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
國產110kV、220kV、500kV高壓電纜絕緣材料的逐步產業化應用，將顯著改善我國高壓電纜絕緣材料長期依賴進口的狀況，保障我國能源安全，為電力工業作出貢獻。 “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110kV電纜絕緣材料懸掛示範工程正式啟動。該項目首次采用自主研發的高壓電纜絕緣材料，標誌著國內高檔絕緣新材料的產業化示範應用。
在該示範工程啟動之前，今年3月，首套采用國產絕緣材料的220kV高壓交流電纜係統在遼寧省阜新市220kV新建煤電線路上安裝。截至目前，運行穩定；今年4月，首套采用國產絕緣材料的500kV直流電纜係統（套）也順利通過張北柔性直流工程竣工試驗。
高壓電纜是長距離電力傳輸的關鍵環節，絕緣材料對其安全運行起著至關重要的作用。高壓電纜絕緣材料國產化取得多項突破並逐步實現產業化應用，將顯著改善其長期依賴進口的局麵，為保障我國能源安全、助力實現“雙碳”目標作出重大貢獻。
高壓電纜對絕緣材料要求很高
要了解絕緣材料的重要性，我們需要從電力傳輸開始。我國電網長期存在“源荷分離”現象。能源豐富地區與電力負荷集中地區不一致。由此產生的長距離電力傳輸是不可避免的。隨著“雙碳”目標的逐步推進，如何更加安全高效地進行長距離電力輸送一直是我國電力工業發展中不可回避的問題。
一般情況下，當傳輸距離和功率一定時，傳輸電壓越高，傳輸能量的損失越小。因此，高等級高壓輸電在長距離輸電中發揮著重要作用。
但輸電電壓等級越高，對電纜絕緣材料的要求就越高。全球能源互聯網研究院電氣新材料研究所所長陳鑫告訴記者，與低壓電纜絕緣材料相比，高壓電纜絕緣材料需要承受更高的電場強度；材料的空間電荷積累和電阻率溫度的靈敏度也應較低。例如，對於超高壓電纜，高低溫體積電阻率變化率必須小於100，但對於低壓電纜則沒有相關要求。此外，對超高壓電纜絕緣材料的缺陷和雜質的控製要求也更加嚴格。 “超高壓電纜絕緣材料不允許含有50微米以上的雜質，而普通低壓電纜則允許含有幾百微米以上的雜質。”陳鑫說道。
高壓電纜絕緣材料的發展經曆了一個漫長的過程。以目前廣泛采用的高壓直流輸電方式為例，電力電纜絕緣材料的發展經曆了充油絕緣（OF）、油紙絕緣（MI）和交聯聚乙烯（XLPE）三個階段。 ） 絕緣。 “采用充油和油紙絕緣方式的直流電纜的出現已有100多年的曆史了。”陳鑫介紹說，早期的充油電纜采用空心導體作為油流通道，導體外的絕緣層不斷浸漬油以實現絕緣。影響。但這種絕緣方法需要電纜在運行過程中不斷注油。電纜外層一旦損壞，就會造成漏油，容易導致環境汙染，且維護困難。現在已經基本消除了。
在近年來建設的高壓直流輸電工程中，快速發展的交聯聚乙烯擠塑電纜已成為較為普遍的選擇。陳欣介紹，由於交聯聚乙烯擠塑電纜比油紙電纜具有更高的工作溫度、更好的機械性能和絕緣性能，且易於安裝和維護，生產工藝簡單，因此在電力係統中得到了廣泛的應用。 “目前的高壓直流電纜幾乎都采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”
我國是全球最大的電纜製造國，但在高壓電纜絕緣材料製造領域長期依賴進口，年進口量達10萬噸，嚴重製約了我國高端電纜自主可控發展電力設備。
陳鑫認為，此前阻礙高壓電纜絕緣材料國產化的困難主要來自三個方麵。首先，我國用於製造高壓電纜絕緣材料的基礎原材料性能不足。 “電性能明顯低於國外，擊穿場強不到國外的60%。同時基礎原料雜質含量高，流動穩定性差。其次，國內對特高壓電纜材料的配方組分及組分間相互作用的研究非常薄弱，沒有開發特高壓電纜絕緣材料配方的經驗可供借鑒。此外，不同配方的絕緣材料在從實驗室小批量測試過渡到工業化大規模生產的過程中可能會發生變化，並且難以控製過程以保持放大配方的性能。
麵對國外相關技術的嚴格封鎖以及國內沒有相關經驗的需要從頭開始，全球能源互聯網研究院有限公司牽頭，與國內高校、製造商、科研院所合作，開展進行多方協作研究。項目組克服重重困難，開展模擬設計、材料研發、電纜製造、係統匹配、試驗評價等關鍵技術研究，先後解決了國產絕緣基材分子結構調控和優化問題，並抑製多場效應下的空間電荷和電導非線性。電纜係統多層介質界麵絕緣電導匹配、大尺寸電纜擠壓缺陷控製和擊穿尺寸厚度效應抑製等諸多技術難題。
開發絕緣材料並在實驗室製作樣品隻是第一步。如何走出實驗室，走向工業化大規模製備往往是關鍵。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，數量水平的變化都可能導致材料性能的不穩定。為此，課題組協調製造企業、檢測單位等優勢資源參與科研攻關，試製了數百噸材料樣品和數千米電纜樣品。他們前後經曆了9次型式試驗，最終實現了絕緣材料和電纜係統的不斷迭代。優化和性能穩步提升，成功研發出320kV、500kV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
雖然已經成功突破，但國產保溫材料還有很長的路要走。陳鑫表示，目前，我國高壓直流電纜絕緣材料在高溫電氣強度、高溫體積電阻率穩定性等方麵與國外絕緣材料基本相當，已經能夠滿足短距離的製造需求。 500 kV 陸地高壓直流電纜。但在長期連續擠壓方麵與國外尚有一定差距。 “國外可以做到單次連續擠壓70-130噸，但國內還停留在35噸以下的水平。”
但突破口已經成功打開，市場潛力已經在醞釀。據陳鑫測算，我國目前110kV及以上高壓電纜絕緣材料年進口量近10萬噸，相關電纜產值超過1000億元。同時，國產產品在價格上也有優勢。例如，國產500kV高壓電纜絕緣材料的價格僅為國外同類產品的70%左右。高壓電纜產業鏈涉及石化基材、絕緣材料複合、電纜擠出、試驗評估、安裝、運行維護等多個上下遊相關產業，產業鏈較長。如果未來整個產業鏈能夠國產化，將對上下遊產業產生很大的影響。產業拉動作用非常明顯。
例如，在快速發展的海上風力發電領域，未來隨著“雙碳”目標的推進，該領域將產生對高壓電纜的巨大需求。在目前海上風力發電規模最大的歐洲，德國規劃了640公裏525kV高壓直流輸電走廊；英國還規劃了總長度超過3000公裏的高壓直流輸電工程。今年9月，位於江蘇如東的亞洲第一條400kV直流海纜順利完成驗收，現已具備輸電運營條件。未來，隨著東部沿海多個海上風電項目的建成，我國有望成為全球第二大海上風電發電國。
陳鑫表示，未來，國產高壓電纜絕緣材料的性能將進一步提高，特別是長長度電纜的性能，重點將是海底電纜廠軟接頭技術的研究和長距離海底電纜絕緣材料和海底電纜係統的開發。