一系列最早于上世紀(jì)80年代發(fā)布的針對(duì)電纜載流量計(jì)算的IEC標(biāo)準(zhǔn)已實(shí)質(zhì)性邁出修訂的第一步。
今年4月，國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，縮寫為IEC）在英國倫敦召開電纜載流量和短路電流限值工作組會(huì)議，來自10個(gè)國家的13位電纜專家普遍認(rèn)為，現(xiàn)行IEC電纜載流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中存在多處與他人計(jì)算結(jié)果存在偏差的問題，下一步將考慮修訂現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或發(fā)起新的IEC標(biāo)準(zhǔn)提案。
對(duì)于工作組中少有的一張中國面孔——國網(wǎng)上海電科院資深工程師李紅雷博士而言，這不僅意味著上海電科院長達(dá)10年關(guān)于電纜載流量的研究成果獲得了業(yè)界認(rèn)可，更意味著國家電網(wǎng)公司正在國際電工領(lǐng)域掌握越來越多的話語權(quán)，中國標(biāo)準(zhǔn)正逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槭澜鐦?biāo)準(zhǔn)，成為全球通用的技術(shù)法則。
安全但不經(jīng)濟(jì)的
現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)
2016年盛夏，在35千伏森營3258電纜平靜的表面之下，是“內(nèi)心”的洶涌澎湃——這條電量載流量從346安被提高到427安，輸送容量增加到4910千伏安。這種試驗(yàn)在整個(gè)世界屈指可數(shù)。
提高電纜載流量，就是讓更多電流通過電纜。這就好比家中龍頭出水過小，擰大龍頭后，讓整條水管里的水流量增大。然而，在看似輕而易舉的舉動(dòng)背后，卻存在著對(duì)IEC標(biāo)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)。
電力電纜是目前城市電網(wǎng)中常見的一種供電載體，一條電纜由內(nèi)到外主要由金屬導(dǎo)體、主絕緣、金屬屏蔽層（金屬護(hù)套）和外護(hù)套組成。
當(dāng)今世界主流的電纜使用的絕緣材料是交聯(lián)聚乙烯，這種材料的長期工作溫度是90攝氏度。也就是說，當(dāng)電纜溫度高于90攝氏度，就會(huì)造成交聯(lián)聚乙烯的性能變差，進(jìn)而引起電纜絕緣降低，為各類事故埋下隱患?，F(xiàn)行針對(duì)電纜載流量計(jì)算的IEC標(biāo)準(zhǔn)是先后發(fā)布于1982年、1989年、1994年、1995年的《IEC 60287》系列標(biāo)準(zhǔn)。
電纜溫度是由電流通過導(dǎo)體后產(chǎn)生的內(nèi)部熱阻和外部環(huán)境造成的外部熱阻共同影響決定的。問題在于，盡管電纜內(nèi)部的熱阻是確定的、容易估算的，但在實(shí)際情況下，電纜的外部環(huán)境卻千差萬別、難以統(tǒng)一。受制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的技術(shù)能力限制，現(xiàn)行IEC標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于外部熱阻的部分經(jīng)驗(yàn)公式取值偏于保守，計(jì)算所得外部熱阻比實(shí)際情況要大。這就反過來使得電纜溫度無法被正確考量，而電纜溫度與載流量存在正關(guān)聯(lián)，載流量的過度限制由此造成。
多年來，雖然電纜監(jiān)測(cè)技術(shù)已取得長足進(jìn)步，但這個(gè)保守的系列標(biāo)準(zhǔn)卻似乎被人忘記了。
也就是說，當(dāng)電纜設(shè)計(jì)人員根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算電纜安全載流量時(shí)，所得必定是一個(gè)安全的數(shù)值，但同時(shí)必定不能充分發(fā)揮電纜的輸電能力?；蛘哒f，多數(shù)情況下，目前在用的交聯(lián)聚乙烯電纜的安全載流量都被低估了，造成了電纜通道輸電能力的極大浪費(fèi)。
李紅雷想做的，正是嘗試修改這個(gè)今天廣泛應(yīng)用但漸已落伍的標(biāo)準(zhǔn)。
但是，電纜增容能否站得住腳呢？
【數(shù) 讀】
上海是中國電纜密度最高的城市，電纜化率、電纜數(shù)量也長期在全國名列前茅。
截至2016年底，上海共有35千伏及以上電纜超過3400條、總長度超過1.2萬千米。待今年6月虹楊變電站至楊行變電站間的500千伏電纜投運(yùn)后，上海將擁有4條10千米以上的長距離500千伏交聯(lián)聚乙烯電纜。
上海的電纜發(fā)展
歷史與現(xiàn)實(shí)的推動(dòng)
李紅雷工作、居住的上海是世界上最早應(yīng)用電力電纜的城市之一。
1879年，世界著名的美國發(fā)明家愛迪生在銅棒上包繞黃麻并將其穿入鐵管內(nèi)，然后填充瀝青混合物制成電纜。次年，英國人卡倫德發(fā)明瀝青浸漬紙絕緣電力電纜。1897年3月，一條總長2270米的100伏照明用橡膠電纜在上海被敷設(shè)入從乍浦路發(fā)電廠至外灘的地下，揭開了我國電力電纜應(yīng)用史的篇章。此時(shí)，離電纜被發(fā)明尚不到20年，而世界上也僅有紐約、倫敦等極少數(shù)城市應(yīng)用電纜。
此后，電纜在上海的地下“潛滋暗長”。今天，上海是中國電纜密度最高的城市，電纜化率、電纜數(shù)量也長期在全國名列前茅。截至2016年底，上海共有35千伏及以上電纜超過3400條、總長度超過1.2萬千米。待今年6月虹楊變電站至楊行變電站間的500千伏電纜投運(yùn)后，上海將擁有4條10千米以上的長距離500千伏交聯(lián)聚乙烯電纜。
隨著城市發(fā)展，上海中心城區(qū)負(fù)荷密度不斷走高，中心城區(qū)以外的負(fù)荷中心逐步成形，加之電能替代、外來清潔能源等改變了城市電網(wǎng)潮流分布，因此局部區(qū)域出現(xiàn)了電纜過載的現(xiàn)象，這在一定程度上加重了上海電網(wǎng)性缺電的問題。但是，受地下資源緊張、市政審批困難等限制，新建電纜已越來越難。
悠久的歷史和迫切的現(xiàn)實(shí)把李紅雷和他的科研團(tuán)隊(duì)推上了舞臺(tái)——如果能夠通過電纜穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)增容來挖掘現(xiàn)有電纜的輸電潛力，那就相當(dāng)于新建了電力電纜，既可節(jié)省電力投資，又可增加輸電量。但是，這也就意味著必須挑戰(zhàn)現(xiàn)行計(jì)算方法，因?yàn)闊o論哪種增容技術(shù)，都需要對(duì)電纜載流量進(jìn)行精確的計(jì)算，以確保交聯(lián)聚乙烯90攝氏度這條安全紅線不被突破。
2007年，上海電科院在220千伏滬崇蘇輸變電工程中對(duì)聯(lián)網(wǎng)電纜的載流量計(jì)算開展研究。李紅雷所率領(lǐng)的課題組在國內(nèi)首次應(yīng)用加拿大專業(yè)載流量軟件對(duì)世界首條敷設(shè)于市政隧道中的長距離超高壓電力電纜建立了電纜溫度場模型，并將該模型與解析方法及數(shù)值方法進(jìn)行了比對(duì)。研究期間，李紅雷與國外載流量模型開發(fā)者多次交流，自此，上海電科院的電纜工作開始具備國際化視野。
2014年3月，受低溫影響，上海全網(wǎng)負(fù)荷走高，市內(nèi)一座燃機(jī)電廠頻繁開機(jī)以平衡負(fù)荷，對(duì)機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性造成極大的不利影響。經(jīng)過謹(jǐn)慎考量，上海市電力公司決定讓閘蕰2268電纜增容運(yùn)行，以減少燃機(jī)電廠的開機(jī)發(fā)電。國網(wǎng)上海電科院承擔(dān)了計(jì)算任務(wù)，自增容起，全面收集電纜相關(guān)數(shù)據(jù)，逐段對(duì)電纜建模計(jì)算，不斷監(jiān)控電纜負(fù)荷與電纜溫度的變化，定期提交載流量分析報(bào)告，為電纜的安全運(yùn)行護(hù)航，也為調(diào)度部門潮流控制提供依據(jù)。
最終，這條電纜持續(xù)安全增容運(yùn)行300天，最高負(fù)荷較限額增加28%。據(jù)測(cè)算，增容運(yùn)行后，該燃機(jī)電廠可少消耗燃料4.2億元。項(xiàng)目研究成果作為“面向大規(guī)模清潔能源消納的都市電網(wǎng)‘強(qiáng)饋入弱開機(jī)’運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐”的一部分，獲得了2015年上海市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撗芯?、海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、成功的實(shí)踐增容，這些進(jìn)一步堅(jiān)定了李紅雷突破現(xiàn)行計(jì)算方法的底氣。
從巴塞羅那到倫敦
乘著國家電網(wǎng)公司國際化戰(zhàn)略的東風(fēng)，上海電科院將目光投向了更廣闊的天地。
關(guān)于電纜載流量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是由IEC TC20 WG19（IEC電纜專業(yè)委員會(huì)電纜載流量和短路電流限值工作組）編制和維護(hù)的，此前，工作組成員基本來自歐美的電纜制造企業(yè)和高校，沒有中國成員?；A(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通是全球化的大趨勢(shì)，而國際標(biāo)準(zhǔn)則是互聯(lián)互通的基本規(guī)范，如果能讓在實(shí)踐中已被證明切實(shí)可行的中國探索推動(dòng)新的國際標(biāo)準(zhǔn)的形成，這無疑是一件令人興奮的事情。
2015年10月，李紅雷作為觀察員赴西班牙巴塞羅那參加了WG19工作組會(huì)議。當(dāng)他介紹了中國在電纜動(dòng)態(tài)增容、電纜帶電檢測(cè)等技術(shù)方面的應(yīng)用情況后，工作組成員都對(duì)中國電纜的飛速發(fā)展表示驚嘆。
巴塞羅那會(huì)議后，上海電科院在電纜載流量領(lǐng)域集中攻關(guān)，開展了各種敷設(shè)方式下的電纜載流量模擬試驗(yàn)。目前在以上海為代表的城市電網(wǎng)中，中壓電纜負(fù)載率普遍高于高壓電纜，每年夏季用電高峰期間，中壓電纜的重載情況更為嚴(yán)重。在現(xiàn)行載流量計(jì)算體系下，有些中壓電纜甚至為了避免所謂的過載而被迫降負(fù)荷運(yùn)行。為此，國網(wǎng)上海電力從2015年起，探索將獨(dú)特的電纜增容技術(shù)應(yīng)用于更多的運(yùn)行電纜。
電纜增容的效果無疑是顯著的。以35千伏森營3258電纜為例，該電纜原載流量限額為346安，2016年迎峰度夏期間，根據(jù)上海電科院的計(jì)算，在最苛刻的工況下，該電纜的穩(wěn)態(tài)載流量增容到427安，比原限額增容23.4%，輸送容量增加4910千伏安。如果將電纜增容技術(shù)施用于上海電網(wǎng)所有重載電纜，這對(duì)緩解負(fù)荷高峰期間的因電網(wǎng)性缺電而造成的用電緊張問題可謂是一劑強(qiáng)心針。
更重要是，這種增容安全可靠。
在電纜增容方面積累大量經(jīng)驗(yàn)后，2015年11月，上海電科院與上海市電機(jī)工程學(xué)會(huì)、加拿大多倫多大學(xué)聯(lián)合舉辦“面向能源互聯(lián)網(wǎng)的高壓電纜輸送能力提升技術(shù)”創(chuàng)新論壇。一時(shí)間，論壇成為該領(lǐng)域最新的熱點(diǎn)，還使得國家電網(wǎng)公司在電纜載流量方面的一系列工作和成果獲得了國內(nèi)國際同行的關(guān)注。
李紅雷的身份也得到了認(rèn)可。2016年8月，他順利通過IEC技術(shù)委員會(huì)的審核，成為國網(wǎng)公司職工中在IEC電纜專業(yè)委員會(huì)里的第一個(gè)正式成員。
今年4月，李紅雷在倫敦第二次參加WG19工作組會(huì)議。會(huì)上，他結(jié)合近兩年的研究經(jīng)驗(yàn)，介紹了上海電網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)有IEC標(biāo)準(zhǔn)存在的問題，并介紹了上海電科院最近自主開發(fā)的電纜實(shí)時(shí)增容快速算法。會(huì)上，專家們經(jīng)討論達(dá)成共識(shí)，WG19工作組下一步將考慮修訂現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或發(fā)起新的IEC標(biāo)準(zhǔn)提案。
雖然離新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)或許還有兩三年的時(shí)間，但實(shí)質(zhì)性第一步的邁出，無疑是至關(guān)重要的。
而對(duì)于立志讓世界共享中國技術(shù)的國網(wǎng)電纜人來說，這標(biāo)志著一段新的征途即將開始。
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