,就是电网的智能化,也被称为"电网2.0",它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标,其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。
智能电网的目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全,电网能够实现这些目标,就可以称其为智能电网。智能电网必须更加可靠-智能电网不管用户在何时何地,都能提供可靠的电力供应。它对电网可能出现的问题提出充分的告警,并能忍受大多数的电网扰动而不会断电。它在用户受到断电影响之前就能采取有效的校正措施,以使电网用户免受供电中断的影响。
智能电网必须更加安全-智能电网能够经受物理的和网络的攻击而不会出现大面积停电或者不会付出高昂的恢复费用。它更不容易受到自然灾害的影响。智能电网必须更加经济-智能电网运行在供求平衡的基本规律之下,价格公平且供应充足。智能电网必须更加高效-智能电网利用投资,控制成本,减少电力输送和分配的损耗,电力生产和资产利用更加高效。通过控制潮流的方法,以减少输送功率拥堵和允许低成本的电源包括可再生能源的接入。
智能电网必须更加环境友好-智能电网通过在发电、输电、配电、储能和消费过程中的创新来减少对环境的影响。
进一步扩大可再生能源的接入。在可能的情况下,在未来的设计中,智能电网的资产将占用更少的土地,减少对景观的实际影响。智能电网必须是使用安全的-智能电网必须不能伤害到公众或电网工人,也就是对电力的使用必须是安全的。
未来智能电网将主要应用三个方面的先进技术:电力电子技术、超导技术以及大容量储能技术。通过采用新技术和在电网和负荷特性之间寻求最佳的平衡点来提高电能质量。通过应用和改造各种各样的先进设备,如基于电力电子技术和新型导体技术的设备,来提高电网输送容量和可靠性。配电系统中要引进许多新的储能设备和电源,同时要利用新的网络结构,如微电网。超导技术将用于短路电流限制器、储能、低损耗的旋转设备以及低损耗电缆中。
2009年5月21日,中国国家电网公司正式发布了举世瞩目的"建设坚强智能电网"的研究报告,首次向社会公布了"智能电网"的发展计划。中国的智能电网首先是一个坚强的电网,其中,具有长距离、大容量、低损耗功效输电特征的特高压电网将成为核心环节。中国要打造的坚强智能电网是以特高压电网为骨干网架,通过先进的设备技术和控制方法,实现安全、高效运行的电网。它既可以减少长距离输电的损耗,也有利于风电、太阳能发电等间歇性能源的并网利用。这是由中国经济发展阶段、能源集中分布特点所决定的。国家电网公司将按照统筹规划、统一标准、试点先行、整体推进的原则,在建设由1000千伏交流和±800千伏、±1000千伏直流构成的特高压骨干网架、实现各级电网协调发展的同时,围绕主要环节和信息化等方面,分阶段推进坚强智能电网发展,到 2020年,使电网的资源配置能力、安全稳定水平,以及电网与电源和用户之间的互动性得到显着提高,坚强智能电网在服务经济社会发展中将发挥重要作用。
智能电网建设将是中国电网未来十年发展的主要方向,这是继新能源汽车之后,又一重量级新兴产业规划。国家电网公司将分三个阶段推进坚强智能电网的建设。在三个阶段里总投资预计将超过4万亿。第一阶段(2009年-2010年)预计投资5500亿元;第二阶段(2011年-2015年)预计投资2 万亿元,其中特高压电网投资3000亿元;第三阶段(2016年-2020年)预计投资1.7万亿元,其中特高压投资2500亿元。根据上海市电力公司所做的初步规划,上海特色的智能电网就是坚强的、智能的、经济的电网,总体目标是:基于大容量储能、配电自动化为基础的,具有用户计量信息双向互动、信息体系综合集成能力的,坚强可靠、清洁高效、友好互动的新型电网。
根据以上国家电网和上海电力公司建设智能电网初步规划,电缆制造行业应密切关注电网智能化发展趋势,不失时机地研制新产品,争取在这场电网技术革命中发挥更大的作用。面对此次发展机遇带来的无限商机,我司集团上下领导同事无不感到震撼惊喜,纷纷着手为发展智能电网相关产品做规划准备工作,决定迎难而上加大相关新产品的研发投入。首先结合我国智能电网侧重于建设以特高压为支撑"坚强智能电网"的特点,我司决定研发500KV超高压架空导线和 110KV高压交联聚乙烯绝缘电力电缆以及高温超导电缆产品。
架空裸导线以空气作为绝缘介质,被空气包围的通电导体,其周围电场强度达到空气的击穿场强,通电导体表面在高电场集中处发生自持放电也就是电晕,电晕是局部放电的一种,发生频次随着承载电压的升高而增多,发生电晕同时会伴随发光和发热现象。超高压架空裸导线输电线路起电晕的特点在于导线表面的电场强度,当电场强度达到一定数值时,导线周围的空气产生游离,发生自持放电。电场强度的大小除与导线的直径有关以外,还与导线的表面光洁度有关,导线表面光洁度用粗糙系数m表示。在导线试样上每根取8米长一段,两端用均压环压实,与金具,绝缘子连接悬挂于模拟门型塔间,试验需在夜晚进行,导线对地高度为 6米,试验中用望远镜观察导线起晕情况,试验采用分级加压,升压降压幅度控制在3%-5%之间,发现一点起晕,则该电压为起晕电压。根据试验样品的布置情况和所施加的实验电压可以计算导线表面的最大工作场强,进而求出被试导线的粗糙系数m值。我国生产的导线粗糙系数一般为0.81,而标准要求500KV超高压架空导线的表面粗糙系数必须达到0.9以上。用于500KV超高压架空导线生产的铝锭材料,都必须是铝含量在99.70%以上的电工铝,否则铝中含有的杂质会造成导线表面发生电晕,国产铝锭材料通常硅含量都比较高,在熔炼重新浇注结晶后,由于大量Al-Si相和游离硅的存在,容易造成轧杆晶相住址结构性差,脆性增加,伸率降低,电阻率增大,为兼顾500KV产品高抗拉强度,低电阻率和高标准表面质量的要求,采用铝铁,铝硼和铝稀土合金进行铝液优化处理。
额定电压110KV交联聚乙烯绝缘电力电缆具有导体允许工作温度高、传输容量大、电气性能优良、电缆附件简单、安装敷设方便等优点,在当今电力系统中广泛使用。对于此产品的研发,公司特别制定了Q/VAHS1-2008《额定电压110KV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》企业标准来指导生产检验。其中要求电缆绝缘的偏心度不大于8%,例行试验中局部放电量不大于5pC,型式试验中增加了挤包导电层的刮磨试验。上述性能指标均严于国家标准 GB/T11017-2002《额定电压110KV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》和IEC60840:1999《额定电压大于 30KV(Um=36KV)至150KV(Um=170KV)挤包绝缘电力电缆及其附件-试验方法和要求》的要求。导体由铜或铝组成,800mm2以下截面采用拉模紧压圆绞,以达到圆整度好,紧压系数大等特点,800mm2截面导体采用拉模紧压圆绞或分割结构,800mm2以上截面导体采用分割结构以减小导体的集肤效应,提高电缆的传输容量。导体屏蔽和绝缘屏蔽均采用不可剥离的、超光滑的交联半导电料,导体屏蔽、绝缘层、绝缘屏蔽三层共挤,以确保绝缘层和半导电层之间紧密结合,界面光滑。绝缘层采用超净化绝缘料,加料间的净化等级为1000级,生产过程中采用全密封MOTAN加料系统,保证了材料的洁净度。采用SIKORA在线偏心控制系统,在线监控绝缘偏心状况,从而保证绝缘层的偏心度不大于8%。缓冲层采用半导电弹性材料,或具有纵向阻水功能的弹性阻水膨胀材料,绕包在绝缘屏蔽层和皱纹铝护套之间,用以满足补偿电缆运行中热膨胀的要求。皱纹铝套材料采用铝含量不小于99.60%的铝材制造,软铝带伸长率不小于16%,满足机械性能和短路容量要求,并具有径向阻水性能;焊接皱纹铝护套应通过气密性检验;铝套轧纹形式分螺旋形或环形,阻水型电缆采用环形轧纹;铝护套外涂敷沥青防腐层,绕包阻水带等。电缆外护套采用聚氯乙烯或聚乙烯,利用双层共挤技术,将导电层挤塑到电缆外护套的表面,可提供阻燃型或防白蚁腐蚀型。
超导技术是21世纪具有战略意义的综合性高新技术,可广泛用于能源、信息、医疗、交通、国防、科学研究及国防军工等重大工程方面。一方面,高温超导线材通电能力超出相同截面积铜导线100倍以上,因而在能源领域应用潜力巨大,并有可能引发电力系统的革命。因此,美国能源部将高温超导电力技术看作为21世纪电力工业惟一的高技术储备,是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践;日本则认为超导电力技术是在21世纪全球竞争中保持尖端优势的关键所在。另一方面,超导元器件的高灵敏特性使得其在移动通信、航空航天、资源勘探、医疗诊断以及军事国防等领域有广阔的应用前景。根据国际超导科技界 (世界超导工业峰会)和相关产业部门的预测:到2010年,全球超导产业将达到260亿美元,到2020年,将达到2400亿美元以上。超导电缆是目前人类能够掌控的最具环保价值的缆线,也是提高电网安全性、可靠性、基本上杜绝火灾隐患的择优途径,建设具有远距离、大容量、低损耗输电能力的超导电网是克服常规电缆远距离输电时对高压电缆依赖的唯一途径,至少是21世纪前50年解决一个国家或地区大容量、低损耗输电的最佳途径。
是高温超导技术的重要应用之一,它集成了超导材料、低温制冷、电力工程、电缆等多学科技术于一身,是21世纪电力传输的新材料,并以其特有的优势,开始在世界范围内应用。
超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的理想导体。使用超导材料作为导体的电力传输电缆被称为超导电缆。低温超导体应用时以液氦作为冷却剂,液氦的价格很高,这就使低温超导电缆失去了工业化应用的可行性。使用高温超导材料制作超导电缆,可以在液氮的冷却下无电阻地传送电能,由于液氮的价格低廉,使高温超导技术的大规模应用成为可能。
目前市场上可以用来制造高温超导电缆的材料主要是银包套的铋系高温超导材料(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10的多芯带材,它的超导临界转变温度为105K~110K,临界工程电流密度为8000~12000A/cm2。目前世界上最大的生产厂家是美国超导公司(American Superconductor Co.),其生产能力和产品技术指标都处于领先地位。我国的北京云电英纳超导电缆有限公司的生产能力和产品技术指标也处于世界前列。
高温超导电缆的研制工作分为:电缆研发与设计、系统制造与集成、安装调试与试运行三个阶段,每个阶段都有严格的技术要求。
高温超导电缆的分类:(1)按传输电流种类分为直流和交流电缆;(2)按电气绝缘结构分为常温绝缘电缆与冷绝缘电缆;(3)按电缆导体结构分为单芯电缆、三芯平行轴电缆和三芯同轴电缆。
高温超导电缆的基本结构:(1)内支撑管:通常为罩有密致金属网的金属波纹管,作为超导带材排绕的基准支撑物,同时用于液氮冷却流通管道; (2)电缆导体:铋系高温超导带材绕制而成,一般为多层;(3)热绝缘层:通常由同轴双层金属波纹管套制,两层波纹管间抽真空并嵌有多层防辐射金属箔,其功能是使电缆超导导体与外部环境实现热绝缘,保证超导导体安全运行的低温环境;(4)电绝缘层:电绝缘层置于热绝缘层外面,因其处于环境温度下,故习惯上被称为常温绝缘超导电缆(或热绝缘超导电缆)。电绝缘层置于热绝缘层里面,电缆运行时处于低温环境,故被称为冷绝缘超导电缆;(5)电缆屏蔽层的护层:电缆屏蔽层和护层的功能与常规电力电缆类似,即电磁屏蔽层,短路保护及物理、化学、环境防护等。此外,高温超导电缆的结构中还可能包括一些辅助部件,例如电缆导体层间绝缘膜、约束电缆各部份相对位置的包层和调距压条等。
高温超导电缆的附件:(1)制冷系统:高温超导电缆需要低温的工作环境(一般为液氮温区)。制冷系统通常由制冷机组、液氮泵和液氮储罐等部份组成。(2)电缆终端:是超导电缆和外部其他电气设备之间相互连接的端口,也是电缆冷却介质和制冷设备的连接端口。终端的结构是和电缆的结构相配套的,常温绝缘超导电缆与冷绝缘超导电缆的终端在结构上有很大区别。
因导体的电阻为零,所以高温超导电缆在运行时基本没有焦耳热产生。这与常规电缆有很大的差异,常规电缆运行时的主要损耗是产生焦耳热所带来的能量损耗。但交流输电时的磁滞损耗(简称交流损耗)及绝缘材料的介质损耗仍然存在。在计算超导电缆的运行损耗时,还必须考虑为其配套的制冷系统所消耗的能量。一般地说,在传输相同的容量的电能时,高温超导电缆的运行损耗约为常规电缆的50%~60%。
高温超导电缆与常规电缆相比,具有明显的优势:一是损耗低。高温超导电缆的导体损耗不足常规电缆的1/10,加上制冷的能量损耗,其运行总损耗也仅为常规电缆的50%~60%;二是容量大。同样截面的高温超导电缆的电流输送能力是常规电缆的3~5倍;三是节约材料。具有同样传输能力的高温超导电缆与常规电缆相比,使用较少的金属和绝缘材料;四是无污染。高温超导电缆没有造成环境污染的可能性,而充油常规电缆存在着漏油污染环境的危险。另外,高温超导电缆还具有低噪音的特性。
目前远程大容量电力输送一般采用架空铝裸线,大城市的输电一般采用地下电缆,导体为铜线或铝线。使用这些传统的电线或电缆,电能在输送过程中要损失5%~10%。为了减少电能在输送过程中的损失,在长距离输电时要尽量提高电压,如采用220 kV或 500kV超高压线路。超高压线路对输电塔的绝缘瓷瓶和对空间使用有很高的要求,尤其是对线路终端附件的材料和制作技术要求更高,大大提高了超高压线路的建设成本。目前我国还不能生产超高压线路终端附件,进口的超高压线路终端附件十分昂贵。如果使用高温超导电缆,其交流阻抗仅为常规电缆的1/10,可以减少电网线损50%左右。
从长远来讲,高温超导电缆的应用还使长距离直流输电技术变得容易和经济。用于直流输电,超导电缆会使电网线损降低70%以上,显示出更好的经济效益。
由于高温超导电缆传输电力的能力是传统常规电缆的3~5倍,所以使用高温超导电缆还可以节约输电系统的占地面积和空间,节省大量宝贵的土地资源,并保护了生态环境。
除了加大以上新产品的研发投入外,公司还与武汉理工大学签订了"产学研合作联盟协议书",借鉴高校科研院所的人才优势,发挥企业实力雄厚的生产基础,共创产学研结合的技术创新体系。集团公司把产学研作为建立技术创新体系的重要举措,建立以企业和院校为一体、市场为导向、产学研结合的技术创新体系。由武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室担纲,上海索谷电缆集团有限公司密切配合,提供生产、试制基地,开展高强、耐磨、超韧、耐温 (-80~300℃)的高电性高分子复合弹性体纳米电缆材料的研制,以适应太阳能、风力发电等新能源领域以及造船、铁道、飞机、宇航和核电等领域的发展需要,将用来开发船舰用特种电缆、机车车辆用特种电缆、航空航天领域用特种电缆、核电站用特种电缆、城市轨道交通以及太阳能光伏电缆、风电电缆等新能源领域产品,要求无卤、低烟、阻燃、防鼠、防蚁、防水、抗磨、抗撕裂、抗扭曲、耐油、耐腐蚀、耐辐射,并用于特殊的恶劣环境条件下,以适应智能电网建设中电能传输、自动化智能控制系统的连接的需要。