电力电缆敷设于城市地下，如同人体的一条条血管，承担着传输或分配大功率电能的重要任务。随着“双碳”目标全面推进和新型电力系统加快建设，电力电缆装备绿色低碳发展成为必然趋势。中国电力科学研究院联合国内石化企业、电缆生产厂家等上下游单位和高校，创新开展新型中压电力电缆研究，推动电网绿色发展——
3月29日，中国电力科学研究院组织召开聚丙烯绝缘电缆段的相容性老化性能研究讨论总结会，分析聚丙烯绝缘材料的微观结构和宏观性能变化，以支撑聚丙烯绝缘电缆段的长期运行状态和可靠性评估。
自2022年以来，由中国电科院牵头组建的研究团队立足“聚丙烯绝缘材料原位聚合与电力电缆制造关键技术”项目，持续攻关聚丙烯绝缘电力电缆可靠应用的关键技术，创新提出绝缘热稳定测试、长时稳定性测试和低温拉伸性能等热塑性聚丙烯绝缘电力电缆可靠性试验方法，在聚丙烯电缆料性能提升、中压电力电缆制造和系统评价方法研究上取得突出成果。
优化新材料性能
降低污染和能耗满足使用要求
3月12日，中国电科院高压所电缆技术研究人员黄凯文选取电缆的聚丙烯绝缘试样，置于万能拉伸试验机夹具之间，随后启动试验机，电缆绝缘试样被逐渐拉伸，直至拉断。在试验过程中，他观察记录试样拉伸强度和断裂时的伸长率。
聚丙烯是一种半结晶的热塑性塑料，是替代传统热固性绝缘的重要材料。在生产过程中，新型聚丙烯电缆无须交联和去气等操作工序，降低了电缆生产过程中的污染和能耗，且废弃材料可百分百回收再利用，助力企业提质增效。
但是，普通聚丙烯模量高，导致韧性较差，无法达到实际应用要求。研究人员通过观察聚丙烯电缆绝缘料的断裂伸长率来评判材料是否能达到应用要求。“中压电力电缆用于连接变电站和用电负荷端，安装通道弯曲较多，甚至会有很大的转角，对电缆韧性提出了很高的要求。我们在研究中首要考虑的是如何让聚丙烯材料制成的中压电力电缆达到最优的韧性，以防电缆在敷设中受到损伤。”团队负责人欧阳本红介绍。
在研究前期，研究团队发现利用常规的增韧改性方法会导致电缆电气性能大幅下降。“高分子材料的性能和分子结构之间紧密相关，如果要实现材料性能的调控，需要调整分子链结构，强化相态结构之间的联系。”团队技术骨干、电缆料开发负责人景政红说。
中压电力电缆用料主要为原位合成聚丙烯，这种聚丙烯的分子链比较明晰。通过对比，研究团队找到了分别与韧性、绝缘性能相关联的聚丙烯链和乙-丙链，提出了多重长链支化技术，使不同分子链相互联结。
2022年，通过优化结晶和橡胶相体系，研究团队显著提高了聚丙烯材料的电气性能和热稳定性，并有效改善了材料的机械性能。相比普通聚丙烯材料，改性聚丙烯电缆绝缘材料的模量降低60%以上，同时击穿强度提升10%，体积电阻率提升100%，核心介电性能参数均优于传统绝缘材料，能满足电力电缆对绝缘材料的要求。
解决材料成型难题
产品达到国际领先水平
3月27日，研究团队在江苏上上电缆集团有限公司开展绝缘材料可加工性能测试。团队成员周兵兵操控电缆挤出机，使聚丙烯粒子平稳进入挤出机，聚丙烯绝缘材料出胶量逐渐稳定。
在电缆绝缘线芯挤出过程中，材料必须出胶稳定，才能更好地实现电缆绝缘均匀定型，否则会出现竹节化、气隙等缺陷，导致几千米的电力电缆报废。在实际工艺操作中，聚丙烯材料的熔点较高、熔体流动性大易挤出等特性，造成电缆绝缘均匀定型困难。为了解决这一工艺难题，研究团队设计出带混炼结构的低压缩比分离型专用螺杆。
“这种螺杆可充分剪切聚丙烯粒子，使其形成熔体状态，压缩排出料中的空气，并将熔体稳定输送至机头后成型，同时采用了高精度控温挤出机头，可以保证聚丙烯电缆料出胶量稳定、充分熔融塑化等。”团队技术人员赵鹏介绍。
同时，研究团队优化了电缆定型后的冷却工艺，采用阶梯式降温方法，保证绝缘冷却定型均匀。“与改进前的装置相比，相同转速下，新螺杆出胶量达到改进前的1.2～1.4倍，绝缘偏心率可以控制在8%以内。”研究团队成员、上上电缆总工程师李斌说。
2023年5月，“聚丙烯绝缘材料原位聚合与电力电缆制造关键技术”项目通过中国电力企业联合会鉴定。鉴定委员会专家一致认为，项目组在聚丙烯电缆料制备、电缆制造技术和试验评价体系方面取得了一系列具有自主知识产权的创新成果，产品达到同类产品的国际领先水平。
聚焦聚丙烯绝缘材料应用特点
推动电力电缆产业绿色发展
电力装备是服务实现“双碳”目标、能源强国建设目标的重要基础和支撑。2022年8月，为了推进能源生产清洁化、能源消费电气化，支撑新型电力系统建设，加快电力装备绿色低碳创新发展，工业和信息化部等5部门联合发布《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划》，明确提出开展热塑性环保电缆材料装备研制。
研究团队聚焦聚丙烯绝缘材料应用特点，推动绿色低碳电力电缆标准化、规模化发展和布局。
目前，国家电网在运配电电缆回路长度达103万千米以上，并且近5年年平均增长率达8%以上，2023年新增回路长度达12万千米。“根据我们生产统计测算，较传统中压电力电缆，新型聚丙烯绝缘电力电缆单位长度的制造成本可降低17%左右，生产能耗可降低45%。”中国电科院首席专家赵健康说。这对于开展聚丙烯绝缘材料电力电缆高标准、成批量应用研究具有重要现实意义。今年，在国网设备部的统筹下，研究团队已初步牵头制订了标准化聚丙烯绝缘电力电缆设计、技术规范、入网检测要求，能够支撑这种电缆在35千伏及以下电力电缆工程中批量化推广和稳定运行。
随着海上风电的快速发展，研究团队计划在高压直流电缆开发方面进行布局。团队将在聚丙烯材料体系的差异化设计和生产制造技术方面开展更深层次的研究，有效提升电缆的输送能力，为大长度聚丙烯绝缘直流海底电缆的可靠应用提供技术方案，带动高性能聚烯烃产品、高端电缆制造装备和电缆试验评价技术升级，建立聚丙烯绝缘电力电缆系统开发成套体系，支撑我国电力电缆产业绿色发展。
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