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          電力電纜及附件領域現狀與發展

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          電力電纜及附件領域現狀與發展

          發布日期:2021-06-30 作者:電纜廠 點擊:

          電力電纜及附件專業領域現狀與發展

          1.電力電纜及附件專業領域現狀與發展概述

          電纜

          電力電纜與附件是電力系統主干線路和配網線路中用于傳輸和分配電能的關鍵產品,主要包括額定電壓U0/U0.6/1kV~290/kV各電壓等級的交流電力電纜與附件。其中,額定電壓1.8/3kV及以下為低壓電力電纜,3.6/6kV~26/35kV為中壓電力電纜,66kV~110kV為高壓電力電纜,220kV及以上為超高壓電力電纜。近年來,我國推進了柔性直流電纜的開發與應用,包括額定電壓Uo10kV~525kV內各電壓等級的直流電力電纜與附件。

          電力電纜基本上是按絕緣材料的種類區分。以XLPE絕緣材料為代表的擠包式固休絕緣電力電纜得到大量應用,同時還有少量(早期曾大量)使用的油浸紙絕緣(簡稱“MI電纜”)電力電纜及充油(簡稱“OF電纜”)紙絕緣電力電纜?!笆濉逼陂g,超導電力電纜與GIL氣體絕緣線路也得到了持續開發和工程應用。具有環保特性的PP(聚丙烯)熱塑性絕緣材料被稱為新型電力電纜,國內正處在開發和工程示范應用中。


          電力電纜按使用場景分為陸地電纜和海底電纜。近年來,海底電纜得到了快速發展和大量應用,尤其是海上可再生能源(風力發電)的開發,促進了海底電纜的大量需求。

          6kV及以上電力電纜需要配套相應電壓等級的電纜附件。電纜附件包含終端和中間接頭,包括繞包、模塑、冷縮、熱縮、預制、組合等多種形式。

          電力電纜無論是陸地電纜還是海底電纜,無論是交流電纜還是直流電纜,其特點是:電壓等級范圍廣,從lkV到500kV,目前電壓等級趨于更高;規格范圍寬,從1.5 mm2到3500 mm2,目前趨于更大的導體截面。電力電纜既大量用于配電網,又是主干網絡電能傳輸的重要基礎和不可或缺的產品,傳輸容量越來越大,運行安全可靠性越來越重要。人們不僅關注電力電纜及附件的質量改善和技術提升,重要的是在研究電力電纜系統運行的可靠性,它包括系統的電氣因素、機械因素、溫度和環境因素以及相互間的相融與協同;還更加關注電力電纜系統運行的經濟性和長久性,它包括電纜系統的傳輸容量、損耗、維護成本以及緊急狀態下的快速恢復能力。因此,電力電纜系統面臨著質量提升、運行經濟、可靠與長久性要求,涉及材料創新、結構創新與制造工藝創新的挑戰。面臨著社會進步、城市發展、環境協調的新要求,涉及大容量、低損耗、敷設運維方便、實現智能控制的長距離輸電地下電纜化的挑戰,也面臨著海洋資源、新能源開發和應用,涉及海底等復雜環境中電能安全輸送可靠性的挑戰。

          近年來,我國線纜產業在上述領域都取得了長足進步,但也存在很多需要改進、完善和提升的空間。在制造領域,電力電纜制造的精細化管理、信息化與裝備自動化、數字化的融合,實現高質量的智能制造和發展仍然在路上。在應用領域,高電壓、大容量、長距離地下及海底輸電網絡的建設,對應材料和高端裝備的開發應用,與先進國家的技術水平相比還存在較大差距。

          2.35kV及以下電壓等級的電力電纜

          電纜電力

          ⑴市場需求

          35kV及以下電壓等級的電力電纜包括1.8/3kV及以下低壓電力電纜和3.6/6kV~26/35kV中壓電力電纜,廣泛用于城區配電網、綠色建筑、智慧交通、石油石化、智能制造、資源與能源開發與利用、公共服務、海洋經濟等各行各業,市場需求“十三五”期間穩步上升,“十三五”期末我國中低壓電力電纜產量預期,見表2-2。

          在“十三五”期間,隨著我國城鎮化率和經濟發展總量的逐年提升,促進了大中型城市電網可靠性的建設,加快了交通與新能源產業的發展,助推了我國特高壓堅強電網的快速建設與配電網的不斷優化和發展,推動了我國線纜市場需求總量的提升。

          從電線電纜需求結構來看,電力電纜仍占主要地位,電力電纜和電氣裝備電纜合計占比超過全部線纜產值規模的50%以上。35kV及以下電壓等級的電力電纜及其材料已實現全國產化。預計“十四五”期間隨著城鎮化率的進一步提升,能源、交通、智能制造、“一帶一路”走出去的拓展,35kV及以下電壓等級電力電纜仍有較大的需求空間。

          ⑵現有裝備產能

          我國是全球最大的電線電纜生產國,線纜行業內企業數量眾多,產能總體嚴重過剩,產能利用率在60%左右,中壓電力電纜生產能力估計超過40萬公里/年,實際需求按2019年市場不超過20萬公里,開工率不足50%。

          低壓電力電纜生產能力估計超過了80萬公里,開工率不超過60%。行業集中度非常低,生產裝備新舊程度、自動化程度較低。據統計,35kV中壓交聯電纜三層共擠生產線超過600條。盡管有大量的國產懸鏈式(簡稱CCV)交聯生產線發揮了巨大作用,但服役時間部分長達20年以上。低壓電力電纜亦如此,生產線裝備水平與國外同類相比,投入不足,部分設備老化與運轉狀態不穩定,已嚴重制約企業的技術進步和發展,產品性能難以滿足客戶日益發展的新要求,導致制造過程材料消耗高、能耗高、運維成本高、效率低、市場競爭力低,生產的線纜品質良莠不齊。因此,急需淘汰這些服役時間長、效率低的落后產能,提升國產裝備自動化、數字化、智能化水平,通過管理創新能力的提升,在推進信息化與裝備自動化的基礎上,使得電力電纜未來發展在優化調整基礎上,滿足客戶對產品高質量的需求。

          ⑶技術創新及存在的問題

          近年來,我國電線電纜制造業中眾多企業對于35kV及以下電壓等級的電力電纜為適應市場競爭,避免同質化的惡性競爭,其技術創新與技術進步主要體現在優化產品結構、采用新工藝與應用新材料方面,在保證質量的前提下控制制造成本。具體有以下幾方面:

          一是產品結構。中壓電力電纜由圓形緊壓導體正在向型線絞合導體過渡。在保證導體直流電阻符合標準規定的基礎上,既減小導體外徑、節省了材料,又改善了銅導體的導電率;較大規格的低壓電力電纜導體由緊壓扇形結構向非緊壓束絞結構過渡,以充分利用導體單線的導電特性,避免因緊壓變形導致單線導電率下降;鎧裝電力電纜的內襯層由繞包結構變為擠包結構,使其整體性能更優。

          二是新工藝方面。對于中低壓電力電纜的導體制造,目前行業中大多數企業普遍采用銅線拉絲退火一體設備工藝、框絞與高效率的束絞設備工藝。紫外光交聯新工藝正在低壓電纜生產中推廣應用,以去除硅烷交聯工藝必需的溫水交聯過程,縮短了生產周期。對于硅烷交聯工藝,“一步法”交聯工藝近年來也得到了較快的推廣使用。

          三是新材料應用方面。低壓電纜正興起采用紫外光交聯絕緣料;為滿足燃燒工況下的環境要求,低煙無鹵護套料得到了大量使用,尤其是近兩年來符合GB 31247標準規定的Bl級燃燒特性的低煙無鹵護套料得到了開發和應用;為改善環境,使廢舊電纜具有可回收處理,行業中已有企業聯合高校和科研機構推進熱塑性PP材料應用于中壓電力電纜絕緣,作為目前廣泛采用的XLPE材料的補充。

          盡管中低壓電力電纜市場需求量大,然而生產企業眾多,技術與裝備進入門檻低,技術壁壘低、同質化嚴重,產能過剩,裝備老化、設備控制精度低,材料性能不穩定、交聯過程副產物多,加之不少企業管理與創新能力不足,導致產品在市場上惡性競爭,拼價格拿訂單,質量得不到保證,引發重大工程常常發生電纜故障和質量問題。這些問題包括電纜導體直流電阻值超標,絕緣熱延伸、絕緣收縮不穩定、不達標,阻燃性能、透光率、護套熱失重等指標不符合標準規定等。

          ⑷與國外先進水平比較及差距

          我國現行中低壓電力電纜的產品標準是基于國際電工委員會〔IEC)標準,產品標準性能指標與IEC標準規定總體保持一致。國內市場的多年實踐證明,下游行業用戶要求的中低壓電力電纜產品的某些性能指標要嚴于現行標準,例如:對電纜結構尺寸的控制、屏蔽層與鎧裝層的控制、絕緣及護套相關性能指標的要求等?;趯﹄娎|質量的考慮,用戶端特別是重要用戶在現行標準的基礎上借鑒國外先進標準結合以往使用的經驗積累,對需要關注的某些性能指標制訂適合于本行業使用電纜及其性能要求的技術文件。我們也知道,國際電工委員會(IEC)標準是協調各國產品和技術水平的通用體系,而我國現行中低壓電纜標準也并非是國際上最先進的標準,與國際上先進國家和地區標準相比,還有改進與提升的空間,如中壓電力電纜的絕緣屏蔽結構優化、各種材料性能與應用的一致性、制造工藝的一致性控制以及各種使用場景下的壽命評估和載流量研究等。這些改進與提升是確保中低壓電力電纜質量穩定與可靠性的基礎。

          ⑸發展建議

          基于我國對中低壓電力電纜的大量需求、電纜行業的制造水平和裝備水平、產品技術刨新以及與國際先進水平的差距,對后續發展提出以下建議:

          一是中低壓電力電纜標準方面。結合我國三十多年來執行IEC標準、用戶端中低壓電力電纜的技術要求、進入國際市場的需要,建立具有中國特色的高質量中低壓電力電纜產品及附件標準體系,包括產品標準、材料標準、用于典型的各種應用場景的敷設安裝及運維規范等。

          二是中低壓電力電纜材料方面。目前大量使用的是XLPE絕緣(還有部分低壓電力電纜使用PVC絕緣),應該肯定XLPE材料應用于電纜絕緣是非常成熟的技術也是當今不可或缺的,基于對環境保護、制造過程優化和產品性能提升,需要加快新材料的研究、開發和應用進程,包括采用熱塑性PP彈性體材料等。


          三是有序淘汰落后裝備,促進改造升級?;谥械蛪弘娏﹄娎|當前行業產能過剩、生產裝備先進與落后并存、產晶質量參差不齊的現實,建議通過第三方專業機構制訂評價規范,有序推動淘汰部分裝備效率低下、能耗偏高、質量不穩定、運維成本高、影響環境的生產裝備,鼓勵改造升級,鼓勵高性能生產裝備、數字化與信息化技術和先進檢測技術的應用。

          四是生產中低壓電力電纜的企業要加強管理創新。提升精益化管理、引導集聚和規?;?,不斷采用新工藝、新材料,提升產品性價比,用高質量的產品和服務滿足客戶需求,帶動行業制造水平提升。

          3.66kV~500kV電壓等級的電力電纜

          電力電纜等級

          ⑴市場需求

          額定電壓66kV及以上等級的電力電纜在我國屬于高壓和超高壓電纜范圍。按照系統電壓的不同,可分為66kV、110kV、220kV、330kV和500kV,其中220kV及以上電壓等級屬于超高壓電纜。按照電壓類型,可分為交流(AC)電纜和直流(DC)電纜兩種。按照絕緣類型,可分為交聯聚乙烯絕緣電纜(XLPE)和油浸紙絕緣電纜(包括充油電纜),后者在我國已很少應用,僅約有百公里在運線路。按照應用場景,還可分陸上電纜和海底電纜。目前大量使用的是擠包交聯聚乙烯絕緣電力電纜。

          交聯聚乙烯絕緣高壓電纜的結構通常相對固定,主要為單芯電纜,結構包括導體、導體屏蔽、XLPE絕緣、絕緣屏蔽、半導電緩沖層、皺紋鋁套和非金屬外護套,典型的電纜結構如圖2-5所示。

          高壓電力電纜主要用在電力輸送系統,包括向大負荷中心的輸送、新能源基地送出(風電、光伏等)、長距離海島供電等。主要用戶為國家電網、南方電網、各發電集團以及大型工礦企業。

          截至2018年底,國家電網66kV及以上電力電纜在運線路14595回,線路長度27874km,年增長約12%。此外,隨著我國海上風電的快速發展,對高壓電纜(尤其是海底電纜)的需求呈“井噴”狀態,每年新增66kV及以上高壓海底電纜需求超過2000 km。

          綜合我國目前高壓及超高壓電力電纜的總需求,年用量約為15000km。

          ⑵現有裝備產能

          額定電壓66~ 500kV電力電纜的裝備包括導體絞制設備、三層絕緣擠出設備(立式交聯生產線VCV,高性能懸鏈式生產線HCCV)、繞包機、壓鋁機或者焊接皺紋鋁套生產線以及護套擠出機。

          生產裝備上投資較大,關鍵設備為立式交聯生產線VCV和高性能懸鏈式生產線HCCV。該設備的產能決定了高壓電力電纜的產能,每條VCV生產線的年產能通常為300km,HCCV的年產能約400km。

          按照國內日前已超過了百條VCV生產線裝備,僅此計算額定電壓66~500kV電力電纜年產能就已超過40000km,加上HCCV生產線的產能,已完全滿足市場需求,還存在相當大的產能過剩。

          ⑶技術創新及存在的問題

          我國高壓電力電纜的技術主要來自歐洲和日本等發達國家的成熟技術,高壓電纜應用的場景適應性尤為重要,在高壓電纜產品上,我國技術創新的深度和廣度還不夠。

          目前在高壓電纜上,已經得到應用的技術創新主要集中在電纜外層,如非金屬外護套,具體有:阻燃型外護套、含有擠出半導電的雙層外護套和防白蟻護套等。

          對電纜內部結構以及原材料沒有顯著的技術創新。主要原材料和生產設備均為進口。根據多年來的應用實踐,對于額定電壓66~500kV電力電纜,目前在技術創新上還存在如下問題:

          是絕緣材料和半導電屏蔽材料主要依賴進口,包括交流電纜與直流電纜用絕緣和屏蔽料,尤其是超凈化的絕緣料與超光滑的屏蔽料完全依賴進口,盡管國內有材料企業進行開發,但尚未能實現完全國產化;

          二是對高壓電纜的質量與運行狀態評價尚不系統,尚不能全面反映各種場景下高壓電纜的運行壽命;

          三是關鍵生產裝備全部依賴進口,如:立式交聯生產線(VCV)和懸鏈式交聯生產線(HCCV)設備,國內裝備制造企業投入不足,未能實現國產化;

          四是高壓電纜的半導電緩沖阻水層結構,其適用長期性和結構可靠性未能得到充分驗證;

          五是金屬護套結構基本為皺紋鋁護套,對于緩沖層間隙設計與工藝配合研究不夠;

          六是導體結構基本為緊壓圓形絞合導體或分割導體,對于大截面導體改善其電流分布研究不夠;

          七是超高壓等級(500kV)配套附件技術尚不完全成熟等。


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