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淺談我國創(chuàng)新絕緣材料護(hù)航電能輸送
隨著我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)代，電力需求極速增長，對電力傳輸?shù)目煽啃院头�(wěn)定性也提出了更高的要求。電介質(zhì)材料和絕緣技術(shù)是我國超特高壓輸變電技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，材料性能將直接影響超特高壓輸變電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。相對落后的材料技術(shù)以及對使用過程中材料的破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)上的不足，嚴(yán)重制約了更高電壓等級大容量電氣設(shè)備的發(fā)展。
“我們應(yīng)采用一些先進(jìn)的測試手段，如空間電荷、樹枝老化等，研究材料在使用過程中的老化破壞機(jī)理，針對電力傳輸中存在的問題，有目的、有方向地對材料進(jìn)行改性和提高，開發(fā)新材料，提高作為發(fā)展電氣設(shè)備的基礎(chǔ)和關(guān)鍵的電介質(zhì)材料和絕緣技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、高性能乃至小型化的超特高壓輸電系統(tǒng)及設(shè)備。”談起自己情有獨(dú)鐘的專業(yè)，清華大學(xué)周遠(yuǎn)翔教授思維敏捷而樂觀，他帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊(duì)以“推動(dòng)我國超特高壓大容量輸變電技術(shù)的發(fā)展，滿足國家戰(zhàn)略需求”為己任，不僅在空間電荷、樹枝老化等電介質(zhì)材料和絕緣技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究方面做出了出色的成績，也致力于成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，為我國電力傳輸奉獻(xiàn)著自己的力量。
周遠(yuǎn)翔，清華大學(xué)教授，博導(dǎo)，曾任高電壓實(shí)驗(yàn)室主任，現(xiàn)任高電壓課組組長，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)副秘書長。1988年獲清華大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，1991年獲中國電力科學(xué)研究院工學(xué)碩士學(xué)位，后留該院高壓所參加工作，1995年任電力系統(tǒng)電氣設(shè)備在線檢測組組長。1996年獲得日本文部省獎(jiǎng)學(xué)金，赴日本攻讀博士課程并于1999年獲得電氣電子工學(xué)博士學(xué)位。1999年被聘為日本新能源工業(yè)技術(shù)發(fā)展委員會(huì)(NEDO)
研究員，在日本工業(yè)技術(shù)院國立資源環(huán)境綜合技術(shù)研究所進(jìn)行科研合作研究。2000年4月作為清華大學(xué)引進(jìn)人才回國并被破格聘為副教授，2004年被破格聘為教授、2005年被聘為博士生導(dǎo)師，2008年作為教育部高級訪問學(xué)者在美國麻省理工學(xué)院從事科研工作。
跨學(xué)科領(lǐng)域的豐富科研經(jīng)歷和國際學(xué)術(shù)交流經(jīng)驗(yàn)，使得他具有扎實(shí)的學(xué)識(shí)積累。長期以來，周教授一直從事著高電壓與絕緣技術(shù)、試驗(yàn)技術(shù)、電介質(zhì)和電工新技術(shù)的研究工作，如局部放電機(jī)理與應(yīng)用、電力系統(tǒng)電氣設(shè)備在線監(jiān)測與診斷、電力變壓器、鈦酸鋇陶瓷電容器、聚乙烯電纜材料、高壓放電處理有害化學(xué)物質(zhì)和環(huán)保材料等環(huán)保應(yīng)用，在電介質(zhì)空間電荷、材料絕緣老化特性研究方面具有獨(dú)到的見解和較高的理論水平。
他參加編寫專著《絕緣自及輸變電設(shè)備外絕緣》和“十五”國家級規(guī)劃教材《高電壓工程》，在國內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文150余篇，入選“教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”，曾獲省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國電力科學(xué)研究院科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)，優(yōu)秀論文獎(jiǎng)4項(xiàng)，申請發(fā)明專利3項(xiàng)已獲批2項(xiàng)……
2000年回國至今，在9年時(shí)間里，他取得了這些卓有成效的業(yè)績。是什么理念成就了他在清華的事業(yè)?他說：“國外多年的留學(xué)生涯使我認(rèn)識(shí)到只有國家強(qiáng)大了，才有個(gè)人的尊嚴(yán);而祖國的發(fā)展離不開大家的共同努力。作為科研人員，重視基礎(chǔ)研究，強(qiáng)化應(yīng)用研究是為國增光的重要途徑!”
立足基礎(chǔ)研究，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步周遠(yuǎn)翔教授非常重視基礎(chǔ)研究對于應(yīng)用的深遠(yuǎn)意義。也許，這正是他長年從事科學(xué)研究的真實(shí)感悟。
訪問MIT“基礎(chǔ)研究導(dǎo)致新知識(shí)的儲(chǔ)備，是技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先鋒。新技術(shù)、新工藝、新流程、新產(chǎn)品都是建立在新知識(shí)基礎(chǔ)上的，都必須從新知識(shí)的儲(chǔ)備中提取資本。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，由基礎(chǔ)研究向應(yīng)用研究或直接生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化的周期大大縮短了，基礎(chǔ)研究是技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先鋒，這一點(diǎn)比任何時(shí)候都更加確定。在這種意義上也許可以說，基礎(chǔ)研究是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。”
他認(rèn)為，基礎(chǔ)研究即使在短期內(nèi)可能很難見到明顯的效果或影響，但從長遠(yuǎn)考慮是必要的，而且是一個(gè)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)所在。所以，他的時(shí)間多數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室里度過，在他的時(shí)間觀念里，似乎并沒有假期�？纯此�9年里所做的工作，便能清楚地證實(shí)這一點(diǎn)。
周遠(yuǎn)翔教授負(fù)責(zé)“985工程”和“211工程”的高電壓與強(qiáng)電磁環(huán)境學(xué)科平臺(tái)規(guī)劃與建設(shè)，負(fù)責(zé)自然科學(xué)重點(diǎn)基金子課題1項(xiàng)和面上項(xiàng)目3項(xiàng)，博士點(diǎn)基金1項(xiàng)，作為主要承擔(dān)者曾參加“973”項(xiàng)目1項(xiàng)，曾承擔(dān)“十一五”國家科技支撐計(jì)劃及多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的研究工作，承擔(dān)各類橫向課題二十余項(xiàng)，參與和負(fù)責(zé)的科研工作具有較高的研究水平。
在變壓器絕緣分析和故障診斷方面具有豐富的研究工作和現(xiàn)場成功經(jīng)驗(yàn)，曾在現(xiàn)場多次成功檢測并定位了大型變壓器故障點(diǎn)并查明故障原因，尤其是在局部放電、色譜檢測與分析以及空間電荷、絕緣老化破壞等方面具有深入的研究經(jīng)驗(yàn)和成熟的工程技術(shù)基礎(chǔ)，因此獲得相關(guān)專利和中國電力科學(xué)研究院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
在新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃“場強(qiáng)下微觀形態(tài)對固體電介質(zhì)材料內(nèi)部空間電荷特性的影響研究”中，他完成的“高場強(qiáng)下材料微觀形態(tài)對空間電荷特性的影響研究”，既有創(chuàng)造性的理論背景，又有工程上的實(shí)際價(jià)值。在研究過程中，對微觀形態(tài)和電介質(zhì)材料空間電荷特性進(jìn)行了深入探討，對于高場強(qiáng)下聚乙烯中的空間電荷包問題、空間電荷與介質(zhì)老化破壞機(jī)理之間聯(lián)系的問題等進(jìn)行了創(chuàng)新性的研究，還對聚丙烯、硅橡膠、油紙絕緣復(fù)合材料等電介質(zhì)材料的空間電荷現(xiàn)象和機(jī)理進(jìn)行了較深入的研究，有體系，有深度，對于電介質(zhì)材料研究有較大推動(dòng)作用，也為解決工程實(shí)際問題提供了一定的理論依據(jù)。
在被評為“優(yōu)秀”的自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于等離子體技術(shù)和結(jié)構(gòu)形態(tài)的過濾膜駐極體特性研究”中，他提出利用等離子體技術(shù)，結(jié)合材料改性技術(shù)，利用添加劑和熱處理的方法，改善聚烯烴的晶相分布，以改善材料中空間電荷和表面電荷的注入、駐留和積聚特性，獲取高電荷駐留量、高穩(wěn)定性的高駐極特性過濾膜駐極體。該項(xiàng)研究是對等離子體應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，為駐極體過濾膜高效率過濾口罩、空氣超凈化裝置的工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)，為空氣凈化與環(huán)境改善做出了積極貢獻(xiàn)。
目前，周教授還在從事“線路絕緣子飽和等值鹽密污耐受電壓及復(fù)合絕緣子老化性能研究”，這是清華大學(xué)從上世紀(jì)50年代就開始的一項(xiàng)研究，歷經(jīng)清華幾代人的努力，有著比較深厚的積淀，在周教授團(tuán)隊(duì)的努力下，幾年中更有了突破性的成果。一個(gè)個(gè)課題是他青春的見證，一項(xiàng)項(xiàng)成果是他心血的凝結(jié)。能夠?yàn)閲译娏κ聵I(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量，他感到快樂。
對絕緣材料與技術(shù)發(fā)展的思考2007年，基于國家的戰(zhàn)略需求,國家自然科學(xué)基金委員會(huì)制定了電氣科學(xué)與工程“十一五”發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃,由周遠(yuǎn)翔教授主要執(zhí)筆的《高電壓與絕緣》和《工程電介質(zhì)》兩部分內(nèi)容中明確了絕緣材料與絕緣技術(shù)的五年規(guī)劃任務(wù)，從學(xué)科規(guī)劃和國家戰(zhàn)略需求的角度來闡述絕緣材料與技術(shù)今后發(fā)展的問題,著重強(qiáng)調(diào)了空間電荷、老化、聚乙烯、硅橡膠、油紙絕緣等關(guān)鍵材料的應(yīng)用、研究與發(fā)展的前景。
對于這位以事業(yè)為生命的教授來說，從來都沒有停止過對電氣絕緣研究的思考。他在自己的論文中介紹了現(xiàn)階段絕緣材料的現(xiàn)狀，提出了自己對其發(fā)展的新觀點(diǎn)，以及對于絕緣材料未來發(fā)展前景的思考。
內(nèi)絕緣研究方向在我國超特高壓輸變電設(shè)備的發(fā)展當(dāng)中,電纜工業(yè)相對比較落后。過分依賴進(jìn)口的局面不僅增加了輸電線路的成本,也導(dǎo)致了我國電纜工業(yè)落后,阻礙了超特高壓輸電技術(shù)在我國的發(fā)展。因此,從國家戰(zhàn)略高度出發(fā),由于缺乏材料基礎(chǔ)的支撐,我們面臨著能源調(diào)配的巨大壓力,迫切需要我們自行研究電介質(zhì)材料,研究破壞機(jī)理,研究提高性能的方法,解決電氣設(shè)備生產(chǎn)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)問題。
硅橡膠由于具有彈性高、耐溫范圍廣等優(yōu)異性能,在電纜附件中得到了大量的使用,隨著新型液體硅橡膠材料的進(jìn)步,各國開發(fā)了硅橡膠應(yīng)力錐預(yù)制式電纜附件。但進(jìn)口的硅橡膠電纜附件不僅價(jià)格十分昂貴,而且質(zhì)量也并不穩(wěn)定,許多產(chǎn)品在僅運(yùn)行1～2年后就發(fā)生了事故,對電力系統(tǒng)造成了極大的損失,究其原因主要是以往硅橡膠大多是作為外絕緣材料在合成絕緣子上大量使用,因此對其研究也多集中于硅橡膠的憎水性、耐大氣老化性能、耐漏電起痕性能等外絕緣特性方面,而未對其作為內(nèi)絕緣材料的相關(guān)性能進(jìn)行足夠研究就在電纜附件中大使用,所以在運(yùn)行后容易出現(xiàn)一些新的問題。
對此,周教授提出有必要采用一些先進(jìn)的測試手段,如空間電荷、樹枝老化等,研究硅橡膠材料在使用過程中的破壞機(jī)理,針對硅橡膠預(yù)制式電纜附件在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題,有目的、有方向地對材料進(jìn)行改性和提高,從而提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性,滿足國家的戰(zhàn)略需求。
外絕緣研究方向在外絕緣領(lǐng)域研究及設(shè)計(jì)中,對電場及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化以及采用硅橡膠等新材料是解決污濕、覆冰等環(huán)境下外絕緣閃絡(luò)難題的發(fā)展方向,在尚無國外經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下,高海拔、覆冰、污穢環(huán)境中的外絕緣問題是我國交直流超特高壓建設(shè)中必須認(rèn)真解決的問題。
周教授認(rèn)為，電介質(zhì)特性的表征和認(rèn)知程度取決于其測試技術(shù)。在探索電介質(zhì)測試技術(shù)新原理和新方法的同時(shí)，科學(xué)合理的電介質(zhì)特性的表征方法和體系的建立是評估電介質(zhì)特性、提高電介質(zhì)性能和開發(fā)新型電介質(zhì)的重要依據(jù)。
空間電荷研究方向空間電荷研究在工程電介質(zhì)學(xué)科戰(zhàn)略中被定位于六大發(fā)展方向之一，是影響甚至制約核能、航天、航空、國防、超特高壓輸電、脈沖功率、電力電子、信息和生物技術(shù)等近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重大科學(xué)前沿問題。針對國家超特高壓直流輸電系統(tǒng)的需求，清華大學(xué)高電壓實(shí)驗(yàn)室受國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金支持開展了以超、高壓直流復(fù)合絕緣子為背景的硅橡膠和玻璃鋼材料的空間電荷特性研究，同時(shí)受國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)項(xiàng)目支持，正在開展以超特高壓換流變?yōu)楸尘暗挠图埥^緣空間電荷特性研究。
樹枝老化研究方向根據(jù)學(xué)科研究體系和學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略需要，放電及絕緣擊穿、絕緣老化與診斷均被列入了高電壓與絕緣學(xué)科未來十年六大主要研究任務(wù)之一。電介質(zhì)的電擊穿與老化也被定為工程電介質(zhì)學(xué)科六大發(fā)展方向之一。樹枝老化作為電介質(zhì)放電、老化的一種主要形式，對絕緣材料的性能具有很大的危害，因此開展樹枝老化破壞機(jī)理與壽命預(yù)測研究是當(dāng)前急需解決的理論問題。周教授的研究團(tuán)隊(duì)受國家電網(wǎng)公司重大項(xiàng)目的支持正努力開展硅橡膠材料的樹枝老化特性研究，我國創(chuàng)新絕緣材料護(hù)航電能輸送目前已取得初步進(jìn)展。
做好基礎(chǔ)研究的同時(shí)，周教授并沒有忽略到其具體應(yīng)用。
“從應(yīng)用上來說，我們現(xiàn)在主要解決電力系統(tǒng)設(shè)備(如大型變壓器等)的問題，國家現(xiàn)在一些特大工程里的變壓器面臨著節(jié)能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)過程中會(huì)出現(xiàn)的一些故障，如何從材料的角度來研究并解決這個(gè)故障，這是我們目前主要的工作。”
居鬧市而心自寧，這份寧靜來自于心中有夢。周遠(yuǎn)翔教授的夢想，就是在這項(xiàng)緊系社會(huì)生產(chǎn)和大眾生活的研究中，實(shí)現(xiàn)社會(huì)價(jià)值。他常說，要實(shí)現(xiàn)社會(huì)價(jià)值必須要做出有益于社會(huì)的事情。而他的價(jià)值，不正是為護(hù)航祖國電能輸送而奉獻(xiàn)自我嗎?
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