上海电力推动IEC修订电缆载流量皇家马德里万博

作者:上海电力推动IEC修订电缆载流量皇家马德里万博 发布时间:2018-03-31 23:36

  一系列最早于上世纪80年代发布的针对电缆载流量计算的IEC标准已实质性迈出修订的第一步。

  今年4月,国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,缩写为IEC)在英国伦敦召开电缆载流量和短路电流限值工作组会议,来自10个国家的13位电缆专家普遍认为,现行IEC电缆载流量计算标准中存在多处与他人计算结果存在偏差的问题,下一步将考虑修订现有标准或发起新的IEC标准提案。

  对于工作组中少有的一张中国面孔——国网上海电科院资深工程师李红雷博士而言,这不仅意味着上海电科院长达10年关于电缆载流量的研究成果获得了业界认可,更意味着国家电网公司正在国际电工领域掌握越来越多的话语权,中国标准正逐步转变为世界标准,成为全球通用的技术法则。

  2016年盛夏,在35千伏森营3258电缆平静的表面之下,是“内心”的汹涌澎湃——这条电量载流量从346安被提高到427安,输送容量增加到4910千伏安。这种试验在整个世界屈指可数。

  提高电缆载流量,就是让更多电流通过电缆。这就好比家中龙头出水过小,拧大龙头后,让整条水管里的水流量增大。然而,在看似轻而易举的举动背后,却存在着对IEC标准的挑战。

  电力电缆是目前城市电网中常见的一种供电载体,一条电缆由内到外主要由金属导体、主绝缘、金属屏蔽层(金属护套)和外护套组成。

  当今世界主流的电缆使用的绝缘材料是交联聚乙烯,这种材料的长期工作温度是90摄氏度。也就是说,当电缆温度高于90摄氏度,就会造成交联聚乙烯的性能变差,进而引起电缆绝缘降低,为各类事故埋下隐患。现行针对电缆载流量计算的IEC标准是先后发布于1982年、1989年、1994年、1995年的《IEC 60287》系列标准。

  电缆温度是由电流通过导体后产生的内部热阻和外部环境造成的外部热阻共同影响决定的。问题在于,尽管电缆内部的热阻是确定的、容易估算的,但在实际情况下,电缆的外部环境却千差万别、难以统一。受制定标准时的技术能力限制,现行IEC标准关于外部热阻的部分经验公式取值偏于保守,计算所得外部热阻比实际情况要大。这就反过来使得电缆温度无法被正确考量,而电缆温度与载流量存在正关联,载流量的过度限制由此造成。

  多年来,虽然电缆监测技术已取得长足进步,但这个保守的系列标准却似乎被人忘记了。

  也就是说,当电缆设计人员根据IEC标准计算电缆安全载流量时,所得必定是一个安全的数值,但同时必定不能充分发挥电缆的输电能力。或者说,多数情况下,目前在用的交联聚乙烯电缆的安全载流量都被低估了,造成了电缆通道输电能力的极大浪费。

  截至2016年底,上海共有35千伏及以上电缆超过3400条、总长度超过1.2万千米。待今年6月虹杨变电站至杨行变电站间的500千伏电缆投运后,上海将拥有4条10千米以上的长距离500千伏交联聚乙烯电缆。

  1879年,世界著名的美国发明家爱迪生在铜棒上包绕黄麻并将其穿入铁管内,然后填充沥青混合物制成电缆。次年,西甲亚洲官方合作伙伴,英国人卡伦德发明沥青浸渍纸绝缘电力电缆。1897年3月,一条总长2270米的100伏照明用橡胶电缆在上海被敷设入从乍浦路发电厂至外滩的地下,揭开了我国电力电缆应用史的篇章。此时,离电缆被发明尚不到20年,而世界上也仅有纽约、伦敦等极少数城市应用电缆。

  此后,电缆在上海的地下“潜滋暗长”。今天,上海是中国电缆密度最高的城市,电缆化率、电缆数量也长期在全国名列前茅。截至2016年底,上海共有35千伏及以上电缆超过3400条、总长度超过1.2万千米。待今年6月虹杨变电站至杨行变电站间的500千伏电缆投运后,上海将拥有4条10千米以上的长距离500千伏交联聚乙烯电缆。

  随着城市发展,上海中心城区负荷密度不断走高,中心城区以外的负荷中心逐步成形,加之电能替代、外来清洁能源等改变了城市电网潮流分布,因此局部区域出现了电缆过载的现象,这在一定程度上加重了上海电网性缺电的问题。但是,受地下资源紧张、市政审批困难等限制,新建电缆已越来越难。

  悠久的历史和迫切的现实把李红雷和他的科研团队推上了舞台——如果能够通过电缆稳态和动态增容来挖掘现有电缆的输电潜力,那就相当于新建了电力电缆,既可节省电力投资,又可增加输电量。但是,这也就意味着必须挑战现行计算方法,因为无论哪种增容技术,都需要对电缆载流量进行精确的计算,以确保交联聚乙烯90摄氏度这条安全红线千伏沪崇苏输变电工程中对联网电缆的载流量计算开展研究。李红雷所率领的课题组在国内首次应用加拿大专业载流量软件对世界首条敷设于市政隧道中的长距离超高压电力电缆建立了电缆温度场模型,并将该模型与解析方法及数值方法进行了比对。研究期间,李红雷与国外载流量模型开发者多次交流,自此,上海电科院的电缆工作开始具备国际化视野。

  2014年3月,受低温影响,上海全网负荷走高,市内一座燃机电厂频繁开机以平衡负荷,对机组的安全性和经济性造成极大的不利影响。经过谨慎考量,上海市电力公司决定让闸蕰2268电缆增容运行,以减少燃机电厂的开机发电。国网上海电科院承担了计算任务,自增容起,全面收集电缆相关数据,逐段对电缆建模计算,不断监控电缆负荷与电缆温度的变化,定期提交载流量分析报告,为电缆的安全运行护航,也为调度部门潮流控制提供依据。

  最终,这条电缆持续安全增容运行300天,最高负荷较限额增加28%。据测算,增容运行后,该燃机电厂可少消耗燃料4.2亿元。项目研究成果作为“面向大规模清洁能源消纳的都市电网‘强馈入弱开机’运行关键技术研究与实践”的一部分,获得了2015年上海市科技进步二等奖。

  严谨的理论研究、海量的监测数据、成功的实践增容,这些进一步坚定了李红雷突破现行计算方法的底气。

  关于电缆载流量的相关标准,是由IEC TC20 WG19(IEC电缆专业委员会电缆载流量和短路电流限值工作组)编制和维护的,此前,工作组成员基本来自欧美的电缆制造企业和高校,没有中国成员。基础设施互联互通是全球化的大趋势,而国际标准则是互联互通的基本规范,如果能让在实践中已被证明切实可行的中国探索推动新的国际标准的形成,这无疑是一件令人兴奋的事情。

  2015年10月,李红雷作为观察员赴西班牙巴塞罗那参加了WG19工作组会议。当他介绍了中国在电缆动态增容、电缆带电检测等技术方面的应用情况后,工作组成员都对中国电缆的飞速发展表示惊叹。

  巴塞罗那会议后,上海电科院在电缆载流量领域集中攻关,开展了各种敷设方式下的电缆载流量模拟试验。目前在以上海为代表的城市电网中,中压电缆负载率普遍高于高压电缆,每年夏季用电高峰期间,中压电缆的重载情况更为严重。在现行载流量计算体系下,有些中压电缆甚至为了避免所谓的过载而被迫降负荷运行。为此,国网上海电力从2015年起,探索将独特的电缆增容技术应用于更多的运行电缆。

  电缆增容的效果无疑是显著的。以35千伏森营3258电缆为例,该电缆原载流量限额为346安,2016年迎峰度夏期间,根据上海电科院的计算,在最苛刻的工况下,该电缆的稳态载流量增容到427安,比原限额增容23.4%,西甲亚洲官方合作伙伴!输送容量增加4910千伏安。如果将电缆增容技术施用于上海电网所有重载电缆,这对缓解负荷高峰期间的因电网性缺电而造成的用电紧张问题可谓是一剂强心针。

  在电缆增容方面积累大量经验后,2015年11月,上海电科院与上海市电机工程学会、加拿大多伦多大学联合举办“面向能源互联网的高压电缆输送能力提升技术”创新论坛。一时间,论坛成为该领域最新的热点,还使得国家电网公司在电缆载流量方面的一系列工作和成果获得了国内国际同行的关注。

  李红雷的身份也得到了认可。2016年8月,他顺利通过IEC技术委员会的审核,成为国网公司职工中在IEC电缆专业委员会里的第一个正式成员。

  今年4月,李红雷在伦敦第二次参加WG19工作组会议。会上,他结合近两年的研究经验,介绍了上海电网在实际应用中发现的现有IEC标准存在的问题,并介绍了上海电科院最近自主开发的电缆实时增容快速算法。会上,专家们经讨论达成共识,WG19工作组下一步将考虑修订现有标准或发起新的IEC标准提案。

  虽然离新标准的出台或许还有两三年的时间,但实质性第一步的迈出,无疑是至关重要的。

  而对于立志让世界共享中国技术的国网电缆人来说,这标志着一段新的征途即将开始。