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淺談我國創(chuàng)新絕緣材料護航電能輸送
隨著我國經(jīng)濟進入高速發(fā)展時代，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。電介質材料和絕緣技術是我國超特高壓輸變電技術的關鍵基礎，材料性能將直接影響超特高壓輸變電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。相對落后的材料技術以及對使用過程中材料的破壞機理認識上的不足，嚴重制約了更高電壓等級大容量電氣設備的發(fā)展。
“我們應采用一些先進的測試手段，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理，針對電力傳輸中存在的問題，有目的、有方向地對材料進行改性和提高，開發(fā)新材料，提高作為發(fā)展電氣設備的基礎和關鍵的電介質材料和絕緣技術，從而實現(xiàn)高穩(wěn)定、高性能乃至小型化的超特高壓輸電系統(tǒng)及設備。”談起自己情有獨鐘的專業(yè)，清華大學周遠翔教授思維敏捷而樂觀，他帶領自己的團隊以“推動我國超特高壓大容量輸變電技術的發(fā)展，滿足國家戰(zhàn)略需求”為己任，不僅在空間電荷、樹枝老化等電介質材料和絕緣技術的基礎理論研究方面做出了出色的成績，也致力于成果的轉化應用，為我國電力傳輸奉獻著自己的力量。
周遠翔，清華大學教授，博導，曾任高電壓實驗室主任，現(xiàn)任高電壓課組組長，中國電工技術學會副秘書長。1988年獲清華大學工學學士學位，1991年獲中國電力科學研究院工學碩士學位，后留該院高壓所參加工作，1995年任電力系統(tǒng)電氣設備在線檢測組組長。1996年獲得日本文部省獎學金，赴日本攻讀博士課程并于1999年獲得電氣電子工學博士學位。1999年被聘為日本新能源工業(yè)技術發(fā)展委員會(NEDO)
研究員，在日本工業(yè)技術院國立資源環(huán)境綜合技術研究所進行科研合作研究。2000年4月作為清華大學引進人才回國并被破格聘為副教授，2004年被破格聘為教授、2005年被聘為博士生導師，2008年作為教育部高級訪問學者在美國麻省理工學院從事科研工作。
跨學科領域的豐富科研經(jīng)歷和國際學術交流經(jīng)驗，使得他具有扎實的學識積累。長期以來，周教授一直從事著高電壓與絕緣技術、試驗技術、電介質和電工新技術的研究工作，如局部放電機理與應用、電力系統(tǒng)電氣設備在線監(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物質和環(huán)保材料等環(huán)保應用，在電介質空間電荷、材料絕緣老化特性研究方面具有獨到的見解和較高的理論水平。
他參加編寫專著《絕緣自及輸變電設備外絕緣》和“十五”國家級規(guī)劃教材《高電壓工程》，在國內外發(fā)表學術論文150余篇，入選“教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”，曾獲省部級科技進步獎1項，中國電力科學研究院科技進步獎3項，優(yōu)秀論文獎4項，申請發(fā)明專利3項已獲批2項……
2000年回國至今，在9年時間里，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：“國外多年的留學生涯使我認識到只有國家強大了，才有個人的尊嚴;而祖國的發(fā)展離不開大家的共同努力。作為科研人員，重視基礎研究，強化應用研究是為國增光的重要途徑!”
立足基礎研究，推動技術進步周遠翔教授非常重視基礎研究對于應用的深遠意義。也許，這正是他長年從事科學研究的真實感悟。
訪問MIT“基礎研究導致新知識的儲備，是技術進步和經(jīng)濟發(fā)展的先鋒。新技術、新工藝、新流程、新產品都是建立在新知識基礎上的，都必須從新知識的儲備中提取資本。隨著科學技術的飛速發(fā)展，由基礎研究向應用研究或直接生產力的轉化的周期大大縮短了，基礎研究是技術進步和經(jīng)濟發(fā)展的先鋒，這一點比任何時候都更加確定。在這種意義上也許可以說，基礎研究是現(xiàn)代社會發(fā)展的基礎。”
他認為，基礎研究即使在短期內可能很難見到明顯的效果或影響，但從長遠考慮是必要的，而且是一個產業(yè)的基礎所在。所以，他的時間多數(shù)是在實驗室里度過，在他的時間觀念里，似乎并沒有假期�？纯此�9年里所做的工作，便能清楚地證實這一點。
周遠翔教授負責“985工程”和“211工程”的高電壓與強電磁環(huán)境學科平臺規(guī)劃與建設，負責自然科學重點基金子課題1項和面上項目3項，博士點基金1項，作為主要承擔者曾參加“973”項目1項，曾承擔“十一五”國家科技支撐計劃及多項國家自然科學基金項目的研究工作，承擔各類橫向課題二十余項，參與和負責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，曾在現(xiàn)場多次成功檢測并定位了大型變壓器故障點并查明故障原因，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)驗和成熟的工程技術基礎，因此獲得相關專利和中國電力科學研究院科技進步一等獎。
在新世紀優(yōu)秀人才支持計劃“場強下微觀形態(tài)對固體電介質材料內部空間電荷特性的影響研究”中，他完成的“高場強下材料微觀形態(tài)對空間電荷特性的影響研究”，既有創(chuàng)造性的理論背景，又有工程上的實際價值。在研究過程中，對微觀形態(tài)和電介質材料空間電荷特性進行了深入探討，對于高場強下聚乙烯中的空間電荷包問題、空間電荷與介質老化破壞機理之間聯(lián)系的問題等進行了創(chuàng)新性的研究，還對聚丙烯、硅橡膠、油紙絕緣復合材料等電介質材料的空間電荷現(xiàn)象和機理進行了較深入的研究，有體系，有深度，對于電介質材料研究有較大推動作用，也為解決工程實際問題提供了一定的理論依據(jù)。
在被評為“優(yōu)秀”的自然科學基金項目“基于等離子體技術和結構形態(tài)的過濾膜駐極體特性研究”中，他提出利用等離子體技術，結合材料改性技術，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。該項研究是對等離子體應用技術的發(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)化生產提供依據(jù)，為空氣凈化與環(huán)境改善做出了積極貢獻。
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合絕緣子老化性能研究”，這是清華大學從上世紀50年代就開始的一項研究，歷經(jīng)清華幾代人的努力，有著比較深厚的積淀，在周教授團隊的努力下，幾年中更有了突破性的成果。一個個課題是他青春的見證，一項項成果是他心血的凝結。能夠為國家電力事業(yè)的發(fā)展貢獻力量，他感到快樂。
對絕緣材料與技術發(fā)展的思考2007年，基于國家的戰(zhàn)略需求,國家自然科學基金委員會制定了電氣科學與工程“十一五”發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃,由周遠翔教授主要執(zhí)筆的《高電壓與絕緣》和《工程電介質》兩部分內容中明確了絕緣材料與絕緣技術的五年規(guī)劃任務，從學科規(guī)劃和國家戰(zhàn)略需求的角度來闡述絕緣材料與技術今后發(fā)展的問題,著重強調了空間電荷、老化、聚乙烯、硅橡膠、油紙絕緣等關鍵材料的應用、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，以及對于絕緣材料未來發(fā)展前景的思考。
內絕緣研究方向在我國超特高壓輸變電設備的發(fā)展當中,電纜工業(yè)相對比較落后。過分依賴進口的局面不僅增加了輸電線路的成本,也導致了我國電纜工業(yè)落后,阻礙了超特高壓輸電技術在我國的發(fā)展。因此,從國家戰(zhàn)略高度出發(fā),由于缺乏材料基礎的支撐,我們面臨著能源調配的巨大壓力,迫切需要我們自行研究電介質材料,研究破壞機理,研究提高性能的方法,解決電氣設備生產的關鍵和基礎問題。
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步,各國開發(fā)了硅橡膠應力錐預制式電纜附件。但進口的硅橡膠電纜附件不僅價格十分昂貴,而且質量也并不穩(wěn)定,許多產品在僅運行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,而未對其作為內絕緣材料的相關性能進行足夠研究就在電纜附件中大使用,所以在運行后容易出現(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理,針對硅橡膠預制式電纜附件在運行中出現(xiàn)的問題,有目的、有方向地對材料進行改性和提高,從而提高設備運行的可靠性和穩(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域研究及設計中,對電場及結構設計進行優(yōu)化以及采用硅橡膠等新材料是解決污濕、覆冰等環(huán)境下外絕緣閃絡難題的發(fā)展方向,在尚無國外經(jīng)驗可借鑒的情況下,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中必須認真解決的問題。
周教授認為，電介質特性的表征和認知程度取決于其測試技術。在探索電介質測試技術新原理和新方法的同時，科學合理的電介質特性的表征方法和體系的建立是評估電介質特性、提高電介質性能和開發(fā)新型電介質的重要依據(jù)。
空間電荷研究方向空間電荷研究在工程電介質學科戰(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、信息和生物技術等近代科學技術發(fā)展的重大科學前沿問題。針對國家超特高壓直流輸電系統(tǒng)的需求，清華大學高電壓實驗室受國家自然科學重點基金支持開展了以超、高壓直流復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，同時受國家電網(wǎng)公司重點項目支持，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)學科研究體系和學科發(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科未來十年六大主要研究任務之一。電介質的電擊穿與老化也被定為工程電介質學科六大發(fā)展方向之一。樹枝老化作為電介質放電、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理與壽命預測研究是當前急需解決的理論問題。周教授的研究團隊受國家電網(wǎng)公司重大項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)新絕緣材料護航電能輸送目前已取得初步進展。
做好基礎研究的同時，周教授并沒有忽略到其具體應用。
“從應用上來說，我們現(xiàn)在主要解決電力系統(tǒng)設備(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)能結構的設計，包括設計過程中會出現(xiàn)的一些故障，如何從材料的角度來研究并解決這個故障，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。周遠翔教授的夢想，就是在這項緊系社會生產和大眾生活的研究中，實現(xiàn)社會價值。他常說，要實現(xiàn)社會價值必須要做出有益于社會的事情。而他的價值，不正是為護航祖國電能輸送而奉獻自我嗎?
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