逐步實現(xiàn)110kV、220kV、500kV華夏高壓電纜絕緣材料的工業(yè)應(yīng)用，將明顯改變我國長期依賴進口的高壓電纜絕緣材料，為實現(xiàn)能源安全和雙碳目標做出重要貢獻。
近日，燕山石化110kV電纜絕緣材料懸掛示范項目正式啟動。本項目初次采用自主研發(fā)生產(chǎn)的高壓電纜絕緣材料，標志著華夏新型高等級絕緣材料的工業(yè)示范應(yīng)用。
示范工程啟動前，今年3月，遼寧省阜新市首套（套）220kV高壓交流電纜系統(tǒng)在遼寧省阜新市220kV新煤線上掛網(wǎng)，運行穩(wěn)定；隨后4月，首套（套）500kV直流電纜系統(tǒng)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(guān)鍵一環(huán)，絕緣材料在保障其安全運行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。高壓電纜絕緣材料國產(chǎn)化接連取得多項突破，并逐步實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，將使其長期依賴進口的局面得到顯著改變，將為我國保障能源安全、助力“雙碳”目標實現(xiàn)貢獻重要力量。
高壓電纜對絕緣材料的要求很高
要理解絕緣材料的重要性，我們還需要從輸電開始。我國電力模式長期存在源負荷分離現(xiàn)象，能源收藏與電力負荷集中不一致，長途輸電不可避免。隨著雙碳目標的逐步推進，如何保證平安、更有效地進行遠程電力輸送一直是我國電力發(fā)展中不可避免的問題。
通常，在特定的輸電距離和功率條件下，輸電電壓越高，輸電能損耗越小。因此，高水平的高壓輸電在遠程輸電中起著重要作用。
但輸電電壓水平越高，對電纜絕緣材料的要求就越高。世界能源互聯(lián)網(wǎng)研究所電氣新材料研究所所長陳欣告訴記者，高壓電纜絕緣材料應(yīng)承受較高的電場強度，空間電荷積累和電阻溫度敏感性較低，如超高壓電纜，高低溫體積電阻變化率小于100，但對低壓電纜沒有相關(guān)要求。此外，超高壓電纜絕緣材料對缺陷和雜質(zhì)的控制要求也更加嚴格。超高壓電纜絕緣材料中不允許有50微米以上的雜質(zhì)，而普通低壓電纜允許有數(shù)百微米以上的雜質(zhì)。陳欣說。
高壓電纜絕緣材料的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長的過程。以目前廣泛采用的高壓直流輸電模式為例，電力電纜絕緣材料的發(fā)展經(jīng)歷了充油絕緣（OF）、油紙絕緣（MI）和交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣三個階段。以充油和油紙為絕緣方式的直流電纜已經(jīng)出現(xiàn)了100多年。陳欣說，早期的充油電纜采用空心導(dǎo)體作為油流道，通過充油不斷浸泡導(dǎo)體外的絕緣層，達到絕緣效果。然而，這種絕緣方法需要在電纜運行過程中不斷充油。電纜外層一旦損壞，會造成油泄漏，容易造成環(huán)境污染，維護困難，現(xiàn)已基本淘汰。
近年來，在高壓直流輸電工程中，交聯(lián)聚乙烯擠壓電纜的快速發(fā)展已成為一種更為普遍的選擇。根據(jù)介紹，由于交聯(lián)聚乙烯擠壓電纜相對于油紙電纜的運行溫度較高，機械性能和絕緣性能較好，安裝維護方便，生產(chǎn)工藝簡單，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。幾乎所有的高壓直流電纜都使用交聯(lián)聚乙烯作為絕緣材料。
聯(lián)合攻關(guān)找高壓絕緣材料配方
中國是世界上規(guī)模極高的電纜制造商，但在高壓電纜絕緣材料制造領(lǐng)域，長期依賴進口，年進口量達到10萬噸，嚴重制約了我國技術(shù)成熟電力設(shè)備的獨立可控發(fā)展。
我認為，阻礙高壓電纜絕緣材料定位的主要困難來自三個方面。首先，我國制造高壓電纜絕緣材料的基本原材料性能不足。電氣性能明顯低于國外，突破場不到國外的60%。同時，基本原材料雜質(zhì)含量高，流動穩(wěn)定性差。其次，我國對超高壓電纜材料配方組件和各組件之間的相互作用的研究非常薄弱，沒有開發(fā)超高壓電纜絕緣材料配方的經(jīng)驗可供參考。此外，在從實驗室小批量試驗到工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的過渡過程中，不同配方的絕緣材料的性能可能會發(fā)生變化，放大后難以控制配方性能。
面對國外相關(guān)技術(shù)的嚴格封鎖，世界沒有相關(guān)經(jīng)驗需要從零開始，世界能源互聯(lián)網(wǎng)研究所有限公司領(lǐng)導(dǎo)，與國內(nèi)大學(xué)、制造商和科研機構(gòu)共同開展了各種協(xié)同研究。項目組克服了許多困難，開展了模擬設(shè)計、材料研發(fā)、電纜制造、系統(tǒng)匹配、測試評價等關(guān)鍵技術(shù)研究，解決了國內(nèi)絕緣基材分子結(jié)構(gòu)監(jiān)管優(yōu)化、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、大型電纜擠壓缺陷控制、突破尺寸厚度效應(yīng)抑制等技術(shù)問題。
開發(fā)絕緣材料，在實驗室制作樣品只是開始。如何走出實驗室，走向工業(yè)化的大規(guī)模準備往往是關(guān)鍵。從克計算的實驗材料研發(fā)，到100公斤級的生產(chǎn)試驗，再到噸級的大規(guī)模生產(chǎn)，數(shù)量級的變化可能導(dǎo)致材料性能的不穩(wěn)定。為此，研究團隊協(xié)調(diào)制造企業(yè)、測試單位等優(yōu)勢資源參與研究，試驗數(shù)百噸材料樣品、數(shù)千米電纜樣品，經(jīng)過9次型式試驗，才實現(xiàn)絕緣材料、電纜系統(tǒng)迭代優(yōu)化和性能穩(wěn)步提高，成功開發(fā)320kV、500kV直流電纜絕緣材料，初步建立了國內(nèi)高壓電纜絕緣材料工藝配方。
國內(nèi)絕緣材料市場潛力正在醞釀
雖然它已經(jīng)成功地打破了局面，但國內(nèi)絕緣材料還有很長的路要走。陳欣表示，目前我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(wěn)定性方面與國外絕緣材料基本相同，能夠滿足短距離500kV陸地高壓直流電纜的制造需求。然而，它長期連續(xù)擠壓方面與國外仍存在不小的差距。國外可實現(xiàn)70-130噸單次連續(xù)擠壓，國內(nèi)仍處于35噸以下水平。
但突破已成功開放，市場潛力正在醞釀之中。目前我國110kV及以上高壓電纜絕緣材料年進口量近10萬噸，相關(guān)電纜產(chǎn)值超過1000億元。同時，國內(nèi)產(chǎn)品在價格上也有優(yōu)勢。例如，國內(nèi)500kV高壓電纜絕緣材料的價格僅為國外同類產(chǎn)品的70%左右。高壓電纜產(chǎn)業(yè)鏈涉及石化基材、絕緣材料復(fù)合、電纜擠出、試驗評價、安裝、運維等多個上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)業(yè)鏈很長。如果整個產(chǎn)業(yè)鏈未來能夠定位，將對上下游產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生非常明顯的拉動作用。
例如，在快速發(fā)展的海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，隨著未來雙碳目標的推進，該領(lǐng)域?qū)Ω邏弘娎|有巨大的需求。德國計劃在海上風(fēng)力發(fā)電規(guī)模最高的歐洲640公里±525千伏高壓直流輸電走廊；英國還規(guī)劃了總長度超過3000公里的高壓直流輸電項目。今年9月，位于江蘇如東的亞洲出個±400千伏直流海纜驗收試驗也順利完成，具備供電和運輸條件。未來，隨著東部沿海許多海上風(fēng)力發(fā)電項目的完成，中國有望成為世界繼歐洲次之的九州大海上風(fēng)力發(fā)電國。
