電力電纜敷設于城市地下，如同人體的一條條血管，承擔著傳輸或分配大功率電能的重要任務。隨著“雙碳”目標全面推進和新型電力系統加快建設，電力電纜裝備綠色低碳發(fā)展成為必然趨勢。中國電力科學研究院聯合國內石化企業(yè)、電纜生產廠家等上下游單位和高校，創(chuàng)新開展新型中壓電力電纜研究，推動電網綠色發(fā)展——
3月29日，中國電力科學研究院組織召開聚丙烯絕緣電纜段的相容性老化性能研究討論總結會，分析聚丙烯絕緣材料的微觀結構和宏觀性能變化，以支撐聚丙烯絕緣電纜段的長期運行狀態(tài)和可靠性評估。
自2022年以來，由中國電科院牽頭組建的研究團隊立足“聚丙烯絕緣材料原位聚合與電力電纜制造關鍵技術”項目，持續(xù)攻關聚丙烯絕緣電力電纜可靠應用的關鍵技術，創(chuàng)新提出絕緣熱穩(wěn)定測試、長時穩(wěn)定性測試和低溫拉伸性能等熱塑性聚丙烯絕緣電力電纜可靠性試驗方法，在聚丙烯電纜料性能提升、中壓電力電纜制造和系統評價方法研究上取得突出成果。
優(yōu)化新材料性能
降低污染和能耗滿足使用要求
3月12日，中國電科院高壓所電纜技術研究人員黃凱文選取電纜的聚丙烯絕緣試樣，置于萬能拉伸試驗機夾具之間，隨后啟動試驗機，電纜絕緣試樣被逐漸拉伸，直至拉斷。在試驗過程中，他觀察記錄試樣拉伸強度和斷裂時的伸長率。
聚丙烯是一種半結晶的熱塑性塑料，是替代傳統熱固性絕緣的重要材料。在生產過程中，新型聚丙烯電纜無須交聯和去氣等操作工序，降低了電纜生產過程中的污染和能耗，且廢棄材料可百分百回收再利用，助力企業(yè)提質增效。
但是，普通聚丙烯模量高，導致韌性較差，無法達到實際應用要求。研究人員通過觀察聚丙烯電纜絕緣料的斷裂伸長率來評判材料是否能達到應用要求。“中壓電力電纜用于連接變電站和用電負荷端，安裝通道彎曲較多，甚至會有很大的轉角，對電纜韌性提出了很高的要求。我們在研究中首要考慮的是如何讓聚丙烯材料制成的中壓電力電纜達到最優(yōu)的韌性，以防電纜在敷設中受到損傷。”團隊負責人歐陽本紅介紹。
在研究前期，研究團隊發(fā)現利用常規(guī)的增韌改性方法會導致電纜電氣性能大幅下降。“高分子材料的性能和分子結構之間緊密相關，如果要實現材料性能的調控，需要調整分子鏈結構，強化相態(tài)結構之間的聯系。”團隊技術骨干、電纜料開發(fā)負責人景政紅說。
中壓電力電纜用料主要為原位合成聚丙烯，這種聚丙烯的分子鏈比較明晰。通過對比，研究團隊找到了分別與韌性、絕緣性能相關聯的聚丙烯鏈和乙-丙鏈，提出了多重長鏈支化技術，使不同分子鏈相互聯結。
2022年，通過優(yōu)化結晶和橡膠相體系，研究團隊顯著提高了聚丙烯材料的電氣性能和熱穩(wěn)定性，并有效改善了材料的機械性能。相比普通聚丙烯材料，改性聚丙烯電纜絕緣材料的模量降低60%以上，同時擊穿強度提升10%，體積電阻率提升100%，核心介電性能參數均優(yōu)于傳統絕緣材料，能滿足電力電纜對絕緣材料的要求。
解決材料成型難題
產品達到國際領先水平
3月27日，研究團隊在江蘇上上電纜集團有限公司開展絕緣材料可加工性能測試。團隊成員周兵兵操控電纜擠出機，使聚丙烯粒子平穩(wěn)進入擠出機，聚丙烯絕緣材料出膠量逐漸穩(wěn)定。
在電纜絕緣線芯擠出過程中，材料必須出膠穩(wěn)定，才能更好地實現電纜絕緣均勻定型，否則會出現竹節(jié)化、氣隙等缺陷，導致幾千米的電力電纜報廢。在實際工藝操作中，聚丙烯材料的熔點較高、熔體流動性大易擠出等特性，造成電纜絕緣均勻定型困難。為了解決這一工藝難題，研究團隊設計出帶混煉結構的低壓縮比分離型專用螺桿。
“這種螺桿可充分剪切聚丙烯粒子，使其形成熔體狀態(tài)，壓縮排出料中的空氣，并將熔體穩(wěn)定輸送至機頭后成型，同時采用了高精度控溫擠出機頭，可以保證聚丙烯電纜料出膠量穩(wěn)定、充分熔融塑化等。”團隊技術人員趙鵬介紹。
同時，研究團隊優(yōu)化了電纜定型后的冷卻工藝，采用階梯式降溫方法，保證絕緣冷卻定型均勻。“與改進前的裝置相比，相同轉速下，新螺桿出膠量達到改進前的1.2～1.4倍，絕緣偏心率可以控制在8%以內。”研究團隊成員、上上電纜總工程師李斌說。
2023年5月，“聚丙烯絕緣材料原位聚合與電力電纜制造關鍵技術”項目通過中國電力企業(yè)聯合會鑒定。鑒定委員會專家一致認為，項目組在聚丙烯電纜料制備、電纜制造技術和試驗評價體系方面取得了一系列具有自主知識產權的創(chuàng)新成果，產品達到同類產品的國際領先水平。
聚焦聚丙烯絕緣材料應用特點
推動電力電纜產業(yè)綠色發(fā)展
電力裝備是服務實現“雙碳”目標、能源強國建設目標的重要基礎和支撐。2022年8月，為了推進能源生產清潔化、能源消費電氣化，支撐新型電力系統建設，加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展，工業(yè)和信息化部等5部門聯合發(fā)布《加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展行動計劃》，明確提出開展熱塑性環(huán)保電纜材料裝備研制。
研究團隊聚焦聚丙烯絕緣材料應用特點，推動綠色低碳電力電纜標準化、規(guī)模化發(fā)展和布局。
目前，國家電網在運配電電纜回路長度達103萬千米以上，并且近5年年平均增長率達8%以上，2023年新增回路長度達12萬千米。“根據我們生產統計測算，較傳統中壓電力電纜，新型聚丙烯絕緣電力電纜單位長度的制造成本可降低17%左右，生產能耗可降低45%。”中國電科院首席專家趙健康說。這對于開展聚丙烯絕緣材料電力電纜高標準、成批量應用研究具有重要現實意義。今年，在國網設備部的統籌下，研究團隊已初步牽頭制訂了標準化聚丙烯絕緣電力電纜設計、技術規(guī)范、入網檢測要求，能夠支撐這種電纜在35千伏及以下電力電纜工程中批量化推廣和穩(wěn)定運行。
隨著海上風電的快速發(fā)展，研究團隊計劃在高壓直流電纜開發(fā)方面進行布局。團隊將在聚丙烯材料體系的差異化設計和生產制造技術方面開展更深層次的研究，有效提升電纜的輸送能力，為大長度聚丙烯絕緣直流海底電纜的可靠應用提供技術方案，帶動高性能聚烯烴產品、高端電纜制造裝備和電纜試驗評價技術升級，建立聚丙烯絕緣電力電纜系統開發(fā)成套體系，支撐我國電力電纜產業(yè)綠色發(fā)展。
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