電力電纜用上新材料節(jié)能
電力電纜用上新材料節(jié)能降本更低耗
2024-04-09
電力電纜敷設(shè)于城市地下，如同人體的一條條血管，承擔(dān)著傳輸或分配大功率電能的重要任務(wù)。隨著“雙碳”目標(biāo)全面推進(jìn)和新型電力系統(tǒng)加快建設(shè)，電力電纜裝備綠色低碳發(fā)展成為必然趨勢(shì)。中國(guó)電力科學(xué)研究院聯(lián)合國(guó)內(nèi)石化企業(yè)、電纜生產(chǎn)廠家等上下游單位和高校，創(chuàng)新開(kāi)展新型中壓電力電纜研究，推動(dòng)電網(wǎng)綠色發(fā)展一
3月29日，中國(guó)電力科學(xué)研究院組織召開(kāi)聚丙烯絕緣電纜段的相容性老化性能研究討論總結(jié)會(huì)，分析聚丙烯絕緣材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能變化，以支撐聚丙烯絕緣電纜段的長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)和可靠性評(píng)估。
自2022年以來(lái)，由中國(guó)電科院牽頭組建的研究團(tuán)隊(duì)立足“聚丙烯絕緣材料原位聚合與電力電纜制造關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，持續(xù)攻關(guān)聚丙烯絕緣電力電纜可靠應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)新提出絕緣熱穩(wěn)定測(cè)試、長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性測(cè)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(yàn)方法，在聚丙烯電纜料性能提升、中壓電力電纜制造和系統(tǒng)評(píng)價(jià)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(mǎn)足使用要求
3月12日，中國(guó)電科院高壓所電纜技術(shù)研究人員黃凱文選取電纜的聚丙烯絕緣試樣，置于萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)夾具之間，隨后啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，電纜絕緣試樣被逐漸拉伸，直至拉斷。在試驗(yàn)過(guò)程中，他觀察記錄試樣拉伸強(qiáng)度和斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)率。
聚丙烯是一種半結(jié)晶的熱塑性塑料，是替代傳統(tǒng)熱固性絕緣的重要材料。在生產(chǎn)過(guò)程中，新型聚丙烯電纜無(wú)須交聯(lián)和去氣等操作工序，降低了電纜生產(chǎn)過(guò)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(zhì)增效。
但是，普通聚丙烯模量高，導(dǎo)致韌性較差，無(wú)法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。研究人員通過(guò)觀察聚丙烯電纜絕緣料的斷裂伸長(zhǎng)率來(lái)評(píng)判材料是否能達(dá)到應(yīng)用要求?！爸袎弘娏﹄娎|用于連接變電站和用電負(fù)荷端，安裝通道彎曲較多，甚至?xí)泻艽蟮霓D(zhuǎn)角，對(duì)電纜韌性提出了很高的要求。我們?cè)谘芯恐惺滓紤]的是如何讓聚丙烯材料制成的中壓電力電纜達(dá)到最優(yōu)的韌性，以防電纜在敷設(shè)中受到損傷?！眻F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人歐陽(yáng)本紅介紹。
在研究前期，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)利用常規(guī)的增韌改性方法會(huì)導(dǎo)致電纜電氣性能大幅下降。“高分子材料的性能和分子結(jié)構(gòu)之間緊密相關(guān)，如果要實(shí)現(xiàn)材料性能的調(diào)控，需要調(diào)整分子鏈結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化相態(tài)結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系?！眻F(tuán)隊(duì)技術(shù)骨干、電纜料開(kāi)發(fā)負(fù)責(zé)人景政紅說(shuō)。
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(guò)對(duì)比，研究團(tuán)隊(duì)找到了分別與韌性、絕緣性能相關(guān)聯(lián)的聚丙烯鏈和乙-丙鏈，提出了多重長(zhǎng)鏈支化技術(shù)，使不同分子鏈相互聯(lián)結(jié)。
2022年，通過(guò)優(yōu)化結(jié)晶和橡膠相體系，研究團(tuán)隊(duì)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(jī)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(shí)擊穿強(qiáng)度提升10%，體積電阻率提升100%，核心介電性能參數(shù)均優(yōu)于傳統(tǒng)絕緣材料，能滿(mǎn)足電力電纜對(duì)絕緣材料的要求。
解決材料成型難題解決材料成型難題
產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平
3月27日，研究團(tuán)隊(duì)在江蘇上上電纜集團(tuán)有限公司開(kāi)展絕緣材料可加工性能測(cè)試。團(tuán)隊(duì)成員周兵兵操控電纜擠出機(jī)，使聚丙烯粒子平穩(wěn)進(jìn)入擠出機(jī)，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(guò)程中，材料必須出膠穩(wěn)定，才能更好地實(shí)現(xiàn)電纜絕緣均勻定型，否則會(huì)出現(xiàn)竹節(jié)化、氣隙等缺陷，導(dǎo)致幾千米的電力電纜報(bào)廢。在實(shí)際工藝操作中，聚丙烯材料的熔點(diǎn)較高、熔體流動(dòng)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出帶混煉結(jié)構(gòu)的低壓縮比分離型專(zhuān)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(jī)頭后成型，同時(shí)采用了高精度控溫?cái)D出機(jī)頭，可以保證聚丙烯電纜料出膠量穩(wěn)定、充分熔融塑化等?！眻F(tuán)隊(duì)技術(shù)人員趙鵬介紹。
同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)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?！芭c改進(jìn)前的裝置相比，相同轉(zhuǎn)速下，新螺桿出膠量達(dá)到改進(jìn)前的1.2~1.4倍，絕緣偏心率可以控制在8%以?xún)?nèi)。”研究團(tuán)隊(duì)成員、上上電纜總工程師李斌說(shuō)。
2023年5月，“聚丙烯絕緣材料原位聚合與電力電纜制造關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目通過(guò)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)鑒定。鑒定委員會(huì)專(zhuān)家一致認(rèn)為，項(xiàng)目組在聚丙烯電纜料制備、電纜制造技術(shù)和試驗(yàn)評(píng)價(jià)體系方面取得了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果，產(chǎn)品達(dá)到同類(lèi)產(chǎn)品的國(guó)際領(lǐng)先水平。
聚焦聚丙烯絕緣材料應(yīng)用特點(diǎn)
推動(dòng)電力電纜產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展
電力裝備是服務(wù)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、能源強(qiáng)國(guó)建設(shè)目標(biāo)的重要基礎(chǔ)和支撐。2022年8月，為了推進(jìn)能源生產(chǎn)清潔化、能源消費(fèi)電氣化，支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)，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(mén)聯(lián)合發(fā)布《加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》，明確提出開(kāi)展熱塑性環(huán)保電纜材料裝備研制。
研究團(tuán)隊(duì)聚焦聚丙烯絕緣材料應(yīng)用特點(diǎn)，推動(dòng)綠色低碳電力電纜標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；l(fā)展和布局。
目前，國(guó)家電網(wǎng)在運(yùn)配電電纜回路長(zhǎng)度達(dá)103萬(wàn)千米以上，并且近5年年平均增長(zhǎng)率達(dá)8%以上，2023年新增回路長(zhǎng)度達(dá)12萬(wàn)千米。“根據(jù)我們生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)測(cè)算，較傳統(tǒng)中壓電力電纜，新型聚丙烯絕緣電力電纜單位長(zhǎng)度的制造成本可降低17%左右，生產(chǎn)能耗可降低45%?！敝袊?guó)電科院首席專(zhuān)家趙健康說(shuō)。這對(duì)于開(kāi)展聚丙烯絕緣材料電力電纜高標(biāo)準(zhǔn)、成批量應(yīng)用研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。今年，在國(guó)網(wǎng)設(shè)備部的統(tǒng)籌下，研究團(tuán)隊(duì)已初步牽頭制訂了標(biāo)準(zhǔn)化聚丙烯絕緣電力電纜設(shè)計(jì)、技術(shù)規(guī)范、入網(wǎng)檢測(cè)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(yùn)行。
隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在高壓直流電纜開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行布局。團(tuán)隊(duì)將在聚丙烯材料體系的差異化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造技術(shù)方面開(kāi)展更深層次的研究，有效提升電纜的輸送能力，為大長(zhǎng)度聚丙烯絕緣直流海底電纜的可靠應(yīng)用提供技術(shù)方案，帶動(dòng)高性能聚烯烴產(chǎn)品、高端電纜制造裝備和電纜試驗(yàn)評(píng)價(jià)技術(shù)升級(jí)，建立聚丙烯絕緣電力電纜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成套體系，支撐我國(guó)電力電纜產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展。
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