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重大教授8年垒起世界首个野外覆冰试验基地

2018年04月16日 15:36    作者:李星婷    来源:重庆日报
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  重庆大学野外覆冰试验基地全景。

 

  人物名片 

  蒋兴良,重庆大学电气工程学院教授,湖南邵阳人。

  1985年至今,蒋兴良一直从事极端恶劣环境下电网覆冰与防冰减灾的研究,先后完成西电东送、三峡工程、青藏铁路和特高压工程等重大项目50余项,为我国科研事业做出重要贡献。

 

  雨凇的大小、形状不同,对输电线路造成的影响也不同。 记者李星婷 摄

 

  看似美丽的雨凇,常会带来严重的灾难。

 

  试验基地覆冰时的状况。

 

  茫茫雨雾中,蒋兴良在观看新的试验结果。 记者 李星婷摄

 

  蒋兴良和工作人员一年有三分之一时间在野外工作。

  它们晶莹剔透,裹嵌在草木、山石之上,像悬挂的钟乳石、像摇曳的风铃、像巨大的芭蕉扇……走进它们,如同置身一个童话世界般的梦幻国度。然而,美丽的背后却藏着一股邪恶的力量,造成不可估量的灾难。它是谁?如此亦美亦邪。人们叫它雨淞。

  在冬季和早春,有一种由冷暖气流交汇形成、温度低于0℃的水滴。它们从高空落到地面的过程中在树枝、枯草或电线等物体上,冻结成一层外表光滑、晶莹透明的冰层。

  在气象学上,这种水滴叫“冻雨”,这种冰层被称为“雨凇”(也称“冰凌”)。雨凇很美,但它引起的电网覆冰灾害,却是目前全球都无法彻底解决的难题。

  如何攻克这一世界级难题?重庆大学电气工程学院教授蒋兴良,在湖南省怀化市雪峰山打造了全世界首个野外(自然)覆冰试验基地(以下简称覆冰试验基地),以探寻研究电网覆冰的规律、防御及解决方法。

  解决电网覆冰灾害难在哪儿? 

  一条绵延狭长的峡谷,从东南方吹过来的太平洋暖湿气流和从西北方吹过来的西伯利亚寒冷气流在峡口相遇……这里是海拔1500米、位于湖南怀化市雪峰山上的坪山塘。

  重庆大学野外(自然)覆冰试验基地就建在这里,站在制高点上,四周荒无人烟,雨雾弥漫。长年的野外劳作,让蒋兴良看上去更像一位建筑工人。他介绍,绵延上百公里的雪峰山是湖南境内最高的山,山上每年的雨雾天气超过200天,雷暴天气超过80天,11月至次年3月则是覆冰期。

  基地的两座山头上各有一座雨凇塔连接着电网,还有一座高达34米、用于研究风机覆冰和保障基地生活用电的风力发电机,以及高大的圆柱形冲击电压发生器……在这里,蒋兴良潜心于电网覆冰、风机覆冰以及雷电天气下的输电研究。尤其是电网覆冰,其团队的研究成果已处于国际领先水平。

  “电网覆冰规律及其防御方法一直是国际上没有解决、极具挑战性的难题。”蒋兴良说,当冻雨来袭时,看上去其美无比的雨凇会不断冻结,极可能压垮电线或杆塔,使输电、通讯中断,造成不可估量的损失。

  一条输送容量为100万千瓦的输电线路,每停电一小时,就会造成直接经济损失约50万元;而新建一条同样的输电线路,每公里就需要300万元……2008年冬天,一场大范围的持续冰雪灾害就曾席卷我国南方,造成贵州、湖南、江西等地169个县大面积停电,经济损失超过1000亿元。

  “由于每种雨凇的大小、形状、重量不同,相应的会导致电网设计中的铁塔基座、高度以及电缆承重量不一样。而影响雨凇形成的因素又有很多,随机性极强,所含污秽杂质不同也会导致其导电性各不相同,引起闪络跳闸的可能性难以预测,这些都是应对电网覆冰的难点所在。”蒋兴良说,国际上自1932年就开始重视对电网覆冰的研究,目前美国、挪威、加拿大等多个国家虽已研究出激光、热气、涂料等几十种防冰、除冰的方法和措施。“但由于工程防御难度很大,所以仍有许多科学难题有待解决。”

  如燕啄泥筑巢 8年垒起试验站 

  为了选址建试验基地,蒋兴良跑了甘肃、贵州、云南等10多个省(市、区),最终选择了湖南怀化市的雪峰山。“因为这里独特、恶劣的天气,会有雾凇、雪凇、雨凇等多种现象出现,是研究电网自然覆冰极为理想的场所。”

  今年春节期间,重庆日报记者在基地采访时,亲身体验了坪山塘不可捉摸的天气:无论白天晚上,随时会狂风大作;时常雨雾弥漫,却又能在一两分钟内散开浓雾。

  在山上建覆冰试验基地并不容易。

  “2008年前,这山头上全是茅草。”蒋兴良回忆,那年冬天,自己带着十几名博士、研究生还有工作人员来到这里。“最初没有电,也没有水。”一直在基地工作的朱爱国回忆,那时大家就用板材搭建出一个54平方米的工棚,老师、学生、工人全都睡通铺。

  山上没有蔬菜,大家就啃方便面、吃榨菜,喝的水也是从半山腰担上来的。下雪天的晚上,就算盖3床被子也没用,因为被子湿漉漉的,就像冰一样。最让人哭笑不得的是,四周板材隙缝上的雪水还会不断流下来,直接落进嘴里、耳朵里……

  由于条件艰苦,也没有工人愿意上山工作,蒋兴良就带着学生开石挖方、砌砖架线。“那几年所有教授、博士、学生,在山上都成了工人。我们削平了一座山包,填平了山口的凹凼。那块做试验的空坝,就是我们一担土一担土填起来的。”重庆大学电气工程学院教授胡琴回忆说,修水池的1600多块砖,是胡建林老师一块块挑上来的;2014年夏天,为了赶装雨凇塔,大家在户外暴晒了3天,不少人浑身都脱了一层皮……

  就这样,靠着愚公移山的精神,到2015年底,通往山头的道路修通了,基地两楼一底的生活用房也建起来了;在一些电力企业的支持下,两座国际标准的雨淞塔、冲击电压发生器等大型装备和试验系统也陆续安装到位……如燕子啄泥筑巢,蒋兴良带领团队用8年时间,一砖一瓦地垒起了全世界首个自然覆冰试验研究基地。

  获取目前世界唯一的 

  高寒地区高压输电外绝缘实验数据 

  从2008年到2018年,夏天观测雷暴天气下的输电状况,10月至次年3月做覆冰防御研究……通过多年的观测、研究,蒋兴良团队揭示了超特高压下导线覆冰融冰的规律,并研发出全世界首套电网覆冰预报预警系统、提出电流智能融冰防冰的方法,取得了国际领先的研究成果。

  “电流智能融冰,就是通过智能控制与计算,让通过输电线路导线的电流始终处在合适的范围内,既能够产生足够的热量自动融掉冰雪,又不至于让电流过大烧断导线。”蒋兴良解释。

  目前,基于该理论研制的直流融冰装置,已在湖南、江西、安徽等地规模推广,有效防止了输电线路倒塔、断线等事故的发生。该研究成果也应用于“西电东送”等重点工程,大幅提高了电网供电的安全性和可靠性,其代表性成果“大面积冰冻灾害防御方法与成套装备开关与应用”获得2013年度国家科技进步一等奖。

  蒋兴良团队的成果远不止在雪峰山上的研究。早在2003年至2006年间,蒋兴良就带领团队每年分4次前往青藏铁路沿线,在2800米至5100米的格尔木、拉萨、风火山、昆仑山口等地,进行高海拔高压输电的电气外绝缘试验。

  “高原冬天晚上的温度只有零下几十度,那冰层有一米多厚,我们就到处找来羊粪,把冰烤化后进行相关试验。由于高原缺氧,不像在平原干活能一口气完成,大家就做一会歇一会。白天大家咬着牙关坚持,一到晚上便度日如年,无法入睡,因为只要一躺下去,喉咙就似乎被勒紧了……”重庆大学电气工程学院教授张志劲回忆起当年的情形,不无感慨。

  正是那些年在无人区的多次实验数据,团队获取了世界上第一批电气外绝缘高压输电实验数据,成为截至目前高寒地区高压输电外绝缘方面全世界唯一的实验数据!

  “我们攻克了青藏铁路供电工程外绝缘和隧道电气间隙设计的技术难题,使青藏铁路风火山隧道净空高度从初设的7.2米降低到6.95米。仅这一个隧道,就节省土建工程投资约1.4亿元!”谈及此,蒋兴良不无自豪。

  放射性电源侵蚀 痛得头撞墙 

  蒋兴良有个很奇怪的习惯:他老是不停地、用手去使劲按压自己的左侧腰部。

  “从2005年开始,他的腿就老痛,大家一直以为是因为风湿。”蒋兴良的妻子董莉娜说,直到2015年,蒋兴良的双腿已经痛得无法行走,他才去医院做了个全面检查,结果发现他患有后脊椎管神经鞘膜瘤,是肿瘤压迫脊髓神经引起的腿痛。

  “做高压电气绝缘放电试验时,各种放射线、电磁波都会随之发射。最后放电闪络时的电弧核心里,最高温度达到5000摄氏度,同时产生电磁辐射。”蒋兴良从1985年开始从事电网研究以来,每年有超过1/3的时间在野外度过。由于长期从事放射性电源工作,他的身体也受到这些辐射的侵蚀。

  2015年9月,蒋兴良做了脊椎管瘤的切除手术。由于肿瘤位于胸脊椎神经鞘膜上,手术伤及蒋兴良脊椎神经,这也导致他要时刻忍受常人难以想象的肋腰疼痛!“腰部疼痛难忍,只好时常按压一下,以转移注意力。”蒋兴良无奈地说。

  “疼痛常常让他寝食难安。”董莉娜说,手术后,蒋兴良的体重从110斤骤降到90斤。“有好多次,我深夜醒过来发现他痛得难受,在用头撞墙,我也没办法,只能跟着哭……”

  即使这样,蒋兴良也不愿意放下手中的试验。“双腿疼痛难忍,蒋老师都坚持拄着拐杖上山做试验;手术后30天,他就不顾医生劝阻上雪峰山了……”如今在湖南省电力科学研究院工作、蒋兴良的学生巢亚峰感慨地说,团队每个人都被蒋兴良这种坚韧精神影响着,大家近年来都出了不少成果。

  虽然蒋兴良带领的团队在西电东送、特高压工程恶劣环境输电以及外绝缘设计和电网防冰减灾方面取得了重大突破,但他却说:“电网覆冰防灾情况非常复杂,需要持续不断地研究新方法,且冰雪灾害不只发生在电网领域,在风力发电机、飞机、高铁、公路等各个领域均有发生。此外,在飓风、泥石流、地震、海啸等极端天气下,又怎么确保输电正常运行?这些都是需要研究的新领域。

  “科研没有止境,只有不尽的探索。”望着如水墨画般美丽的雪峰山,蒋兴良说:“这里就是我的家。”未来,他希望在这些新的领域,有新的突破和成就。

  重庆日报记者 李星婷

  本版图片除暑名外均由重庆大学提供

【责任编辑:悠然】

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