以气驭电，助力电力设备环保新科技

　　—记武汉大学郑宇副研究员

　　电能是人类迄今为止最为广泛和高效利用的能量形式，电已经与每个人的日常生活密不可分。耗电量大的通常也是人口众多、经济发达的大型城市，比如我国东部沿海地区，然而可用来发电的煤炭、风、水、太阳能等资源却主要分布在我国中西部地区。对于我国能源中心与负荷中心分布不均这一特点，最高效的能源利用方式就是在能源中心就地发电，然后通过远距离的电能输送技术将电能送至负荷中心。远距离输电的关键技术之一就是如何降低电能在导线上的损耗，根据焦耳定律我们知道可以通过降低导线上的电流来实现。另一方面，为了维持输送的功率不变，就必须提高电压。这就是为何在我国必须采用特高压输电的主要原因。如今，我国的特高压直流输电电压等级最高达到110万伏，交流输电电压等级最高已经达到100万伏，这相当于我们日常用电220伏的4545倍。要安全可靠地驾驭高电压，就需要用到绝缘技术，其基础在于耐高电压的绝缘材料。随着特高压工程的建设和发展，高电压与绝缘技术领域的科学研究也进入高速发展期。研发高耐压、绿色环保、自主可控的绝缘材料，在先进电工装备领域开始逐渐火热。

　　武汉大学副研究员郑宇，就是一位用潜心研究电力设备环保绝缘气体的年轻人，他擅长结合理论分析和试验解决环保绝缘气体应用于设备复杂环境的基础科学问题，经常深入到企业，了解现场实际需求，运用所学知识，开发出了环保绝缘气体全氟异丁腈混合配方调控与绝缘设计技术。2023年，郑宇凭借在电力设备环保绝缘气体研究与应用方面做出的突出贡献，获得腾讯科学探索奖提名。

　　重大需求牵引研究方向 科学问题导向创新突破

　　空气是一种天然的绝缘材料，耐受场强大约为3万伏每厘米，也就是空气中当场强超过该值时，空气就会被电离，产生放电，对人身设备造成安全隐患。因此，高压输电线通常通过增大距离来控制场强小于耐受场强，以避免放电。为了让高压设备结构更加紧凑，需要想办法提高绝缘介质的耐受场强，最有效的办法就是研发新型绝缘材料。上世纪60年代，一种人造惰性气体六氟化硫开始用于电力设备，因其超强的绝缘能力和灭弧能力，六氟化硫气体绝缘设备结构紧凑、安全可靠、且运行免维护，迅速占领市场。至今在11万伏及以上电压等级变电站中，六氟化硫气体绝缘设备通常是除变压器以外最重要、最常见的电气设备。

　　然而，任何事物不可能只有优点，六氟化硫气体的主要不足是温室效应强，它是温室效应最强的气体，达到二氧化碳气体的24300倍，并且在大气中能稳定存在上千年。正因为如此，六氟化硫气体被《京都议定书》、《巴黎协定》等国际公约列为限制使用的气体，欧盟最新通过的《含氟温室气体法规》更是已经明确规定在电气设备中禁止使用全球变暖潜势超过2000的气体，这意味着六氟化硫气体绝缘设备未来将逐渐退出历史舞台。

　　这对我国电工装备的影响将是巨大的!我国是六氟化硫气体设备应用大国，面对六氟化硫气体被大规模替代，技术上是否已经具备条件?郑宇及其所在课题组在寻找六氟化硫替代气体道路上探索多年，在2014年开始读研时就参与武汉南瑞公司的国家级高层次人才计划项目，探索在六氟化硫气体中加入氮气，以减少六氟化硫气体用量。郑宇在开展该项目的研究时，注意到六氟化硫混合气体不仅能减少六氟化硫气体用量，还能降低设备的最低使用温度，能够将原有的零下20摄氏度左右最低使用温度降低至零下50摄氏度，这对我国极寒地区的应用是十分有利的。但是随着温度降低，是否会影响六氟化硫混合气体的电气绝缘性能呢?郑宇在调研国内外研究时发现对于这一问题，国内外几乎还没有人涉足，他敏锐地意识到揭示低温对六氟化硫混合气体的影响规律，是设备应用中要解决的一个关键科学问题。为此，郑宇开始着手攻克这一难题，在其导师周文俊教授的支持下，从气体放电理论分析，到试验装置设计研制，再到开展低温放电试验，郑宇最终发现了温度降低并不会导致六氟化硫混合气体的耐电强度发生显著变化，但是当混合气体中六氟化硫发生部分液化后，其耐电强度会出现明显降低。如今，郑宇开辟了绝缘气体的低温放电特性和机理研究新方向，取得可喜成绩，在IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation等行业知名期刊上发表了多篇论文，研制的可控温气体绝缘强度试验装置获得国家发明授权。

　　“需求牵引、问题导向”，一直是郑宇内心恪守的研究之道，“国家的需要就是自己的研究方向，解决关键科学问题就是创新突破，将个人发展融入到国家发展大潮流，用自己所学的知识，践行科技报国!”郑宇是这样说的，也是这样做的。他用自己所学的知识，经过多年不懈开拓，解决了绝缘气体领域的一个又一个科学问题，为我国先进电工装备科技创新做出了自己的贡献。

　　设计环保绝缘气体配方 从跟随到引领

　　“减少六氟化硫气体使用并非长久之计，研发一种完全不含六氟化硫的新型环保绝缘气体一直是本领域的世界性难题。”郑宇说，低温室效应的气体通常自身又不稳定，在电场中很容易发生放电分解，这对电气设备而言几乎是致命的;另一方面，绝缘强度高的气体，通常又很容易发生液化，诸多核心性能指标要求在同一气体上无法实现。这就需要将研究范式从传统的“找气体”向“造气体”转变，也就是根据需要先设计出符合要求的气体分子，再人工合成出来进行试验研究。

　　事实上，国外已经先于国内开展了“造气体”的研究，3M公司在2016年前后推出了一种称为“g3”的环保气体，其全球变暖潜势仅为六氟化硫的百分之二，GE用该气体研制出了14.5万伏的GIS和42万伏的GIL等设备，后来他们公布“g3”气体实际上是全氟异丁腈与二氧化碳气体的混合物。“g3”气体的出现在全世界范围内掀起了环保绝缘气体的研究热潮。人们发现，尽管全氟异丁腈气体的液化温度达到零下4.7摄氏度，无法单独使用，但其耐电强度为六氟化硫气体的2.2倍，通过与二氧化碳气体混合后可以实现高耐电强度与低液化温度的平衡，在高电压等级的电气设备中具有很好的应用前景。

　　郑宇介绍，全氟异丁腈加二氧化碳混合气体的协同效应是支撑其实际应用的基础，郑宇以研制全氟异丁腈混合气体绝缘的100万伏特高压环保GIL现实需求为出发点，跳出了传统主要依靠试验结果进行分析的惯性思维，提出了全氟异丁腈混合气体的协同效应机理模型，仅依托全氟异丁腈气体和二氧化碳气体的电离性质即可预测混合气体的耐电强度。同时，考虑电极表面粗糙度对绝缘强度的影响，提出了不同类型气体中导体表面粗糙度的控制模型。研究得出的混合气体配比在100万伏特高压GIL设备中顺利通过了耐压试验验证，提升了设备绝缘设计效率。其研究成果也在IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation等期刊上发表，特高压GIL用全氟异丁腈混合气体的绝缘设计技术通过中国电机工程学会组织的专家鉴定，鉴定结果为国际领先。

　　“看到自己的科研成果被用在实际中，这是令科研工作者感到最高兴的事。”郑宇说，特高压设备电压等级最高，内部电磁场环境最复杂，研制出全氟异丁腈混合气体的特高压GIL充分证明了这种气体的先进性。目前，郑宇团队所提出的全氟异丁腈混合气体绝缘设计技术已在多家制造企业进行了工程应用实践，实现了高可靠、经济环保的目标，获得了显著的经济效益、环境效益和社会效益。未来，郑宇将继续在环保绝缘气体前沿深耕探索，不负国家重托、不辱科研使命，继续为中国先进电工装备科技创新添砖加瓦，贡献自己的力量。