為電力能源裝備“串聯電路”補齊最后幾塊國產“拼圖”

　　“你們就像串聯電路上的關鍵元件，每一個都不可或缺，一旦哪個環節出了問題，整個系統都會停擺。”清華大學電機工程與應用電子技術系教授何金良常常這樣勉勵青年學子。

　　這句話也成了他所在團隊的真實寫照。在中國電力能源裝備的“串聯電路”上，他們正努力補齊最后幾塊國產“拼圖”。

　　面對高端絕緣材料、關鍵器件長期依賴進口這把懸在中國電力行業頭頂的利劍，清華大學電機工程與應用電子技術系科研團隊選擇迎難而上。

　　2020年起，在國家自然科學基金創新研究群體項目（以下簡稱創新研究群體項目）支持下，由何金良擔任學術帶頭人，曾嶸、梁曦東、黨智敏、張波、李琦五位教授為學術骨干的團隊圍繞高電壓與絕緣技術展開關鍵基礎研究。

　　接受《中國科學報》采訪時，何金良頗感欣慰地說：“在創新研究群體項目的支持下，我們用一系列基礎研究成果，擺脫了我國輸變電領域關鍵絕緣材料、核心電力電子及電力傳感器件長期依賴進口的局面，把關鍵技術牢牢掌握在自己手里。”

　　關鍵核心技術是買不來的

　　電力能源裝備支撐著電力系統的安全高效運行，好比這個龐大系統的骨骼與心臟。然而，隨著電力科技不斷進步，科學家們敏銳地意識到，現階段想靠原創的物理原理來實現裝備的顛覆性創新，變得愈發困難。而通過材料和器件的原始創新來撬動電力能源裝備體系的跨越式發展，則成為破局的最優解。

　　長期以來，電網設備的研發遵循著一個簡單的線性邏輯，即把小尺寸、低電壓的設備直接放大，做成更大尺寸、更高電壓的版本。但尺寸放大絕非等比例縮放——絕緣、散熱、機械結構，每個方面都會冒出意想不到的工程難題。

　　更為嚴峻的是，在過去很長一段時間里，中國電力系統雖然發展迅速，但底層關鍵材料始終受制于人。例如，高端環氧樹脂、電容器薄膜以及電纜用的交聯聚乙烯等核心材料，均嚴重依賴進口。

　　“脆弱的材料供應鏈讓我國的電力系統如同根基不牢的‘沙上城堡’。”何金良和同行們為此深感擔憂。近年來，全球貿易格局風云變幻，這些基礎材料一旦斷供，電力裝備將面臨“無米下鍋”的窘境。

　　“關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的！”何金良強調，“從基礎材料、核心器件入手，實現自主可控，是時代賦予我們基礎科學研究者的使命與責任。”

　　2019年，他們成功獲批創新研究群體項目，開啟了有組織的科研新征程。

　　團隊聚集了清華大學電機工程與應用電子技術系“先進能源材料與裝備研究團隊”的資深骨干教師與優秀青年教師，大家各有所長。曾嶸深耕電力電子器件，李琦與黨智敏推進電容器研發，梁曦東探索超疏水外絕緣材料，何金良和張波則主攻絕緣材料及電纜、管道等核心裝備，并且大家的研究都扎根于共通的基礎物理理論之上。

　　何金良說：“這種有機融合，讓實驗室設備與平臺得以高效共用，也讓團隊成員在交叉討論中碰撞出創新的火花，實現了‘1+1>2’的協同效應。”

　　他們將科研的錨點深深扎根于國家最迫切的戰略需求之中，針對我國新型電力系統建設領域被國外壟斷的痛點，全面圍繞電能傳輸系統的基礎材料、核心器件及高端裝備開展系統性、前瞻性的基礎研究，誓要打破壟斷壁壘，實現自主創新。

　　曾被不少人視為“瞎胡鬧”

　　在創新研究群體項目支持下，何金良帶領團隊在國際上率先提出“智能絕緣材料”的原創概念，勾勒出電力仿生新材料的發展藍圖。按照這一構想，這類材料具有自適應、自診斷和自修復的功能，如同被賦予生命。他們相信，智能絕緣材料將催生全新的、具有內生智能的電力能源裝備。

　　何金良坦言，這一構想提出之后，曾被不少人視為“瞎胡鬧”。然而，經過數年潛心鉆研，團隊在原理上實現了材料的性能自適應調整、自主診斷與自動修復功能，并將智能絕緣材料加速轉化為大國重器上的實際應用，從概念走向現實。

　　面對特高壓套管這一全球性難題，團隊發明了電場自適應調控復合材料，制備出“自均場套管”，實現了高壓套管從傳統的結構均壓向全新的自適應均壓的代際突破，堪稱一場技術革命。

　　特高壓套管是電力輸送的“超級咽喉”，主要應用于換流站和變電站。它如同一根穿過墻壁的巨型絕緣管，內部導體承載著特高電壓和大電流，外部則連接零電位的接地金屬外殼或墻壁。高壓導體與外殼之間的絕緣厚度僅有數十厘米，運行條件極為嚴苛，是公認的技術制高點。

　　“強電場與大電流產生的熱場相互耦合、交織，導致電場分布極難控制。”何金良表示。傳統技術路線在特高壓直流工況下已逼近物理極限，難以從根本上解決電場控制難題。

　　為此，團隊獨辟蹊徑，研發出一種具有非線性特性的智能復合材料。該材料如同為套管裝上了“神經系統”，能夠敏銳感知內部電場與溫度的細微變化，并自動調節自身的電阻率或介電常數。當電壓升高或溫度劇變時，材料能自動將局部過高的電場“熨平”，實現電場的自適應調控與動態穩定，顛覆傳統結構均壓模式。

　　目前，團隊已成功研制出±200千伏自均場套管樣機，邁出了“從0到1”的關鍵一步。何金良滿懷信心地說：“我們希望利用‘自適應’的新原理，開發出性能更優、可靠性更高的特高壓套管，實現傳統技術的換道超車及核心裝備的自主原始創新，不再受制于人。”

　　在地下輸電管道領域，團隊同樣基于智能絕緣材料理念，研制出國際首臺±500千伏直流輸電管道，填補國內外空白。

　　據了解，深埋地下的直流輸電管道主要應用于大規模清潔能源外送與超大城市供電。輸電管道絕緣子長期受電、熱、機械等多場耦合擠壓，加之直流表面電荷積聚，很難長期安全運行。

　　為此，團隊從基本物理規律出發，發現了一系列氣固界面電荷輸運、積聚和閃絡的新現象，并研發出新型絕緣材料，實現輸電管道絕緣子表面電荷自適應消散，從根源上化解了風險。

　　何金良介紹，該材料能抑制表面電荷異常積聚。直流輸電管道內部絕緣子表面電荷積聚時，可以通過絕緣子表面電阻率的變化來實現電荷自適應消散，從而消除閃絡隱患，保障長期穩定運行。

　　如今，國際首臺±500千伏直流輸電管道產品正推進安裝，預計今年10月投運。±800千伏特高壓樣機也已完成研制并開展試驗，預計明年試運行，為雅魯藏布江下游大規模水電送出提供穿越雪山的最優解。

　　此外，團隊在電纜絕緣材料領域開辟了綠色新賽道，采用熱塑性聚丙烯材料替代交聯聚乙烯，從源頭破解了退役電纜無法回收的環保痛點。

　　通過分子改性，團隊補齊了聚丙烯脆性大、耐紫外老化差等短板，使其絕緣電阻率提升一個數量級，長期運行溫度提升到105℃。目前，團隊聯合中國石化北京化工研究院，建成千噸級生產線，10千伏至110千伏電纜已在多省份投運，220千伏電纜正在進行測試，產業化穩步推進。

　　團隊表示，相關基礎研究已取得階段性進展，未來將全面推進基于新材料的超特高壓套管、電纜及輸電管道等核心裝備的研發應用。

　　把實驗室搬進工廠

　　在何金良看來，基礎研究如同一根強有力的杠桿，可以撬動整個電力裝備領域的自主創新發展。

　　他始終認為：“做科研必須超前一步、居安思危。別人起步時，我們必須思考如何追求卓越；別人領先時，我們則必須追求源頭創新。”他強調，好的基礎研究成果應當頂天立地，兼具前沿性與極高的實用轉化價值。

　　時間回溯到20世紀90年代，面對中國電網因工業污染導致的嚴重“污閃”問題，團隊成員梁曦東研發出抗污閃復合絕緣子化解了這一危機。隨后，團隊又開發出高性能避雷器，大幅降低雷擊故障率，守護了萬家燈火。

　　團隊歷經二十年從實驗室到車間的打磨，使我國高端避雷器徹底擺脫進口依賴，躋身世界頂尖水平并出口至全球百余個國家和地區，成為閃亮的中國名片。

　　回顧這段歷程，何金良總結出了一條寶貴的工程科研法則：絕不能為了短期經濟利益而做科研，更不能在實驗室里盲目追求“完美”而閉門造車。

　　為消除尺寸放大效應帶來的性能驟降風險，團隊果斷砍掉了冗長的實驗室摸索階段，在驗證基本原理可行后，將研發陣地前移至生產一線。在特高壓直流輸電管道研發中，他們直接把實驗室搬進工廠，利用企業加工與試驗能力快速迭代，大幅縮短了從書架到貨架的距離。

　　“將基礎研究與工程應用無縫銜接，不僅縮短了研發周期，也實現了教研相長。”何金良表示。

　　培養青年學生時，何金良最看重的是樹立使命感，點燃他們內心的火焰。面對當下部分年輕人的迷茫與倦怠，他認為，這往往是因為他們不知道自己的研究究竟有何用處，缺乏價值感。

　　何金良坦言：“必須將個人的研究與國家重大工程、重大需求緊密結合起來，讓學生感到自己的青春與時代同頻共振。”當學生意識到自己正在攻克一項國家急需的重要技術，且這項工作必須完成，否則整個工程就無法推進時，那種沉甸甸的責任感便會油然而生，內生動力便會源源不斷。

　　面向未來，團隊確立了“定制化”的先進研發理念。當真正洞悉了事物的底層運行規律，量體裁衣地創造新材料、新器件和新裝備便水到渠成。“這就要求我們在進行材料和器件的研發時，應從實際應用場景出發，摒棄冗余，刪繁就簡，聚焦在核心功能上，將性能提升到極致，做到簡約而不簡單。”何金良說。

　　他們期待，未來的絕緣材料與器件不再是千篇一律的工業標準件，未來的電力能源裝備是能夠根據特定場景按需定制的智能體。一幅電力裝備智慧化、個性化的宏偉藍圖，正在何金良團隊手中徐徐展開。