國網智能電網研究院自主研發熱塑性聚丙烯低碳環保電纜

發布日期：2022-11-15 瀏覽次數：2726

10月30日，由國網智能電網研究院有限公司牽頭研制的35千伏熱塑性聚丙烯低碳環保電纜在天津實現了千米級示范應用。這是該電壓等級熱塑性聚丙烯電纜的首次掛網運行，是環保電纜關鍵技術領域的一項重大突破，標志著我國掌握了35千伏環保電纜核心技術。

“雙碳”背景下，電纜關鍵材料領域亟須實現技術突破

電力電纜作為重要的電網設備，發揮著輸送能源的重要作用，是輸配電系統的重要組成部分。目前，我國高壓電纜運行長度和制造能力已全球領先，但在關鍵基礎材料方面還有較大進步空間。隨著我國提出“雙碳”目標并開展相關行動，在電纜關鍵材料領域實現突破的需求更加迫切。

“相較于目前廣泛應用的熱固性交聯電纜，熱塑性聚丙烯電纜具有生產周期短、容量大、環保可回收等優點，代表著高壓電力電纜的潛在發展方向。世界各國競相研制這類電纜。”國網智研院副院長陳新介紹，與目前我國普遍應用的交聯聚乙烯電纜相比，相同規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，且生產環節也減去了交聯和副產物去除等操作工序，能顯著降低電纜生產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，應用的熱塑性電纜長度超5萬千米，目前在這一領域處于領先地位。我國在這方面起步較晚，目前處于跟跑水平。國內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，環保熱塑性絕緣材料替代需求和潛力巨大。

2017年，在國家電網有限公司科技部的大力支持下，國網智研院電工新材料研究所和歐洲研究院緊密協作，組建熱塑性高壓電纜材料攻關團隊，啟動相關研制工作。攻關團隊充分發揮歐洲研究院的橋頭堡和尖刀班優勢，布局了熱塑性電纜海外院長線攻關計劃，致力于在熱塑性聚丙烯電纜材料及電纜系統方面實現突破，實現對國外的技術趕超。

熱塑性聚丙烯電纜材料研制成功，電氣、耐熱性能良好

相較于熱固性交聯聚乙烯電纜，熱塑性聚丙烯電纜結晶度高、硬度大，在低于零下20攝氏度的低溫環境下容易開裂。如何調控熱塑性聚丙烯材料的配方組分，在保持聚丙烯電學、熱學性能優點的同時改善其力學性能，綜合平衡其機械性能、電氣性能和耐熱性能，是國網智研院熱塑性高壓電纜材料攻關團隊面臨的一大難題。

熱塑性聚丙烯材料晶型多、導熱性差，當熔體大幅收縮時，會導致電纜絕緣擠出厚度方向結晶不均勻。如何做好熱塑性聚丙烯電纜的成纜制造控制是攻關團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電材料和電纜附件都是攻關團隊面對的棘手問題。

攻關團隊從零起步，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。材料配方的開發工作枯燥而煩瑣，需要極大的耐心和細心。攻關團隊與歐洲研究院充分發揮互補優勢，通過跨國視頻會議等方式開展聯合攻關。

攻關團隊針對國內熱塑性聚丙烯電纜基料企業生產的近50種聚丙烯基料產品開展了詳細測試分析，在近5年時間里開展了上千次配方驗證。結合大量的試驗數據，攻關團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攝氏度的環境中仍能保持良好的機械性能，不會開裂。

2020年是攻關團隊的集中攻堅期，團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，團隊成員卻發現其工藝性能無法適應實際應用需求。

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定問題，攻關團隊負責人張翀帶領團隊成員針對材料和工藝每個環節展開分析，建立了以等規度和分子量調控綜合優化熔體流動穩定性與結晶均一性的方法。在對熱塑性聚丙烯電纜組分和擠出特性進行大量驗證的基礎上，攻關團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，使電纜具備了掛網條件。

10月30日，在天津市西青區楊柳青地區，國網智研院自主研制的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，該電纜保持穩定運行，各項指標均正常，為楊柳青地區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裝置，在國內首次實現了熱塑性電纜的長距離敷設。

據攻關團隊成員測算，相較于傳統交聯聚乙烯電纜，生產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，生產過程節能減排效果顯著。

熱塑性環保電纜掛網運行，填補相關技術領域空白

國網智研院熱塑性高壓電纜材料攻關團隊聯合國網天津電力、國網江西電力、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，通過多年的深入細致研究，建立了熱塑性絕緣材料“電-機-熱”性能的綜合平衡調控方法，解決了聚丙烯晶型多、成纜結晶均一性控制難題，完成了電纜的生產與大長度電纜排管敷設，并成功投入應用。攻關團隊在材料、生產、施工、運維等環節進行的系統研究，填補了多項國內熱塑性電纜材料技術領域的空白，為國內熱塑性電纜材料的開發奠定了堅實基礎。

9月27日，攻關團隊研制的10千伏熱塑性聚丙烯電纜材料及電纜系統在江西上高縣供電公司成功掛網運行，掛網電纜總長度為1.5千米。此后，35千伏熱塑性聚丙烯電纜在天津實現掛網。

目前，攻關團隊瞄準世界領先水平，正攻關研制更高電壓等級的熱塑性電纜。同時，攻關團隊還計劃加強與公司其他省級電力公司的合作，進一步擴大熱塑性電纜的掛網應用范圍。在熱塑性聚丙烯電纜自主化攻關取得良好開端的基礎上，國網智研院正加快熱塑性環保材料核心技術攻關，提升對產業鏈核心環節和關鍵領域的掌控力，保障產業鏈供應鏈安全發展。

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