初期,國內海底電纜主要用于海島供電及海上平臺供電,海上平臺供電電纜的電壓等級均較低。近十年來,國內海上風電蓬勃發(fā)展,推動了海底電纜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
△近十年國內主要海底電纜工程情況
由上表可以看出,國內海底電纜起步較晚,早期較大規(guī)模的海底電纜主要使用國外的充油海底電纜。
2009年投運的海南聯(lián)網(wǎng)Ⅰ工程采用的是500kV交流充油海底電纜,長度為31km,輸送容量為600MW,為國內長度最長、容量最大、電壓等級最高的海底電纜工程,也是世界上同類型的第二個工程,2019年擴建投運的海南聯(lián)網(wǎng)Ⅱ工程,電纜類型和參數(shù)與海南聯(lián)網(wǎng)Ⅰ工程保持一致。2011年廈門春圍Ⅱ采用的是220kV交流充油海底電纜,長度為3.75km,輸送容量為600MW。
由于國內油紙絕緣電纜市場逐漸萎縮,上述3項工程是近十年以來國內僅有的繞包絕緣海底電纜工程,且電纜均為國外供應商提供。
國內電纜制造商主要以XLPE海底電纜為主,近十年來取得了跨越式發(fā)展,逐漸趕超世界水平。
2011年投運的舟山本島-秀山-岱山聯(lián)網(wǎng)工程采用的是交流220kV的XLPE海底電纜,最長段海底電纜長度為6.9km,這是國內自主研發(fā)的首條220kV XLPE海底電纜。為了驗證該電纜的可靠性,投運初期電壓降至110kV運行,后期升壓至220kV。
2013年南澳三端柔直投運,工程采用的是XLPE直流海底電纜,電壓等級為±160kV,電纜單根長度為10.6km,輸送容量為200MW;2014年舟山五端柔直投運,工程同樣采用的是XLPE直流海底電纜,電壓等級為±200kV,電纜單根長度為51km,輸送容量為400MW。
值得一提的是,2015年投運的廈門±320kV多端柔直工程采用的直流電纜雖然不是海底電纜,但是與南澳柔直、舟山柔直一起實現(xiàn)了國內XLPE電纜技術發(fā)展的三級跳,為后期國內海底電纜快速發(fā)展打下了基礎。
2017年首條國產(chǎn)三芯220kV海底電纜在江蘇響水海上風電場送出工程得以應用,電纜長度為10km,輸送容量為202MW;2018年舟山-寧波聯(lián)網(wǎng)采用國產(chǎn)的500kV交流XLPE海底電纜,這也是世界上首條500kV XLPE海底電纜,電纜長度為18km,輸送容量為1100MW;2021年投運的江蘇如東海上風電柔直送出工程則是采用了±400kV海底電纜,這也是國內首條400kV直流XLPE海底電纜,長度為99km,輸送容量為1100MW。
海上風電的建設推動國內海底電纜產(chǎn)業(yè)向世界最高水平高速發(fā)展,目前,正在建設的青洲一、二海上風電送出工程計劃采用三芯交流500kV XLPE海底電纜,長度為55km,輸送容量為1000MW,海底電纜已于近期通過了技術鑒定;建設中的青洲五、七海上風電送出工程則是計劃采用±500kV XLPE海底電纜,長度為92.5km,輸送容量高達2000MW。
XLPE海底電纜在國內雖然起步較晚,但是發(fā)展迅猛,已經(jīng)趕上甚至超越了國外海底電纜生產(chǎn)水平。目前,國內已經(jīng)具備海底電纜大長度連續(xù)生產(chǎn)能力,生產(chǎn)的無中間接頭三芯220kV XLPE海底電纜在2018年投運于大連莊河海上風電項目,海纜長度為26.9km;無中間接頭單芯220kV海纜用于江蘇大豐海上風電項目,已在2017年投運,長度為30.2km;無中間接頭單芯500kV海底電纜則在2018年投運于舟山聯(lián)網(wǎng)工程,長度為18km。
當前,中國已經(jīng)具備制造500kV電壓等級XLPE高壓交流、直流海底電纜的能力,但是長期以來生產(chǎn)高壓海底電纜最重要的原材料——絕緣料與屏蔽料仍然依賴進口,無論是交流高壓海纜還是直流高壓海纜,國際市場上僅有北歐化工和美國陶氏化學公司有能力提供。
現(xiàn)在國內也已經(jīng)逐漸意識到海底電纜絕緣料“卡脖子”技術問題,南方電網(wǎng)科學研究院與浙江萬馬高分子材料集團有限公司、青島漢纜股份有限公司等公司聯(lián)合攻關,已研制出220kV國產(chǎn)電纜絕緣料,并在示范工程中應用,這是國產(chǎn)電纜絕緣料取得的較大進步,后期有望在正式工程中進行應用,并推廣至海底電纜工程。
與此同時,中國電科院對220kV國產(chǎn)交流電纜XLPE絕緣料與國外的電纜絕緣料在工頻擊穿特性、熔融指數(shù)和結晶性能、力學性能、微觀形貌和交聯(lián)度等方面進行了一系列試驗,試驗結果表明,國產(chǎn)交流電纜XLPE絕緣料部分參數(shù)優(yōu)于進口料,但是擊穿場強的穩(wěn)定性、介電損耗等與進口料仍有一定差距,后期國產(chǎn)絕緣料可重點從分子鏈結構和復配體系角度研究如何提升絕緣料生產(chǎn)穩(wěn)定性及電纜絕緣內部微觀結構均勻性。
目前,針對XLPE海底電纜運行溫度低、直流運行易產(chǎn)生空間電荷聚集等問題,國外已研制出熱塑性聚丙烯材料,其耐熱溫度較XLPE絕緣料提高了20℃,不僅電氣性能優(yōu)異,而且無需交聯(lián)及脫氣等流程,一方面可降低生產(chǎn)成本,另一方面不會使材料產(chǎn)生不可逆變化,可實現(xiàn)循環(huán)利用,2016年9月意大利宣布研制成功±600kV熱塑性聚丙烯絕緣海底電纜。
海底電纜內半導電屏蔽層位于導體和絕緣層之間,主要起均勻電場以及減小導體線芯與絕緣層交界處間隙的作用。長期以來,國內半導電屏蔽料同樣被國外壟斷,雖然國內學者開展了較多的研究,在原料配比、新型導電材料等方面取得了較大的進展,尤其在110kV及以上直流電纜絕緣料和半導電屏蔽料研發(fā)取得了較大突破,但市場應用較少,仍然依賴國外進口。
另外,值得一提的是,2022年6月浙江臺州柔性低頻輸電示范工程投運,該項目通過35kV海底電纜將海上清潔能源降頻直送。研究表明,XLPE電纜在低頻工況時不會產(chǎn)生空間電荷聚集現(xiàn)象,能夠提升線路容量并降低損耗,且較工頻輸電有更高的電壓穩(wěn)定性和魯棒性。因此,普遍認為常規(guī)XLPE海底電纜線路可直接用于低頻輸電,無須新建。XLPE海底電纜的上述特性,為海上風電海底電纜送出提供了另一種思路。
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