云端脚下（一）

云端脚下（一）从三元素结构绝缘子到实现国家碳达峰碳中和的目标张德赛我想写一篇垂直的文章。具体地，想写一篇讲述小小的绝缘子与实现碳达峰
、碳中和的国家重大战略决策相关联的文章。从下里巴人的绝缘子到阳春白雪的党中央的加强生态文明建设、维护国家能源安全、构建人类命运共同
体的重大举措，在本人看来，就是脚下与云端了。绝缘子来之于泥沙，瓷是绝缘子的组成材料之一，而瓷的基本成分就是泥巴；玻璃是另外一种绝缘
材料，而它的基本成分就是沙子。本人也一直生长于泥泞之中，多年来一直不知悔改地将脚步停留在绝缘子这片泥沙里。还好，真还有一句让我受到
鼓舞的话：“人在泥里，气在云端”，它激励着我一如既往地坚持到今天。停留在泥沙中的时间长了，才体会到：目前许多时髦的科技成果许多都体
现在论文中，体现在纸面上......而绝缘子却具有更多水面以下的东西，我们目前所看到的仅仅是它露出头的一部分。对一门学问最好的尊重
，是学会它，应用它，延伸它，深化它。不要用静止的、蔑视的眼光去看待它。要学会看到每一门学问背后的艰辛和前方的无限风景。家常话聊完了
，我们开始从绝缘子谈起。从泥泞的脚下到旷远的云端是一条漫长的路，所以本文计划用三部分完成，这是第一部分。过去许多年，智能电网在电力
系统中是一个及其时髦的话题，但是我却认为：智能电网的前提是首先要有一个坚强的骨架，而后者主要是靠绝缘子来实现的。绝缘子是起电气绝缘
和机械固定作用的绝缘部件，绝缘子浸润在空气中，因此户外工作的绝缘子还会受到雨、雪、雾、露、日照、脏污气体中的酸、碱等腐蚀性导电尘埃
和盐分的影响。因此，对绝缘子的基本要求是：有足够的电绝缘强度；能承受一定的机械负荷；能经受不利的环境和大气作用。例如下图所示的就是
工业污秽对附近变电站里的绝缘子的影响工业排放的污秽变电站下面两张图所示的是绝缘子正在经受冰雪的肆虐。当海浪飞溅，敲打岩石时，
海水溅入到空气中并蒸发，细小的晶体盐粒便留在大气中，下图就是海洋的盐雾对附近绝缘子的污染。下图的盐尘暴会在绝缘子表面留下厚厚的导
电微粒。下面我们来追溯一下绝缘子的发展历史。绝缘子的问世已经有100多年的历史，其基本结构一直非常简单：首先必须有两个电极，其中
一个电极接高电压，一个电极接地。由于两个电极之间的电位不一样，所以必须在它们之间加上一段绝缘体（见下图所示）。绝缘体高压端电极地电
极我把这种绝缘子称为两元素结构，导电材料的金属电极称为第一元素，电极之间的绝缘材料称为第二元素。不要小看这个名称，如何创新都是从抽
象开始的。2009年在希腊召开的世界绝缘子大会上，我将形形色色、各式各样的绝缘子统统抽象为两元素结构，就是将绝缘子带出泥泞之中的第
一步。一百多年来，绝缘子领域发生了翻天覆地的变化，绝缘子的种类已经发展到了线路绝缘子、电器绝缘子和电站绝缘子；绝缘子的电压等级已经
发展到了超高压和特高压；绝缘子的绝缘材料也由过去的瓷绝缘发展到玻璃绝缘再发展到复合材料绝缘；输电方式也由交流的一统天下的格局发展到
交、直流并存的状态，目前一个规模宏大的绝缘子体系，正在承载着为人类输送能源和光明的重要使命。但是，我称之为两元素的结构却一直沿用
至今，上述所有电压等级、所有类型和所有绝缘材料的绝缘子虽然在形式是各有所不同，但统统都是由绝缘本体和连接金具两大元素组成。下图示出
了一百年前和一百年后的两种绝缘子的结构比较，虽然在形式上好像有很大不同，但是仍然是两元素结构。高压电极高压电极绝缘体接地电极绝缘体
地电极电极是绝缘子的第一个元素，其传统设计思想是：电极仅仅是承担机械负荷的装置。直到今天，国内外的所有有关绝缘子的教科书也都是
这样定义的。既然电极不与绝缘子的电气特性产生联系，只要它的机械强度满足要求即可，所以电极的形状设计一般都非常简单。后来业内才慢慢知
道，电极形状和大小是决定绝缘子电场分布的重要因素，而电场的分布状态与绝缘子的可靠运行密切相关。下面第一张图，是上个世纪40年代前苏
联用实验方法显示出来的绝缘子周围的电场分布情况（那个时代还没有电子计算机），实线是等位线分布，虚线是电力线分布。从图中可以看出：当
绝缘子的两个电极施加不同的电位之后，绝缘子附近的空气就处在一种紧张的状态中，这些电力线就像一根根橡皮筋似的，把绝缘子周围的空气绷得
紧紧的。电子计算机出现之后，就可以对绝缘子附近的电场分布进行数字计算了。下面的图就是通过计算机计算出来的。图中的实线是等位线分布，
射线是电力线分布。从图中可以看出：除了空气之外，在绝缘子的伞裙中也有不同电位的等位线穿过，这说明这些伞裙中也经受着电场的纠缠。从图
中还可以看出：电极附近的电场最强。本人有幸从上世纪70年代中期，开始接触有限单元法，成为国内最早的一批用计算机来研究绝缘子的电场
分布的研究人员之一，随后去日本留学，也是学习这方面的内容，不过研究领域已经深入到了磁场分布了。下图就是本人在1976年使用计算机计
算出来的绝缘子附近的等位线分布（上半部分：有均压环；下半部分：无均压环）。从图中可以看出：电极附近的等位线分布比较密集，用均压环这
个附加电极可以把密集的等位线移到远离绝缘子本体的地方。不过那个时候机器还没有绘图功能，所以等位线分布都是把特大号的坐标纸铺到地面然
后再趴在地上用手一点一点画出来的。下图是本课题组根据一些绝缘子计算实例编写的教材。从上面的电场分布图可以感觉到：仅仅从绝缘子
的外形看，似乎非常简单，但实际上绝缘子的结构本身只是一个魄，而其周围的电场分布才是绝缘子的魂。以本人之见，绝缘子周围的电场相当于中
国画的以无胜有的留白艺术，中国画是不加底色的，留白与画中之物是一种虚实的统一，实际上在留白处是充满了“张力”的。与绝缘子周围的空气
一样，它们都有“此处无物胜有物”威慑力。下面两张图就是不加底色的中国画。下面继续谈电极。由于传统设计认为电极与绝缘子的电气性质无
关，所以对电极表面的加工精度也没有给予足够的重视。后来业内才慢慢知道，电极的粗糙表面会引起绝缘子电晕，而电晕会消耗发电厂发出的电能
，并且也是引发绝缘子发生故障的导火索。下图是在线路绝缘子上发生电晕的图片，图中的绝缘子有三种电极，高压电极、接地电极和绝缘子串接时
产生的中间电极，这张照片的珍贵之处是在同一基的三串绝缘子上，分别在三种不同的电极上同时发生了电晕，这真是一张难得寻觅到的照片。高压
电极中间电极地电极下图是在变电站的支柱绝缘子上发生电晕的照片。两个电极中间的绝缘体是绝缘子的第二个元素。其设计思想也很简单，从
材料考虑，只要它们的绝缘特性在大气环境中能够长期稳定即可。从形状考虑，只要在下雨时能够挡住部分雨水即可，所以绝缘体均带有伞裙。下图
是一张利用绝缘子的伞裙来挡住部分雨水的示意图。100多年前，人们发现了瓷质材料：80多年前，又发现了高强度玻璃材料：截止到上
世纪八十年代，这两种材料的绝缘子在运行过程中基本上都相安无事。后来的运行经验证明：这两种材料在运行中往往发生被污染和被雨水潮湿的现
象。下图是瓷绝缘子表面积污的情况。下图是瓷绝缘子表面被水湿润的情况。在污秽和潮湿并存的情况下，往往会在绝缘子表面产生泄漏电流，
在一定条件下，继而发生污秽闪络，而且这种闪络是在工作电压下发生的，所以会对电力系统造成巨大的威胁。通过分析，发现这种污秽闪络是由于
无机材料的亲水性质造成的。下面这张图是污秽闪络的前奏，伞裙上已经有局部电弧产生，但是还没有形成绝缘子表面的整体放电--闪络。下面
这张图是绝缘子的闪络图，电弧已经连通绝缘子的两个电极，这时候绝缘子就形成短路状态，线路就会跳闸了。从上面的照片中所显示出来的绝缘
子电极附近的电晕和伞裙表面的沿面闪络就可以看出，两元素结构绝缘子对抑制这两种现象是无能为力的，因为绝缘子的表面放电仅仅只存在一条路
径可以走。因此在高电压作用下，放电产生的电荷在两电极间可以畅通无阻，这是两元素结构绝缘子的致命弱点。当然，我们不能苛求100多年前
绝缘子的设计者们，因为当时还没有电晕和沿面闪络发生在绝缘子上，所以他们的两元素结构绝缘子的设计方案应该是正确而且是合理的。的确，1
00多年来两元素结构绝缘子为人类的能源供给做出了巨大的贡献，但是随着电压等级发展到高压、超高压和特高压，电网的生态环境也受到日益严
重地污染，这种结构的绝缘子就逐步地凸显出许多问题。例如对于上述的电晕现象，虽然它不会引起线路跳闸，但是电晕造成的能量损耗也不能小
觑。不过，想在两元素结构绝缘子上解决这个问题也确实很难。而绝缘子的污秽闪络与电晕不同，前者会引起电力系统的停电，这种事故发生后是需
要追究责任人的，所以研究者们的注意力几乎全集中在这里。既然这种污秽闪络是由于无机材料的亲水性质造成的，那么我们就利用有机材料的憎水
性来制造新型绝缘材料的绝缘子。于是在30多年前，人们尝试应用硅橡胶来代替传统的无机材料来制作绝缘子，硅橡胶是一种有机材料，呈现出很
强的增水性，因此可以提高外绝缘的污闪电压，于是硅橡胶成为了被世界各国所认可的第三种绝缘材料，而且在短短的二三十年内得到了迅速发展。
因为有机材料是一种高分子的聚合物，所以用这种材料制作的绝缘子在国外常称为聚合物绝缘子、非瓷绝缘子或合成绝缘子（因为应用在外绝缘的
有机材料都是合成的），甚至称为塑料绝缘子。我国在上世纪九十年代一般称它们为合成绝缘子，后来统一称为有机复合绝缘子，简称复合绝缘子。
我们国家的七五计划（1986-1990）也把研究开发上述绝缘子作为国家的重大科技攻关项目，该项目由武汉水利电力大学和清华大学共同承
担，本人有幸参加了这个项目，成为了国内最早研制复合绝缘子的成员之一。下图所示的就是目前国内外推崇的复合绝缘子的基本结构。因为硅橡
胶材料机械强度不够，所以绝缘子的机械性能由环氧玻璃钢材料来承担，这就是图中所示的芯棒，而硅橡胶包覆在芯棒外面，作为绝缘子的外绝缘，
芯棒相对地成为了绝缘子的内绝缘。从图中可见，一部分硅橡胶呈伞裙状，这是为了遮挡部分雨水，两个伞裙中间的部分称为护套，保护着芯棒使
其不暴露在空气之中，上下两头的金具就是绝缘子的两个电极。因为复合绝缘子的两个电极之间的距离一般都比相应的瓷绝缘子和玻璃绝缘子要长，
有的甚至要长出很多，所以相对而言，复合绝缘子的电极在尺寸上就显得比较小。前面说过，绝缘子的电极尺寸和形状是会影响到起周围的电场分布
的，所以在复合绝缘子的电极上，一般要加一个金属环，用来增大绝缘子原有的电极，这种环可以均匀电极附近的电场，所以称为均压环。综上
所述，100多年来，从绝缘材料看，绝缘子经历了可喜地变化，从无机材料发展到了有机材料，但是在基本结构上仍然是：两个形状简单的、表面
加工不精细的电极加上一段单一材料（瓷或玻璃或硅橡胶）的带有伞裙的绝缘体。例如上图，虽然从表面看起来，部件比较多，但是究其结构而言，
仍然是两个电极之间设置一个绝缘体，还是两元素结构。下图所示的是瓷绝缘子的基本结构，玻璃绝缘子的结构也是一样的。铁帽是一个电极，钢脚
也是一个电极，瓷件就是两个电极之间的绝缘体。水泥是作为一种粘结剂，将瓷件与两个电极连接在一起，这种绝缘子一般都是将许多个串联使用，
所以铁帽上面的开口销是为了接纳上一个绝缘子的钢脚的装置。下图所示的是多个玻璃绝缘子形成的绝缘子串，它们正处于严重雾气的包围之中。
由于绝缘子的结构非常简单，作为电极材料的金属就是一些极普通的铸铁或者普通钢材，作为绝缘材料的瓷和玻璃，前面也已经说过：其主要成分或
者是土，或者是沙，所以绝缘子的售价也非常低廉。写到这里，我想起了一则古代的外国寓言，它是这样写的：钉子缺，蹄铁卸；蹄铁卸，战
马蹶；战马蹶，骑士绝；骑士绝，战事折；战事折，国家灭……而上面发生的所有这一切，居然都是由一个小小的马掌钉引起的。所以
我认为：绝缘子就像古代寓言中骑兵打仗时的马掌钉，其战略重要性远远超过了其本身的成本，它的作用至关重要、不同寻常。虽然绝缘子通常仅
占线路总投资的百分之五到八，但是绝缘子一旦发生故障，却几乎总是电网运行中断的主要原因。所以在需要经常进行检查和维护的最花钱和最可
能出现问题的电力设备中，绝缘子名列前茅。下面三张图就在运维人员正在检查和维护高空中的绝缘子。综上所述，一百多年来面对电网
运行电压的不断提高，面对电网运行的外部环境的多样性和复杂性，绝缘子的两元素结构受到了越来越严重的挑战。但是，如果仅从现有绝缘子结构
出发，禁锢在“只有加长绝缘子，加大伞裙，才可以包打绝缘子天下”的传统思维下，来进一步探索绝缘子的可持续发展，那将进入到山穷水尽的境
地。如何才能使绝缘子摆脱目前的被动局面呢？我们认为需要研究者具备以下的条件：1、要有深厚的高电压技术和设备的专门知识。为了设计出
真正的技术先进、经济合理而又工作可靠的绝缘子，首先必须掌握各类绝缘材料在电场作用下的电气物理性能，特别是在强电场中的击穿特性及其规
律。其次，绝缘子的破坏决定于作用在它之上的电场强度，在满足电气设备基本要求的前提下，应设法改善绝缘结构，使电场分布尽可能均匀。此外
，还需要改进工艺以提高绝缘强度。最后还应该设计出一些好的试验方法，对绝缘子进行预防性检查，防患于未然。要做到以上几点，必须要有深厚
的高电压技术和设备的专门知识。2、要对绝缘子的电场分布具有深刻的领悟掌握和确定绝缘子中的电场分布是关系到产品优劣的极其重要的一环。
由于电场在绝缘子中的分布看不见，摸不着，要较好地掌握它，需要有较深的数学和高电压专业的功底之外，同时还要对数值计算和相应的计算软件
有充分地掌握和熟练地运用，否则是不可能对产品有所创新的。3、要对自然科学知识有广泛的掌握绝缘子在运行过程中，需要有优良的电气性能和
机械性能，又由于绝缘子长期工作在户外，因此还需要有良好的耐冷热急变的能力，需要有足够的化学稳定性。而且随着特高压电网的发展，对绝缘
子提出了更高更复杂的要求。因此粗看起来，绝缘子仿佛并不起眼，而实际上牵涉到力学、工程材料、高分子化学等多种学科。还因为绝缘的破坏本
质上是电子微粒在绝缘材料中运动和发展的过程，而这些就涉及到微观世界的许多理论，因此做绝缘子容易做好却极难极难。4．要有丰富的实践经
验因为绝缘子的材料和结构似乎都比较简单，所以如何找到创新点本身就是一个难以找到头绪的难题。因此研究者必须要有丰富的实践经验，才能深入到绝缘子内部，去寻求许多不为人们广泛所知的细节，通过理论和实践地结合，找到最合适的技术突破点。5、必须具有领导国内外绝缘子发展新潮流的视野和理论技术能力，也必须有具备实现这一目标的信心和雄心。通过十年来不断地尝试、积累和沉淀，我们已经深入到了绝缘子的本质问题，我们清楚地认识到：绝缘子绝不是电极和绝缘体的简单组合，而是存在大量需要研究的细节，只有对这些细节的感悟和掌握达到一定的火候，才能提炼出自己的创新思路和理论，才能另辟蹊径地解决好许多棘手的细节问题，而通过近十年的科技项目的验证，我们已经完全具备了这样的能力和自信。我们的总体目标是：采取开放的合作方式，在绝缘领域与合作伙伴精诚合作，共同为客户完美解决好与绝缘相关的系列问题，并发展出具有自主知识产权的的核心绝缘技术体系，用卓越的产品、可靠的质量和有效的服务致力于全世界客户。