智能电网与电力电缆的技术

　　智能电网与电力电缆

　　国家能源委员会的成立，标志着国家对"能源问题"提升到十分重要的地位。我国已经成为世界上能源消耗第二位的国家，但按人口计算，平均每人用电量仍然较低。智能电网可非常有效的提高能源合理分配和使用效应。

　　智能电网与电力电缆

　　智能电网另一个大型工程，就是加大城市配电网、农村配电网建设和改造力度，特别是加大中低压配电网投资比例，解决供电和卡脖子等突出问题。由此可见，中低压交联聚乙烯绝缘电力电缆将分得较大的市场份额。10kV和35kV移动型乙丙橡胶绝缘软电力电缆的需求也会上升。110kV和220kV交联电力电缆年需求量也将逐年增加，500kV交联电力电缆，若干年后，也会逐步走向国产化。另外，海上大型风力发电建设和并网，需要35kV浅海电力电缆的支持，数量也很可观。

　　智能电网与超导电缆

　　美国超导电缆技术基本成熟，但是传输参数和经济效应，目前尚未达到大量推向商业化的程度，因此超导电缆能真正地在智能电网种应用，还存在较长的时期。

　　1.超导电缆联网

　　美国打算在智能电网中推广应用超导电缆，而并非超高压输电技术，目标是超越四个时区将全国主要电网连接起来，以提高电网的安全性和电力调配能力。由于超导输电电压相对较低，与超高压线路相比，可减少输电损耗、电磁污染、占用走廊宽度降至最低，代表了世界先进的技术方向。美国纽约长岛电力局（LIPA）与美国超导公司更联合建设的世界上第一条高温超导（HTS）电缆已于2008年4月22日投入商业运行。这一超导输电系统在满负荷运转时能够满足30万户家庭的用电需求，仅由三根138千伏的电缆组成。相比同样粗细的铜导线，他们的输电能力高达150倍。尽管这一工程造价昂贵，但是新型超导电缆的造价将降低五分之四，输电缆沟的宽度仅为一米左右。它的另一个优点是这种电缆能够防止由电网短路造成的故障电流。超导体有一种天生的电流限制能力，一旦电流增强到一定程度，它们就会失去超导性而变得像普通导体一样有电阻，使电流衰减。因此，该技术也得到美国国土安全部的支持。

　　2.热核聚变应用

　　超导托卡马克实验装置（所谓"人造太阳"），也就是国际热核聚变实验堆计划（ITER）建设工程。

　　作为当今世界迄今为止最大的热核聚变实验项目，改项目所需要的高温环境必须由超导磁体提供的巨大磁性容器所提供，因此，超导电缆属于核心部件，"人造太阳"需要大量的超导电缆，这项应用优可能超前于电网连接超导的应用。

　　3.近期应用领域

　　比较近期的高温超导电缆应用，可能包括以下领域：城市密集居住区、摩天大厦等;金属冶炼设备等大电流、短距离、小空间的应用中;电站和变电站内大电流传输母线等。国内曾有人提出，超导电缆有望取代八成城市地下电缆的观点。

　　4.经济和商业反应

　　智能电网正成为拉动世界经济的下一个引擎，对中国而言，智能电网对投资的拉动作用非常大。世界银行也曾预测，2020年，高温超导电缆将取代80%的城市传统地下电缆，世界市场超导电缆销售额将达300亿美元。舆论驱动了股市狂热，一些打算投资超导的电缆企业，已经大肆宣传其股份前途一片光明，甚至鼓吹"超导是新能源最后的处女地!"，超导[淘股吧]作为大牛股的最低也得涨10倍!有许多股份从低部买入，翻番后仍然拿住的不多，能拿5倍以上的更是凤毛麟角。但是也有人认为，早期发现大牛股其实并不是问题的关键，关键的是在逆境中能否坚持住。当然这些只是不属于技术的题外话。

　　中国超导电缆已经研究了一段时期，实际上国内有多个领域的研究项目，其中上海电缆研究所、上海交通大学，上海工业大学和上海电缆厂协作的超导项目研究正在进展之中。

　　智能电网与高压输配电架空导线

　　根据以华北、华中和华东为超高压同步电网为受端，东北超高压电网、西北750千伏电网为送端，电网需要大量高压输配电架空导线。

　　1.扩径导线

　　扩大导线直径可减小表面电晕损耗，扩大直径方法之一，是在绞合导线的中间几层，用稀疏单线绞合，型号为LGJK。扩大直径方法之二，是采用中心支撑构件，如波纹铝管、蛇皮管等，型号为LGKK，扩径导线用于750kV输电线路。

　　2.自阻尼导线

　　架空导线在受力状态下，因风力激励而可能产生强烈振动，导致发生导线断股、断线等严重事故。自阻尼导线采用型线绞合，但在铝线和钢芯之间留有0.6～1.0mm的间隙，钢芯和铝线层分别形成独立部分，具有不同的自振频率，在风振状态下造成二者振动幅度不同，因而产生相互撞击，自动消耗风力的激励能量，从而减少微风引起的振动，也不致产生大幅度舞动而避免事故。

　　使用自阻尼导线，也可加大塔杆间距或降低塔杆度高，从而降低设计制造成本。自阻尼导线的绞合状态。

　　3.防冰雪导线

　　输电线路上如覆冰过重或积雪过多，就可能发生断线或倒杆的重大事故，造成巨大的经济损失。所以在重冰区的输电线路上最好采用防冰雪导线。研发的防冰雪导线有防雪环式、低居里合金式、和涂料防冰式等多种型式。防雪环由聚碳酸酯塑料制成，状如指环。套装在导线上，指环间距约为线股节距的两倍。可使积雪在沿导线滑动时受阻而脱落。低居里点合金是一种镍-铬-硅-铁四元合金，在温度0～20℃时能产生磁性。将这种线嵌绞在导线中，在覆冰时能产生涡流发热而融冰。涂料防冰式导线，是将憎冰性涂料涂在导线上，能减小冰对导线的附着力，使冰易于脱落。此外有一种带翼式防冰雪导线，将两根翼形导线对称嵌绞在外层，它的防雪原理与防雪环基本相似。

　　4.倍容量导线

　　倍容量导线由特耐热铝合金线与铝包高强度殷钢线组合绞制而成。长期使用温度在150℃以下，但允许达230℃，短路温度290℃。与普通钢芯铝绞线相比，在外径及单位重量相当的情况下，载流量约提高一倍。由于这种结构的价格较高，线路损耗也较大，一般仅在大跨越或需要增容的线路上采用。铝包高强度殷钢线在230℃以下的线胀系数为3.3×10-6/℃。

　　5.钢芯软铝绞线

　　钢芯软铝绞线由软铝线与钢芯组合绞制而成，其结构形式上没有多大改变。其特点是在运行过程中，在超过应力转移温度以上时，软铝线处于松弛状态，机械负荷可以认为全由钢芯承担。正常运行温度可高达160℃。载流量可提高近1倍，而弧垂并不明显增大，比较适合于需要改建增大容量的线路。这种导线的自阻尼性能也较好。一般设计铝导体线截面为240～480mm2，架设线路时需有特殊预拉力措施。

　　6.间隙式架空导线

　　间隙式架空导线与自阻尼导线有些相似，其中心为高强度镀锌钢线绞合的钢芯，钢芯外绞制耐热拱形铝合金线，但二者之间留有间隙，间隙内充实耐高温硅脂，拱形线外再绞圆形耐热铝合金线。工作温度达150℃，与一般架空导线比较，载流量约提高到1.6倍，并具有阻尼性能，日本已有应用。

　　7.型线同心绞架空导线

　　型线同心绞架空导线等同采用IEC62219：2002《型线同心绞架空导线》标准。

　　8.500kV超高压架空线用钢芯铝绞线，已有统一的企业标准，基本上属于定点生产。

　　9.复合材料加强芯铝绞线

　　芳纶纤维、碳纤维或玻璃纤维与树脂制成的纤维复合增强塑料构件（FRP），在电缆行业中广泛应用，最近架空导线也开始研究发展FRP的应用。复合材料加强芯铝绞线的英文缩写为ACCC，与传统的钢芯铝较线相比，它具有比强度大、重量轻、耐高温，耐腐，体胀系数小（弛度亦小）的优点，在可比对条件下，当增加28%的铝导体截面，有可能提高整体容量1倍和铁塔数量可减少20%。

　　10.光纤复合架空地线

　　光纤复合架空地线（OPGW），国内已有标准。由通信用光纤置于铝管或不锈钢管中组成的光单元与铝包钢线或铝合金线组合绞制而成，具有防雷保护和通信两种功能。光纤具有信息容量大、传输衰减小、不受电磁干扰及使用安全可靠等优点，能适应电力系统中遥控、遥测和大容量信息传输的需要。

　　11.光纤复合架空相线

　　光纤复合架空相线（OPPC），它的架设基本上同OPGW类似，是依据IEEEStd1138-1994、IEEEStd524-1992等电力部门架空线安装安全管理规程和操作技术，但OPPC的接续涉及到光纤接续和光电分离技术,对接续的技术、高压绝缘有严格要求。

　　12.温度监测跳线

　　高压架空线的温度监测，是建立于光纤（FBG）传感系统的基础上，采用这项新技术不需要投入大量资金来更换整条线路，而是在一座铁塔上二根断开的架空导线，补充连接一根跳线，这样不妨害原有线路的正常运行。跳线导体结构与原来线路中高压相线基本相同，在跳线中放置一根具有温度敏感功能的特殊光纤，这一结构与OPGW相似。跳线一端接入分离器，在分离器内，将温度敏感光纤连接到常规光纤，由常规光纤将信号输出，进一步将数据输出到工作站，其他连接与常规架空导线相同。该系统主要监测参数是导体温度，这种远程监测和控制，为实现智能电网提供了条件。

　　上海电缆研究所会同各著名电缆厂，合作研发了多种高压架空输配电架空导线，建立了高压架空输电线试验基地，具备各种精良试验设备，可为智能电网架空导线提供优质服务。

　　智能电网与光缆、电缆和综合光-电缆

　　四网融合是国家电网公司发展规划之一，公司成立了智能电网部，专门负责推进这项工作，电力网的最大优势是包罗了一切用户。目前只有部分家庭拥有电话和宽带，但所有家庭都用电，电力线上网比其他各种上网方式都拥有更多接入用户。至于技术上问题不大，实际上电力线上网早在5年前技术已经基本成熟，并在多个地区进行了试点。如果多网合一，主要是在400伏的配电网中加一根光纤，现在光纤的成本非常低，如果光纤跟着电缆走，在技术上来说也有好处。但是四网融合涉及到多个政府部门管辖的事，不是轻易能解决的问题。目前电网系统内部，也需要很大的信息传递，所以光电合一事智能电网中必不可少的一页。

　　1.光纤-电力电缆

　　光纤-电力电缆的含义是电力电缆中包含了光纤单元，光纤-电力电缆设计既应符合电力电缆指标要求，又应保护光纤，并保证光纤的信号传输可靠性。因为有力缆和光缆二部分组成，连接盒的设计比较复杂，所以制造光纤-电力电缆长度很长，不用中间连接盒。浅海需要连接电力电缆的情况很多，如采用光纤-电力电缆，更为方便。当代的光纤信息传递技术已大大超过对称和同轴通信电缆，并重量轻、体积小和信息量大等有点。

　　光纤-电力电缆的机械性能如下：1）外径98.8mm;2）空气中重量21.7kg/m;3）水中重量13.9kg/m;4）最大工作负荷70吨;5）轴向坚实度293.6MN;6）20℃时弯曲坚实度1.6kN·m2。电气性能如下：1）电压等级12/20;2）运行电压13.8kV;3）频率60Hz;4）额定电流265A;5）电容0.3μF/km;6）电感0.4mH/km。

　　光缆部分性能如下：1）光纤根数可到48根;2）外径14mm;3）重量215kg/km;4）最大拉力2700N;5）弯曲直径625mm;6）耐挤压220N/cm;7）耐水压力22.5kgf/cm2;8）运行温度范围为-20℃～70℃。

　　2.家用网络系统柔软光缆

　　光缆到户以后，建立家庭光纤网络的要求也不断增加，更重要的是家庭网络的配线元件，有效的方法是将光缆传入已经埋在墙内的管道内。然而，现有的方法并不能很奏效，因为需要调整电缆的长度和二端的连接器，此外，还需要有配合过渡到光纤的外接口，可想而知，利用已经埋设的管道，并非简单的工作。新方法是采用可卷绕柔软光缆使配线系统得到改善。

　　关键技术是制造一种"光纤卷绕绳"，既然称它为"绳"，则其可卷绕性当然非常顺手，在相当程度上可任意伸展，可随意与电缆或连接器连接，更形象化的解释，可把它看成是弹簧形光缆。与此同时，光纤衰减和连接器衰减也必需符合规定。国内是否发展，有待观察。

　　光纤卷绕绳的结构，是具有辅助孔光纤的螺旋绳，并有覆盖层，这种结构在弯曲时，光纤的衰减特别小。

　　3.光-电综合通信光缆

　　光-电综合通信光缆中含一个8芯光纤单位，7个铜线四线组和9个对称线对。该电缆主要应用在通信系统中，光纤作为大容量通信，四线组和线对作为区间通信和信号传输用。由于将光纤单元和其他线组绞合成缆，可降低线路的造价。至于电缆的屏蔽、护套、铠装等结构，可按使用环境设计。

　　4.其他综合光缆

　　综合光缆在铁路领域中早已广泛应用，对于智能电网也有可能需求。综合光缆的结构，除含有光纤单元外，还包含小规格电力线、控制线、信号线、仪表线、数据线和电话线等。目前没有定型，今后将按照智能电网规范或标准要求制造。

　　当前智能电网的国际趋势

　　近年来，欧美一些发达国家大力提倡和积极发展智能电网，将其提升到国家能源、环境与经济可持续发展战略的高度来全力推行，并试图通过投资建设智能电网达到近期刺激经济发展的效果。在国际金融危机中，奥巴马的经济刺激计划就包括了加快智能电网的发展。

　　智能电网的核心价值是提高能效，减少温室气体排放，利用各种高科技手段提升发、输、配、用电各环节的运行管理水平，节约资源，保护环境，最终能下降电价，广大用户受益。智能电网的推广可减少25%以上的由发电产生的二氧化碳，这相当于1.3亿辆汽车启动瞬间二氧化碳的排放量。智能电网还可以提升供电及服务质量，并带动整个产业链的发展。总之，智能电网将现有电网所强调的安全、可靠、稳定，提高到一个全新的高度，进一步体现了电网对环境、经济乃至整个社会的积极贡献。

　　美国能源部部长和商务部部长访华时指出，智能电网是世界电网发展的新趋势，可以引导各方更加高效地用电，实现节能减排，并希望中美双方能够在解决相关问题方面携手合作。当前美国积极推进智能电网的发展和试点工作，这是奥巴马政府组建以来着力推进的一件大事。美国已发布了智能电网建设的第一批标准。

　　中国各地区差异太大，不但环境不同，生活习俗不同，用电和缺电不平衡，完全实现智能电网目标，还存在漫长的路程，所以中国的智能电网发展必须走循序前进的道路，有地区试点逐步走向全国，先解决用电和缺电的平衡，再解决更加高深的全面智能化技术。

　　国内开始启动

　　我国面对新形势新挑战，国家电网公司迅速将"智能电网"上升到战略层面，今年上半年适时提出了全面建设以超高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的统一坚强智能电网计划。并针对此计划国家电网做出了三步走的规划，2009年至2010年为规划试点阶段，2011年至2015年为全面建设阶段，2016年至2020年为引领提升阶段。2009年8月，第一阶段工作已全面启动，将重点开展电网智能化规划工作，制定技术标准和管理规范，研究关键技术和研发智能化设备，开展各环节的试点工作，目前第一阶段工作已取得了一定的进展。

　　2010年开展第二批试点：如加快建设上海世界博览会园区智能电网综合示范工程;在张北建设的我国第一个风光储能综合示范项目;选定天津一个区进行智能小区试点等。中国的智能电网建标准尚未出台，根据国家电网的规划，从2009到2010年要首先完成标准的制定和重点地区的试点。到2010年底，跨区直流工程投产规模达到1290万千瓦。到2015年，以超高压为核心的坚强国家电网初步形成，超高压及跨区电网输送能力超过2.4亿千瓦。

　　到2020年，基本进程坚强智能电网。形成以华北、华中和华东（简称三华）为超高压同步电网为受端，东北超高压电网、西北750千伏电网为送端，连接各大煤电基地、大水电基地、大核电基地、大型可再生能源基地的坚强电网结构，超高压及跨区电网输送能力超过4亿千瓦。为了达到这个目标，需要加大城市配电网、农村配电网建设和改造力度，特别是加大中低压配电网投资比例，解决供电和卡脖子等突出问题。此外，由于国家智能电网目前的标准并未确定，这也是影响智能电网发展的重要因素。据国家电网内部人士透露，国家电网将积极参与制定智能电网相关国际标准与规范，推动企业标准成为行业标准、国家标准和国际标准。发展智能电网是一项复杂的系统工程，是一个循序渐进的发展过程。智能电网的建成需要政府、企业及相关行业的共同努力。

　　美国的目标内容比较远，很多电力公司都把安装智能电能表及建设先进的计量系统作为建设智能电网的重要内容。作为用电客户与电力公司的实时交互工具，智能电能表主要有两大功能：其一，它是实现需求响应的信息及控制终端;其二，它是停电管理、电能质量管理等功能模块的信息来源，它将整个营配系统的故障定位及电能监控深入到供电末端。加上集成的地理信息系统及专家系统，电力企业就能更直观、更迅速地处理各种事件和状况，大大提高运营效率。

　　中国在近期内显然达不到美国的水平，当前是规划和试点阶段，重点开展坚强智能电网发展规划，制定技术和管理标准，开展关键技术研发和设备研制，开展各环节的试点。现在距离实现智能电网还有很长的时间，所以多种技术研究都是可以的，但是研究的技术应当有50%的知识产权属于中国，这是非常大的突破，这要比购买技术或者购买拥有该项技术的公司都划算得多。

　　国内一直存在近十年内建设智能电网的方向争议，值得注意的是目前国家电网公司在智能电网研究方面，以超高压为核心。而以美国为代表的技术特色却在于以清洁、高效、分布式为核心，注重对需求侧的研究，因此中国智能电网的方向将期待国家政策的出笼。可能最需要解决的是如何将可再生能源并入网络，至今可再生能源入网和储蓄电能，一直是让国家电网头疼的问题。