前不久，“±500千伏直流電纜關(guān)鍵技術(shù)”通過課題績效評價。專家組認為，研究成果從系統(tǒng)運行、裝備研制等方面推動了我國直流電網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)進步，并帶動了國內(nèi)高端電氣裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。該成果具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，增強了我國高壓直流電纜技術(shù)整體自主創(chuàng)新能力。
高壓直流電纜有什么技術(shù)優(yōu)勢?高壓直流電纜國產(chǎn)化過程中面臨怎樣的困難和挑戰(zhàn)?國產(chǎn)±500千伏直流電纜技術(shù)取得了哪些突破?
高壓直流電纜有哪些優(yōu)勢
作為柔性直流輸電技術(shù)的關(guān)鍵裝備，高壓直流電纜可廣泛應用于城市電網(wǎng)改造、跨區(qū)域直流聯(lián)網(wǎng)、高寒地區(qū)輸電、海上平臺供電、海上風電接入和海島供電等領(lǐng)域，已成為遠距離、大容量輸電和新能源電力規(guī)?；玫拇箅娋W(wǎng)柔性互聯(lián)的重點發(fā)展方向。
高壓直流電纜比同電壓等級交流電纜更加低碳環(huán)保和安全可靠，可解決新能源規(guī)模化利用與區(qū)域聯(lián)網(wǎng)電力輸送中的電能傳輸難題，提升城市化進程中輸電網(wǎng)絡增容的電纜化改造的安全性和環(huán)保性，增強電網(wǎng)抵抗自然災害的能力和運行可靠性。
未來，城市電網(wǎng)建設、海上能源開發(fā)對電纜特別是高壓直流電纜的需求巨大。目前，全球范圍內(nèi)完成型式試驗的高壓直流陸纜系統(tǒng)最高電壓等級為±640千伏，已實現(xiàn)商業(yè)化運行的直流電纜系統(tǒng)最高電壓等級為±320千伏。德國已規(guī)劃總長6400千米的±525千伏直流電纜輸電走廊。英國也規(guī)劃了15項高壓直流電纜工程，總長超過3000千米。在我國，江蘇如東±400千伏海上風電并網(wǎng)直流電纜工程正在建設中。隨著福建、廣東等地海上風電項目的迅速發(fā)展，我國將成為全球第二大的海上風電開發(fā)市場，對高壓直流電纜有很大需求。
高壓直流電纜國產(chǎn)化面臨什么挑戰(zhàn)
直流電纜分為充油電纜、繞包絕緣電纜和擠包絕緣電纜。擠包直流電纜目前主要采用聚乙烯作為絕緣介質(zhì)。聚乙烯電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)堅固且簡單、生產(chǎn)安裝方便、運維成本低，受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。
我國是全球第一大電纜制造國，但核心材料技術(shù)長期依賴進口。電纜絕緣材料制造屬于我國裝備制造領(lǐng)域的典型“卡脖子”技術(shù)。國內(nèi)外高壓電纜絕緣材料的差距制約了我國高端電工裝備自主可控及能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
高壓直流電纜絕緣材料的研發(fā)關(guān)鍵在于聚乙烯基礎(chǔ)原材料。只有提升現(xiàn)有基礎(chǔ)樹脂的綜合性能才能研制出適用于更高電壓等級電纜的絕緣材料。目前，國產(chǎn)絕緣材料所用的國產(chǎn)基礎(chǔ)樹脂在潔凈度、擊穿場強、電導率等方面與國外有較大差距。同時，國內(nèi)針對絕緣材料復配交聯(lián)控制技術(shù)、絕緣材料批量制備超凈化工藝技術(shù)、溫度電導特性等方面的基礎(chǔ)研究仍待加強。
大截面直流電纜的設計與制造也是高壓直流電纜的技術(shù)難點之一。電纜絕緣較厚，電纜異型導體絞制、電纜絕緣擠出及后期絕緣脫氣控制較難。由于國內(nèi)廠商前期成纜工藝參數(shù)依據(jù)進口材料設置，在脫氣、副產(chǎn)物控制等方面針對國產(chǎn)材料的技術(shù)積累不足，影響了成纜的質(zhì)量穩(wěn)定性。
此外，電纜附件絕緣材料與安裝技術(shù)也是高壓直流電纜研制的技術(shù)瓶頸之一。附件界面場強高、尺寸大，對安裝工藝的要求十分嚴格，電纜與附件匹配安裝主要靠手工完成，安裝周期長，工人的技術(shù)水平對附件質(zhì)量的影響較大。在附件材料與電纜材料的電導率非線性匹配調(diào)控、長期運行過程中界面壓力調(diào)控等方面，我國也與國外存在差距。
國產(chǎn)±500千伏直流電纜技術(shù)取得哪些突破
電纜研制涉及諸多環(huán)節(jié)，所有核心技術(shù)均需自主摸索攻關(guān)，研發(fā)難度大。為加快突破我國直流電纜系統(tǒng)及絕緣材料核心技術(shù)，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司牽頭，聯(lián)合國內(nèi)高校、制造廠商、科研院所開展攻關(guān)。攻關(guān)團隊系統(tǒng)開展了仿真設計、材料研發(fā)、電纜制造、系統(tǒng)匹配、試驗評價等關(guān)鍵技術(shù)研究，逐步突破了材料空間電荷調(diào)控與匹配、電纜擠出圓整度控制及附件關(guān)鍵部件設計等關(guān)鍵技術(shù)。
研發(fā)絕緣材料，在實驗室里做出樣品并不是特別難，難的是材料走出實驗室、走向工業(yè)化大批量制備的過程。從樣品到產(chǎn)品，從實驗室的“克級”模擬到中試生產(chǎn)線上的“百公斤級”試驗、再到企業(yè)生產(chǎn)的“噸級”實戰(zhàn)，材料的性能通常會發(fā)生較大變化。攻關(guān)團隊協(xié)調(diào)制造企業(yè)、檢測單位優(yōu)勢資源參與科研攻關(guān)。為解決某一重大問題，攻關(guān)團隊試制了上百噸材料樣品、數(shù)千米電纜樣纜，實現(xiàn)材料、系統(tǒng)的迭代優(yōu)化和性能提升。
歷經(jīng)直流電纜絕緣材料反復迭代和直流電纜9次型式試驗，攻關(guān)團隊突破了絕緣基料分子結(jié)構(gòu)調(diào)控、直流電纜料耐電強度提升與電場控制、電纜系統(tǒng)絕緣材料電導匹配等技術(shù)瓶頸，成功研制了超高壓直流電纜系統(tǒng)及絕緣材料，攻克了材料雜質(zhì)和缺陷控制及批量化制備技術(shù)，大尺寸直流電纜和附件設計、制造、安裝工藝，以及附件材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計等系列難題，為我國高壓直流電纜的工程應用打下堅實基礎(chǔ)。攻關(guān)團隊研發(fā)出國產(chǎn)±500千伏直流電纜絕緣材料和屏蔽料、±500千伏直流電纜(陸纜)及附件。2020年，國產(chǎn)絕緣材料±535千伏直流電纜、高壓直流電纜附件相繼通過型式試驗，標志著我國超高壓直流電纜系統(tǒng)及絕緣材料核心技術(shù)實現(xiàn)突破。
在張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程中，±535千伏直流電纜實現(xiàn)示范應用。這也是世界范圍內(nèi)交聯(lián)聚乙烯直流電纜的首次工程應用，促進電纜核心材料“開發(fā)-裝備-應用”的完整技術(shù)鏈條形成。
±500千伏直流電纜系統(tǒng)及絕緣材料的研制打破了國外技術(shù)壟斷，加快了我國電力裝備行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級步伐。攻關(guān)團隊將持續(xù)聚焦高端電纜系統(tǒng)及絕緣材料開展技術(shù)攻關(guān)，提升國產(chǎn)直流電纜系統(tǒng)及絕緣材料的核心競爭力，穩(wěn)步實現(xiàn)核心絕緣材料的國產(chǎn)化替代，推進相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈向高價值領(lǐng)域提升。
(供圖及作者單位：全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司)
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