近日，中國石化所屬燕山石化110千伏電纜絕緣料掛纜示范工程正式啟動(dòng)。該工程首次應(yīng)用自主研發(fā)生產(chǎn)的高壓電纜絕緣料，標(biāo)志著國產(chǎn)高等級(jí)絕緣新材料實(shí)現(xiàn)工業(yè)化示范應(yīng)用。
而在此次示范工程啟動(dòng)前，今年3月，首臺(tái)(套)應(yīng)用國產(chǎn)絕緣材料的220千伏高壓交流電纜系統(tǒng)在遼寧阜新220千伏新煤線掛網(wǎng)，截至目前運(yùn)行穩(wěn)定;在其后的4月，首臺(tái)(套)應(yīng)用國產(chǎn)絕緣材料的500千伏直流電纜系統(tǒng)也在張北柔直工程順利通過竣工試驗(yàn)。
高壓電纜作為遠(yuǎn)距離電力輸送中的關(guān)鍵一環(huán)，絕緣材料在保障其安全運(yùn)行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。高壓電纜絕緣材料國產(chǎn)化接連取得多項(xiàng)突破，并逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，將使其長期依賴進(jìn)口的局面得到顯著改善，將為我國保障能源安全、助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)重要力量。
高壓電纜對(duì)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。我國電力格局長久存在“源荷割離”現(xiàn)象，能源富藏地與用電負(fù)荷集中地不一致，由此而導(dǎo)致的長距離輸電在所難免。隨著“雙碳”目標(biāo)逐步推進(jìn)，如何更加安全、高效地進(jìn)行遠(yuǎn)距離電力輸送，一直是我國電力事業(yè)發(fā)展中無法回避的問題。
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(jí)的高壓輸電在遠(yuǎn)距離輸電中扮演著重要角色。
但輸電電壓等級(jí)越高，對(duì)電纜絕緣材料的要求也就越高。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院電工新材料研究所所長陳新向記者介紹道，相比于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(qiáng)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(duì)超高壓電纜，要求其高、低溫體積電阻率變化率須小于100，但對(duì)低壓電纜則無相關(guān)要求。此外，超高壓電纜絕緣材料對(duì)缺陷和雜質(zhì)的控制要求也更加嚴(yán)苛，“超高壓電纜絕緣材料中不允許有50微米以上的雜質(zhì)，而普通低壓電纜則允許存在幾百微米以上的雜質(zhì)。”陳新說。
高壓電纜絕緣材料的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長過程。以當(dāng)下廣泛采用的高壓直流輸電方式為例，其電力電纜絕緣材料的發(fā)展先后經(jīng)歷了充油絕緣(OF)、油紙絕緣(MI)和交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣3個(gè)階段。“以充油和油紙為絕緣方式的直流電纜的問世已經(jīng)超過100年。”陳新表示，早期的充油電纜采用中空導(dǎo)體作為油流道，通過充油不斷浸漬導(dǎo)體外的絕緣層，達(dá)到絕緣效果。但此種絕緣方式需在電纜運(yùn)行過程中不斷進(jìn)行充油，一旦電纜外層出現(xiàn)破損，便會(huì)造成油料泄漏，易導(dǎo)致環(huán)境污染，且維護(hù)難度大，現(xiàn)在已基本被淘汰。
近年來建設(shè)的高壓直流輸電工程中，發(fā)展迅速的交聯(lián)聚乙烯擠塑電纜則成為更加普遍的選擇。據(jù)陳新介紹，由于交聯(lián)聚乙烯擠塑電纜相對(duì)于油紙電纜的運(yùn)行溫度更高，機(jī)械性能和絕緣性能更好，同時(shí)安裝維護(hù)方便，生產(chǎn)工藝簡單，目前已在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。“目前的高壓直流電纜幾乎都采用交聯(lián)聚乙烯作為絕緣材料。”
聯(lián)合攻關(guān)找到高壓絕緣材料“配方”
我國是全球第一大電纜制造國，但在高壓電纜絕緣材料制造領(lǐng)域，卻長期依賴進(jìn)口，年進(jìn)口量達(dá)10萬噸，嚴(yán)重制約了我國高端電力裝備的自主可控發(fā)展。
陳新認(rèn)為，此前阻礙高壓電纜絕緣材料國產(chǎn)化的主要困難來自于3方面。首先，國內(nèi)用于制造高壓電纜絕緣材料的基礎(chǔ)原材料性能不足，“電氣性能比國外明顯要低，擊穿場強(qiáng)不到國外的60%，同時(shí)基礎(chǔ)原材料中雜質(zhì)含量高、流動(dòng)穩(wěn)定性也較差。”其次，國內(nèi)對(duì)超高壓電纜材料的配方組分以及各個(gè)組分間相互作用的研究十分薄弱，并無研制超高壓電纜絕緣材料配方的經(jīng)驗(yàn)可供參考。此外，不同配方的絕緣材料在從實(shí)驗(yàn)室中的小批量試驗(yàn)向工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)過渡中，性能可能會(huì)發(fā)生變化，保持放大后配方性能的工藝控制難度較高。
面對(duì)國外相關(guān)技術(shù)嚴(yán)密封鎖、國內(nèi)無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)需從零起步的情況，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司牽頭，聯(lián)合國內(nèi)高校、制造廠商、科研院所開展多方協(xié)同攻關(guān)。項(xiàng)目組克服諸多困難，開展了仿真設(shè)計(jì)、材料研發(fā)、電纜制造、系統(tǒng)匹配、試驗(yàn)評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)研究，先后解決了國產(chǎn)絕緣基料分子結(jié)構(gòu)調(diào)控優(yōu)化、多場作用下空間電荷和電導(dǎo)非線性抑制、電纜系統(tǒng)多層介質(zhì)界面絕緣電導(dǎo)匹配、大尺寸電纜擠出缺陷控制及擊穿尺寸厚度效應(yīng)抑制等多項(xiàng)技術(shù)難題。
研發(fā)絕緣材料，在實(shí)驗(yàn)室里做出樣品只是第一步。如何走出實(shí)驗(yàn)室，走向工業(yè)化大批量制備往往是關(guān)鍵所在。從以“克”為單位計(jì)算的實(shí)驗(yàn)材料研發(fā)，到“百公斤級(jí)”的生產(chǎn)試驗(yàn)，再到“噸級(jí)“的大規(guī)模生產(chǎn)，數(shù)量級(jí)別的變化，可能導(dǎo)致材料性能的不穩(wěn)定。為此，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)制造企業(yè)、檢測單位等優(yōu)勢資源參與科研攻關(guān)，試制了上百噸材料樣品、數(shù)千米電纜樣纜，前后經(jīng)歷9次型式試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)了絕緣材料、電纜系統(tǒng)不斷迭代優(yōu)化和性能穩(wěn)步提升，成功研制出320千伏、500千伏直流電纜絕緣材料，初步建立了國產(chǎn)高壓電纜絕緣材料的工藝配方。
高壓電纜絕緣材料市場潛力正在醞釀
雖然已成功破局，但國產(chǎn)絕緣材料仍有很長的路要走。陳新表示，目前我國高壓直流電纜絕緣材料在高溫耐電強(qiáng)度和高溫體積電阻率穩(wěn)定性方面與國外絕緣材料基本相當(dāng)，已可以滿足短距離500千伏陸地高壓直流電纜的制造需求。但其在長時(shí)間連續(xù)擠出等方面還與國外存在一定差距，“國外可以實(shí)現(xiàn)70—130噸的單次連續(xù)擠出，國內(nèi)還處于小于35噸的水平。”
但突破口已成功打開，市場潛力已在醞釀。據(jù)陳新估計(jì)，目前我國110千伏及以上高壓電纜絕緣材料的年進(jìn)口量近10萬噸，而相關(guān)電纜產(chǎn)值超1000億元。同時(shí)，國產(chǎn)產(chǎn)品在價(jià)格上還具有優(yōu)勢，如國產(chǎn)500千伏高壓電纜絕緣材料的價(jià)格僅為國外同類產(chǎn)品的約70%。高壓電纜產(chǎn)業(yè)鏈涉及石化基料、絕緣料復(fù)配、電纜擠出、試驗(yàn)評(píng)價(jià)、安裝運(yùn)維等諸多上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)鏈長，如未來能實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化，將對(duì)上下游產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生十分明顯的拉動(dòng)作用。
如在發(fā)展迅速的海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，未來隨著“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，該領(lǐng)域?qū)?duì)高壓電纜產(chǎn)生巨大需求。在當(dāng)下海上風(fēng)力發(fā)電量最大的歐洲，德國已規(guī)劃了640公里的±525千伏高壓直流輸電走廊;英國同樣規(guī)劃了總長超過3000公里的高壓直流輸電項(xiàng)目。而今年9月，位于江蘇如東的亞洲首條±400千伏直流海纜驗(yàn)收試驗(yàn)也順利完成，已具備送電投運(yùn)條件。未來，隨著東部沿海多項(xiàng)海上風(fēng)力發(fā)力項(xiàng)目的落成，我國有望成為世界第二大海上風(fēng)力發(fā)電國。
陳新表示，接下來國產(chǎn)高壓電纜絕緣材料將進(jìn)一步提升性能，尤其是大長度成纜性能，并著重研究海纜工廠軟接頭技術(shù)，開發(fā)大長度海纜絕緣材料和海纜系統(tǒng)。
