电力线试验台为提高电网容量的技术注入活力
随着人口增长和极端气温给美国电网带来压力，公用事业和设备制造商正在寻找增加电网可承载电量的方法。位于美国能源部橡树岭国家实验室的输电线导体加速测试设施（PCAT）是美国仅有的几家公司可以在极端风力、天气、温度和电力负荷条件下长期试验新输电线技术的设施之一。ORNL 的 PCAT 经理 Brian Rowden 表示：“我们正在研究新材料、先进涂层、涂层方法和集成功能的影响，以了解它们与现有技术相比如何。”研究通常包含三个目标：增加线路可处理的电流量、延长工作寿命以及通过材料和设计选择降低工作温度。
PCAT 是一个试验台，由跨三座塔架安装的独立输电线组成，并由一套传感器进行监控。测试由用户资助或通过联邦政府资助的合作进行。室外实验室用于监测新导体材料、传感器和控制器以及涂层的性能。
最近，PCAT 被用于对一种名为 E3X 的机器人涂层进行扩展测试，该涂层由跨国电缆制造公司普睿司曼发明并获得专利。在一个炎热的夏日——这种天气可能会减少电线所承载的电流，或导致电线垂到危险的树旁——技术人员用铲斗卡车将机器人拖上天空。机器人看起来像一个长方形的开口盒子，里面装满了缠绕着彩色电线的金属管，它在穿过电线时会涂上涂层。
该产品减少了电缆中滞留的热量。普睿司曼架空输电总监乔·科菲表示，这使得现有电力线能够承载更多电流，从根本上提高了其容量，而无需更换线路。为了衡量潜在的改进效果，我们对未涂层电力线和涂层电力线进行了比较，因为两者都承受了近六个月的相同负载和天气条件。
科菲说，普睿司曼的涂料在工厂应用后，已经用于数千英里的新输电线。但该公司的客户包括公用事业公司和可再生能源开发商，他们想了解该产品在由机器人应用时是否能像升级现有输电线一样有效。
“ORNL 拥有一个模拟真实世界运行的实验室，我们可以在那里直接测量导线运行状况，这与其他进行小规模研究的设施不同，”Coffey 说道。“ORNL 可以加载线路以模拟实际公用事业运营中很少见到的紧急情况，因此我们可以针对最坏情况进行规划和测试。”
普睿司曼于 2015 年开始利用 PCAT 与 ORNL 进行联合研究。Coffey 表示：“橡树岭一直是我们的合作伙伴，我们共同验证了首次测试，并提供了重要证据，帮助业界熟悉先进导体。”
PCAT 使普睿司曼能够在大量机械循环和高恒定电流负载后测试其涂层性能，同时跟踪线路温度、环境温度和风速。功率循环测试表明，E3X 涂层线路温度可降低 57 摄氏度，使同一根导线能够承载更多电流，同时运行效率更高。
循环测试可以模拟老化对线路容量的影响以及下垂量，从而避免安全风险。这些测试有助于更准确地展示一项技术在各种操作条件下的表现。
“能够循环电流以达到特定的极端温度有助于我们了解当导线、连接器和其他部件在高海拔塔上悬挂时，导线电阻会如何随着它们的膨胀和收缩而变化，”罗登说。所有这些因素都会影响线路可以输送多少电量。
随着城市扩张、家庭从燃气供暖转换为电供暖、驾驶员转向电动汽车，这一点在输电容量已达到极限的地区尤为重要。
近期联邦政府的基础设施和可再生能源激励措施推动了对输电线的需求，这些输电线用于将可再生能源从农村地区输送到遥远的城市，而电网大多是由为当地客户提供服务的区域公用事业公司零散搭建的。扩大百年历史的电力系统的输电能力将成为实现美国减缓气候变化的碳减排目标的关键。
根据美国能源部的独立估计，到 2030 年输电系统的容量需要扩大 60%，到 2050 年可能需要将容量增加两倍才能满足清洁能源需求。
“在某些情况下，我们需要将更多的电力输送到同一位置，”罗登说。“在其他地区，则需要引入新技术，例如在现有网络上引入新的太阳能和风能发电。这实际上意味着我们要么需要更多穿过不同区域的导线，要么需要更大尺寸的导线，要么需要能够在我们现有的导线上承载更多电流。”
PCAT 测试不仅支持 Prysmian 涂层等技术，还支持部署新导体技术，例如各种铝芯形状、新型铝合金和碳纤维，以取代铝芯或钢芯。这些创新还可以帮助减少传输过程中的电量损失。发生这种损失是因为所有导体都会对能量流动产生一定阻力。克服这种阻力会将部分电能转化为热量，然后释放出来。通过选择正确的材料和负载可以限制这些损失。
根据美国能源部最近的一份报告，使用先进导线可以将物理传输容量从传统导线的 1.5 倍提高到 3 倍。当与先进电力流控制等其他解决方案相结合时，这些技术可以在同一线路上将承载能力提高 50%。
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