國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院自主研發(fā)熱塑性聚丙烯低碳環(huán)保電纜

發(fā)布日期：2022-11-15 瀏覽次數(shù)：2829

10月30日，由國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司牽頭研制的35千伏熱塑性聚丙烯低碳環(huán)保電纜在天津?qū)崿F(xiàn)了千米級示范應(yīng)用。這是該電壓等級熱塑性聚丙烯電纜的首次掛網(wǎng)運行，是環(huán)保電纜關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的一項重大突破，標(biāo)志著我國掌握了35千伏環(huán)保電纜核心技術(shù)。

“雙碳”背景下，電纜關(guān)鍵材料領(lǐng)域亟須實現(xiàn)技術(shù)突破

電力電纜作為重要的電網(wǎng)設(shè)備，發(fā)揮著輸送能源的重要作用，是輸配電系統(tǒng)的重要組成部分。目前，我國高壓電纜運行長度和制造能力已全球領(lǐng)先，但在關(guān)鍵基礎(chǔ)材料方面還有較大進(jìn)步空間。隨著我國提出“雙碳”目標(biāo)并開展相關(guān)行動，在電纜關(guān)鍵材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破的需求更加迫切。

“相較于目前廣泛應(yīng)用的熱固性交聯(lián)電纜，熱塑性聚丙烯電纜具有生產(chǎn)周期短、容量大、環(huán)?？苫厥盏葍?yōu)點，代表著高壓電力電纜的潛在發(fā)展方向。世界各國競相研制這類電纜。”國網(wǎng)智研院副院長陳新介紹，與目前我國普遍應(yīng)用的交聯(lián)聚乙烯電纜相比，相同規(guī)格的熱塑性聚丙烯電纜不僅可承載的最大電流提升了近1.2倍，且生產(chǎn)環(huán)節(jié)也減去了交聯(lián)和副產(chǎn)物去除等操作工序，能顯著降低電纜生產(chǎn)過程中的污染排放和能耗。

歐洲于2003年開始熱塑性電纜的研制，已布局熱塑性聚丙烯電纜近20年，應(yīng)用的熱塑性電纜長度超5萬千米，目前在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。我國在這方面起步較晚，目前處于跟跑水平。國內(nèi)熱固性電纜絕緣材料年消耗超過80萬噸，無法再次回收利用。“雙碳”背景下，環(huán)保熱塑性絕緣材料替代需求和潛力巨大。

2017年，在國家電網(wǎng)有限公司科技部的大力支持下，國網(wǎng)智研院電工新材料研究所和歐洲研究院緊密協(xié)作，組建熱塑性高壓電纜材料攻關(guān)團(tuán)隊，啟動相關(guān)研制工作。攻關(guān)團(tuán)隊充分發(fā)揮歐洲研究院的橋頭堡和尖刀班優(yōu)勢，布局了熱塑性電纜海外院長線攻關(guān)計劃，致力于在熱塑性聚丙烯電纜材料及電纜系統(tǒng)方面實現(xiàn)突破，實現(xiàn)對國外的技術(shù)趕超。

熱塑性聚丙烯電纜材料研制成功，電氣、耐熱性能良好

相較于熱固性交聯(lián)聚乙烯電纜，熱塑性聚丙烯電纜結(jié)晶度高、硬度大，在低于零下20攝氏度的低溫環(huán)境下容易開裂。如何調(diào)控?zé)崴苄跃郾┎牧系呐浞浇M分，在保持聚丙烯電學(xué)、熱學(xué)性能優(yōu)點的同時改善其力學(xué)性能，綜合平衡其機(jī)械性能、電氣性能和耐熱性能，是國網(wǎng)智研院熱塑性高壓電纜材料攻關(guān)團(tuán)隊面臨的一大難題。

熱塑性聚丙烯材料晶型多、導(dǎo)熱性差，當(dāng)熔體大幅收縮時，會導(dǎo)致電纜絕緣擠出厚度方向結(jié)晶不均勻。如何做好熱塑性聚丙烯電纜的成纜制造控制是攻關(guān)團(tuán)隊需要解決的另一個難題。

此外，熱塑性聚丙烯電纜材料作為全新的材料體系，如何為其匹配合適的半導(dǎo)電材料和電纜附件都是攻關(guān)團(tuán)隊面對的棘手問題。

攻關(guān)團(tuán)隊從零起步，從分析聚丙烯基料的基本特性入手，開展了大量的試驗研究工作。材料配方的開發(fā)工作枯燥而煩瑣，需要極大的耐心和細(xì)心。攻關(guān)團(tuán)隊與歐洲研究院充分發(fā)揮互補優(yōu)勢，通過跨國視頻會議等方式開展聯(lián)合攻關(guān)。

攻關(guān)團(tuán)隊針對國內(nèi)熱塑性聚丙烯電纜基料企業(yè)生產(chǎn)的近50種聚丙烯基料產(chǎn)品開展了詳細(xì)測試分析，在近5年時間里開展了上千次配方驗證。結(jié)合大量的試驗數(shù)據(jù)，攻關(guān)團(tuán)隊最終確定了熱塑性聚丙烯絕緣材料配方，掌握了核心組分控制原則，兼顧了配方的電氣性、機(jī)械性、耐低溫與耐熱性能。他們研制的熱塑性電纜在保持良好電氣性的同時，在零下40攝氏度的環(huán)境中仍能保持良好的機(jī)械性能，不會開裂。

2020年是攻關(guān)團(tuán)隊的集中攻堅期，團(tuán)隊成員克服新冠肺炎疫情影響，忙碌近一年，在實驗室中研制出了性能優(yōu)異的熱塑性聚丙烯絕緣材料配方。然而，在將實驗室配方批量放大成纜時，團(tuán)隊成員卻發(fā)現(xiàn)其工藝性能無法適應(yīng)實際應(yīng)用需求。

為克服熱塑性聚丙烯電纜絕緣配方批量放大成纜的熔體流動不穩(wěn)定問題，攻關(guān)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人張翀帶領(lǐng)團(tuán)隊成員針對材料和工藝每個環(huán)節(jié)展開分析，建立了以等規(guī)度和分子量調(diào)控綜合優(yōu)化熔體流動穩(wěn)定性與結(jié)晶均一性的方法。在對熱塑性聚丙烯電纜組分和擠出特性進(jìn)行大量驗證的基礎(chǔ)上，攻關(guān)團(tuán)隊于今年年初成功研制出35千伏熱塑性聚丙烯絕緣材料，并完成了成纜和試驗驗證，使電纜具備了掛網(wǎng)條件。

10月30日，在天津市西青區(qū)楊柳青地區(qū)，國網(wǎng)智研院自主研制的35千伏熱塑性聚丙烯電纜依次通過耐壓、介損試驗和震蕩波等竣工試驗項目，順利投運。該電纜是國網(wǎng)天津市電力公司35千伏埠窩線電纜工程的重要組成部分，線路長度1.08千米。投運后，該電纜保持穩(wěn)定運行，各項指標(biāo)均正常，為楊柳青地區(qū)安全可靠供電提供保障。此條電纜還運用高壓電纜智能敷設(shè)裝置，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了熱塑性電纜的長距離敷設(shè)。

據(jù)攻關(guān)團(tuán)隊成員測算，相較于傳統(tǒng)交聯(lián)聚乙烯電纜，生產(chǎn)1.08千米回路三芯35千伏熱塑性電纜，可減少電能消耗1100千瓦時，減排二氧化碳1.1噸，以及甲烷、苯乙酮、枯基醇等氣體排放0.046噸，生產(chǎn)過程節(jié)能減排效果顯著。

熱塑性環(huán)保電纜掛網(wǎng)運行，填補相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域空白

國網(wǎng)智研院熱塑性高壓電纜材料攻關(guān)團(tuán)隊聯(lián)合國網(wǎng)天津電力、國網(wǎng)江西電力、寧波東方電纜股份有限公司和萬馬（浙江）高壓材料有限公司等單位開展集中攻關(guān)，通過多年的深入細(xì)致研究，建立了熱塑性絕緣材料“電-機(jī)-熱”性能的綜合平衡調(diào)控方法，解決了聚丙烯晶型多、成纜結(jié)晶均一性控制難題，完成了電纜的生產(chǎn)與大長度電纜排管敷設(shè)，并成功投入應(yīng)用。攻關(guān)團(tuán)隊在材料、生產(chǎn)、施工、運維等環(huán)節(jié)進(jìn)行的系統(tǒng)研究，填補了多項國內(nèi)熱塑性電纜材料技術(shù)領(lǐng)域的空白，為國內(nèi)熱塑性電纜材料的開發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ)。

9月27日，攻關(guān)團(tuán)隊研制的10千伏熱塑性聚丙烯電纜材料及電纜系統(tǒng)在江西上高縣供電公司成功掛網(wǎng)運行，掛網(wǎng)電纜總長度為1.5千米。此后，35千伏熱塑性聚丙烯電纜在天津?qū)崿F(xiàn)掛網(wǎng)。

目前，攻關(guān)團(tuán)隊瞄準(zhǔn)世界領(lǐng)先水平，正攻關(guān)研制更高電壓等級的熱塑性電纜。同時，攻關(guān)團(tuán)隊還計劃加強與公司其他省級電力公司的合作，進(jìn)一步擴(kuò)大熱塑性電纜的掛網(wǎng)應(yīng)用范圍。在熱塑性聚丙烯電纜自主化攻關(guān)取得良好開端的基礎(chǔ)上，國網(wǎng)智研院正加快熱塑性環(huán)保材料核心技術(shù)攻關(guān)，提升對產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)和關(guān)鍵領(lǐng)域的掌控力，保障產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全發(fā)展。

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