为电力能源装备“串联电路”补齐最后几块国产“拼图”

“你们就像串联电路上的关键元件，每一个都不可或缺，一旦哪个环节出了问题，整个系统都会停摆。”清华大学电机工程与应用电子技术系教授何金良常常这样勉励青年学子。

这句话也成了他所在团队的真实写照。在中国电力能源装备的“串联电路”上，他们正努力补齐最后几块国产“拼图”。

团队部分成员合影（左起依次为党智敏、何金良、梁曦东、张波、李琦）。受访者供图

面对高端绝缘材料、关键器件长期依赖进口这把悬在中国电力行业头顶的利剑，清华大学电机工程与应用电子技术系科研团队选择迎难而上。

2020年起，在国家自然科学基金创新研究群体项目（以下简称创新研究群体项目）支持下，由何金良担任学术带头人，曾嵘、梁曦东、党智敏、张波、李琦五位教授为学术骨干的团队围绕高电压与绝缘技术展开关键基础研究。

接受《中国科学报》采访时，何金良颇感欣慰地说：“在创新研究群体项目的支持下，我们用一系列基础研究成果，摆脱了我国输变电领域关键绝缘材料、核心电力电子及电力传感器件长期依赖进口的局面，把关键技术牢牢掌握在自己手里。”

关键核心技术是买不来的

电力能源装备支撑着电力系统的安全高效运行，好比这个庞大系统的骨骼与心脏。然而，随着电力科技不断进步，科学家们敏锐地意识到，现阶段想靠原创的物理原理来实现装备的颠覆性创新，变得愈发困难。而通过材料和器件的原始创新来撬动电力能源装备体系的跨越式发展，则成为破局的最优解。

长期以来，电网设备的研发遵循着一个简单的线性逻辑，即把小尺寸、低电压的设备直接放大，做成更大尺寸、更高电压的版本。但尺寸放大绝非等比例缩放——绝缘、散热、机械结构，每个方面都会冒出意想不到的工程难题。

更为严峻的是，在过去很长一段时间里，中国电力系统虽然发展迅速，但底层关键材料始终受制于人。例如，高端环氧树脂、电容器薄膜以及电缆用的交联聚乙烯等核心材料，均严重依赖进口。

“脆弱的材料供应链让我国的电力系统如同根基不牢的‘沙上城堡’。”何金良和同行们为此深感担忧。近年来，全球贸易格局风云变幻，这些基础材料一旦断供，电力装备将面临“无米下锅”的窘境。

“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的！”何金良强调，“从基础材料、核心器件入手，实现自主可控，是时代赋予我们基础科学研究者的使命与责任。”

2019年，他们成功获批创新研究群体项目，开启了有组织的科研新征程。

团队聚集了清华大学电机工程与应用电子技术系“先进能源材料与装备研究团队”的资深骨干教师与优秀青年教师，大家各有所长。曾嵘深耕电力电子器件，李琦与党智敏推进电容器研发，梁曦东探索超疏水外绝缘材料，何金良和张波则主攻绝缘材料及电缆、管道等核心装备，并且大家的研究都扎根于共通的基础物理理论之上。

何金良说：“这种有机融合，让实验室设备与平台得以高效共用，也让团队成员在交叉讨论中碰撞出创新的火花，实现了‘1+1>2’的协同效应。”

他们将科研的锚点深深扎根于国家最迫切的战略需求之中，针对我国新型电力系统建设领域被国外垄断的痛点，全面围绕电能传输系统的基础材料、核心器件及高端装备开展系统性、前瞻性的基础研究，誓要打破垄断壁垒，实现自主创新。

曾被不少人视为“瞎胡闹”

在创新研究群体项目支持下，何金良带领团队在国际上率先提出“智能绝缘材料”的原创概念，勾勒出电力仿生新材料的发展蓝图。按照这一构想，这类材料具有自适应、自诊断和自修复的功能，如同被赋予生命。他们相信，智能绝缘材料将催生全新的、具有内生智能的电力能源装备。

何金良坦言，这一构想提出之后，曾被不少人视为“瞎胡闹”。然而，经过数年潜心钻研，团队在原理上实现了材料的性能自适应调整、自主诊断与自动修复功能，并将智能绝缘材料加速转化为大国重器上的实际应用，从概念走向现实。

面对特高压套管这一全球性难题，团队发明了电场自适应调控复合材料，制备出“自均场套管”，实现了高压套管从传统的结构均压向全新的自适应均压的代际突破，堪称一场技术革命。

特高压套管是电力输送的“超级咽喉”，主要应用于换流站和变电站。它如同一根穿过墙壁的巨型绝缘管，内部导体承载着特高电压和大电流，外部则连接零电位的接地金属外壳或墙壁。高压导体与外壳之间的绝缘厚度仅有数十厘米，运行条件极为严苛，是公认的技术制高点。

“强电场与大电流产生的热场相互耦合、交织，导致电场分布极难控制。”何金良表示。传统技术路线在特高压直流工况下已逼近物理极限，难以从根本上解决电场控制难题。

为此，团队独辟蹊径，研发出一种具有非线性特性的智能复合材料。该材料如同为套管装上了“神经系统”，能够敏锐感知内部电场与温度的细微变化，并自动调节自身的电阻率或介电常数。当电压升高或温度剧变时，材料能自动将局部过高的电场“熨平”，实现电场的自适应调控与动态稳定，颠覆传统结构均压模式。

目前，团队已成功研制出±200千伏自均场套管样机，迈出了“从0到1”的关键一步。何金良满怀信心地说：“我们希望利用‘自适应’的新原理，开发出性能更优、可靠性更高的特高压套管，实现传统技术的换道超车及核心装备的自主原始创新，不再受制于人。”

在地下输电管道领域，团队同样基于智能绝缘材料理念，研制出国际首台±500千伏直流输电管道，填补国内外空白。

据了解，深埋地下的直流输电管道主要应用于大规模清洁能源外送与超大城市供电。输电管道绝缘子长期受电、热、机械等多场耦合挤压，加之直流表面电荷积聚，很难长期安全运行。

为此，团队从基本物理规律出发，发现了一系列气固界面电荷输运、积聚和闪络的新现象，并研发出新型绝缘材料，实现输电管道绝缘子表面电荷自适应消散，从根源上化解了风险。

何金良介绍，该材料能抑制表面电荷异常积聚。直流输电管道内部绝缘子表面电荷积聚时，可以通过绝缘子表面电阻率的变化来实现电荷自适应消散，从而消除闪络隐患，保障长期稳定运行。

如今，国际首台±500千伏直流输电管道产品正推进安装，预计今年10月投运。±800千伏特高压样机也已完成研制并开展试验，预计明年试运行，为雅鲁藏布江下游大规模水电送出提供穿越雪山的最优解。

此外，团队在电缆绝缘材料领域开辟了绿色新赛道，采用热塑性聚丙烯材料替代交联聚乙烯，从源头破解了退役电缆无法回收的环保痛点。

通过分子改性，团队补齐了聚丙烯脆性大、耐紫外老化差等短板，使其绝缘电阻率提升一个数量级，长期运行温度提升到105℃。目前，团队联合中国石化北京化工研究院，建成千吨级生产线，10千伏至110千伏电缆已在多省份投运，220千伏电缆正在进行测试，产业化稳步推进。

团队表示，相关基础研究已取得阶段性进展，未来将全面推进基于新材料的超特高压套管、电缆及输电管道等核心装备的研发应用。

把实验室搬进工厂

在何金良看来，基础研究如同一根强有力的杠杆，可以撬动整个电力装备领域的自主创新发展。

他始终认为：“做科研必须超前一步、居安思危。别人起步时，我们必须思考如何追求卓越；别人领先时，我们则必须追求源头创新。”他强调，好的基础研究成果应当顶天立地，兼具前沿性与极高的实用转化价值。

时间回溯到20世纪90年代，面对中国电网因工业污染导致的严重“污闪”问题，团队成员梁曦东研发出抗污闪复合绝缘子化解了这一危机。随后，团队又开发出高性能避雷器，大幅降低雷击故障率，守护了万家灯火。

团队历经二十年从实验室到车间的打磨，使我国高端避雷器彻底摆脱进口依赖，跻身世界顶尖水平并出口至全球百余个国家和地区，成为闪亮的中国名片。

回顾这段历程，何金良总结出了一条宝贵的工程科研法则：绝不能为了短期经济利益而做科研，更不能在实验室里盲目追求“完美”而闭门造车。

为消除尺寸放大效应带来的性能骤降风险，团队果断砍掉了冗长的实验室摸索阶段，在验证基本原理可行后，将研发阵地前移至生产一线。在特高压直流输电管道研发中，他们直接把实验室搬进工厂，利用企业加工与试验能力快速迭代，大幅缩短了从书架到货架的距离。

“将基础研究与工程应用无缝衔接，不仅缩短了研发周期，也实现了教研相长。”何金良表示。

培养青年学生时，何金良最看重的是树立使命感，点燃他们内心的火焰。面对当下部分年轻人的迷茫与倦怠，他认为，这往往是因为他们不知道自己的研究究竟有何用处，缺乏价值感。

何金良坦言：“必须将个人的研究与国家重大工程、重大需求紧密结合起来，让学生感到自己的青春与时代同频共振。”当学生意识到自己正在攻克一项国家急需的重要技术，且这项工作必须完成，否则整个工程就无法推进时，那种沉甸甸的责任感便会油然而生，内生动力便会源源不断。

面向未来，团队确立了“定制化”的先进研发理念。当真正洞悉了事物的底层运行规律，量体裁衣地创造新材料、新器件和新装备便水到渠成。“这就要求我们在进行材料和器件的研发时，应从实际应用场景出发，摒弃冗余，删繁就简，聚焦在核心功能上，将性能提升到极致，做到简约而不简单。”何金良说。

他们期待，未来的绝缘材料与器件不再是千篇一律的工业标准件，未来的电力能源装备是能够根据特定场景按需定制的智能体。一幅电力装备智慧化、个性化的宏伟蓝图，正在何金良团队手中徐徐展开。