主编寄语－为什么雷电波遇到一个分闸的开关时，电压要上升一倍
这一期有一篇回顾避雷器的技术和应用的文章，在这篇文章中，提到了双倍电压效应的概念，即在电路的开路点，电压波会抬高一倍， 本文想海阔天空地谈谈这个问题。在我们的生活中有这样一些概念，它们的应用非常普遍，它们为我们提供了许多帮助，但是我们一直不去深究它们的确切含义。在这些概念中，最突出的首推波的概念。在日常生活中，我们会遇到各种各样的波：海洋湖泊中的水波，空气中传播的声波，抖动绳索时的机械波，电视塔中发出的电磁波，地震中的地震波。但是，波究竟是什么呢？显然波不是水，不是空气，不是绳索，不是电视塔，更不是地壳。的确，要把波这个概念解释清楚，还真不是一件容易的事情。
让我们从最熟悉的抖动绳索开始。将绳索的一端固定，用手握住绳索的另一端，将它上下抖动，我们就会看到一个接一个的波形沿着绳索连续地传播过去。人抖动绳索需要付出能量，绳索由一开始的直线变成了一个个具有波谷波峰的曲线，说明能量会沿着绳子传播。分析上面的现象，我们可以得出：振动产生了波动。先有＂振＂才有＂波＂，波是振动状态的传播，由于绳索还是在原处，所以波不是绳索本身的传播（在讨论波时，绳索可以称为介质），而是把人的振动的能量通过绳索（即通过介质）传播开来。
我们知道，自然界中的振动不只限于上面的机械振动，物理学中把任何一个物理量在某一个定值附近的反复变化都称为振动。例如电压是一个物理量，如果它在某一个平均值附近反复变化着，就可以称为电压振动。
下面来讨论电磁波。电磁波与电磁场有关，因此先讨论电场和磁场。我们的祖先通过观察和研究，发现了电荷的存在，更为重要的是：他们还发现了带电物体间存在着力，这种力称为电力。人类对自然界的磁现象不如电现象那样能够经常感觉到。但是，当我们手里拿着一块磁铁与一块铁块时，我们还是会感觉到：它们之间存在着一种特别的力，这种力称为磁力。
大自然中存在着电力和磁力，那么人们如何去研究它们呢？在这方面，人类表现出了极大的智慧。他们说，在空间中引入电荷就会发现有电力存在，那么在空间中一定存在着另一个东西，这个东西就是电场，而且这个电场与电荷伴随而生。同时他们还将电荷在其周围伴随电场这一个观点，作为讨论所有相关问题的出发点和基本原则，所以我们将来看到＂电荷＂这两个字眼时，头脑里应该立马想到＂电场＂，它们之间可以划等号。我们还应该注意：如果只停留在静电学的领域（即电荷不动），那么电场概念纯粹可以看做是假设的概念，引用它，只是为了描述电现象的方便，或者说使用电场的概念后，电现象就会变得容易研究得多 。
现在我们让电荷动起来。运动电荷之间的相互作用比静止电荷的相互作用要复杂得多，因此我们更应该仿照上面的做法，引入电流的磁场的概念（因为电流产生的场与恒定磁体所产生的场是一样的）。同样，在恒定电流学说的范围内，电流磁场的概念也可以看做只是为了便于描述磁现象而引入的假设的概念。
我们曾经说过：振动会产生波动。所以，如果电场在某一个定值附近振动，就可以形成向四周传播的电波；同样，磁场的振动也可以形成磁波。我们又知道，波的传播需要介质，在绳索抖动形成的波中，绳索是介质，而绳索是一种实体。但是在电波和磁波中，传播波的介质是什么呢？19世纪的科学家花了大量的时间和精力来寻找这种介质，后来发现，这种介质竟然是一开始用来简化问题而假设的电磁场。而且更有趣的是，电磁场不是实体！即传播电磁波的电磁场竟然是完全不存在任何实物的"虚空"。真是名副其实的"无中生有"！奇怪吗?其实一点也不奇怪。自然界的现象中充满了这样的对立统一，有些波的介质是实物，那么一定存在着某些波，它的介质必定是非实物的，这个结论不容怀疑，这就是大自然的本来面目。
在过去相当长的时间内，电现象和磁现象是分别研究的，后来的研究者发现变化的磁场可以产生电场，再后来的研究者又根据自然界的对立统一规律预言：变化的电场也可以产生磁场，这种预言后来也得到了证实。于是，当空间某一点的电场或磁场一旦变化，就有一连串的变化的电场和磁场产生，一环连着一环，交替出现并向四面八方传播开来，这种运动形式就称为电磁波。
在电磁波中，我们设电场的变化方向为X轴，有趣的是：电场产生的磁场一定在Y轴，而两者形成的电磁波的传播方向一定在Z轴。这又是为什么呢？请大家不要追问，就好比我们不会追问，为什么人脸上的五官会如此布局。因为这就是自然界的和谐。
由于电场和磁场同在一个XY平面上，它们形成的电磁波称为平面电磁波。在电力系统中，我们把能产生对设备绝缘危险的电压都叫做过电压，而大部分过电压问题的研究都要涉及到电磁波的流动。
在介质是实物的波中，实物的大小可以决定波的传播速度，而在介质是非实物的波中，由于没有实物存在，所以其传播速度到达了极限，即电磁波的速度必须而且只能是光速。
我们以前说过，波传播能量，不传播介质，因此当雷电波击中输电线时，就会在附近的空间产生电能和磁能。讲到能量，还想再多说几句，记得当初学习力学的时候，总是觉得依据牛顿三大定律，已经可以解决所有的力学问题，为什么还要塞进来一个抽象的＂能量＂来困扰我们呢？在电场的学习中也是这样，用电场强度，即从力的角度来描述电场的基本性质已经足够了，为什么还非要用电势，即从＂能量＂的角度再来描述电场呢？随着以后的学习内容越来越广泛、越来越深入的时候，才发现：只有＂能量＂这个概念，才能够出现在所有自然科学的领域中，它是一个能够把各个自然科学的分支有机地联系在一起的物理量，这时候对＂能量＂的敬重之情才油然而生。能量有一个很好的性质：这就是在各种运动形式的相互转化中，总是存在着一个不变的量，这个不变的量就是能量，能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式。多么朴素的语言，这就是被誉为19世纪自然科学三大发现之一的能量的转化和守恒定律。
现在，终于可以回答为什么雷电波遇到一个分闸的开关时，电压要上升一倍的问题了。因为开关打开，电流必须为零，又因为能量的转化和守恒定律，电流产生的磁场能量不能消失，它只能全部转变为电场能量，在电磁场中，两者的能量各占一半，从而使电压上升一倍。你们看，在以前学习中感到多余的能量概念，在这里却轻而易举地解决了一个棘手的难题。同样，当雷电波走到一个接地点时，由于接地点的电阻比起雷电通道的波阻来说，可以认为是零，因此在短路点电压必须为零，又根据能量转化和守恒定律，全部的电场能量要全部转变为磁场能量，所以电流增加一倍
张德赛
武汉大学电气工程学院
INMR中文刊主编
desai_zhang@163.com
出版商寄语
中国的复合绝缘子故障
近期在韩国首尔召开的INRM国际大会上，清华大学深圳研究生院关志成教授宣读的一篇文章引起了与会者的兴趣。这篇文章全面介绍了复合绝缘子在中国输电线路上的应用情况。
关教授说，从二十世纪90年代中期起，中国架空输电网络上使用复合绝缘子的数量一直在稳步增加。1994年末，复合绝缘子的安装数量不超过5万支，但是到了2006年10月，安装数量已经猛增到大约220万支。从那时起，输电线路的建设快速发展，当前的安装数量正在接近300万，而且很可能甚至更多。
关教授说，随着复合绝缘子投入运行数量的增加，对其性能的信任程度也在增强。基于复合绝缘子具有低维护及其它成本的优势，确实，最近若干年来，在中国，人们对这种技术的态度已经发生了明显的转变，经历了从最开始的怀疑到勉强接受，最终受到完全青睐。目前，其它国家似乎也正在发生着与中国相类似的转变。
事实上，从2009年10月起，复合绝缘子已经成为中国输电网络一枝独秀的主导绝缘子技术（66 kV到1000 kV交流，以及±500 kV和±800 kV直流），运行数量占绝缘子总数的近36%，相比之下，瓷绝缘子占35%，玻璃绝缘子占大约29%。（绝缘子在各种电压中的分布比例是：大约57%用于66/110 kV, 33%用于220 kV，大约10%用于330/500 kV以及更高的电压等级）。
关教授说，能够取得如此大发展的重要原因是，中国制造复合绝缘子的专门技术已经达到世界最高标准之列，特别是在特高压等级的应用。同样，过去30年间，全国有大量主攻课题为复合绝缘子的研究生从清华大学和其它高等院校毕业，他们的研究成果使当地的专业技能达到了非常高的水平，涉及的领域包括：产品设计、制造技术、材料、试验方法、老化现象以及高海拔地区的绝缘等。
虽然中国的复合绝缘子技术已经取得了上述诸多成果，但是，闪络和损坏造成绝缘子故障的事件却时有发生。例如，2006年底的详细统计资料给出了这些问题的主要原因 。由上表可以明显看出,雷电造成复合绝缘子闪络故障的次数最多，占总数的约47%，而鸟粪和不明原因接近43%。 (经验表明，大多数不明原因的闪络可能是由鸟粪引起的。 )解决这种类型的绝缘子闪络故障，断路器重合闸一般都能够成功。
与此同时，低劣的制造质量一直是故障的主导因素，例如FRP芯棒的脆性断裂和界面击穿。一般而言，界面击穿的原因是，芯棒与伞裙接触面的损坏或者是芯棒有缺陷，在雷电冲击下甚至在正常的工作电压下就能触发这些损坏或缺陷。这样的损坏能够导致外护套的整体毁坏，甚至导致输电线的跌落，属于严重故障。一家国际供应商的复合绝缘子，在浙江省的一条500kV线路上仅仅只运行了大约2到3年，就发生了上述情况。因此，尽管统计表明，目前中国复合绝缘子的故障发生率仍然非常低，也应该特别注意避免上述问题发生。
Marvin L. Zimmerman
出版商
mzimmerman@inmr.com