电力电缆及附件专业领域现状与发展分析

知识点：固体绝缘母线附件

01

管状导体电力电缆

管状导体电力电缆是一种导体为铜或铝质金属圆管、外包绝缘的载流设备，绝缘外包有接地金属屏蔽层。目前常见电压等级为6-35kV。

相比传统电力电缆，由于其结构特点，具有如下技术优势：

1)导体为管状，截面积大且散热好，载流量大（常规设备单根载流量可达7000A), 同时机械性能较好。

2)外包固体绝缘，具有屏蔽与接地，安全、节省空间、维护量小；

3)外层可设置铠装和护套，耐候性好。

管状导体电缆适应于现代电力发展大容量、紧凑化、短距离的固定安装线路需求。管型导体电缆以其载流量大、节约空间、耐候性强、安全、安装方便易维护等突出技术优势，在一定应用场景能够替代常规电力电缆、GIL等，成为重载连接设计的一种选择。

近些年来，管状导体电力电缆开始较多使用于国内新型智能变电站、 大型光伏、 风电、 核电工程、石油、钢铁、化工、电气化铁路、城市轨道交通等领域，电压等级也由初期的低压开始进入高压领域。制造商已由少数欧美厂家增加到数十家，主要集中在中国。

国内管状导体电力电缆的绝缘分为环氧浸渍纸浇注、 硅橡胶挤包、 三元乙丙橡胶挤包、 聚脂薄膜绕包等形式。从当前生产和运行经验来看，其遇到的问题主要是绝缘问题，如固体材料长期性能及其绝缘厚度选择问题、固体绝缘缺陷的发展机理及检测、中间连接和终端场强控制研究等。这些与常规挤包绝缘电力电缆关注的问题很相似。

02

气体绝缘电缆(GIL)

气体绝缘金属封闭输电线路(Gas Insulated transmission Lines, GIL) 是一种采用SF₆ 气体或SF₆与N₂混合气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、 大电流电力传输设备。导体采用铝合金管材， 外壳采用铝合金卷板封闭。GIL类似千气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated metal-enclosure Switchgear , GIS)中同轴放置的管道母线。与GIS相比，GIL无开断和灭弧要求，制造相对简单，可选择不同的壁厚、 直径和绝缘气体， 能够较经济地满足不同要求。由于SF₆是一种很强的温室气体，国际上逐步采用SF₆-N₂等混合气体作为替代。

GIL具有安装运行维护方便、故障率低、检修工作少等优点，可简化电站和变电站接线，设计使用寿命长达50年以上，在国外已经有近40年的运行经验，全球安装总长度已超过300km。GIL具有以下技术特点：

1)实现大容量传输，载流量很高，最大可达8000A。电容比常规高压电缆小很多，即使长距离输电也不需要无功补偿，线路损耗低于常规高压电缆和架空线路。

2) 安全运行可靠度高，采用金属封闭的刚性结构和管道密封绝缘，与架空线路相比，一般不受恶劣气候等环境因素的影响。

3)与周边环境友好相处，对环境电磁影响极低。

与架空线路和常规高压电缆相比，GIL成本较高。一般使用条件为：电压72.5kV及以上的输电回路；输送容量较大的回路，常规高压电缆和架空线路无法满足送出要求时；环境要求高的场所，如高落差垂直竖井或斜井。

从20世纪70年代开始，欧美国家将GIL投入实用化。1972年世界上第一条交流GIL输电系统在美国新泽西州的Hudson 电厂建成(242kV,1600A)。1975年德国Wehr抽水蓄能电站建成欧洲首个GIL输电工程( 420kV, 2500A)。本世纪我国相继启动一大批大型水电站工程，如小湾水电站、溪洛渡水电站、向家坝水电站、拉西瓦水电站等。这些水电工程机组容量巨大，多采用地下厂房布置方式，GIL成为进出线的主要方式之一，线路电压等级选取500kV甚至800kV。

2019年9月，苏通GIL综合管廊工程正式投运，标志华东特高压交流双环网正式形成。隧道内双回l000kV GIL管线单相长约5.8km, 双回六相总长度近35km, 电压等级、 总长度等均为世界之最。

03

热塑性聚丙烯绝缘电缆（PP）

当今中高压交流电力电缆基本采用交联聚乙烯（XLPE）绝缘，利用其优异的热力学性能，具有较高的长期工作温度。然而，XLPE材料也带来了负面作用，除了难以回收再循环利用外，交联过程和脱气过程也造成电缆生产时间长、成本较高，且交联后的枯基醇和苯乙酮等极性副产物会增加介电常数，造成交流电缆电容增加，从而增加输电损耗。若用于直流电缆，交联副产物会成为直流电压下空间电荷产生和聚集的重要源头，严重影响直流电缆的寿命。

热塑性聚丙烯（PP）具有优异的绝缘性能、耐温等级高、可塑化循环再利用等特点。改性后的热塑性聚丙烯克服高结晶度、耐低温性和柔韧性差等缺陷，在优化电缆加工工艺、降低成本、增加生产速率、提高电缆挤出长度等方面具有优势。省去了交联和脱气环节，生产时间仅为XLPE绝缘电缆的20%左右，由于极性成分含量的减少，将成为高压直流电缆绝缘的潜在选择。

进入本世纪，欧洲电缆厂商和材料厂商开始热塑性PP材料的开发与商业化，逐步在中高压电力电缆线路上应用。目前，中压PP电缆在欧洲已有数万公里投入运行。近年来，欧洲改性PP用作高压直流电缆的进程明显加快，320kV、525kV和600kV的改性聚丙烯绝缘直流电缆通过了型式试验。我国也研制出改性PP绝缘中压交流电缆并通过型式试验投入工程示范应用，探索更高电压等级的产品，在标准化和工程实用方面也在进行中。

04

高温超导电缆

对于大型都市区或者大电流连接场合，其输电密度和安全要求极高，同时输电廊道和空间受限，超导材料的技术进步，使超导输电技术成为工程的可能选项。利用现有电缆通道，以高温超导电缆取代现有的电力电缆，可以成倍提升输电容量，很好地解决负荷的增长和输电空间有限之间的矛盾。

超导电缆输电导体为超导材料，正常工作状态下超导电缆的输电密度较大且阻抗极低；在发生电网短路故障、传输电流大于超导材料临界电流的情况下，超导材料失去超导能力，超导电缆的阻抗将远大于常规铜导体；当故障排除后，超导电缆又将恢复其正常工作状态下的超导能力。若采用一定结构和工艺的高温超导电缆替代传统电缆，可以有效降低电网故障电流等级，超导电缆限制故障电流的能力与电缆长度成正比，因此大规模利用超导电缆组成的超导输电网络不仅可以提高电网的输电容量，降低电网的传输损耗，还可以提高其内在的故障电流限流能力，提高整个电网的安全可靠水平。

在线路损耗方面，超导电缆的损耗主要包括导体交流损耗和绝热管、电缆终端、制冷系统的漏热损耗以及液氮克服循环阻力的损耗等。在综合制冷系统效率的情况下，传输相同容量时高温超导电缆运行损耗约为常规电缆的50%~60%。低温绝缘超导电缆具有良好的电磁屏蔽功能，理论上可完全屏蔽电缆导体产生的电磁场，从而不会对环境造成电磁污染。超导电缆可以采用地下排管等较为密集的方式进行敷设，不仅不会影响周边电力设备的运行，而且由于其采用了不可燃的液氮作为冷媒，也杜绝了火灾的危险。

20世纪90年代以来，高温超导带材制备技术的进步推动了世界范围内超导输电技术研发热潮。美国、欧洲、日本、中国和韩国等国家和地区都相继开展了高温超导电缆的研究与应用。2000年以来，关于高温超导电缆研究的重点主要集中在交流输电电缆上，电缆的主体绝缘主要为冷绝缘形式。目前，高温超导电缆已基本完成实验室验证阶段，逐步进入实际应用。

在国际上，对于高温超导电缆的研究发展进程，可分为三个阶段。首先经历了为高温超导电缆技术的初步探索阶段，其次是为未来可以真正实现商业化应用的低温（CD）绝缘高温超导电缆的研究开发，现已进入了CD绝缘高温超导电缆示范性工程应用研究阶段。近十年来，美国、日本、韩国、中国、德国等国家相继开展了多个CD绝缘高温超导电缆示范应用项目。目前，CD绝缘高温超导电缆结构主要有单芯、三芯和三相同轴3种。

在国内，中科院电工所、云电英纳、上海电缆研究所、中国电力科学研究院等单位相继开展了超导电缆的研发并取得了较大成果。其中，上海电缆研究所于2010年完成了国内首根 30m、35kV/2000A CD绝缘单芯超导电缆型式试验，于2012年12月完成了宝钢超导电缆示范项目35kV/2kA 50m超导电缆系统的安装、试验并投入运行。该线路是我国首条挂网运行的低温绝缘高温超导电缆，也是世界上同等电压等级中负载电流最大的CD绝缘高温超导电缆线路。

2019年10月，上海电缆研究所通过了国内首根35kV/2.2kA CD绝缘三芯超导电缆系统型式试验，为后续示范工程建设打下坚实基础。由上海电缆研究所牵头负责的上海市区超导电缆系统示范工程建设正在进行，预计可在2020年底完成建设并投入送电运行。然而，超导电缆未来的推广应用还有很长的路要走，后续包括对超导电缆系统开发与试验研究、系统工程应用技术研究、系统运行可靠性研究、系统全寿命周期成本等还将开展更多研究。

八

总体评价及发展建议

电力电缆特别是高压及超高压电力电缆领域的技术水平、产品质量以及工程应用等，在一定程度上代表一个国家线缆产业的总体水平和产业能力。“十三五”期间，在电力工程建设快速发展和产业技术创新的大力促进下，电力电缆领域取得显著的技术进步和骄人的工程业绩。从制造技术、制造能力及工程应用方面评价，已经达到国际先进水平，有些处于国际领先水平。

01

城市电网用超高压电力电缆及其工程应用

我国首次自行制造的交流500kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件（电缆为青岛汉缆股份公司制造，附件为江苏安靠电缆附件公司部分提供）用于北京和上海的500kV电缆工程建设，为世界上最高电压等级的城市电缆线路。投运至今运行正常，为地区社会及经济发展作出重要贡献。

02

超高压交流海底电缆及其工程应用

2019年建成投运的舟山500kV联网输变电工程，是目前国际上制造和应用的电压等级最高的交联聚乙烯绝缘电力电缆跨海联网工程。大长度电缆及附件制造完全由国内企业完成（其中，大长度海底电缆由江苏中天海缆公司、亨通高压电缆公司和宁波东方电缆公司分别制造提供，电缆终端由特变电工制造提供），体现了我国超高压海底电缆及其附件的技术水平和制造能力。

03

超高压直流电缆及其工程应用

三峡集团在江苏如东建设海上风力发电工程，输电容量共计1100MW，采用±400kV海底直流电缆系统，单根电缆长度将达到100km，电缆将由江苏中天科技海缆公司制造提供，工程计划于2021年建成送电。至目前，由江苏中天科技海缆公司制造的电缆和长沙电工科技公司制造的电缆附件组成的国内首个±400kV海底直流电缆系统，已经在国家电线电缆质量监督检测中心/上海国缆检测中心有限公司（以下称“国缆检测”）通过型式试验，目前已经进入生产阶段。

为配合2022年在北京——张家口举办的国际冬季奥运会，国家电网公司建设的张北±500kV柔性直流输电工程，计划建设长度约为500m的±500kV柔性直流电缆示范工程，电缆及附件计划完全由国内企业制造，包括电缆用绝缘与屏蔽材料。该项工作正在进行中。

04

超导电缆及其工程应用

由上海电缆研究所为主负责制造并建设的上海城区超导电缆系统示范工程正在进行，预计可在2020年底完成建设并投入送电运行。工程建设需要的1200m三芯超导电缆（目前为世界上最长），电压等级35kV/2200A额定电流，总体达到国际先进水平，核心指标处于国际领先水平。

05

特高压气体绝缘电缆（GIL）及其工程应用

华东特高压交流双环网输电工程在江苏穿越长江江底的苏通GIL综合管廊工程于2019年9月正式投运，隧道内两回1000kV GIL管线单相长度5.8km，双回六相总长近35km，工程电压等级、总长度等方面均为世界之最。特高压气体绝缘电缆（GIL）系统为国内制造企业和工程建设方共同完成。

06

超高压电缆性能检测与评价技术

近些年来，国内诸多超高压交联聚乙烯绝缘电缆及附件，包括交流与直流、陆缆与海缆的型试验、性能检测与评价，大多都在“国缆检测”完成，系统的检测技术和完善的试验条件均居世界先进水平，也为我国电缆制造业和电力工程建设做出了突出贡献。“国缆检测”已经具备按国内外先进标准及规范，检测试验及评价500kV级超高压交联聚乙烯绝缘电缆（包括交流与直流、陆缆和海缆）的技术能力和条件，已经为国内外众多用户完成数十项检测试验任务，最高电压达±550kV。

上述代表性超高压电缆与附件及其工程应用，充分体现了我国线缆产业在该领域的技术创新能力、技术水平、制造能力和检测评价等方面，均处于国际先进水平。

07

行业“软肋”与“短板”

尽管线缆产业近些年在该领域中取得了长足进步和突出业绩，但该领域同样有突出的“短板”或“软肋”，这些“短板、软肋”需要我们下大力气去弥补、去创新，也是持续努力和发展的方向与目标，现简要分析如下。

（1）超高压交联聚乙烯绝缘电缆（包括交流与直流、陆缆和海缆）

其突出“软肋”，就是超净绝缘材料和超光滑屏蔽料完全依赖进口，包括上述重大工程用超高压电缆的绝缘及屏蔽材料。这是必须突破的重要“瓶颈”。

（2）超高压交联聚乙烯绝缘电缆制造所采用关键生产装备

目前全部都是国外进口，这是行业的另一块“软肋”。目前我们在超高压电缆领域取得的重大进步主要还是“加工型”，而不是“创造型”，因为主要材料和关键设备仍依赖国外。           

（3）超高压电缆及其工程应用

上述超高压电缆及其工程应用，代表了我国高压电缆领域的最好水平，但不是我们的总体水平。

电力电缆领域的总体水平不高，这也是行业的主要“短板”之一，还有许多其他“短板”及薄弱环节，诸如：高压及超高压电缆及其系统的基础研究、超净树脂的合成技术与工艺装备、国产中高压电缆材料的性能稳定性、包括基础器件及元件和辅助材料等的产业配套能力、电缆的长期使用可靠性等。

这些“软肋”及“短板”，是我国实现线缆强国的障碍和拦路虎，但也是我们努力跨越障碍和持续创新的的奋斗方向。

解决这些“软肋”和“短板”，需要动员和组织全产业乃至于上下游产业联合攻关，更需要政府和行业机构的大力协调、积极支持和有效组织开展各项工作。

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