本栏目由 “世界科学”和 “赛先生”联合出品
本篇报道围绕2017年度上海市技术发明奖一等奖项目“架空输电线路智能化关键技术及装置”展开，该奖项由上海交通大学电子信息与电气工程学院刘亚东副教授领衔的团队获得。
所谓输电就是用变压器将发电机发出的电能升压后，再经断路器等控制设备接入输电线路，输电线路可分为架空输电线路和电缆线路。其中超高压输电可以通过架空输电线路实现远距离的电能输送。
输电线的存在历史已超过百年。早在1912年，云南地区建立起了中国的第一条高压输电线，将电能从石龙坝水电站送到昆明市。1935年，美国将输电电压等级从110～220千伏提高到287千伏，世界上首次出现了超高压输电线路。
今天，无论在高山峻岭中，大江大河旁，还是草原沙漠腹地中，我们都可以看到架空输电线的身影，一座座高塔耸立，两边由粗壮的导线连接。
架空输电线
根据国家能源局2019年发布的《全国电力可靠性年度报告》，中国220千伏及以上电压等级架空输电路线长度已经超过75万公里。
近年来，能源的战略作用被广泛认同，架空输电线路的重要性更加凸显。从综合能源布局上评判，架空输电线路是中国智能电网的六大环节之一，其高效、可靠运行是我国电网安全战略和全球能源互联的重要支撑。
上海交通大学电子信息与电气工程学院刘亚东副教授攻克了架空输电线路上的几大难题，为中国的电网高效运转做出了贡献。
刘亚东在实验室
今天，我们来讲述架空输电线的故事。
“大动脉”运行牵一发动全身
架空输电线路犹如一个国家能源的大动脉，它们将大量的电能从各大发电厂运往中国的各大城市和重要工矿企业，确保了整个国家的正常运行。一旦发生故障，就会对区域经济产生影响。
2019年6月，阿根廷发生全国性大范围停电，并波及邻国乌拉圭、巴西、智利和巴拉圭的部分地区，波及了4 800万人，其原因就是由于从阿根廷与巴拉圭接壤的亚西雷塔水电站向南延伸的两条高压输电线同时发生故障导致。
2016年中国出现了北京到石家庄段的高铁停运，原因也是输电线路出现了故障。
刘亚东介绍说，因为绝大多数架空输电线路被放置在野外，所以容易出现故障。故障的原因包括打雷闪电、大风吹偏、山火引燃、下雨结冰、树木触碰等，一旦发生故障就会停电，电力部门需要及时调整各条线路负荷，派出巡检人员找到故障点快速修复，尽快恢复区域的电力供应。
但是巡线找到故障点，并不是一件容易事，以往的故障检测依靠的是检测线路中的电流大小，因为一旦线路中出现故障，就会出现较大的短路电流。这种方法依赖的是线路上的电力互感器，使用的是传统行波法定位，电力科技人员可以通过对时和线路长度，计算出故障可能发生的区域。
通俗说，一颗小石头扔到水里会产生“涟漪”，短路电流的出现也会在电网的电流中产生“涟漪”，找到这样的“涟漪”，可以计算出故障的位置，但是遗憾的是这样的方法虽然可以排查，但是误差大于1公里的比例高达64.3%。
“在平原上的巡线检修并不难，但是山区中的巡线就十分辛苦了，有时候为了找到故障点，需要检修人员在大山中忙乎一周，十分艰辛，特别是树木触碰引起的故障，电流还不会特别大，检修人员的工作量更是大大增加。”刘亚东说。
巡线人员在维修
精准锁定输电线路上的故障
为了解决这样的难题，刘亚东的科研团队用了十年时间进行了系统的研究。他们提出的是分布式故障定位方法。
刘亚东介绍说，分布式故障定位方法的特点是判断故障点的精确性大大提高，该方法利用人工智能技术，可以根据电流大小，精确识别出9种电流波形，快速判断出故障类型，而且安装规模也不是特别大，只需要在架空输电线上按照每30公里距离安放一组的标准，就可以精确计算出整个线路上的故障区域，每组只需要安放三个小构件，非常简单有效。
现场应用结果表明，分布式故障定位方法定位误差小于300米的比例占94.7%，雷击类型辨识的准确率提高到96%，智能告警的有效率可以提高到99%。
“更为重要的是该技术避免了临近电力部门之间的互相扯皮和重复巡线，过去因为故障区域无法精确判断，此类事件每年发生率很高，对电网的整体使用效率产生了一定的影响。”刘亚东说。
分布式故障定位技术入选中国电机工程学会遴选的2016年电力新技术目录，目前团队已经研制了输电线路分布式故障定位装置、故障录波装置和输电线路状态评估与故障分析系统等智能化产品，在上海海能信息科技有限公司和思源电气股份公司实现了产业化，已经为电网的安全运行发挥作用。
巧妙监控线路温度
众所周知，电流通过电阻时，会产生电量的损耗，也会产生发热现象。在输电线路上，温度一直是一个很敏感的指标。
一条输电线路上有一个最高额定电流，当电流接近额定电流时，线路温度会提高，输电线路会出现热膨胀，从外观看输电线会呈现出下垂的状态。但是电力部门往往不敢让过多电流通过输电线，电力行业内部有规定，导线中最高温度不能超过70度，不然就有风险隐患。
“但是在真实的环境中，状况要好很多，如果线路上的温度普遍不高的话，电力部门可以增大电流容量，这样可以提高输电效率。”刘亚东介绍说，难度在于长距离导线温度的测定。如果用传感器来测定，那就需要布局大量的传感器，从成本上看，是划不来的。
刘亚东团队找到的方法是从热力学模型入手，打造了基于张力和温度稳态参量的输电线路热稳定容量评估模型。通俗说，就是根据导线的膨胀情况推算一条线路上各个地方的温度。
刘亚东介绍相关构件
“这个方法非常经济有效，电网的承重高塔就是特别好的耐张段，我们只需要在每个主塔的输电线上安装一个特殊装置就好！一般相隔6～7公里！”刘亚东一边说一边把这个特殊构件拿给笔者看，这是一个环抱型的构件，里面有十分复杂的结构，特殊的机械外形可以让它牢牢固定在输电线路上，利用输电线上的感应电流，它可以正常工作，实时将线路上的温度传到大数据平台上，不需要额外更换电池。
而有了这个神器，电力部门就可以准确监控整个线路上的温度变化，可以“大胆”地提高输电线路上的电流。刘亚东介绍说，根据现场试验，该技术可将输电线路的输送容量提高35%，这是一个令人振奋的数据。
目前已经投入生产的相关构件
为新能源接入提供有效支撑
习近平总书记在2020年正式宣布中国将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。刘亚东说，这一国家战略意味着会有大量的新能源（太阳能、风能、核能、潮汐能、地热能等）将被接入电网，进入千家万户，提高输电线路的输送容量就意味着为这些新能源接入提供了很大的输送空间，减少输电领域的线路建造和运行成本。
刘亚东透露，最近就有几家电力企业找到他，希望他能帮助解决风电企业电能输出的难题，可以让新能源真正地进入电网，投入到实际生产中去，提高电力行业的经济效益。
今天，分布式故障定位技术已经成为电网故障处理和迎峰度夏储备容量校核的重要工具，相关技术已经在电网大面积推广应用，示范线路总长度目前已经超过2万公里，在网运行装置超过2 000套，服役时间最长超过4万小时。
该技术同时获得以瑞典科学院、瑞典工程院、瑞士工程院和美国工程院四院院士格兰•安德森（Goran Andersson）为代表的国际同行的认可，上海交通大学还与美国USi公司共同设立中美智能输电联合研发中心，通过USi公司将故障定位技术推广海外。
令人振奋的是，刘亚东团队研发的相关产品3年新增销售额超过8亿元，在为国家解决电力行业重大难题的基础上，还创造了可观的经济效益。
“世界科学”联合“赛先生”微信公号，在上海市科学技术委员会资助下，开辟“走近科学”栏目，对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。
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