前不久，“±500千伏直流電纜關(guān)鍵技術(shù)”通過(guò)課題績(jī)效評(píng)價(jià)。專(zhuān)家組認(rèn)為，研究成果從系統(tǒng)運(yùn)行、裝備研制等方面推動(dòng)了我國(guó)直流電網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，并帶動(dòng)了國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)，增強(qiáng)了我國(guó)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(shì)?高壓直流電纜國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中面臨怎樣的困難和挑戰(zhàn)?國(guó)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(shì)
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(yīng)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(tái)供電、海上風(fēng)電接入和海島供電等領(lǐng)域，已成為遠(yuǎn)距離、大容量輸電和新能源電力規(guī)模化利用的大電網(wǎng)柔性互聯(lián)的重點(diǎn)發(fā)展方向。
高壓直流電纜比同電壓等級(jí)交流電纜更加低碳環(huán)保和安全可靠，可解決新能源規(guī)?；门c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(jìn)程中輸電網(wǎng)絡(luò)增容的電纜化改造的安全性和環(huán)保性，增強(qiáng)電網(wǎng)抵抗自然災(zāi)害的能力和運(yùn)行可靠性。
未來(lái)，城市電網(wǎng)建設(shè)、海上能源開(kāi)發(fā)對(duì)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(yàn)的高壓直流陸纜系統(tǒng)最高電壓等級(jí)為±640千伏，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的直流電纜系統(tǒng)最高電壓等級(jí)為±320千伏。德國(guó)已規(guī)劃總長(zhǎng)6400千米的±525千伏直流電纜輸電走廊。英國(guó)也規(guī)劃了15項(xiàng)高壓直流電纜工程，總長(zhǎng)超過(guò)3000千米。在我國(guó)，江蘇如東±400千伏海上風(fēng)電并網(wǎng)直流電纜工程正在建設(shè)中。隨著福建、廣東等地海上風(fēng)電項(xiàng)目的迅速發(fā)展，我國(guó)將成為全球第二大的海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)市場(chǎng)，對(duì)高壓直流電纜有很大需求。
高壓直流電纜國(guó)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(jiān)固且簡(jiǎn)單、生產(chǎn)安裝方便、運(yùn)維成本低，受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。
我國(guó)是全球第一大電纜制造國(guó)，但核心材料技術(shù)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。電纜絕緣材料制造屬于我國(guó)裝備制造領(lǐng)域的典型“卡脖子”技術(shù)。國(guó)內(nèi)外高壓電纜絕緣材料的差距制約了我國(guó)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(shù)脂的綜合性能才能研制出適用于更高電壓等級(jí)電纜的絕緣材料。目前，國(guó)產(chǎn)絕緣材料所用的國(guó)產(chǎn)基礎(chǔ)樹(shù)脂在潔凈度、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、電導(dǎo)率等方面與國(guó)外有較大差距。同時(shí)，國(guó)內(nèi)針對(duì)絕緣材料復(fù)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(dǎo)特性等方面的基礎(chǔ)研究仍待加強(qiáng)。
大截面直流電纜的設(shè)計(jì)與制造也是高壓直流電纜的技術(shù)難點(diǎn)之一。電纜絕緣較厚，電纜異型導(dǎo)體絞制、電纜絕緣擠出及后期絕緣脫氣控制較難。由于國(guó)內(nèi)廠商前期成纜工藝參數(shù)依據(jù)進(jìn)口材料設(shè)置，在脫氣、副產(chǎn)物控制等方面針對(duì)國(guó)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(chǎng)強(qiáng)高、尺寸大，對(duì)安裝工藝的要求十分嚴(yán)格，電纜與附件匹配安裝主要靠手工完成，安裝周期長(zhǎng)，工人的技術(shù)水平對(duì)附件質(zhì)量的影響較大。在附件材料與電纜材料的電導(dǎo)率非線性匹配調(diào)控、長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中界面壓力調(diào)控等方面，我國(guó)也與國(guó)外存在差距。
國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)高校、制造廠商、科研院所開(kāi)展攻關(guān)。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開(kāi)展了仿真設(shè)計(jì)、材料研發(fā)、電纜制造、系統(tǒng)匹配、試驗(yàn)評(píng)價(jià)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(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。
研發(fā)絕緣材料，在實(shí)驗(yàn)室里做出樣品并不是特別難，難的是材料走出實(shí)驗(yàn)室、走向工業(yè)化大批量制備的過(guò)程。從樣品到產(chǎn)品，從實(shí)驗(yàn)室的“克級(jí)”模擬到中試生產(chǎn)線上的“百公斤級(jí)”試驗(yàn)、再到企業(yè)生產(chǎn)的“噸級(jí)”實(shí)戰(zhàn)，材料的性能通常會(huì)發(fā)生較大變化。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)制造企業(yè)、檢測(cè)單位優(yōu)勢(shì)資源參與科研攻關(guān)。為解決某一重大問(wèn)題，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)試制了上百噸材料樣品、數(shù)千米電纜樣纜，實(shí)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(fù)迭代和直流電纜9次型式試驗(yàn)，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)突破了絕緣基料分子結(jié)構(gòu)調(diào)控、直流電纜料耐電強(qiáng)度提升與電場(chǎng)控制、電纜系統(tǒng)絕緣材料電導(dǎo)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(shè)計(jì)、制造、安裝工藝，以及附件材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等系列難題，為我國(guó)高壓直流電纜的工程應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出國(guó)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(guó)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(guò)型式試驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó)超高壓直流電纜系統(tǒng)及絕緣材料核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破。
在張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程中，±535千伏直流電纜實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)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(yīng)用，促進(jìn)電纜核心材料“開(kāi)發(fā)-裝備-應(yīng)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(guó)外技術(shù)壟斷，加快了我國(guó)電力裝備行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)將持續(xù)聚焦高端電纜系統(tǒng)及絕緣材料開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，提升國(guó)產(chǎn)直流電纜系統(tǒng)及絕緣材料的核心競(jìng)爭(zhēng)力，穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)核心絕緣材料的國(guó)產(chǎn)化替代，推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈向高價(jià)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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