何金良：為輸電線“穿上防雷外套”

史詩

2016年9月，在葡萄牙艾斯特里托召開的第33屆雷電防護國際會議上，2016年魯道夫·海因里希·戈爾德獎授予清華大學電機系高電壓與絕緣技術研究所所長何金良，表彰其在電力系統雷電防護領域作出的杰出貢獻。

特高壓、三峽和青藏鐵路等輸變電工程，以及奧運場館等10余項國家重大工程中，都蘊含著何金良的智慧。

堅持源于責任

何金良的幽默感與他的智慧和才華一樣，隱藏在他的個性中。北京初冬的一個周日下午，清華園明德路邊上的三層小紅樓里，何金良正在辦公室準備第二天要講授的兩門課的內容。本就不大的辦公室堆滿了專業書，何金良打趣地說：“我的專業書都在這里，家里放的是文學類的書。等我退休了，這些專業書我一本也不帶回家，或許潛心寫點小說。”

何金良最早接觸到雷電防護是其在武漢水利電力學院本科學習期間。1988年，何金良本科畢業設計時跟著老師開展了全封閉變電站的雷電侵入波過電壓的研究，由此踏進了雷電防護研究這道門檻。

“剛開始能有什么興趣？不過是有了一些感性認識，跟著老師學了點專業知識。但我覺得，既然選擇了這門科學，就有一份責任在，也就努力堅持下來了。時間長了，責任就變成了始終如一的堅守。”何金良說。

其實我們對雷電并不陌生。雷電是聯合國公布的十大自然災害之一，是自然界最具破壞性的力量之一。資料顯示，地球上平均每天會發生大約800萬次閃電。

在不斷的研究學習中，何金良了解到雷擊是造成輸電線路閃絡的主要原因之一。在我國跳閘率較高地區，高壓線路運行的總跳閘次數中，由雷擊引起的占40%～70%。何金良說：“如何有效地提高輸電線路的防雷性能對電力系統的安全穩定運行有著十分重要的意義。”

有這樣一組觸目驚心的數字：2008年南方電網110kV及以上輸電線路共計跳閘2599次，其中雷擊跳閘1588次，占總跳閘數的61.1%；2012年8月11日，南方電網發生交流單相跳閘，最終導致五回直流系統換相失敗的嚴重事故，廣東地區瞬時負荷損失近一半。“雷電的強破壞能力，造成了雷電防護的難度，而雷擊的隨機性則使科學家難以有效、系統地進行研究。”何金良說。

技術難題逐個擊破

“輸變電系統的接地系統是雷電防護的基本措施，它提供了雷擊時雷電流的泄流通道。接地系統的暢通性直接決定了防雷性能的好壞，也是雷擊及電力系統發生故障時人身和設備安全的基本保證。”何金良說。

然而，很長一段時間里輸變電系統的接地問題不被重視，其中存在巨大的事故隱患。隨著研究的逐漸深入，何金良意識到雷電流流過時接地系統的電磁暫態特性、降低暫態接地電阻是確保接地系統“暢通”的關鍵。

可接地系統的雷電沖擊特性還沒有被充分了解，更別提分析和計算了。

如何從地表測量獲得地下土壤的結構模型？如何在實際復雜的土壤結構模型下計算接地系統的電磁暫態特性？這些都是解決接地系統問題的關鍵。

在經過大量研究和實踐的基礎上，何金良在接地系統數值分析理論方面，提出了從地表電阻率測量結果反演任意分層土壤參數的計算方法，實現了任意層狀/塊狀媒質中接地系統電磁暫態特性的快速、精確計算。他和他的研究團隊還開發了自主知識產權的接地分析軟件包，已被國內外近百家單位使用。

過去人們很難“看到”雷電流作用時接地裝置周圍土壤中的放電圖像，于是何金良采用X光成像技術，在國際上首次獲得了土壤中清晰的雷電放電圖像，揭示了土壤介觀雷電沖擊放電機理，獲得了接地裝置雷電沖擊特性。

何金良說：“如何準確預測雷擊輸變電系統引起的故障率，是雷電防護的另一項關鍵技術。”他在國內率先開展的考慮雷電動態發展過程的雷擊分析方法，目前已被寫成國際大電網會議的技術導則，在全世界推廣應用。

實現避雷產品零的突破

有技術還得有產品，這樣才能使技術的價值得以最大化。當時還在清華大學讀博士的何金良意識到這一點，便開始從事先進避雷器技術的研究。

避雷器是電力系統最為重要的雷電防護裝備，整個電力系統的電氣安全是建立在避雷器的保護基礎上的。但何金良發現，過去的瓷套避雷器存在內部容易受潮及發生爆炸的缺陷。

于是，他參與國家重大科技攻關項目，在國際上最早研制出安全型的全固體絕緣的110kV～500kV復合外套避雷器，從結構上消除了避雷器內部受潮的可能性，開創了氧化鋅避雷器應用的新領域。

何金良還在國內最早提出采用線路避雷器來改善輸電線路防雷性能，在國際上最早研制出110kV～500kV免維護的固體絕緣線路避雷器，為輸電線路防雷提供了最為關鍵的設備。

為了提供避雷器的保護特性，在國家杰出青年基金和國家科技支撐計劃課題的資助下，何金良突破技術瓶頸研制出高非線性及高能量吸收能力的新一代金屬氧化物壓敏電阻，將其電位梯度從200V/mm提高到492V/mm，達到國際領先水平。

研究領域也“跨界”

何金良自稱很欣賞“斯坦福”的研究模式，絕不做無關痛癢的研究。“或許正在研究的是看似無用的、很基礎的內容，但其成果卻可能會帶動未來某種產業的跳躍式發展。”何金良說。

2012年，在深入思考電網未來發展的基礎上，何金良毅然決然進入自己完全不熟悉的研究領域，開展直流電纜和直流輸電管道的研究。

究其原因，何金良說：“電網承擔著為社會發展提供堅強電力保障的使命，而電力線路是電能輸送的載體，是電網的基礎。”

我國電力需求快速增長，而風電、水電等資源所處的地理位置遠離負荷中心，電力輸送通道問題是制約我國電力發展的重大問題之一。“解決我國電能輸送通道面臨的問題，必須發展具有輸送容量大、損耗低、環境影響小、可埋入地下等優點的直流電纜和管道輸電。直流電纜和管道輸電技術的推廣，將解決電力與自然環境、電力與城市化之間的矛盾。”何金良說。

2013年底，作為首席科學家的何金良獲批“973”計劃項目“大容量直流電纜輸電和管道輸電關鍵基礎研究”，帶領8個單位的30名科學家開展協同創新研究，重點解決多場耦合作用下介質空間及界面電荷的產生、輸運、積累及消散過程，絕緣介質多性能協同調控的理論及方法兩方面重大科學問題。

“通過研究，實現綠色環保、可回收的非交聯納米復合聚烯烴類電纜絕緣材料體系和替代具有溫室效應的SF6氣體的管道輸電混合絕緣氣體體系，形成500kV高壓直流電纜和直流輸電管道原型。”何金良說。

“比別人先走半步”，每天工作16個小時。三十多年前，何金良就是這樣堅持下來的，在快樂中研究，在研究中獲得快樂。如今，他的學生也多次榮獲國際獎項，有些已成為所在領域的佼佼者。談到這兒，何金良又笑開了花。

（本文轉自《科技日報》）