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国网智能电网研究院自主研发热塑性聚丙烯低碳环保电缆

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-11-15  浏览次数:2230
10月30日,由国网智能电网研究院有限公司牵头研制的35千伏热塑性聚丙烯低碳环保电缆在天津实现了千米级示范应用。这是该电压等级热塑性聚丙烯电缆的首次挂网运行,是环保电缆关键技术领域的一项重大突破,标志着我国掌握了35千伏环保电缆核心技术。

“双碳”背景下,电缆关键材料领域亟须实现技术突破

电力电缆作为重要的电网设备,发挥着输送能源的重要作用,是输配电系统的重要组成部分。目前,我国高压电缆运行长度和制造能力已全球领先,但在关键基础材料方面还有较大进步空间。随着我国提出“双碳”目标并开展相关行动,在电缆关键材料领域实现突破的需求更加迫切。

“相较于目前广泛应用的热固性交联电缆,热塑性聚丙烯电缆具有生产周期短、容量大、环保可回收等优点,代表着高压电力电缆的潜在发展方向。世界各国竞相研制这类电缆。”国网智研院副院长陈新介绍,与目前我国普遍应用的交联聚乙烯电缆相比,相同规格的热塑性聚丙烯电缆不仅可承载的最大电流提升了近1.2倍,且生产环节也减去了交联和副产物去除等操作工序,能显著降低电缆生产过程中的污染排放和能耗。

欧洲于2003年开始热塑性电缆的研制,已布局热塑性聚丙烯电缆近20年,应用的热塑性电缆长度超5万千米,目前在这一领域处于领先地位。我国在这方面起步较晚,目前处于跟跑水平。国内热固性电缆绝缘材料年消耗超过80万吨,无法再次回收利用。“双碳”背景下,环保热塑性绝缘材料替代需求和潜力巨大。

2017年,在国家电网有限公司科技部的大力支持下,国网智研院电工新材料研究所和欧洲研究院紧密协作,组建热塑性高压电缆材料攻关团队,启动相关研制工作。攻关团队充分发挥欧洲研究院的桥头堡和尖刀班优势,布局了热塑性电缆海外院长线攻关计划,致力于在热塑性聚丙烯电缆材料及电缆系统方面实现突破,实现对国外的技术赶超。

热塑性聚丙烯电缆材料研制成功,电气、耐热性能良好

相较于热固性交联聚乙烯电缆,热塑性聚丙烯电缆结晶度高、硬度大,在低于零下20摄氏度的低温环境下容易开裂。如何调控热塑性聚丙烯材料的配方组分,在保持聚丙烯电学、热学性能优点的同时改善其力学性能,综合平衡其机械性能、电气性能和耐热性能,是国网智研院热塑性高压电缆材料攻关团队面临的一大难题。

热塑性聚丙烯材料晶型多、导热性差,当熔体大幅收缩时,会导致电缆绝缘挤出厚度方向结晶不均匀。如何做好热塑性聚丙烯电缆的成缆制造控制是攻关团队需要解决的另一个难题。

此外,热塑性聚丙烯电缆材料作为全新的材料体系,如何为其匹配合适的半导电材料和电缆附件都是攻关团队面对的棘手问题。

攻关团队从零起步,从分析聚丙烯基料的基本特性入手,开展了大量的试验研究工作。材料配方的开发工作枯燥而烦琐,需要极大的耐心和细心。攻关团队与欧洲研究院充分发挥互补优势,通过跨国视频会议等方式开展联合攻关。

攻关团队针对国内热塑性聚丙烯电缆基料企业生产的近50种聚丙烯基料产品开展了详细测试分析,在近5年时间里开展了上千次配方验证。结合大量的试验数据,攻关团队最终确定了热塑性聚丙烯绝缘材料配方,掌握了核心组分控制原则,兼顾了配方的电气性、机械性、耐低温与耐热性能。他们研制的热塑性电缆在保持良好电气性的同时,在零下40摄氏度的环境中仍能保持良好的机械性能,不会开裂。

2020年是攻关团队的集中攻坚期,团队成员克服新冠肺炎疫情影响,忙碌近一年,在实验室中研制出了性能优异的热塑性聚丙烯绝缘材料配方。然而,在将实验室配方批量放大成缆时,团队成员却发现其工艺性能无法适应实际应用需求。

为克服热塑性聚丙烯电缆绝缘配方批量放大成缆的熔体流动不稳定问题,攻关团队负责人张翀带领团队成员针对材料和工艺每个环节展开分析,建立了以等规度和分子量调控综合优化熔体流动稳定性与结晶均一性的方法。在对热塑性聚丙烯电缆组分和挤出特性进行大量验证的基础上,攻关团队于今年年初成功研制出35千伏热塑性聚丙烯绝缘材料,并完成了成缆和试验验证,使电缆具备了挂网条件。

10月30日,在天津市西青区杨柳青地区,国网智研院自主研制的35千伏热塑性聚丙烯电缆依次通过耐压、介损试验和震荡波等竣工试验项目,顺利投运。该电缆是国网天津市电力公司35千伏埠窝线电缆工程的重要组成部分,线路长度1.08千米。投运后,该电缆保持稳定运行,各项指标均正常,为杨柳青地区安全可靠供电提供保障。此条电缆还运用高压电缆智能敷设装置,在国内首次实现了热塑性电缆的长距离敷设。

据攻关团队成员测算,相较于传统交联聚乙烯电缆,生产1.08千米回路三芯35千伏热塑性电缆,可减少电能消耗1100千瓦时,减排二氧化碳1.1吨,以及甲烷、苯乙酮、枯基醇等气体排放0.046吨,生产过程节能减排效果显著。

热塑性环保电缆挂网运行,填补相关技术领域空白

国网智研院热塑性高压电缆材料攻关团队联合国网天津电力、国网江西电力、宁波东方电缆股份有限公司和万马(浙江)高压材料有限公司等单位开展集中攻关,通过多年的深入细致研究,建立了热塑性绝缘材料“电-机-热”性能的综合平衡调控方法,解决了聚丙烯晶型多、成缆结晶均一性控制难题,完成了电缆的生产与大长度电缆排管敷设,并成功投入应用。攻关团队在材料、生产、施工、运维等环节进行的系统研究,填补了多项国内热塑性电缆材料技术领域的空白,为国内热塑性电缆材料的开发奠定了坚实基础。

9月27日,攻关团队研制的10千伏热塑性聚丙烯电缆材料及电缆系统在江西上高县供电公司成功挂网运行,挂网电缆总长度为1.5千米。此后,35千伏热塑性聚丙烯电缆在天津实现挂网。

目前,攻关团队瞄准世界领先水平,正攻关研制更高电压等级的热塑性电缆。同时,攻关团队还计划加强与公司其他省级电力公司的合作,进一步扩大热塑性电缆的挂网应用范围。在热塑性聚丙烯电缆自主化攻关取得良好开端的基础上,国网智研院正加快热塑性环保材料核心技术攻关,提升对产业链核心环节和关键领域的掌控力,保障产业链供应链安全发展。

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