近日，中国石化所属燕山石化110千伏电缆绝缘料挂缆示范工程正式启动。该工程首次应用自主研发生产的高压电缆绝缘料，标志着国产高等级绝缘新材料实现工业化示范应用。
而在此次示范工程启动前，今年3月，首台（套）应用国产绝缘材料的220千伏高压交流电缆系统在辽宁阜新220千伏新煤线挂网，截至目前运行稳定；在其后的4月，首台（套）应用国产绝缘材料的500千伏直流电缆系统也在张北柔直工程顺利通过竣工试验。
高压电缆作为远距离电力输送中的关键一环，绝缘材料在保障其安全运行中发挥着至关重要的作用。高压电缆绝缘材料国产化接连取得多项突破，并逐步实现工业化应用，将使其长期依赖进口的局面得到显著改善，将为我国保障能源安全、助力“双碳”目标实现贡献重要力量。
高压电缆对绝缘材料要求很高
理解绝缘材料的重要性，还需要从输电讲起。我国电力格局长久存在“源荷割离”现象，能源富藏地与用电负荷集中地不一致，由此而导致的长距离输电在所难免。随着“双碳”目标逐步推进，如何更加安全、高效地进行远距离电力输送，一直是我国电力事业发展中无法回避的问题。
通常，在输电距离和功率一定的情况下，输电电压越高，输电电能的损耗就越小。因此，高等级的高压输电在远距离输电中扮演着重要角色。
但输电电压等级越高，对电缆绝缘材料的要求也就越高。全球能源互联网研究院电工新材料研究所所长陈新向记者介绍道，相比于低压电缆的绝缘材料，高压电缆绝缘材料需耐受更高的电场强度；材料的空间电荷积聚和电阻率温度敏感性也要更低，如针对超高压电缆，要求其高、低温体积电阻率变化率须小于100，但对低压电缆则无相关要求。此外，超高压电缆绝缘材料对缺陷和杂质的控制要求也更加严苛，“超高压电缆绝缘材料中不允许有50微米以上的杂质，而普通低压电缆则允许存在几百微米以上的杂质。”陈新说。
高压电缆绝缘材料的发展经历了一个漫长过程。以当下广泛采用的高压直流输电方式为例，其电力电缆绝缘材料的发展先后经历了充油绝缘（OF）、油纸绝缘（MI）和交联聚乙烯（XLPE）绝缘3个阶段。“以充油和油纸为绝缘方式的直流电缆的问世已经超过100年。”陈新表示，早期的充油电缆采用中空导体作为油流道，通过充油不断浸渍导体外的绝缘层，达到绝缘效果。但此种绝缘方式需在电缆运行过程中不断进行充油，一旦电缆外层出现破损，便会造成油料泄漏，易导致环境污染，且维护难度大，现在已基本被淘汰。
近年来建设的高压直流输电工程中，发展迅速的交联聚乙烯挤塑电缆则成为更加普遍的选择。据陈新介绍，由于交联聚乙烯挤塑电缆相对于油纸电缆的运行温度更高，机械性能和绝缘性能更好，同时安装维护方便，生产工艺简单，目前已在电力系统中广泛应用。“目前的高压直流电缆几乎都采用交联聚乙烯作为绝缘材料。”
联合攻关找到高压绝缘材料“配方”
我国是全球第一大电缆制造国，但在高压电缆绝缘材料制造领域，却长期依赖进口，年进口量达10万吨，严重制约了我国高端电力装备的自主可控发展。
陈新认为，此前阻碍高压电缆绝缘材料国产化的主要困难来自于3方面。首先，国内用于制造高压电缆绝缘材料的基础原材料性能不足，“电气性能比国外明显要低，击穿场强不到国外的60%，同时基础原材料中杂质含量高、流动稳定性也较差。”其次，国内对超高压电缆材料的配方组分以及各个组分间相互作用的研究十分薄弱，并无研制超高压电缆绝缘材料配方的经验可供参考。此外，不同配方的绝缘材料在从实验室中的小批量试验向工业化的大规模生产过渡中，性能可能会发生变化，保持放大后配方性能的工艺控制难度较高。
面对国外相关技术严密封锁、国内无相关经验需从零起步的情况，全球能源互联网研究院有限公司牵头，联合国内高校、制造厂商、科研院所开展多方协同攻关。项目组克服诸多困难，开展了仿真设计、材料研发、电缆制造、系统匹配、试验评价等关键技术研究，先后解决了国产绝缘基料分子结构调控优化、多场作用下空间电荷和电导非线性抑制、电缆系统多层介质界面绝缘电导匹配、大尺寸电缆挤出缺陷控制及击穿尺寸厚度效应抑制等多项技术难题。
研发绝缘材料，在实验室里做出样品只是第一步。如何走出实验室，走向工业化大批量制备往往是关键所在。从以“克”为单位计算的实验材料研发，到“百公斤级”的生产试验，再到“吨级“的大规模生产，数量级别的变化，可能导致材料性能的不稳定。为此，攻关团队协调制造企业、检测单位等优势资源参与科研攻关，试制了上百吨材料样品、数千米电缆样缆，前后经历9次型式试验，最终实现了绝缘材料、电缆系统不断迭代优化和性能稳步提升，成功研制出320千伏、500千伏直流电缆绝缘材料，初步建立了国产高压电缆绝缘材料的工艺配方。
高压电缆绝缘材料市场潜力正在酝酿
虽然已成功破局，但国产绝缘材料仍有很长的路要走。陈新表示，目前我国高压直流电缆绝缘材料在高温耐电强度和高温体积电阻率稳定性方面与国外绝缘材料基本相当，已可以满足短距离500千伏陆地高压直流电缆的制造需求。但其在长时间连续挤出等方面还与国外存在一定差距，“国外可以实现70—130吨的单次连续挤出，国内还处于小于35吨的水平。”
但突破口已成功打开，市场潜力已在酝酿。据陈新估计，目前我国110千伏及以上高压电缆绝缘材料的年进口量近10万吨，而相关电缆产值超1000亿元。同时，国产产品在价格上还具有优势，如国产500千伏高压电缆绝缘材料的价格仅为国外同类产品的约70%。高压电缆产业链涉及石化基料、绝缘料复配、电缆挤出、试验评价、安装运维等诸多上下游相关产业，产业链长，如未来能实现全产业链的国产化，将对上下游产业产生十分明显的拉动作用。
如在发展迅速的海上风力发电领域，未来随着“双碳”目标推进，该领域将对高压电缆产生巨大需求。在当下海上风力发电量最大的欧洲，德国已规划了640公里的±525千伏高压直流输电走廊；英国同样规划了总长超过3000公里的高压直流输电项目。而今年9月，位于江苏如东的亚洲首条±400千伏直流海缆验收试验也顺利完成，已具备送电投运条件。未来，随着东部沿海多项海上风力发力项目的落成，我国有望成为世界第二大海上风力发电国。
陈新表示，接下来国产高压电缆绝缘材料将进一步提升性能，尤其是大长度成缆性能，并着重研究海缆工厂软接头技术，开发大长度海缆绝缘材料和海缆系统。
而在此次示范工程启动前，今年3月，首台（套）应用国产绝缘材料的220千伏高压交流电缆系统在辽宁阜新220千伏新煤线挂网，截至目前运行稳定；在其后的4月，首台（套）应用国产绝缘材料的500千伏直流电缆系统也在张北柔直工程顺利通过竣工试验。
高压电缆作为远距离电力输送中的关键一环，绝缘材料在保障其安全运行中发挥着至关重要的作用。高压电缆绝缘材料国产化接连取得多项突破，并逐步实现工业化应用，将使其长期依赖进口的局面得到显著改善，将为我国保障能源安全、助力“双碳”目标实现贡献重要力量。
高压电缆对绝缘材料要求很高
理解绝缘材料的重要性，还需要从输电讲起。我国电力格局长久存在“源荷割离”现象，能源富藏地与用电负荷集中地不一致，由此而导致的长距离输电在所难免。随着“双碳”目标逐步推进，如何更加安全、高效地进行远距离电力输送，一直是我国电力事业发展中无法回避的问题。
通常，在输电距离和功率一定的情况下，输电电压越高，输电电能的损耗就越小。因此，高等级的高压输电在远距离输电中扮演着重要角色。
但输电电压等级越高，对电缆绝缘材料的要求也就越高。全球能源互联网研究院电工新材料研究所所长陈新向记者介绍道，相比于低压电缆的绝缘材料，高压电缆绝缘材料需耐受更高的电场强度；材料的空间电荷积聚和电阻率温度敏感性也要更低，如针对超高压电缆，要求其高、低温体积电阻率变化率须小于100，但对低压电缆则无相关要求。此外，超高压电缆绝缘材料对缺陷和杂质的控制要求也更加严苛，“超高压电缆绝缘材料中不允许有50微米以上的杂质，而普通低压电缆则允许存在几百微米以上的杂质。”陈新说。
高压电缆绝缘材料的发展经历了一个漫长过程。以当下广泛采用的高压直流输电方式为例，其电力电缆绝缘材料的发展先后经历了充油绝缘（OF）、油纸绝缘（MI）和交联聚乙烯（XLPE）绝缘3个阶段。“以充油和油纸为绝缘方式的直流电缆的问世已经超过100年。”陈新表示，早期的充油电缆采用中空导体作为油流道，通过充油不断浸渍导体外的绝缘层，达到绝缘效果。但此种绝缘方式需在电缆运行过程中不断进行充油，一旦电缆外层出现破损，便会造成油料泄漏，易导致环境污染，且维护难度大，现在已基本被淘汰。
近年来建设的高压直流输电工程中，发展迅速的交联聚乙烯挤塑电缆则成为更加普遍的选择。据陈新介绍，由于交联聚乙烯挤塑电缆相对于油纸电缆的运行温度更高，机械性能和绝缘性能更好，同时安装维护方便，生产工艺简单，目前已在电力系统中广泛应用。“目前的高压直流电缆几乎都采用交联聚乙烯作为绝缘材料。”
联合攻关找到高压绝缘材料“配方”
我国是全球第一大电缆制造国，但在高压电缆绝缘材料制造领域，却长期依赖进口，年进口量达10万吨，严重制约了我国高端电力装备的自主可控发展。
陈新认为，此前阻碍高压电缆绝缘材料国产化的主要困难来自于3方面。首先，国内用于制造高压电缆绝缘材料的基础原材料性能不足，“电气性能比国外明显要低，击穿场强不到国外的60%，同时基础原材料中杂质含量高、流动稳定性也较差。”其次，国内对超高压电缆材料的配方组分以及各个组分间相互作用的研究十分薄弱，并无研制超高压电缆绝缘材料配方的经验可供参考。此外，不同配方的绝缘材料在从实验室中的小批量试验向工业化的大规模生产过渡中，性能可能会发生变化，保持放大后配方性能的工艺控制难度较高。
面对国外相关技术严密封锁、国内无相关经验需从零起步的情况，全球能源互联网研究院有限公司牵头，联合国内高校、制造厂商、科研院所开展多方协同攻关。项目组克服诸多困难，开展了仿真设计、材料研发、电缆制造、系统匹配、试验评价等关键技术研究，先后解决了国产绝缘基料分子结构调控优化、多场作用下空间电荷和电导非线性抑制、电缆系统多层介质界面绝缘电导匹配、大尺寸电缆挤出缺陷控制及击穿尺寸厚度效应抑制等多项技术难题。
研发绝缘材料，在实验室里做出样品只是第一步。如何走出实验室，走向工业化大批量制备往往是关键所在。从以“克”为单位计算的实验材料研发，到“百公斤级”的生产试验，再到“吨级“的大规模生产，数量级别的变化，可能导致材料性能的不稳定。为此，攻关团队协调制造企业、检测单位等优势资源参与科研攻关，试制了上百吨材料样品、数千米电缆样缆，前后经历9次型式试验，最终实现了绝缘材料、电缆系统不断迭代优化和性能稳步提升，成功研制出320千伏、500千伏直流电缆绝缘材料，初步建立了国产高压电缆绝缘材料的工艺配方。
高压电缆绝缘材料市场潜力正在酝酿
虽然已成功破局，但国产绝缘材料仍有很长的路要走。陈新表示，目前我国高压直流电缆绝缘材料在高温耐电强度和高温体积电阻率稳定性方面与国外绝缘材料基本相当，已可以满足短距离500千伏陆地高压直流电缆的制造需求。但其在长时间连续挤出等方面还与国外存在一定差距，“国外可以实现70—130吨的单次连续挤出，国内还处于小于35吨的水平。”
但突破口已成功打开，市场潜力已在酝酿。据陈新估计，目前我国110千伏及以上高压电缆绝缘材料的年进口量近10万吨，而相关电缆产值超1000亿元。同时，国产产品在价格上还具有优势，如国产500千伏高压电缆绝缘材料的价格仅为国外同类产品的约70%。高压电缆产业链涉及石化基料、绝缘料复配、电缆挤出、试验评价、安装运维等诸多上下游相关产业，产业链长，如未来能实现全产业链的国产化，将对上下游产业产生十分明显的拉动作用。
如在发展迅速的海上风力发电领域，未来随着“双碳”目标推进，该领域将对高压电缆产生巨大需求。在当下海上风力发电量最大的欧洲，德国已规划了640公里的±525千伏高压直流输电走廊；英国同样规划了总长超过3000公里的高压直流输电项目。而今年9月，位于江苏如东的亚洲首条±400千伏直流海缆验收试验也顺利完成，已具备送电投运条件。未来，随着东部沿海多项海上风力发力项目的落成，我国有望成为世界第二大海上风力发电国。
陈新表示，接下来国产高压电缆绝缘材料将进一步提升性能，尤其是大长度成缆性能，并着重研究海缆工厂软接头技术，开发大长度海缆绝缘材料和海缆系统。
