导师序言 我国能源基地与负荷中心逆向分布，必然需要电力能源的跨区域、大规模调配。高压直流输电是实现远距离、大容量输电和电网互联的重要手段，能够实现大范围的资源优化配置。我国特高压直流输电线路不可避免地要经过高海拔、大落差、高地震烈度等地理环境恶劣和气象条件多变的地区，这对于输电走廊选择、线路检修维护和换流站设备连接等均提出了更高要求。气体绝缘输电线路（GIL）技术具有输送容量大、占地少、环境兼容性好、运行可靠性高等优势，可以很好地解决上述问题，成为传统架空线路、电力电缆和穿墙套管的有效替代方案，已广泛应用于交流输电系统。然而，GIL技术在直流输电中的应用却受到了极大限制，最为突出的问题就是绝缘子表面在长期承受单极性直流电场作用下会积聚大量电荷，导致局部电场畸变而诱发沿面闪络，大大降低设备的绝缘水平。因此，掌握直流GIL中的气固界面电荷特性、建立气固界面电荷基础理论、从而实现性能调控是研发直流GIL设备亟须解决的关键基础问题。 2014年1月，由清华大学牵头的国家重点基础研究发展计划（“973”计划）“大容量直流电缆输电和管道输电关键基础研究”项目获得立项启动，旨在解决我国大规模电能输送的关键通道问题，我们课题组负责直流管道输电中的气固界面电荷动力学过程研究。当时张博雅刚刚进组攻读博士学位，向我表达了参与该课题的强烈意愿。在此之前，我们课题组在直流GIL技术方面已取得了一些阶段性进展，实现了对真型盆式绝缘子表面电位的全自动化快速测量和对表面电荷的反演计算，得到了直流电压下盆式绝缘子表面电荷积聚的一些主要特征，联合中国电力科学研究院在国内较早开展了特高压GIL的直流闪络试验。随着研究的不断深入，我们也清楚地知道当时仍有很多难题没有解决，面临着下一步工作如何开展的问题。 首先，当时的表面电荷表征方法较为粗糙，采用静电探头测量的表面电位表征表面电荷仍是主流，当被测绝缘子的形状较为复杂时，所得结果与实际的电荷分布有显著差别； 而反演算法限于大型矩阵求逆的病态问题，使得网格数受限； 空间分辨率普遍较低，使得对电荷积聚现象无法做到精细化研究。其次，当时国内外对直流电压下气固界面电荷的积聚机制仍未达成共识，主要是由于影响电荷积聚的因素较多，电荷分布的随机性对机理分析造成了很大干扰，不同研究者根据各自的实验结果提出了不同的主导机制，但对电荷积聚的不同模式分析不足。最后，有效的电荷调控方法仍较为缺乏，这需要在明确电荷积聚机理的基础上，提出工程上较易实现的气固界面电荷调控和抑制手段。 在这种情况下，张博雅开始了他的博士课题。首先，搭建了基于缩比GIL模型单元的气固界面电荷实验平台，以圆锥形绝缘子为研究对象，采用多轴自动控制系统实现对绝缘子表面电位的精确扫描测量。借鉴数字图像处理技术，发展了针对“平移改变”和“平移不变”两种结构的气固界面电荷反演算法，获得了优异的计算稳定性、较高的空间分辨率和计算精度。其次，系统测量了直流电压下空气和SF6中气固界面电荷积聚特性，创新性地提出气固界面电荷分布具有两种模式，即“基本模式”和“电荷斑”模式，并详细分析了两种模式的形成机制。两种电荷积聚模式的提出得到了国内外同行的普遍认可，在此基础上，近年来电荷积聚模式的研究又得到了进一步发展和完善。同时，张博雅还通过实验和建模，研究了体电导、面电导、与气体离子中和这三种不同消散机理主导下的气固界面电荷消散现象，揭示了气固界面电荷消散特性和动力学过程。最后，从环氧树脂复合材料的本体改性和表面改性两个方面研究了抑制绝缘子表面电荷积聚的方法。其中，本体改性以降低绝缘材料体积电导率为目标，抑制绝缘子表面电荷积聚的“基本模式”； 表面改性以促进表面电荷沿切向疏散为目的，以降低绝缘子表面“电荷斑”的电荷密度。本书中探索的几种方法都表现出较好的电荷抑制效果，特别是自组装的PVA/MMT二维纳米涂层技术 ，为未来绝缘子的制造提供了新的思路。 张博雅的博士学位论文研究成果丰富，有助于人们深入认识直流电压下气固界面电荷的产生、输运、积聚和消散过程及其调控方法，为直流 GIL 设备的研发提供了重要理论基础和技术参考。本书中的一些成果已发表于高压绝缘领域的高水平期刊和国际会议，博士学位论文获评2018年度清华大学优秀博士学位论文。本书是对他博士研究生阶段工作的系统总结，能够在清华大学出版社出版我感到非常高兴。 目前，随着轻型化海上风电柔性直流送出技术的发展，国际上对于高电压等级直流GIS/GIL的需求日益紧迫，同时，以C4F7N等新型环保气体为代表的环保型SF6替代气体正逐步走向应用，得知张博雅毕业后仍在继续从事相关领域的科研工作，我感到非常欣慰，希望在大家的共同努力下，新一代环保型直流GIS/GIL技术能够早日推广应用，助力我国实现“双碳”目标。 张贵新清华大学电机工程与应用电子技术系2021年12月于北京清华园

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