载流量

针对城市配电网电缆资产利用率低、风险感知难、运维成本高等问题，围绕“降本增效、高效运维”目标，在电缆及通道运维方面开展大量的创新性探索和研究，在感知层，研发了首个智能电缆及集成装备，实现传统电缆技术突破和一、二次的真正融合。基于数据和模型驱动建立了智能电缆监测平台，实现了运行电缆及通道的状态实时在线监测。首次提出了电缆线路安全运行载流量动态调控、负荷动态保护阈值与裕度分析、隐患点感知及定位多项技术和方法，结合监测平台对电缆通道感知情况，建立了适应多场景的机器人巡检体系，实现机器人自动对电缆通道隐患精准监测和处置，构建了城市配电网智能电缆及通道高效运维体系。

该联合研制的低热阻填充材料可根本解决电缆沟内密集堆积和排管敷设段成为限制整条电缆线路载流能力的瓶颈问题，达到国内领先水平。同时，填充材料还具有防白蚁、防火阻燃等效果。研制SH凝胶体、水、砂等组分按照一定比例配制成的低热阻填充材料，通过改善电缆通道敷设热阻环境来提高载流量。通过在材料中添加弱碱性长效保持成分且具有水分保持、阻燃特性，同时解决了防白蚁和防火阻燃问题。凝胶体混合体由于凝固前可流动特性，解决了排管中填充难题。已获2项发明专利情况。 成果于2016年分别应用在中山供电局110kV旗光线、110kV旗长线、110kV菊宁甲线、110kV菊宁乙线、220kV桂三甲线、220kV桂三乙线等电缆线路，110kV龙山变电站10kV线路出现电缆沟内电缆段。通过预先布置在电缆表面的测温热电偶，长期监测其正常未填充段、填充段的电缆外皮温度及埋深处的环境温度等，发现电缆低热阻填充材料的应用对于电缆的散热环境的改善效果显著，负荷电流越大，降温作用越明显。同时，该填充材料还具有防白蚁、防火阻燃等效果。

发展海上风电是实现 “双碳”目标的重要举措。直流海缆是海上风电输电工程的重要装置，而海缆稳态载流量等研究对推动远海风电大规模开发具有重要意义。近年来高压直流海缆稳态载流量的相关研究考虑海洋环境因素较为单一且未充分考虑绝缘层温差的限制。文中建立了500 kV直流海缆与海水系统的电-热-流耦合模型，研究了单根和双极海缆在不同敷设方式下垂直洋流(垂直于海缆长度方向流动的洋流)流速，考虑绝缘层温差限制、双极不同间距等对载流量的影响。结果表明，相较于仅考虑线芯温度70 ℃限制，综合考虑绝缘层温差20 ℃限制的载流量更小，且相较于其他敷设方式，直埋敷设时绝缘层温差20 ℃限制对载流量的影响更小；双极海缆的载流量随双极间距增大而增加，流速为0.1 m/s时涡旋对海缆载流量有较小的提升作用；在绝缘层温差为6 ℃附近，电场发生翻转。研究结果可为敷设方式的选择以及载流量的预测和评估提供重要指导和参考。

电缆载流量是指一条电缆线路在输送电能时所通过的电流量。其本质是在热稳定条件下，电缆导体的绝缘介质达到长期允许工作温度时的电流，称为该电缆的载流量。目前配网电缆普遍采用交联聚乙烯作为绝缘介质，其耐受温度为90℃，故在目前配网条件下，电缆线芯温度为90℃时，电缆的载通电流即为该电缆的载流量。 载流量是判断线路“是否重过载”的重要依据，直接影响电力调度、负荷调整、基建建设等。但由于现场工况、敷设方式复杂，10kV电缆载流量的计算值与实际运行情况存在较大差异。目前，确定10kV电缆载流量较为通用的方法为系数法，即利用基准载流量乘以与电缆线芯材质、土壤热阻系数、埋深、敷设方式及地温等相关的修正系数得到特定条件下电缆的载流量。但由于运行条件的差异，所使用的系数及取值方式与实际情况有一定差距。 10kV电缆载流量不准确的问题，对于电缆线路的安全运行和充分发挥电缆输送能力有深远的影响，导致部分解决重过载线路的项目重复投资。在管廊资源日益紧张、施工难度不断加大的今天，造成巨大的资金、资源的浪费！故急需一套科学的10kV电缆载流量核准方法，直达载流量的本质，直接监测、计算电缆的线芯温度，在有效保证10kV电缆安全运行的+前提下，有效提高资产利用率。

近年来光纤传感技术与电缆系统结合技术的研究和应用情况，包括基于光纤测振动的防外破技术、基于光纤传感的隧道综合监测技术（应力、声、光、热等的传感）、基于光纤传感的电缆系统全景感知技术（电缆通道、电缆本体、电缆附属设施、载流量、消防等）。电缆系统光纤传感技术的应用情况及下一步的研究和应用方向。

海缆实际载流量是海缆选型的重要依据，在海上风电场集电系统拓扑优化中，考虑不同敷设区段海缆载流量存在的差异以及海缆多回路并联敷设时磁热效应对载流量的影响，对保障集电系统的安全性具有重要意义。首先，采用模糊C均值算法对风机进行聚类分区，将集电系统拓扑优化分解为分区内、外拓扑优化。然后，在分区内采用基于Voronoi图的拓扑搜索算法进行求解；在分区外拓扑优化中，考虑海缆瓶颈区段、回路数对载流量的影响，构建混合整数非线性优化模型，线性化后采用优化求解器GUROBI进行求解。最后，以某实际风电场为例进行仿真验证。结果表明，所提模型能保证海缆实际载流量始终大于海缆工作电流，可有效保障集电系统的安全性。

本报告主要介绍了我单位在高压直流电缆工程设计领域开展的相关研究及成果，包括高压直流电缆载流量计算方法研究，重点关注了绝缘层温差对场强和载流量计算的影响；此外，介绍了高压海底电缆工程电缆截面优化的相关技术成果，包括变截面技术、载流量瓶颈段（J形管和登陆穿管段）的提升措施和基于动态负荷的载流量计算和截面优化技术。

随着我国城市化、海洋经济、新能源开发进一步发展，受电力廊道、海上路由限制，大截面电缆沿大型桥梁敷设的需求越来越多。本内容将对长距离随桥电缆重点涉及的电缆桥架、钢箱梁载流量、接地、电缆伸缩补偿装置技术研究进行介绍。并着重针对实际工程中提出的模块化构建随桥电缆伸缩补偿装置的方法及产品化、工程化情况进行较系统性介绍。

随着柔性直流输电技术的发展，柔直电缆系统技术，尤其是高载流量（工作温度90℃）柔直电缆系统技术是整个电缆行业的热点研究方向。高载流量柔直电缆系统技术的突破面临3类问题：（1）现有商用柔直绝缘材料全部进口，工作温度为70℃，低于交流电缆系统的工作温度90℃，采用该绝缘材料制造的柔直电缆系统输送容量较小，难以满足电网建设中大容量输送的需求；（2）国内外关于工作温度90℃直流电缆本体及连接件（接头和终端）结构设计、直流电场下电缆和连接件的电场匹配等方面的基础理论研究较少且不深入；（3）直流裕度试验采用充油终端，成本高、装卸不方便、易污染环境。上述问题已经严重影响柔直输电系统的大容量要求和电缆产业国产化的健康持续发展。 本研究依托国家电网公司重大科技项目，立足基础理论创新，在国际上首次开发了工作温度90℃的±320kV柔直电缆绝缘材料及其电缆系统，具体创新技术包括：1、自主开发了工作温度90℃的±320kV柔直电缆绝缘料及其柔直电缆，并实现了国产化。①提出了添加纳米粒子以实现抑制电缆绝缘空间电荷积累的方法，通过调控电缆材料助剂的手段降低了绝缘材料的温度敏感性，提出了超净技术提高了绝缘材料击穿强度及电阻率，自主研发了工作温度90℃的±320kV柔直电缆绝缘料，并构建了电缆绝缘基料及柔直电缆绝缘料评价体系；②提出了柔直电缆绝缘厚度设计的最大场强法，巧妙设计了耐腐蚀的环保型柔直电缆结构，自主研制了高载流量±320kV柔直电缆样机研制，提升了柔直电缆载输送容量约20%。2、提出了电缆绝缘-连接件绝缘组成的双层绝缘介质直流电场分布理论，巧妙地设计了柔直电缆连接件应力锥曲线，在国内首次开发了低电阻率的柔直电缆连接件专用绝缘材料及其工作温度90℃的±320kV柔直电缆连接件，解决了柔直电缆与连接件绝缘电场不匹配而易于击穿的问题。3、提出了金属应力锥与绝缘气体进行绝缘配合的柔直电缆全干式裕度试验终端结构设计方案，研制了裕度试验终端样机，解决了直流电缆终端不能循环利用的问题，并防止了环境污染。 本项目获南瑞集团有限公司2020年度科技进步一等奖，发表论文8篇（其中Ei检索4篇），授权发明专利5项，实用新型专利3项。2019年10月，本项目通过中国电机工程学会鉴定，鉴定结论为：“90℃柔性直流电缆绝缘料及±320kV柔性直流电缆系统达到了国际领先水平”。此项成果已在江苏电力、中天科技、万马高分子等应用，未来在海上风电进网、海岛供电、城市输电增容等拥有良好的应用前景。