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高压直流电缆国产化取得关键突破

北极星输配电网  来源:国家电网报  作者:李维康 李文鹏  2021/2/2 8:44:44  我要投稿  

北极星输配电网讯:前不久,“±500千伏直流电缆关键技术”通过课题绩效评价。专家组认为,研究成果从系统运行、装备研制等方面推动了我国直流电网领域的技术进步,并带动了国内高端电气装备产业的发展。该成果具有完全自主知识产权,增强了我国高压直流电缆技术整体自主创新能力。

高压直流电缆有什么技术优势?高压直流电缆国产化过程中面临怎样的困难和挑战?国产±500千伏直流电缆技术取得了哪些突破?

高压直流电缆有哪些优势

作为柔性直流输电技术的关键装备,高压直流电缆可广泛应用于城市电网改造、跨区域直流联网、高寒地区输电、海上平台供电、海上风电接入和海岛供电等领域,已成为远距离、大容量输电和新能源电力规模化利用的大电网柔性互联的重点发展方向。

高压直流电缆比同电压等级交流电缆更加低碳环保和安全可靠,可解决新能源规模化利用与区域联网电力输送中的电能传输难题,提升城市化进程中输电网络增容的电缆化改造的安全性和环保性,增强电网抵抗自然灾害的能力和运行可靠性。

未来,城市电网建设、海上能源开发对电缆特别是高压直流电缆的需求巨大。目前,全球范围内完成型式试验的高压直流陆缆系统最高电压等级为±640千伏,已实现商业化运行的直流电缆系统最高电压等级为±320千伏。德国已规划总长6400千米的±525千伏直流电缆输电走廊。英国也规划了15项高压直流电缆工程,总长超过3000千米。在我国,江苏如东±400千伏海上风电并网直流电缆工程正在建设中。随着福建、广东等地海上风电项目的迅速发展,我国将成为全球第二大的海上风电开发市场,对高压直流电缆有很大需求。

高压直流电缆国产化面临什么挑战

直流电缆分为充油电缆、绕包绝缘电缆和挤包绝缘电缆。挤包直流电缆目前主要采用聚乙烯作为绝缘介质。聚乙烯电缆内部结构坚固且简单、生产安装方便、运维成本低,受到业内广泛关注。

我国是全球第一大电缆制造国,但核心材料技术长期依赖进口。电缆绝缘材料制造属于我国装备制造领域的典型“卡脖子”技术。国内外高压电缆绝缘材料的差距制约了我国高端电工装备自主可控及能源互联网的发展。

高压直流电缆绝缘材料的研发关键在于聚乙烯基础原材料。只有提升现有基础树脂的综合性能才能研制出适用于更高电压等级电缆的绝缘材料。目前,国产绝缘材料所用的国产基础树脂在洁净度、击穿场强、电导率等方面与国外有较大差距。同时,国内针对绝缘材料复配交联控制技术、绝缘材料批量制备超净化工艺技术、温度电导特性等方面的基础研究仍待加强。

大截面直流电缆的设计与制造也是高压直流电缆的技术难点之一。电缆绝缘较厚,电缆异型导体绞制、电缆绝缘挤出及后期绝缘脱气控制较难。由于国内厂商前期成缆工艺参数依据进口材料设置,在脱气、副产物控制等方面针对国产材料的技术积累不足,影响了成缆的质量稳定性。

此外,电缆附件绝缘材料与安装技术也是高压直流电缆研制的技术瓶颈之一。附件界面场强高、尺寸大,对安装工艺的要求十分严格,电缆与附件匹配安装主要靠手工完成,安装周期长,工人的技术水平对附件质量的影响较大。在附件材料与电缆材料的电导率非线性匹配调控、长期运行过程中界面压力调控等方面,我国也与国外存在差距。

国产±500千伏直流电缆技术取得哪些突破

电缆研制涉及诸多环节,所有核心技术均需自主摸索攻关,研发难度大。为加快突破我国直流电缆系统及绝缘材料核心技术,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、科研院所开展攻关。攻关团队系统开展了仿真设计、材料研发、电缆制造、系统匹配、试验评价等关键技术研究,逐步突破了材料空间电荷调控与匹配、电缆挤出圆整度控制及附件关键部件设计等关键技术。

研发绝缘材料,在实验室里做出样品并不是特别难,难的是材料走出实验室、走向工业化大批量制备的过程。从样品到产品,从实验室的“克级”模拟到中试生产线上的“百公斤级”试验、再到企业生产的“吨级”实战,材料的性能通常会发生较大变化。攻关团队协调制造企业、检测单位优势资源参与科研攻关。为解决某一重大问题,攻关团队试制了上百吨材料样品、数千米电缆样缆,实现材料、系统的迭代优化和性能提升。

历经直流电缆绝缘材料反复迭代和直流电缆9次型式试验,攻关团队突破了绝缘基料分子结构调控、直流电缆料耐电强度提升与电场控制、电缆系统绝缘材料电导匹配等技术瓶颈,成功研制了超高压直流电缆系统及绝缘材料,攻克了材料杂质和缺陷控制及批量化制备技术,大尺寸直流电缆和附件设计、制造、安装工艺,以及附件材料和结构优化设计等系列难题,为我国高压直流电缆的工程应用打下坚实基础。攻关团队研发出国产±500千伏直流电缆绝缘材料和屏蔽料、±500千伏直流电缆(陆缆)及附件。2020年,国产绝缘材料±535千伏直流电缆、高压直流电缆附件相继通过型式试验,标志着我国超高压直流电缆系统及绝缘材料核心技术实现突破。

在张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程中,±535千伏直流电缆实现示范应用。这也是世界范围内交联聚乙烯直流电缆的首次工程应用,促进电缆核心材料“开发-装备-应用”的完整技术链条形成。

±500千伏直流电缆系统及绝缘材料的研制打破了国外技术垄断,加快了我国电力装备行业的转型升级步伐。攻关团队将持续聚焦高端电缆系统及绝缘材料开展技术攻关,提升国产直流电缆系统及绝缘材料的核心竞争力,稳步实现核心绝缘材料的国产化替代,推进相关产业链向高价值领域提升。

(作者单位:全球能源互联网研究院有限公司)

原标题:高压直流电缆 国产化取得关键突破

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