逐步實(shí)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(guó)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的高壓電纜絕緣材料，為實(shí)現(xiàn)能源安全和雙碳目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。
近日，燕山石化110kV電纜絕緣材料懸掛示范項(xiàng)目正式啟動(dòng)。本項(xiàng)目初次采用自主研發(fā)生產(chǎn)的高壓電纜絕緣材料，標(biāo)志著華夏新型高等級(jí)絕緣材料的工業(yè)示范應(yīng)用。
示范工程啟動(dòng)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(yùn)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(guò)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(guó)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(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面得到顯著改變，將為我國(guó)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(kāi)始。我國(guó)電力模式長(zhǎng)期存在源負(fù)荷分離現(xiàn)象，能源收藏與電力負(fù)荷集中不一致，長(zhǎng)途輸電不可避免。隨著雙碳目標(biāo)的逐步推進(jìn)，如何保證平安、更有效地進(jìn)行遠(yuǎn)程電力輸送一直是我國(guó)電力發(fā)展中不可避免的問(wèn)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(yuǎn)程輸電中起著重要作用。
但輸電電壓水平越高，對(duì)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(zhǎng)陳欣告訴記者，高壓電纜絕緣材料應(yīng)承受較高的電場(chǎng)強(qiáng)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(duì)低壓電纜沒(méi)有相關(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)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(shuō)。
高壓電纜絕緣材料的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)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(gè)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(shuō)，早期的充油電纜采用空心導(dǎo)體作為油流道，通過(guò)充油不斷浸泡導(dǎo)體外的絕緣層，達(dá)到絕緣效果。然而，這種絕緣方法需要在電纜運(yùn)行過(guò)程中不斷充油。電纜外層一旦損壞，會(huì)造成油泄漏，容易造成環(huán)境污染，維護(hù)困難，現(xiàn)已基本淘汰。
近年來(lái)，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(duì)于油紙電纜的運(yùn)行溫度較高，機(jī)械性能和絕緣性能較好，安裝維護(hù)方便，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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(guó)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(zhǎng)期依賴進(jìn)口，年進(jìn)口量達(dá)到10萬(wàn)噸，嚴(yán)重制約了我國(guó)技術(shù)成熟電力設(shè)備的獨(dú)立可控發(fā)展。
我認(rèn)為，阻礙高壓電纜絕緣材料定位的主要困難來(lái)自三個(gè)方面。首先，我國(guó)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(guó)外，突破場(chǎng)不到國(guó)外的60%。同時(shí)，基本原材料雜質(zhì)含量高，流動(dòng)穩(wěn)定性差。其次，我國(guó)對(duì)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(méi)有開(kāi)發(fā)超高壓電纜絕緣材料配方的經(jīng)驗(yàn)可供參考。此外，在從實(shí)驗(yàn)室小批量試驗(yàn)到工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的過(guò)渡過(guò)程中，不同配方的絕緣材料的性能可能會(huì)發(fā)生變化，放大后難以控制配方性能。
面對(duì)國(guó)外相關(guān)技術(shù)的嚴(yán)格封鎖，世界沒(méi)有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)需要從零開(kāi)始，世界能源互聯(lián)網(wǎng)研究所有限公司領(lǐng)導(dǎo)，與國(guó)內(nèi)大學(xué)、制造商和科研機(jī)構(gòu)共同開(kāi)展了各種協(xié)同研究。項(xiàng)目組克服了許多困難，開(kāi)展了模擬設(shè)計(jì)、材料研發(fā)、電纜制造、系統(tǒng)匹配、測(cè)試評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)研究，解決了國(guó)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(wèn)題。
開(kāi)發(fā)絕緣材料，在實(shí)驗(yàn)室制作樣品只是開(kāi)始。如何走出實(shí)驗(yàn)室，走向工業(yè)化的大規(guī)模準(zhǔn)備往往是關(guān)鍵。從克計(jì)算的實(shí)驗(yàn)材料研發(fā)，到100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)的變化可能導(dǎo)致材料性能的不穩(wěn)定。為此，研究團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)制造企業(yè)、測(cè)試單位等優(yōu)勢(shì)資源參與研究，試驗(yàn)數(shù)百噸材料樣品、數(shù)千米電纜樣品，經(jīng)過(guò)9次型式試驗(yàn)，才實(shí)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(kāi)發(fā)320kV、500kV直流電纜絕緣材料，初步建立了國(guó)內(nèi)高壓電纜絕緣材料工藝配方。
國(guó)內(nèi)絕緣材料市場(chǎng)潛力正在醞釀
雖然它已經(jīng)成功地打破了局面，但國(guó)內(nèi)絕緣材料還有很長(zhǎng)的路要走。陳欣表示，目前我國(guó)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(guó)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(zhǎng)期連續(xù)擠壓方面與國(guó)外仍存在不小的差距。國(guó)外可實(shí)現(xiàn)70-130噸單次連續(xù)擠壓，國(guó)內(nèi)仍處于35噸以下水平。
但突破已成功開(kāi)放，市場(chǎng)潛力正在醞釀之中。目前我國(guó)110kV及以上高壓電纜絕緣材料年進(jìn)口量近10萬(wàn)噸，相關(guān)電纜產(chǎn)值超過(guò)1000億元。同時(shí)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在價(jià)格上也有優(yōu)勢(shì)。例如，國(guó)內(nèi)500kV高壓電纜絕緣材料的價(jià)格僅為國(guó)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(yàn)評(píng)價(jià)、安裝、運(yùn)維等多個(gè)上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)業(yè)鏈很長(zhǎng)。如果整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈未來(lái)能夠定位，將對(duì)上下游產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生非常明顯的拉動(dòng)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(lái)雙碳目標(biāo)的推進(jìn)，該領(lǐng)域?qū)?duì)高壓電纜有巨大的需求。德國(guó)計(jì)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(guó)還規(guī)劃了總長(zhǎng)度超過(guò)3000公里的高壓直流輸電項(xiàng)目。今年9月，位于江蘇如東的亞洲出個(gè)±400千伏直流海纜驗(yàn)收試驗(yàn)也順利完成，具備供電和運(yùn)輸條件。未來(lái)，隨著東部沿海許多海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的完成，中國(guó)有望成為世界繼歐洲次之的九州大海上風(fēng)力發(fā)電國(guó)。
