在国家双碳战略的场景下，为绝缘子的理论 创新与技术创新寻找新的出口和动力

在国家双碳战略的场景下，为绝缘子的理论

创新与技术创新寻找新的出口和动力

 

武汉大学  张德赛教授

最近一些年，智能电网及数字电网在电力系统中是一个热门的话题，但是我却认为：实现智能电网或者数字电网的前提是首先必须要有一个坚强的骨架，而这个骨架主要就是靠绝缘子来实现的。

 

绝缘子的问世已经有100多年的历史了，其基本结构就是两元素结构。其中的上下两个电极称为第一元素，电极之间的绝缘体称为第二元素。

绝缘子的种类多种多样、形形色色，但是对于结构而言，它们都是两元素结构，下面就是其中的一种。

不要小看“两元素结构”这个名称，任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，我将所有电压等级、所有类型和所有绝缘材料的绝缘子统统抽象为两元素结构，就是将绝缘子带上创新之路的第一步。

必须站在绝缘子的外面，才能看到它的里面。

公元前604年，中国的哲学家老子说过：“道生一，一生二，二生三，三生万物”。这句话非常简练，但是极富有启发性。

本人所受到的启发是：“二”缺乏创造性，因为“二”只能生“三”。但是“三”能够 “生”万物，所以“三”具有创造性。

基于这种思考，2011年，我在韩国举行的世界绝缘子大会上就明确提出：传统绝缘子在结构上是不完整的，必须要引入第三元素将其补充为完整结构，具有这种结构的绝缘子称为三元素结构绝缘子。

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。

绝缘子在电力系统中扮演的角色，就像战争中骑兵打仗的马掌钉，马掌钉出了故障，就会引发一系列的事件发生，最后可能导致战争的失败。所以绝缘子的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。

虽然绝缘子的价格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，却几乎总是使电力系统运行中断的主要原因。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，绝缘子也名列前茅。自世界上第一支绝缘子诞生以来，回顾100多年来绝缘子的演化历史，除了电压等级提高的因素之外，是什么因素驱动着绝缘子的进步和发展呢？

是绝缘子的生态场景。

联想到绝缘子之外的许多科技进步，都是人类在与相应的生态场景变化所带来的一系列挑战中，进行不懈斗争的结果。这些科技进步发展的历史告诉我们，绝缘子的发展不能故步自封，应该与时俱进，其理论创新与技术创新必须永远在路上。

遗憾的是：在过去的几十年，在绝缘子的创新上，并没有与时俱进。

本文就是从电力系统绝缘子生态场景的发展历史出发，试图在国家双碳战略的场景下，为绝缘子的理论创新与技术创新寻找新的出口和动力。

从绝缘子生态场景的角度，绝缘子的发展历史一般可以分为下面三个阶段。

因为在绝缘子的表面，时时刻刻都承受着外部运行环境的影响，所以下文将“绝缘子的生态场景”统一为“电力系统外绝缘的生态场景”。

一、20世纪初至80年代，电力系统外绝缘的生态场景是轻松洁净的

轻松是指绝缘子的工作电压等级不高，绝缘子的绝缘裕度比较大；洁净是指绝缘子的运行环境没有什么污秽，气候也比较正常。所以在这段期间，绝缘子在运行过程中基本上都相安无事。

二、20世纪80年代至本世纪20年代，电力系统外绝缘生态场景主要是应对大气污染和气候多变

下图是瓷绝缘子在运行中表面积污的情况，污秽中常常含有可溶性盐类或者酸、碱的沉淀物。

下图是瓷绝缘子在运行中表面被水湿润的情况，可溶性盐类或者酸、碱沉淀物就溶解在潮湿中。

污秽加上潮湿，绝缘子的表面电导骤增，就会有电流从绝缘子表面流过。因为这个电流是我们所不希望出现的，所以一般称之为“泄漏电流”。

泄漏电流的发展会减低绝缘子的绝缘性能，引起绝缘子表面的局部放电，见下图。

此时绝缘子表面还没有发生整体放电，绝缘子表面的整体放电称为闪络。

对于两元素结构绝缘子，只要存在污秽和潮湿，就必然会出现上图所示的现象。

泄漏电流及相应的放电现象，都会造成电能的损耗，但是由于它们不会引起电力系统的跳闸断电，所以三元素结构绝缘子能够抑制或者基本杜绝泄漏电流及其放电现象的理论创新与技术创新一直没有得到有关方面的重视。

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，对这种情况，电力系统是非常重视的。

重视归重视。

但是从上面两张照片中所显示出来的局部放电和沿面闪络可以看出：两元素结构绝缘子对抑制这两种现象是干瞪眼、是无能为力的，虽然现在似乎有一些解决办法，但是只能治标，不能治本。

下面就是两元素结构绝缘子的示意图。两个电极与绝缘子的表面紧紧相连，如果电力系统有什么风吹草动，从电极发出的带电粒子没有其他的出路，只能沿着绝缘子表面这一条路径走，这是两元素结构绝缘子的致命弱点。

每一次我看到上面这些照片，就经常想：连狡兔都有三窟，为什么在电力系统中担负着生命线一般重要功能的绝缘子，在即将发生故障时，却只有“自古华山一条路”了呢？

1、国内外解决上述问题的方法

在两元素结构绝缘子的框架下，目前国内外采取的技术路线就是下面几板斧，总结起来就是三个字：扫、涂、爬。

“扫”就是对绝缘子表面进行定期清扫，去除一部分污秽；

“涂”就是在绝缘子表面涂一层憎水性涂料，让其表面少潮湿一些；

“爬”就是增加绝缘子的高度或者增大绝缘子的直径来延长泄漏电流的路径，业内将这段距离称为爬电距离。

电流在金属导体中的运动是天经地义的，而在绝缘子的绝缘表面的运动只能称之为“爬”。

爬电距离长了，电阻就大了，根据欧姆定律，泄漏电流就小了。

下图是“扫”的情景。

因为冬天不下雨，绝缘子表面会积累厚厚的一层污垢，所以清扫工作往往在早春进行。

我国北方许多工业城市，电网企业每年都要安排人员在零下十几度或二十几度的严寒中登上几十米的铁塔，在凛冽的寒风中清扫绝缘子。

在高铁线路上，每年除了国家的“两会”及春运期间，也需要定期组织大量人员去清扫绝缘子。

下面两张图是用高压水枪冲洗绝缘子。

在中东的一些靠海国家，因为海水中含有盐分，所以往往需要用纯净水来进行冲洗。

下面是使用直升飞机来清洗绝缘子的情景。

下图是“涂”，即在绝缘子表面喷涂憎水性材料

下图解释了什么是“爬”？即把左边的传统绝缘子的高度增加，见右图，而且换为了憎水性材料的绝缘子。

 

通过上述几种方式，现在这类事故已经减少了很多，所以业内专家们一般也认为污闪问题在我国已经得到基本解决。 

但是仔细分析上述解决问题的手段，仍然会感觉到这是一种粗放型的和直线型的思维。

造成这种现状的根本原因，还是如前所述：我们没有跳开绝缘子的两元素结构，我们的眼睛只紧紧盯住两个电极之间的那个表面。如果这个表面受到污染，我们就去把这些污秽物擦掉；如果这个表面被湿润了，我们就在它上面覆盖一层不沾水的材料；如果嫌这个表面短了，我们就去加长它。

至于“扫”的效果如何？“涂”的成本、寿命以及涂料失效后怎样进行有效的第二次覆涂？加长绝缘子会增加多少材料费用和电能消耗？

对上述问题我们至今都没有综合各方面的因素去进行全面的考虑。

业内考虑得多的主要是第二个问题，因为这样的问题技术性比较强，比较容易科技项目立项，容易发表论文，也容易带研究生，同时对解决污秽闪络也有一定效果，何乐而不为呢！至于其他问题，似乎没有人去考虑。

例如第一个问题，即“清扫”的效果，这纯粹是花钱让农民工去干的事情。

我们在调研中了解到：一个比较有责任心的工人，基本擦干净一片绝缘子，需要8分钟的时间。以500kV线路绝缘子为例，一串绝缘子大约有30片左右，所以工人们一直不休息地清扫完一串绝缘子大约需要劳作4个多小时，一基杆塔有3串绝缘子，所以全部清扫完需要近2天的时间。

另外还了解到有这样的情况：工人们是不会带许多块抹布登上高空去擦绝缘子的，一般顶多带3、4块。擦绝缘子时的顺序是从上面擦到下面，我们知道，往往最上面的一片绝缘子是积污最严重的，所以在擦完第一片绝缘子时，抹布已经比较脏了，然后再用这块抹布去擦第二片绝缘子......所以运行维护中常常发生这样的情况：今天擦了，明后天线路就发生了污秽闪络。

再来看第三个问题：加长绝缘子所增加的材料费用和电能消耗，这纯粹是生产厂家的事情，与电力系统无关。

2、在目前国家双碳战略的场景下，过去一直没有考虑过的问题，现在必须应该考虑了；过去一直没有算过的帐，现在必须应该算了

最近，中共中央、国务院出台了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，明确坚持“节约优先”、把节约能源资源放在首位，实行全面的节约战略。

根据上述中共中央、国务院的节约战略，下面分别计算一下传统防污闪手段需要的费用。

2.1、清扫的费用

下面是《2021年国内某供电局输变电设备带电清洗、带电水冲洗施工》招投标公告的价格，具体摘录如下：

110kV架空线路绝缘子带电水冲洗：

1462元/串；

220kV架空线路绝缘子带电水冲洗：

2534元/串；

500kV架空线路绝缘子带电水冲洗：

3585元/串。

根据上述招标价格作为基础进行计算：

110kV每年清扫费用： 91.5亿元

220kV每年清扫费用：104.3亿元

500kV每年清扫费用：47.8亿元

共：243.6亿元。

当然我们不可能对所有的绝缘子进行清扫，所以我们只取一个保守的估计，取8%：约20亿元。

再加上变电站绝缘子的清扫费用：它一般都要比线路绝缘子多一倍，所以取40亿元。

所以每年我国花在绝缘子的清扫费用高达60亿元。

2.2、覆涂的费用

国内某省级电力局2020年第一次绝缘涂料的开标价格：755万元。

至于全国每年覆涂的大致费用，我们还没有这方面的数据，不过我想：国家电网、南方电网、轨道交通系统及全国的大型厂矿的专有变电站和输电线路加在一起，取30亿元应该不会太离谱。

2.3、加长绝缘子的绝缘距离的费用

我们曾经承担过某供电公司的科技项目，即不增加原有支柱绝缘子的绝缘高度（这种绝缘子称为Ⅰ型，即清洁型），通过第三元素来达到并且超过防污型支柱绝缘子的绝缘水平（这种绝缘子称为Ⅳ型）。

我们在Ⅰ型的基础上，做了两种相应的三元素结构绝缘子。

通过国内权威检测部门的试验数据证明：第一种三元素结构支柱绝缘子的污闪电压比二元素支柱绝缘子提高约41.35％，第二种三元素结构的污闪电压比二元素支柱绝缘子提高约132％。

污闪电压的提高一定是泄漏电流减少的结果，所以采用了第三元素，不需增加绝缘子的高度就可以达到减少泄漏电流和提高污闪电压的效果。

计算结果：采用三元素结构绝缘子后，

每年节省的材料费用：38亿元

以上还没有考虑：Ⅰ型比Ⅳ型节省用电量——20.4%。

2.4、综上所述，全国每年绝缘子清扫费用：60亿元；

全国每年涂憎水性材料费用：30亿元； 

全国每年加长绝缘子高度的材料费用：约38亿元。

每年全国“扫、涂、爬”技术手段的总费用：128亿元。

2.5、每年全国节省的“扫、涂、爬”费用可以建设的百万级核电站数目：  1.53座百万级核电站。

2.6、三项措施节省的费用与双碳战略的关系？

（1）优化供给侧能源结构。

三项措施节省的费用可建1.53座百万千瓦级核电站，即可以置换或者关闭1.53座百万千瓦级火力发电厂，大幅度优化了我国的供给侧能源结构。

（2）节省煤的燃烧量

三项措施节省的费用可少燃烧煤：264.4万吨。

（3）节省二氧化碳的排放量：514万吨。

（4）节省樟子松的亩数：约620万亩。

（5）为国家的碳中和做出的贡献。

我国发电行业每年的碳排放约为40亿吨，上述减少的514万吨，可以为国家的碳中和做出0.0514亿吨/40亿吨=0.13%的贡献。

（6）在碳交易市场的赢利：2.3亿元人民币。

三、21世纪20年代至今，电力系统外绝缘生态场景面临着全球减碳的新挑战，节能高效是新的奋斗目标

在中共中央、国务院明确了坚持“节约优先”、把节约能源资源放在双碳战略首位的场景下，三元素结构绝缘子终于找到了新的出口和动力。

因为，“节能高效”就是三元素结构绝缘子最显著的特点！

十年前，在业内普遍认为绝缘子的现状已经基本尽善尽美的氛围中，我们找到了自己的创新之路，并开始在这条路上向前探索。

我们这样做，在传统产业、垄断性质的绝缘子领域是相当的违和，因为我们是在用另外一套话语体系说事情，做事情。

所以，我们走得很艰难，很慢。

但是，这种艰难，这种慢，还因为我们想进入绝缘子的最底层，去深究支配绝缘子表面现象的那些背后的东西。

因为对一门学问最好的尊重，就是要深入地学会它，延伸它，深化它，然后完美地应用它，更要有信心和勇气，学会看到这门学问前方的无限风景，而不是用静止的、蔑视的眼光去看待它。

学问的深浅，取决于学习者自身境界的深浅。

所以十年来，我们走得非常坚实。

我们与国家电网和南方电网进行了内容丰富的三元素结构绝缘子的科技或技改项目的合作，在高压、超高压及特高压领域，对不同种类（线路型、电站型及电器型）、不同绝缘材料（电瓷、玻璃及复合材料）的绝缘子为对象，均取得了世界领先水平的成果，获得了省部级科技进步一等奖、二等奖和三等奖，授权了十三项发明专利，目前多种科技产品正在多地挂网试运行。

这些产品均在国家授权的检测单位通过了多种试验，最长的挂网时间已经超过了7年，目前正在启动科技产品的实用化、产业化阶段。

三元素结构绝缘子与两元素结构绝缘子有根本的不同，前者在各种严酷的气候条件和污秽条件下，仍然能安全可靠地工作，能够免除后者为了克服上述不利条件所进行的各种费用高、效率低的维护手段和措施。更重要的功能是能够大幅度减免电力系统的电能损耗，从而能够为实现双碳战略起到神来之笔的作用。

综上所述，通过十年的摸爬滚打，我看到了一个领域，我觉得找到了一个出口，这个领域就是“节能高效”绝缘子学，也只有通过这个出口，三元素结构绝缘子才能真正地看到远方的无限风景。

事情听起来挺完美，但实际上做起来还是有许多问题。

其中的一个原因是：我们自己的成熟度问题。

十年来我们主要是做科技项目，时间短，内容多，经费也比较少，所以不允许我们对每一个项目都像做产品那样精雕细琢。严格地说，我们现在在电力系统中挂网的产品，只能说是科技产品，并不是真正的满足用户各方面需要的能够实现工业化的定型产品。

第二个原因：绝缘子领域的创新和创业，与互联网领域终究还是不一样的。

一个互联网的创业，比如做一个程序，这个程序从你写完到测试结束，这些都是在计算机上完成的，所以它的速度是相当快的。

但是在制造业领域，要形成商业化的闭环步骤是很多的，往往自己的事情做完了，但是要到消费者或者用户手里，还需要经过很多很多的步骤。

这就是为什么几十年间，中国科技领域的创业主要集中在互联网领域，就是因为在这个系统中，创新成果实现的闭环是很短的。

但是在制造业里，它的链条特别长，所以过去制造业领域的创新都是巨头们的游戏，对于我们这样的小企业来说，它天然就不占优势。

不过，任何事情都有正面的意义。在互联网领域，存在着大量的从来没有人尝试过的东西。有些事情，只要灵光乍现，连高中生都可以做出来，所以这个领域有非常非常大的魅力。

但是要想在传统的绝缘子领域做一点创新，如果没有深厚的高电压技术和设备的专门知识，没有对绝缘子的电场分布具有深刻的领悟，没有对自然科学知识广泛的掌握，没有丰富的实践经验，几乎不太可能做出前人从来没有做过的事情。

认识清楚这一点之后，我们就感觉自己很坦然，知道我们做的这件事情注定是一个长周期的事情。即使是在最困难的时候，我们也觉得这个领域不只是有魅力，还存在巨大的机会，这个机会在某种意义上说，可能可以改变现在这个绝缘子世界的样子。

因为任何系统的美都在于简单的底层思维，三元素结构绝缘子的世界也是这样。也是从简单的底层思维出发，一层一层叠加出无穷的多样性，呈现出无限的美好风景。

19世纪英国最伟大的作家奥斯卡·王尔德说过：“我们都身陷阴沟里，但有人仰望星空。”

十年来我们身陷绝缘子这片泥泞中，但是它里面隐藏着通往云端的学问。从泥泞的脚下到旷远的云端是一条艰难的路，下面我们就停歇在“节能”这个场点，来目睹三元素结构绝缘子的魅力吧。（以2020年为例 ）

计算依据：每年传统绝缘子的泄漏电流和电晕损耗占每年发电量的1%，对于2020年，两者产生的电能损耗为：742亿千瓦时（kWh）。

1、优化供给侧能源结构

742亿千瓦时（kWh）等于22座100万千瓦的火力发电厂的发电量。

即可以置换或者关闭22座相同容量的火力发电厂，大幅度优化了我国的供给侧能源结构。

2、节省煤的燃烧量：3800万吨。

3、节省二氧化碳的排放量：7392万吨。

4、节省樟子松的亩数：约8870万亩。 

5、为国家的碳中和做出的贡献。

我国发电行业每年的碳排放约为40亿吨，上述减少的7392万吨，可以为国家的碳中和做出0.7392亿吨÷40亿吨=1.85%的贡献。

6、在碳交易市场的赢利：33.26亿元人民币。

 

武汉国试电气设备有限公司文宣部

2021年12月26日