《国产高压电缆绝缘料实现自主可控》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2021-12-23
  • 12月16日,国内首条总长达11公里的国产220千伏的绝缘料电缆示范工程在深圳投产后持续安全运行一个月,目前各项运行指标正常,顺利通过评审验收,标志着我国已掌握高压电缆可交联聚乙烯绝缘料自主可控技术,并实现了国产料规模化生产与工程示范应用。

    当今,城市之间的高压架空线渐渐消失,被纵横交错的地下电缆网络取而代之。地下电缆在为经济社会高质量发展传输稳定能源动力的同时,也提升了城市形象、改善了人居环境。随着我国城市化进程不断加快,高压电缆年均增长率超过10%,每年110千伏及以上高压电缆需求高达15000公里。

    近年来,随着国际形势的变化,尤其是受疫情蔓延的影响,全球出现了高压电缆绝缘料产能不足、供货周期加长和供应链不稳定等问题,严重影响着我国高压电缆产业链供应链安全和电网建设的推进。

    为破解技术难题,南方电网公司组织南网科研院、深圳供电局联合电力电缆产业链上下游企业,组建了包括电缆绝缘料生产企业、电缆制造企业、电缆专业试验检测机构及电网用户共同参与的技术攻关团队,经过多年集中攻关,攻克了国产220千伏高压电缆绝缘料复配改性及规模化生产等关键核心技术,自主研发了220千伏高压电缆绝缘料产品,实现了该领域的重大技术突破,填补了国内技术空白。今年7月,该项目成果通过中国机械联合会新产品技术鉴定,由中国工程院院士李立浧、中国科学院院士陈维江等15位行业专家组成的鉴定委员会一致认为该产品综合性能指标达到国际先进水平,打开了国产高压绝缘料高质量、自主发展的突围之路。

    “这个项目的技术难度、组织协调的复杂程度以及任务的紧迫性对攻关团队来说都是前所未有的挑战。”南方电网公司高级技术专家傅明利说,“我们能够实现国内首次创新示范应用,也是产学研联合攻关与创新的新范例。”

    据悉,本次示范工程,采用多家电缆制造企业产品,充分验证了国产绝缘料在不同电缆生产线上的适应性。深圳示范工程的成功,也将带动国内更多地区、更多电缆企业应用国产高压绝缘料。

    “虽说高压绝缘料的自主研发及应用是电缆工作者一直以来的梦想,但本次攻关才真正解决了国产高压绝缘料从实验室到规模化工程应用最后一公里所面临的技术问题。南方电网深圳供电局为国产高压绝缘料工程示范进行了充分的技术论证,保证了示范工程顺利投产,给未来国产高压绝缘料的全面推广应用注入强大的信心和动力。”南方电网深圳供电局副总经理章彬说。

    南方电网将进一步深化技术研发,扩大应用范围,不断提升高压绝缘料的可靠性,全力守护好城市的“地下供电血脉”,为城市发展提供源源不断的可靠能源保障,树立高压电缆绝缘料自主品牌。

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    • 编译者:冯瑞华
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    • 中国石化所属燕山石化110千伏电缆绝缘料挂缆示范工程正式启动。该工程首次应用自主研发生产的高压电缆绝缘料,标志着国产高等级绝缘新材料实现工业化示范应用。   而在此次示范工程启动前,今年3月,首台(套)应用国产绝缘材料的220千伏高压交流电缆系统在辽宁阜新220千伏新煤线挂网,截至目前运行稳定;在其后的4月,首台(套)应用国产绝缘材料的500千伏直流电缆系统也在张北柔直工程顺利通过竣工试验。   高压电缆作为远距离电力输送中的关键一环,绝缘材料在保障其安全运行中发挥着至关重要的作用。高压电缆绝缘材料国产化接连取得多项突破,并逐步实现工业化应用,将使其长期依赖进口的局面得到显著改善,将为我国保障能源安全、助力“双碳”目标实现贡献重要力量。   高压电缆对绝缘材料要求很高   理解绝缘材料的重要性,还需要从输电讲起。我国电力格局长久存在“源荷割离”现象,能源富藏地与用电负荷集中地不一致,由此而导致的长距离输电在所难免。随着“双碳”目标逐步推进,如何更加安全、高效地进行远距离电力输送,一直是我国电力事业发展中无法回避的问题。   通常,在输电距离和功率一定的情况下,输电电压越高,输电电能的损耗就越小。因此,高等级的高压输电在远距离输电中扮演着重要角色。   但输电电压等级越高,对电缆绝缘材料的要求也就越高。全球能源互联网研究院电工新材料研究所所长陈新向记者介绍道,相比于低压电缆的绝缘材料,高压电缆绝缘材料需耐受更高的电场强度;材料的空间电荷积聚和电阻率温度敏感性也要更低,如针对超高压电缆,要求其高、低温体积电阻率变化率须小于100,但对低压电缆则无相关要求。此外,超高压电缆绝缘材料对缺陷和杂质的控制要求也更加严苛,“超高压电缆绝缘材料中不允许有50微米以上的杂质,而普通低压电缆则允许存在几百微米以上的杂质。”陈新说。   高压电缆绝缘材料的发展经历了一个漫长过程。以当下广泛采用的高压直流输电方式为例,其电力电缆绝缘材料的发展先后经历了充油绝缘(OF)、油纸绝缘(MI)和交联聚乙烯(XLPE)绝缘3个阶段。“以充油和油纸为绝缘方式的直流电缆的问世已经超过100年。”陈新表示,早期的充油电缆采用中空导体作为油流道,通过充油不断浸渍导体外的绝缘层,达到绝缘效果。但此种绝缘方式需在电缆运行过程中不断进行充油,一旦电缆外层出现破损,便会造成油料泄漏,易导致环境污染,且维护难度大,现在已基本被淘汰。   近年来建设的高压直流输电工程中,发展迅速的交联聚乙烯挤塑电缆则成为更加普遍的选择。据陈新介绍,由于交联聚乙烯挤塑电缆相对于油纸电缆的运行温度更高,机械性能和绝缘性能更好,同时安装维护方便,生产工艺简单,目前已在电力系统中广泛应用。“目前的高压直流电缆几乎都采用交联聚乙烯作为绝缘材料。”   联合攻关找到高压绝缘材料“配方”   我国是全球第一大电缆制造国,但在高压电缆绝缘材料制造领域,却长期依赖进口,年进口量达10万吨,严重制约了我国高端电力装备的自主可控发展。   陈新认为,此前阻碍高压电缆绝缘材料国产化的主要困难来自于3个方面。首先,国内用于制造高压电缆绝缘材料的基础原材料性能不足,“电气性能比国外明显要低,击穿场强不到国外的60%,同时基础原材料中杂质含量高、流动稳定性也较差。”其次,国内对超高压电缆材料的配方组分以及各个组分间相互作用的研究十分薄弱,并无研制超高压电缆绝缘材料配方的经验可供参考。此外,不同配方的绝缘材料在从实验室中的小批量试验向工业化的大规模生产过渡中,性能可能会发生变化,保持放大后配方性能的工艺控制难度较高。   面对国外相关技术严密封锁、国内无相关经验需从零起步的情况,全球能源互联网研究院有限公司牵头,联合国内高校、制造厂商、科研院所开展多方协同攻关。项目组克服诸多困难,开展了仿真设计、材料研发、电缆制造、系统匹配、试验评价等关键技术研究,先后解决了国产绝缘基料分子结构调控优化、多场作用下空间电荷和电导非线性抑制、电缆系统多层介质界面绝缘电导匹配、大尺寸电缆挤出缺陷控制及击穿尺寸厚度效应抑制等多项技术难题。   研发绝缘材料,在实验室里做出样品只是第一步。如何走出实验室,走向工业化大批量制备往往是关键所在。从以“克”为单位计算的实验材料研发,到“百公斤级”的生产试验,再到“吨级”的大规模生产,数量级别的变化,可能导致材料性能的不稳定。为此,攻关团队协调制造企业、检测单位等优势资源参与科研攻关,试制了上百吨材料样品、数千米电缆样缆,前后经历9次型式试验,最终实现了绝缘材料、电缆系统不断迭代优化和性能稳步提升,成功研制出320千伏、500千伏直流电缆绝缘材料,初步建立了国产高压电缆绝缘材料的工艺配方。   国产绝缘材料市场潜力正在酝酿   虽然已成功破局,但国产绝缘材料仍有很长的路要走。陈新表示,目前我国高压直流电缆绝缘材料在高温耐电强度和高温体积电阻率稳定性方面与国外绝缘材料基本相当,已可以满足短距离500千伏陆地高压直流电缆的制造需求。但其在长时间连续挤出等方面还与国外存在一定差距,“国外可以实现70—130吨的单次连续挤出,国内还处于小于35吨的水平。”   但突破口已成功打开,市场潜力已在酝酿。据陈新估计,目前我国110千伏及以上高压电缆绝缘材料的年进口量近10万吨,而相关电缆产值超1000亿元。同时,国产产品在价格上还具有优势,如国产500千伏高压电缆绝缘材料的价格仅为国外同类产品的约70%。高压电缆产业链涉及石化基料、绝缘料复配、电缆挤出、试验评价、安装运维等诸多上下游相关产业,产业链长,如未来能实现全产业链的国产化,将对上下游产业产生十分明显的拉动作用。   如在发展迅速的海上风力发电领域,未来随着“双碳”目标推进,该领域将对高压电缆产生巨大需求。在当下海上风力发电量最大的欧洲,德国已规划了640公里的±525千伏高压直流输电走廊;英国同样规划了总长超过3000公里的高压直流输电项目。而今年9月,位于江苏如东的亚洲首条±400千伏直流海缆验收试验也顺利完成,已具备送电投运条件。未来,随着东部沿海多项海上风力发电项目的落成,我国有望成为世界第二大海上风力发电国。   陈新表示,接下来国产高压电缆绝缘材料将进一步提升性能,尤其是大长度成缆性能,并着重研究海缆工厂软接头技术,开发大长度海缆绝缘材料和海缆系统。
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    • 近日,在西电东送重点工程——溪洛渡右岸电站送电广东±500千伏同塔双回直流输电工程的受端从西换流站,随着现场运行人员发布操作指令,从西换流站交流场的刀闸开关慢慢合上,电流瞬间从千里之外的西部,奔向东部地区。这标志着我国自主研发的首台采用国产有载分接开关的换流变压器成功投运。 这是我国在高端电力装备研发方面取得的重大成果,我国在大容量有载分接开关领域实现了“从无到有,从有到优”的跨越式突破,高压直流输电系统“变速箱”实现了“中国制造”。 直流输电系统调压稳压的核心部件 我国东西部跨度上千公里,“西电东送”大都采用长距离、大容量、高电压的直流工程进行输电,工程送端和受端站点均要用到重达300多吨的换流变压器这种枢纽设备。而换流变压器其中的一个关键部件——有载分接开关,是直流输电系统调压稳压的核心部件,也是一个精密的机电设备。 “换流变压器有载分接开关好比汽车的自动‘变速箱’,电压调高调低,负荷调多调少,电流调大调小,都要通过它的档位来调节。”南方电网超高压公司生技部副总经理冯鸫形象地描述。 换流变压器有载分接开关有1000多个零部件,切换次数非常频繁,一年高达6000余次,一次切换包括9个过程,每次动作涉及到400多个零部件的精密配合,而且每个过程的时序配合为毫秒级,动作过程中涉及到电、热、力多场耦合作用,这种时序配合的精度可比拟机械手表。 “由于可靠性要求极高,制造难度极大,这项技术一直掌握在外国少数厂家手里。设备维修也受限于外国厂家,一旦发生故障,只能更换同型号的进口产品,订货周期需要3到4个月。”南方电网超高压公司广州局副总经理汪洋说,“近些年来,进口的换流变压器有载分接开关在运行中暴露出了机械开裂、绝缘劣化等问题,严重威胁着电网的安全运行。” “产学研用”攻关团队实现全链条国产制造 为了攻克这个“卡脖子”难题,南方电网超高压公司组建了“产学研用”攻关团队,联合产业链上下游企业共同开展“大容量换流变压器用6000kVA有载分接开关”关键技术国产化攻关。 针对进口设备暴露出的绝缘裕度不足、材料选型不合理、电气设计不完善等问题,攻关团队重点从设备结构、可靠性等方面开展攻坚,自主开展精细化建模仿真和真型样机试验验证。 从200多万种可能的结构中选出36种,再优中选优,最终选出最简洁最平衡的有载分接开关拓扑结构。 “难度极大的是研发真空灭弧室,这是中高电压电力开关的核心部件。”南方电网超高压公司高级技术专家邓军回忆道,“研发之初,我们计划采用进口真空灭弧室,经过深入研究分析,还是决定联合国内领军企业自主研发真空灭弧室,尽管这路会很艰难。” 经过计算、仿真、对比,攻关团队开展了3000次性能检测、37万次负载切换、160万次机械寿命、900万次波纹管疲劳等试验,最终研发出了真空灭弧室。 真空灭弧室的成功研发极大地鼓舞了攻关团队,他们经过不懈努力,花了两年时间接连突破了设计、制造、试验和可靠应用一系列关键技术,成功研制出了我国首台额定容量6000千伏安(kVA)、最大电压6000伏特(V)、最大额定电流1300安培(A)的大容量换流变有载分接开关,实现了“原材料—组部件—整机”全链条的国产制造。 与同类进口产品相比,自主研发的换流变压器有载分接开关性能更优。国产换流变压器有载分接开关大的成功研制,将大幅减少工程建设投入,仅从设备成本方面估算,其可使新建一条特高压直流输电工程的费用节省近4000万元,对提升“西电东送”主网架设备自主可控水平,带动我国高端电工装备产业链升级,以及保障我国能源电力供应的安全稳定具有十分重要的意义。