中国电缆工业的规模可以从导体总用量和行业年销售总产值看出。2022年线缆行业铜导体总用量为754万吨,其中包括再生铜杆350万吨,总量占全国年精铜产量的60%以上,约占世界年铜导体总用量的1/3;2022年线缆行业铝导体总用量为220万吨。据统计,全国电线电缆企业至少有7000家,其年销售总产值为1.64万亿元,电线电缆行业总产值在机械行业中位居第二。
电线电缆具有输送电能、产生磁场、传输信息、传递数据图像、实现监测等功能。因此,在我国国民经济中,电线电缆行业是最大的、必不可少的“功能性材料”配套行业。目前,从行业总体技术水平而言,处于中上等水平;已有相当数量的技术处于国际先进水平,但处于国际领先水平的,仅占少数。中国电线电缆产品与国外相比,品种多且全,基本可满足国民经济发展的需要。
1、电力电缆的技术现状及其发展趋势
1.1 电力电缆用材料
超高压交联电缆用绝缘材料国产化进程加快。110kV等级交联绝缘料和屏蔽料已实现批量国产应用;220kV等级交联绝缘料和屏蔽料已实现示范应用;330kV等级交联绝缘料和屏蔽料启动示范应用。
(1)35kV及以下聚丙烯绝缘料和屏蔽料国产化研制,在配电网络、新能源等领域实现批次应用,时间已超过3年。110kV等级聚丙烯绝缘料和屏蔽料在南方电网110kV线路示范应用。
(2)进口高压直流绝缘材料的工作温度由70℃提升至90℃。国内已开展高压直流绝缘材料研制与示范应用工作。
(3)低烟无卤阻燃护套料、耐火线缆用材料改进升级,能够满足阻燃耐火、机械、电气等综合性能。
1.2 电力电缆生产装备
平滑铝套+外护层挤出串联生产线已应用于多家企业。新颖的SSLB500型立式双轴四通道连续挤压技术和装备属国内外首创,实现了66~500kV高压/超高压电缆无缝平滑铝护套的高效稳定生产。
新颖的连续挤压机成套设备包含四通道锥流成形、金属流动均匀性控制、模具快速更换、双流体芯线保护、模座机械锁紧、连续挤压溢料在线处理等7项专利技术。在生产制造过程中,铝护套壁厚均匀、圆度高,无电缆芯线烫伤。该设备显著提升了铝护套的产品质量,同时推动了生产过程的自动化和信息化水平。
平滑铝套+外护层挤出串联生产线采用4根直径为15mm的铝杆作为坯料,最高运行挤铝量为1100kg·h-1;相较于已有工艺和设备,生产效率可提升至1.5~2倍;该生产线可24h连续运转,铝管壁厚偏差小于±5%,圆度达到99%,溢料率小于10%。由于设备采用低负载、大扭矩动力设计,可以根据需要随时启停。同时,设备具有先进的双流体芯线保护系统、经优化设计的全套模具,无需开机试调模,降低了技术难度,提高了工作效率。此外,模座采用机械锁紧结构,避免了由液压系统失效而导致的意外停机、电缆损坏等情况。挤压溢料在线处理系统实现了溢料自动收集打包。平滑铝套+外护层挤出串联生产线的理想工艺,特别适用于生产制造大规格和大长度的陆缆及海缆。
超高压海底电缆用成缆机、主动储放转盘等大型装备实现国产化,并在多家企业安装应用。
1.3 电力电缆产品
(1)中高压聚丙烯绝缘电力电缆的研制,正在推进批量应用。
(2)海底电缆制造水平与国际同步。研制的大长度(三芯)超高压海底电缆,长度显著增长,最高电压等级提升至500kV。高压电缆大长度绝缘挤出能力显著提升,达到连续150吨以上。工厂接头研制与制造能力持续提升,交流电压等级达到500kV,直流电压等级达到±400kV。
(3)中高压动态海缆实现示范应用,电压等级达到35kV,并向66kV等级发展。
(4)超高压交流电缆附件实现国产化,500kV国产电缆附件批量应用。±400kV及以下高压直流电缆附件实现国产化和工程应用。
(5)海上风力发电机组用66kV耐扭转电力电缆的研制。风力发电在能源转型中具有重要作用,其中海上风力发电机组66kV耐扭转电力电缆在风力发电机系统中占据重要地位。该电缆安装在风力发电机的塔筒和机舱中,将涡轮机顶部的变压器连接至塔底部的开关设备。在塔内,电缆自由悬挂长度约48m,整根电缆长度约为110m。66kV耐扭转电力电缆的结构示意图见图2。
(6)上海35kV千米级高温超导电缆高温超导电缆具有低损耗、大容量等优势。目前,从科研成果到高温超导电缆生产线、测试中心和相关设施,已在上海宝钢合金钢分厂实现高温超导电缆的工业化应用,同时建成了无人值班的遥控变电站,高温超导电缆经3年的使用,运行效果良好;此外,在上海市中心漕河泾开发区已完成千米级高温超导电缆的示范工程,并成功进行增容考验,已安全运行超过1000天。低温绝缘三相统包超导电缆示意图见图3。35kV高温超导电缆的型式试验要求和绝热性能要求分别见表1,其中U为电缆的额定电压。
上海35kV千米级高温超导电缆及其应用系统有5个创新点:①第一个为大型城市负荷中心供电;②输送容量最大(133MVA,额定电流为2200A)的商业化运行高温超导电缆;③输送距离最长(1.2km)的高温超导电缆;④超导电缆唯一采用全程排管敷设的超导电缆工程,技术经济效果显著;⑤唯一拥有双接头的超导电缆工程,为下一个更长电缆工程提供了技术支撑。该成果经中国电力企业联合会由三位院士牵头的专家委员会鉴定,一致认为该项目在高温超导电缆设计、研发、制造、敷设和运行等方面技术成果整体达到国际领先水平。
高温超导电缆发展趋势:①开发10km级高温超导电缆及其产业化;②通过超导输电,助力国家节能降碳目标,以及在矿山、冶金和化工等方面的应用有重要意义;③扩大超导电缆产品开发,如直流超导电缆、可控核聚变用磁体、GW级超导储能装备;④应用于超导磁体领域的特种绕组线产品,实现电能、磁能、动能的高效转化,如利兹变位绕组线、大推力电磁推进装备、高速和超高速磁悬浮交通;⑤在高速、高加速强磁场下耐高温磁体的研究与开发;⑥加强超导材料的理论研究,如钉扎效应的研究,提高带材的电流密度;⑦加强大功率制冷机的研制,提高制冷效率;⑧加强天然气储运与超导电缆制冷剂系统的循环利用,节约能源;⑨开展“5G+AI技术”在超导电缆制造及工程应用中自动化和智能控制的研究与开发。
2、装备线缆的技术现状及其发展趋势
2.1 总体情况
装备线缆总体市场繁荣,产业技术水平不断提高,与国际先进水平差距逐步缩小。大型企业持续加大装备线缆领域研发投入,或扩展装备线缆细分品种业务能力;小型企业专注于部分装备线缆细分品种应用行业,逐渐形成品牌优势。行业迫切需要加强对新材料的研究、开发、产业化,以替代进口。
2.2 技术现状
(1)低烟无卤阻燃布电线应用越来越广泛,紫外光交联技术迅速发展。
(2)硅烷交联低烟无卤阻燃技术逐渐成熟,并开始应用,用量迅速增长。
(3)B1级和B2级轨道交通工程用电缆开发的重要性日益凸显。
(4)国产机车车辆电缆料需要持续优化,如薄壁绝缘电缆用电缆料、低总挥发性有机化合物(TVOC)的机车车辆电缆料等。
(5)对汽车电线低挥发性有机物(VOC)、低气味的新要求,150℃电缆料、高抗撕硅橡胶等材料有国产化需求。
(6)聚四氟乙烯(PTFE)生料带、膨体聚四氟乙烯(ePTFE)膨化带、辐照交联乙烯-四氟乙烯共聚物(X-ETFE)绝缘料等材料国内厂家已经逐步完成研发,部分替代进口,性能和批次稳定性仍待提高。
(7)核电电缆、轨道交通及铁路车辆电力电缆和控制电缆已基本国产化。
(8)光伏电缆、风力发电电缆、新能源汽车高压电缆和大功率充电桩电缆的市场迅速增长。
2.3 技术发展趋势
(1)目前,PTFE/聚酰亚胺(PI)/PTFE复合薄膜尚未有国产商业化产品,亟需研究与发展,实现国产化。铝导体光伏电缆比例稳步上升。风电电缆向高电压发展。耐扭转电缆“以铝节铜”趋势明显。
(2)研究开发工艺性能优异、成本低、浸水高绝缘性能的支撑电缆B1级要求的低烟无卤交联聚烯烃材料。
(3)通用橡套、舰船、港机、矿用、风能电缆等用三元乙丙橡胶,国内产能不足,且性能受限,仍需要大量采用进口乙丙原材料 ,需研究与开发,实现 国产化。
(4)低烟无卤阻燃线缆、光伏电缆、核电电缆等用高乙酸乙烯脂(VA)含量的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)国内不能生产,仍依赖进口,需研究与开发,并实现国产化。
(5)工业柔性电缆用聚酯弹性体、氟塑料、聚氨酯主要以进口品牌为主,需研究与开发,并实现国产化。
3、绕组线的技术现状及其发展趋势
3.1 绕组线的技术现状
由于中国铜资源相对匮乏,国家政策倡导“以铝节铜”,通过扩大铝的应用减少对进口铜的依赖。电缆行业2022年的铝导体用量已达到220万吨,比往年有明显增长。就绕组线行业而言,铝导体年用量已增至30万吨左右,增幅显著。
矩形铝变位绕组线在特高压、长距离输电用的平波器、电抗器等装备中,在 “高速飞车”(1000 km/h)中也采用了利兹变位绕组线。
铝绕组线的应用增加,其主要原因有:就导电性和机械强度方面来说,铝导体相较于铜导体存在不少的差距。该差异限制了漆包铝线的应用,特别是在大型电机、变压器以及其他重要场合。但是在绝缘性能方面,铝导体表面氧化后生成Al2O3保护膜对绝缘性能影响相对较小,而铜导体氧化后形成的氧化铜,则会对某些高分子绝缘材料的热老化过程产生催化作用,加速绝缘材料老化。因此,在相同绝缘条件下,采用铝导体的绕组线相较于采用铜导体的绕组线,其耐热等级可以提高20 ℃左右。
3.2 技术发展趋势
随着电机、变压器、传感器等电气设备的技术发展,采用的绕组线圈为满足小型化、大功率的需求,绕组线的耐热等级需要逐步提升。传统的漆包线、薄膜绕包线用铜、铝作为导体,以聚酯、聚氨酯、聚酯亚胺、聚酰亚胺为绝缘的漆包线,薄膜绕包线,其最高耐热等级为240℃。当长期使用温度(一般以温度指数为参考,要求使用寿命不低于20000h)要求超过240℃时,为防止导体过快氧化,通常采用镀层来保护铜导体。对于绝缘材料,通常采用有机无机复合绝缘。在400℃以上的温度下使用,绕组线导体需要采用合金导体,同时需要足够厚度的镀层来保护导体。此时,绝缘只能采用无机绝缘。目前,在600℃以上的温度下,满足长期耐热要求的绕组线研究相对较少。由于导体软化、导体活性粒子扩散、绝缘失效等现象的理论研究极少,尚未形成相对成熟的解决方案。
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