減少進口依賴 國產高壓電纜絕緣材料成功破局

原標題:減少進口依賴 國產高壓電纜絕緣材料成功破局 來源:科技日報

  逐步實現工業化應用,減少進口依賴  國產高壓電纜絕緣材料成功破局

  用於110千伏、220千伏、500千伏的國產高壓電纜絕緣材料逐步實現工業化應用,將使中國高壓電纜絕緣材料長期依賴進口的局面得到顯著改善,為中國保障能源安全、助力「雙碳」目標的實現貢獻重要力量。

  近日,中國石化所屬燕山石化110千伏電纜絕緣料掛纜示範工程正式啟動。該工程首次應用自主研發生產的高壓電纜絕緣料,標誌著國產高等級絕緣新材料實現工業化示範應用。

  而在此次示範工程啟動前,今年3月,首台(套)應用國產絕緣材料的220千伏高壓交流電纜系統在遼寧阜新220千伏新煤線掛網,截至目前運行穩定;在其後的4月,首台(套)應用國產絕緣材料的500千伏直流電纜系統也在張北柔直工程順利通過竣工試驗。

  高壓電纜作為遠距離電力輸送中的關鍵一環,絕緣材料在保障其安全運行中發揮著至關重要的作用。高壓電纜絕緣材料國產化接連取得多項突破,並逐步實現工業化應用,將使其長期依賴進口的局面得到顯著改善,將為中國保障能源安全、助力「雙碳」目標實現貢獻重要力量。

  高壓電纜對絕緣材料要求很高

  理解絕緣材料的重要性,還需要從輸電講起。中國電力格局長久存在「源荷割離」現象,能源富藏地與用電負荷集中地不一致,由此而導致的長距離輸電在所難免。隨著「雙碳」目標逐步推進,如何更加安全、高效地進行遠距離電力輸送,一直是中國電力事業發展中無法迴避的問題。

  通常,在輸電距離和功率一定的情況下,輸電電壓越高,輸電電能的損耗就越小。因此,高等級的高壓輸電在遠距離輸電中扮演著重要角色。

  但輸電電壓等級越高,對電纜絕緣材料的要求也就越高。全球能源互聯網研究院電工新材料研究所所長陳新向記者介紹道,相比於低壓電纜的絕緣材料,高壓電纜絕緣材料需耐受更高的電場強度;材料的空間電荷積聚和電阻率溫度敏感性也要更低,如針對超高壓電纜,要求其高、低溫體積電阻率變化率須小於100,但對低壓電纜則無相關要求。此外,超高壓電纜絕緣材料對缺陷和雜質的控制要求也更加嚴苛,「超高壓電纜絕緣材料中不允許有50微米以上的雜質,而普通低壓電纜則允許存在幾百微米以上的雜質。」陳新說。

  高壓電纜絕緣材料的發展經歷了一個漫長過程。以當下廣泛採用的高壓直流輸電方式為例,其電力電纜絕緣材料的發展先後經歷了充油絕緣(OF)、油紙絕緣(MI)和交聯聚乙烯(XLPE)絕緣3個階段。「以充油和油紙為絕緣方式的直流電纜的問世已經超過100年。」陳新表示,早期的充油電纜採用中空導體作為油流道,通過充油不斷浸漬導體外的絕緣層,達到絕緣效果。但此種絕緣方式需在電纜運行過程中不斷進行充油,一旦電纜外層出現破損,便會造成油料泄漏,易導致環境污染,且維護難度大,現在已基本被淘汰。

  近年來建設的高壓直流輸電工程中,發展迅速的交聯聚乙烯擠塑電纜則成為更加普遍的選擇。據陳新介紹,由於交聯聚乙烯擠塑電纜相對於油紙電纜的運行溫度更高,機械性能和絕緣性能更好,同時安裝維護方便,生產工藝簡單,目前已在電力系統中廣泛應用。「目前的高壓直流電纜幾乎都採用交聯聚乙烯作為絕緣材料。」

  聯合攻關找到高壓絕緣材料「配方」

  中國是全球第一大電纜製造國,但在高壓電纜絕緣材料製造領域,卻長期依賴進口,年進口量達10萬噸,嚴重製約了中國高端電力裝備的自主可控發展。

  陳新認為,此前阻礙高壓電纜絕緣材料國產化的主要困難來自於3個方面。首先,國內用於製造高壓電纜絕緣材料的基礎原材料性能不足,「電氣性能比國外明顯要低,擊穿場強不到國外的60%,同時基礎原材料中雜質含量高、流動穩定性也較差。」其次,國內對超高壓電纜材料的配方組分以及各個組分間相互作用的研究十分薄弱,並無研製超高壓電纜絕緣材料配方的經驗可供參考。此外,不同配方的絕緣材料在從實驗室中的小批量試驗向工業化的大規模生產過渡中,性能可能會發生變化,保持放大後配方性能的工藝控制難度較高。

  面對國外相關技術嚴密封鎖、國內無相關經驗需從零起步的情況,全球能源互聯網研究院有限公司牽頭,聯合國內高校、製造廠商、科研院所開展多方協同攻關。項目組克服諸多困難,開展了模擬設計、材料研發、電纜製造、系統匹配、試驗評價等關鍵技術研究,先後解決了國產絕緣基料分子結構調控優化、多場作用下空間電荷和電導非線性抑制、電纜系統多層介質界面絕緣電導匹配、大尺寸電纜擠出缺陷控制及擊穿尺寸厚度效應抑制等多項技術難題。

  研發絕緣材料,在實驗室里做出樣品只是第一步。如何走出實驗室,走向工業化大批量製備往往是關鍵所在。從以「克」為單位計算的實驗材料研發,到「百公斤級」的生產試驗,再到「噸級」的大規模生產,數量級別的變化,可能導致材料性能的不穩定。為此,攻關團隊協調製造企業、檢測單位等優勢資源參與科研攻關,試製了上百噸材料樣品、數千米電纜樣纜,前後經歷9次型式試驗,最終實現了絕緣材料、電纜系統不斷迭代優化和性能穩步提升,成功研製出320千伏、500千伏直流電纜絕緣材料,初步建立了國產高壓電纜絕緣材料的工藝配方。

  國產絕緣材料市場潛力正在醞釀

  雖然已成功破局,但國產絕緣材料仍有很長的路要走。陳新表示,目前中國高壓直流電纜絕緣材料在高溫耐電強度和高溫體積電阻率穩定性方面與國外絕緣材料基本相當,已可以滿足短距離500千伏陸地高壓直流電纜的製造需求。但其在長時間連續擠出等方面還與國外存在一定差距,「國外可以實現70—130噸的單次連續擠出,國內還處於小於35噸的水平。」

  但突破口已成功打開,市場潛力已在醞釀。據陳新估計,目前中國110千伏及以上高壓電纜絕緣材料的年進口量近10萬噸,而相關電纜產值超1000億元。同時,國產產品在價格上還具有優勢,如國產500千伏高壓電纜絕緣材料的價格僅為國外同類產品的約70%。高壓電纜產業鏈涉及石化基料、絕緣料復配、電纜擠出、試驗評價、安裝運維等諸多上下游相關產業,產業鏈長,如未來能實現全產業鏈的國產化,將對上下游產業產生十分明顯的拉動作用。

  如在發展迅速的海上風力發電領域,未來隨著「雙碳」目標推進,該領域將對高壓電纜產生巨大需求。在當下海上風力發電量最大的歐洲,德國已規劃了640公里的±525千伏高壓直流輸電走廊;英國同樣規劃了總長超過3000公里的高壓直流輸電項目。而今年9月,位於江蘇如東的亞洲首條±400千伏直流海纜驗收試驗也順利完成,已具備送電投運條件。未來,隨著東區沿海多項海上風力發電項目的落成,中國有望成為世界第二大海上風力發電國。

  陳新表示,接下來國產高壓電纜絕緣材料將進一步提升性能,尤其是大長度成纜性能,並著重研究海纜工廠軟接頭技術,開發大長度海纜絕緣材料和海纜系統。

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