直觀、更迅速地處理各種事件和狀況，大大提高運營效率。

　　中國在近期內顯然達不到美國的水平，當前是規劃和試點階段，重點開展堅強智能電網發展規劃，制定技術和管理標準，開展關鍵技術研發和設備研制，開展各環節的試點。現在距離實現智能電網還有很長的時間，所以多種技術研究都是可以的，但是研究的技術應當有50%的知識產權屬于中國，這是非常大的突破，這要比購買技術或者購買擁有該項技術的公司都劃算得多。

　　國內一直存在近十年內建設智能電網的方向爭議，值得注意的是目前國家電網公司在智能電網研究方面，以超高壓為核心。而以美國為代表的技術特色卻在于以清潔、高效、分布式為核心，注重對需求側的研究，因此中國智能電網的方向將期待國家政策的出籠。可能最需要解決的是如何將可再生能源并入網絡，至今可再生能源入網和儲蓄電能，一直是讓國家電網頭疼的問題。