西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室

電力系統自動化編輯部2018-04-20 12:11:37

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編者按


實驗室是新技術新成果的孵化器, 建設功能齊全、體系完整、技術實力雄厚的實驗室是我國能源科技發展戰略的需要, 也是智能電網發展的需要和未來能源互聯網建設的重要支撐。本專欄將陸續選擇電力與能源相關的一些重點實驗室進行深度報道, 以推動實驗資源共享、科技成果轉化, 幫助實驗室實現其社會效益和經濟效益的最大化。


本專欄熱忱歡迎國家、省部級能源、電力類重點實驗室踴躍投稿, 對實驗室進行宣傳介紹。



電氣絕緣
目錄

一、基本情況

二、研究方向及主要研究內容

三、研究設施

四、科研成果

五、科研人才

六、人才培養

七、學術交流與合作



一、基本情況


西安交通大學

西安交通大學是國家教育部直屬重點大學,為我國最早興辦的高等學府之一。其前身是1896年創建於上海的南洋公學,1921年改稱交通大學,1956年國務院決定交通大學內遷西安,1959年定名為西安交通大學,並被列為全國重點大學。西安交通大學是“七五”、“八五”首批重點建設項目學校,是首批進入國家“211”和 “985”工程建設,被國家確定為以建設世界知名高水平大學為目標的學校。2000年4月,國務院決定,將原西安醫科大學、原陝西財經學院併入原西安交通大學組建新的西安交通大學。


今日的西安交通大學是一所具有理工特色,涵蓋理、工、醫、經濟、管理、文、法、哲、教育和藝術等10個學科門類的綜合性研究型大學。學校設有28個學院(部)、8個本科生書院和13所附屬教學醫院。現有教職工5696人,專任教師3006人,教授、副教授1800餘人。學校教師隊伍中有兩院院士29名,其中17名為雙聘院士。國家教學名師6名,教育部“長江學者”特聘教授、講座教授和青年學者69名,國家傑出青年基金獲得者38名,國家有突出貢獻專家及中青年專家20名,國家“百千萬人才工程”及“新世紀百千萬人才工程”國家級人選41人,“長江學者和創新團隊發展計劃”創新團隊帶頭人25人,教育部“新世紀優秀人才培養計劃入選者”234名,對國家做出突出貢獻並享受政府特殊津貼的專家535名。


西安交通大學現有全日制在校生32200人,其中研究生15747人。全校有本科專業83個,擁有28個一級學科、154個二級學科博士學位授權點,45個一級學科、242個二級學科碩士學位授權點,22個專業學位授權點。學校有8個國家一級重點學科,8個國家二級重點學科,3個二級學科國家重點(培育)學科,27個省(部)級一級重點學科,155個省(部)級二級重點學科。25個博士後流動站,5個國家重點實驗室,1個2011協同創新中心,2個國家工程實驗室, 3個國家工程(技術)研究中心,2個國家地方聯合工程研究中心,1個國家社科基金決策諮詢點,85個省部級重點科研機構。


電力設備電氣絕緣國家重點實驗室

電力設備電氣絕緣國家重點實驗室創建於1991年,是國家面向電力能源建設,依託西安交通大學,在電力設備電氣絕緣領域開展高水平科學技術研究、學術交流、高層次人才培養和科技成果轉化的國家級重要科研基地。現任實驗室主任為王建華教授,學術委員會主任為馬偉明院士。


實驗室研究方向為:電介質材料、結構、性能、表徵及其應用,電氣設備及其智能化,電力設備絕緣系統及其壽命管理,電工電能新技術及應用。


自2003年以來,實驗室針對電力設備電氣絕緣領域的科技發展前沿和我國電力工業發展中的重大科技問題,積極承擔國家、省部級和橫向協作項目,各方面都取得了顯著成績:獲國家級科技成果獎8項、省部級科技成果獎44項,授權發明專利442項,在國內外核心期刊上發表論文四千餘篇;科研成果轉化顯著。實驗室廣泛開展國際學術交流與合作,主辦國際會議20次,與美國、日本、英國、法國和加拿大等國著名大學與科研機構緊密合作,有264人次在國內外重要學術組織和期刊任職,具有較高的學術地位和國際影響力。


實驗室已形成多學科融合、勇於創新的科研群體。研究設施完備、系統,科研條件處於國際上大學同類實驗室先進水平。



二、研究方向及主要研究內容


1)方向一:電介質材料、結構、性能、表徵及其應用。主要研究內容包括電介質(包括納米複合、生物)材料的研究開發、電介質材料的破壞機理、複合絕緣結構介電性能的提高、介質放電特性與機理、特種絕緣技術和電介質功能材料。


2)方向二:電氣設備及其智能化。主要研究內容包括氣體放電理論、不同介質中電弧調控技術與應用、新型大功率開關裝備、電力設備智能化理論與技術和電力系統控制技術與裝備。


3)方向三:電力設備絕緣系統及其壽命管理。主要研究內容包括電力設備絕緣系統優化設計理論與技術、電力設備劣化及破壞規律、電力設備性能評價技術及表徵、大型電力設備絕緣監測與診斷新技術和大型電力設備壽命評估理論及壽命管理技術。


4)方向四:電工電能新技術及應用。主要研究內容包括脈衝功率與放電等離子體、新能源電力系統及其智能化、電力電子設備及電能質量控制技術和電工技術在生物、環保、國防等領域中的應用。


在基礎理論研究方面,電介質材料極化和電荷輸運成為研究的熱點,高電場、高能帶電粒子向絕緣介質注入電荷,介質中電荷輸運積聚加速絕緣介質老化和破壞。電介質材料介電特性具有時空多層次性,與物理、化學、材料等學科之間存在著極強的交叉性,與這些學科的融合成為電介質理論研究取得突破的關鍵。電介質材料環境效應的研究得到高度重視,從常規條件向極端條件的研究深入。高電壓、大電流和高功率放電條件下等離子體產生和發展規律成為放電與等離子體研究的熱點。


在技術研究方面,一方面本學科領域與信息、測控、計算機相結合,強力推動了電力設備優化設計、變電站和輸電線路絕緣優化設計、電力設備智能化設計、電力設備在線監測與壽命評估等技術的發展;另一方面本學科領域向生物、環保、國防等學科領域拓展,促進了極端環境下的絕緣技術、真空絕緣技術、等離子體技術及應用、電力電子技術及應用、國防電氣技術等的發展。


三、研究設施


實驗室建成了具有國際先進水平的電力設備電氣絕緣研究平臺,顯著提升了電力設備設計、研製、測試與評價的能力。在實驗室儀器設備專項經費和“211工程”“985工程”建設項目的支持下,集中建成了包括:電介質材料理化分析,有機/無機電介質製備,電氣絕緣設計、測試和評價,電力開關設備試驗,電器智能化設計試驗,脈衝功率與等離子體,新型儲能與轉換納米材料等研究平臺。實驗室研究手段較完備、系統,科研條件處於國際上著名大學同類實驗室先進水平。


1)電介質材料理化分析:擁有用於材料介電性能研究的寬帶介電測試系統(10 μHz~20 GHz、-150~500 ℃ )、熱刺激去極化電流測量系統、表面電位測試儀、油流帶電測試儀和西林電橋;用於材料組成結構研究的紅外光譜分析儀、紫外光譜分析儀、氣相色譜儀、電子顯微鏡、偏光顯微鏡(含熱臺)、表面張力測量儀、粒度分析儀、Zeta電位分析儀、水分/酸值測量儀、微粒測量儀,以及分子模擬系統;用於材料熱/力學性能研究的差式掃描量熱儀、熱重分析儀、動態熱機械分析儀、熱膨脹儀、導熱分析儀和微機控制電子萬能試驗機。可進行電介質材料結構與性能關係的研究。

 

圖1  理化分析實驗室

     

圖2  部分實驗設備


2)有機/無機電介質製備:擁有用於有機材料製備的流變儀、密煉機、開煉機、高速攪拌機、平板硫化儀;用於無機材料製備的噴霧造粒、球磨共混機、壓片機、真空燒結爐、高壓燒結爐、片式化成型線等系列設備;用於超特高壓套管的設計和製備工藝參數試驗平臺。可以滿足各種有機、無機材料和器件的製備要求。


3)電氣絕緣設計、測試和評價:擁有基於Ansys仿真軟件的大型電力設備絕緣結構及輸變電線路多物理場仿真系統;用於電力設備和材料電氣強度試驗的工頻耐壓、直流耐壓、雷電衝擊、局部放電等設備;用於空間環境絕緣電介質性能模擬試驗與測試的0.5 MeV微束流高能電子加速器、1 eV等離子體源、紫外成像儀、表面電位計和高低溫循環系統。能夠滿足國內電力設備絕緣電氣性能的研究。


4)電力開關設備試驗:擁有電流源迴路短路開斷電流為100 kA(有效值)、電壓源迴路暫態恢復電壓126 kV(峰值)的國內外高校中最先進的高壓大電流合成試驗系統,對研究真空電弧等離子體特性與理論和研製國際領先水平的環境友好型真空斷路器起到了至關重要的作用。

 

圖3  126 kV/100 kA 高壓大電流合成迴路


 

圖4  400 kV/200 kVA工頻耐壓設備

 

圖5  900 kV/20 kJ衝擊耐壓設備

 

圖6  2 kV/30 kA直流實驗迴路


5)電器智能化設計試驗:擁有完善的電磁兼容測試設備、基於電器智能化芯片的智能操作試驗平臺、電力設備綜合在線監測與壽命評估等研究試驗系統,為研究開發滿足智能電網需求的高性能高可靠的智能電力設備提供了試驗保障。


6)脈衝功率與等離子體:擁有脈衝寬度5~1000 ns可調、峰值電壓最高可達600 kV的高功率脈衝電源和上升沿小於5 ns、脈衝寬度小於50 ns、峰值電壓300 kV的重複頻率脈衝電源;擁有曝光時間3 ns~1000 s、光譜響應280~1000 nm的高速分幅相機,可實現各種快速放電現象的實時觀測與研究;擁有二次電子發射係數測量裝置,可以在10-4 Pa真空下采用單次、1 Hz、10 Hz電子槍脈衝,能量範圍1~6 keV對樣品進行輻照。


7)新型儲能與轉換納米材料:擁有用於納米材料合成的高溫高壓反應釜、超聲波分散儀、噴霧乾燥器和流變儀;用於材料加工/儲能的高溫電爐、高溫和高壓電爐、手套箱、球磨機、高溫壓力器、熱等靜壓機和電化學測試儀;用於納米薄膜製備的原子層沉積系統、超聲波噴塗、電子濺射鍍膜儀;用於材料性能分析的熱重分析儀、紫外可見光分光光度計、激光散射粒度分析儀、機械性能測試儀、比表面和孔徑分析儀。


圖7  新型儲能與能量轉換納米材料研究中心


四、科研成果

近年來,實驗室針對電力設備電氣絕緣領域的科技發展前沿和國內電力工業發展中的重大科技問題,積極承擔國家、省部級和橫向協作項目,各方面都取得了顯著成績:獲國家級科技成果獎8項、省部級科技成果獎44項,授權發明專利442項,在國內外核心期刊上發表論文逾4000篇;科研成果轉化顯著,代表性成果新增利潤超過20億元。

基於電荷積聚與輸運的介質破壞理論。實驗室在創建的、被國際學術界認可的電荷注入、低密度區、電離、樹枝化、擊穿的聚合物擊穿理論體系的基礎上,進一步提出了增加淺能級陷阱的密度、捕捉注入電荷、均勻空間電荷分佈以提高聚合物絕緣電老化壽命的新觀點,隨後又進一步發現了高電場強度或高能粒子輻射作用下絕緣介質中電荷輸運-積聚-擊穿規律,建立了絕緣介質空間電荷積聚到擊穿過程的物理數學模型,不斷完善了基於電荷積聚與輸運的介質破壞理論。


電接觸理論體系及空氣介質電弧綜合調控。實驗室在已建立的具有特色、較為成熟的電弧狀態轉換、電接觸表面動力學、電接觸材料轉移、電接觸熱過程理論體系的基礎上,攻克了電弧等離子體測量、仿真和調控技術,建立了真空電弧在大電流下的雙溫度磁流體動力學模型,提出了對空氣介質電弧從磁場與流場聯合的調控、基於觸頭材料的調控、基於操作機構的調控的綜合調控思想;進一步建立了分離式電接觸理論體系,建立了描述拉弧過程中真空電弧陽極熱活動的物理數學模型,定量給出了馬鞍形縱向磁場中心區域縱向磁通密度的最小值為3-4 mT/kA的設計準則,證明了空氣電弧對器壁材料的侵蝕機理主要是電弧和產氣材料之間的熱傳導。


產生了若干標誌國際電力設備領域技術水平的成果

通過持續不斷的努力,實驗室在電力設備電氣絕緣應用研究方面,產生了一批標誌國際電力設備領域技術水平的成果。例如:


交、直流特高壓套管。在制訂了7個西部地區高海拔750 kV輸變電工程主設備技術規範與驗收試驗標準、15個1000 kV交流特高壓輸變電工程主設備技術規範、11個±800 kV特高壓直流系統一次主設備試驗及驗收標準的基礎上,攻克了特高壓交、直流工程用大型套管的關鍵技術和特高壓輸電線路及電站設備的均壓技術,成功地研製出特高壓1100 kV交流套管和±800 kV直流套管,形成了具有自主知識產權的專有技術,成為代表國際領先水平的標誌性成果。


開關電器大容量開斷技術。實驗室在建立了電弧放電的磁流體動力學模型等理論的基礎上,發明了真空電弧的非均勻縱向磁場控制技術,並利用電弧產生的氣流場控制電弧放電、利用短路電流產生磁場熄滅電弧、利用外部結構和電路參數控制電弧的非穩定性等綜合調控技術,成功地研製出系列大容量開關。指導研製的額定電壓12 kV、額定電流6300 A發電機保護真空斷路器,提高開斷能力25%以上,達到世界領先水平;研製的額定電壓126 kV、開斷容量40 kA高電壓等級真空開關,額定電流達到2500 A,超過日本明電舍公司的產品(額定電流1600 A),達到世界領先水平;圍繞未來全電艦船發展的需求,研製出4 kV/70 kA世界最大容量中壓直流斷路器,在空氣介質直流開斷領域達到世界領先水平。


智能電器關鍵技術。實驗室早在上世紀90年代就在國內率先提出了“智能電器”的概念,並積極推動該方面技術的發展。提出了基於運行狀態和開關電弧特徵的智能操作概念,制定了與智能電器所服役環境和自身性能相適應的智能操作模式,提出並創建了基於專用集成電路的智能電器通用拓撲結構,發明了系列智能電器專用芯片,開發了16個系列50餘種型號智能電器產品,性能達到國外同類產品的先進水平。


複雜供用電系統諧波綜合防治技術。實驗室在有源諧波抑制技術、諧波綜合防治技術等方面研究有所突破,提出了統一功率理論和濾波器優化配置方法,發明了新型諧波電流、諧波電壓檢測方法及有源濾波控制方法,發明了混合治理方法和裝置,開發了多個系列諧波治理產品,性能優於國外同類產品。


五、科研人才


實驗室現有固定人員64名和實驗室自主聘任技術人員/學術祕書19名,擁有院士2名,“千人計劃”專家4名,“973”首席科學家1名,百千萬人才工程入選者2名,“ITER”計劃項目首席科學家1名,國家傑出青年科學基金獲得者4名,國家優秀青年科學基金獲得者3名,全國教學名師1名,長江學者獎勵計劃特聘/講座教授5名,青年長江學者1名,教育部新世紀優秀人才支持計劃入選者18名,高等學校青年教師獎入選者1名,陝西省有突出貢獻專家1名,國家電網特高壓交流試驗示範工程特殊貢獻專家3名,國家電網特高壓直流輸電示範工程重要貢獻專家3名,中組部首批青年拔尖人才支持計劃1名,何樑何利青年創新獎1名,陝西省“三五”人才4名,“三秦”學者1名。“電力設備絕緣與放電”團隊被評為國家自然科學基金委創新研究群體,“高電壓大電流測試技術及裝備”團隊被評為陝西省重點科技創新團隊。

此外,還有雙聘院士2人,資深教授10人以及客座研究人員155人,博士後20名,在讀研究生721名。


六、實驗室人才培養


以項目或問題為導向,以研究能力提升為主線,實驗室制訂了一系列人才培養措施。一是改革研究生課程教學模式,聘請國際知名學者直接全英文為研究生授課,並邀請國內外知名學者來實驗室開辦專題講座或前沿學術報告會,開闊學生的國際視野。二是堅持走國際化培養道路,積極鼓勵研究生參加國際學術會議,近幾年來已經有數百位研究生參加了國際會議;積極派出研究生到國外攻讀學位和研修,同時,實驗室積極招收國際留學生,將研究生培養的國際化逐步推向制度化。所撰寫的論文獲“全國優秀博士學位論文”3篇,“全國優秀博士學位論文”提名3篇,“陝西省優秀博士畢業論文”8篇。


七、學術交流與合作


主導了本學科多個方向上的國際學術交流

實驗室積極開展國內外學術交流與合作,成立國際學術委員會,由本領域國際知名專家學者對實驗室的“國際化”進行指導。主辦國際會議20次;與美國、日本、英國、法國和加拿大等國著名大學與科研機構緊密合作;有264人次在國內外重要學術組織和期刊任職;現有IEEE Fellow 2人,IET Fellow 1人;72人次受邀在國際會議上作學術報告。


吸引一批國際知名大學、企業與我們合作探索前沿技術

實驗室與英國萊斯特大學在絕緣材料破壞機理方面開展了深入持續的合作,在絕緣材料破壞機理上取得突破;與英國利物浦大學簽訂了智能電網合作研究協議,共同承擔中國和英國自然科學基金委聯合基金項目;與英國南安普頓大學合作在空間電荷測量、絕緣劣化機理方面取得系列成果;與法國圖盧茲大學合作,共同承擔了中國和法國自然科學基金委聯合基金項目;與日本東京電機大學一起探索126 kV單斷口真空斷路器關鍵技術與理論這一前沿問題。


鑑於實驗室在開關開斷能力研究的優勢,國際著名公司施耐德電氣公司圍繞著實驗室開關開斷能力的研究,委託開展了低壓斷路器開斷性能影響因素、真空滅弧中弧柱與電極活動相互作用、斷路器磁脫扣器動態特性、斷路器動觸頭斥開和機構運動等系列關鍵技術攻關;同時韓國現代重工、日本富士電機、英國伊頓電氣等國際著名公司也圍繞著直流斷路器、滅弧室壓力測試、斷路器開斷能力的提高等關鍵技術,主動與實驗室建立穩定合作關係,謀求實驗室對他們公司技術進步的支持。


實驗室在絕緣材料閃絡和擊穿方面具有強烈的國際影響力,ABB、施耐德電氣、AREVA、Honeywell等國際著名的電氣公司針對各自技術發展的需求,提出開展固體絕緣沿面閃絡、聚乙烯基納米絕緣材料絕緣擊穿機理、納米絕緣材料真空沿面閃絡性能、真空絕緣部件性能提高、大功率高效率電機定子絕緣等方面的研究,期待實驗室在這些方面有所突破,為提高他們公司產品的性能提供理論和技術基礎;而日本東芝、法國Nexans等公司則希望實驗室幫助他們開發高性能的礦物絕緣油、無滷阻燃材料等,以改善他們現有產品原材料性能。


吸引了一批國際知名學者和青年才俊加盟

通過國家重點實驗室專項經費、“985工程”、“211工程”持續建設,大幅度提升了實驗室的研究能力。同時在學校支持下積極探索管理體制改革,努力營造適合引進高層次人才發揮作用的軟環境,這些努力顯著提升了實驗室在國際同行中的吸引力,一批國際知名學者陸續加盟實驗室,反過來又進一步提升了實驗室的影響力。


隨著實驗室國際影響力逐年增長,實驗室的國際交流越來越頻繁,越來越多的國際一流學者從簡單的訪學到受邀或主動提出來實驗室做客座教授,從事合作研究。例如:國際著名真空開關專家、日本工程院院士、日本東京電機大學Satoru Yanabu教授主動提出要與實驗室合作從事新型高性能超高壓真空開關研究,並將他在日本的實驗室部分儀器設備捐贈給實驗室,目前他每年在實驗室工作超過六個月,對超大開斷容量、單斷口126 kV真空開關研製做出了重要貢獻;國際著名的電介質物理專家IEEE Follew、英國萊斯特大學L. A. Dissado教授,主動提出來實驗室合作從事絕緣材料破壞機理研究,他已經連續五年、每年在實驗室工作2~3個月,對完善基於電荷積聚與輸運的介質破壞理論起到了重要作用,併為研究生開設了一門絕緣破壞機理的課程。此外還有英國利物浦大學方大慶教授,日本絕緣學會主席、早稻田大學T. Tanaka教授等均在實驗室擔任客座教授,每年在實驗室工作1~2個月,指導研究生、開展合作研究。


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