高壓直流瓷和玻璃絕緣子金屬附件電解腐蝕試驗方法

羅 凌 張福增 王黎明 梅紅偉 關志成 李立浧

(1.清華大學深圳研究生院 深圳 518055 2.南方電網科學研究院有限責任公司 廣州 510080)

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高壓直流瓷和玻璃絕緣子金屬附件電解腐蝕試驗方法

羅 凌1張福增2王黎明1梅紅偉1關志成1李立浧1

(1.清華大學深圳研究生院 深圳 518055 2.南方電網科學研究院有限責任公司 廣州 510080)

分別采用噴水法、鹽霧法、電解法和固體污層法對絕緣子的鐵帽、鋼腳進行電解腐蝕模擬試驗研究，并對不同試驗方法的等效性和可行性進行分析。通過與金屬附件的現場腐蝕情況進行對比，并綜合考慮各種方法的可操作性，推薦采用噴水法和鹽霧法進行絕緣子金屬附件電解腐蝕的模擬試驗研究。采用噴水法進行鐵帽腐蝕試驗時，鹽溶液的電導率取8～10 mS/cm(20℃)，噴水流量控制在8～10 L/h范圍內；進行鋼腳腐蝕試驗時，溶液電導率取2～3 mS/cm(20℃)，噴水流量為2～3 L/h。采用鹽霧法進行試驗時，鹽水溶液的電導率調配為10～12 mS/cm，單個噴嘴的噴霧流量為0.25～0.4 L/h。

直流瓷和玻璃絕緣子 金屬附件 電解腐蝕 試驗方法 噴水法 鹽霧法

0 引言

近年來，隨著我國電網規模的日益增大，高壓直流輸電技術得到了快速發展[1-4]。多條高壓、特高壓直流輸電工程投入運行，為我國電力能源的優化配置發揮了重要作用[5-8]。盤形懸式瓷和玻璃絕緣子因其機電特性穩定、運行經驗豐富而在高壓直流輸電工程上被廣泛應用[9-12]。

自2011年10月以來，我國±800 kV楚穗直流、向上直流等特高壓直流輸電工程投運不足兩年即陸續出現大面積的瓷和玻璃絕緣子金屬附件腐蝕現象。根據南方電網公司2012年2月的排查結果，楚穗直流云南曲靖區段共有20 000余片瓷絕緣子出現鐵帽腐蝕現象[13]。幾乎同一時間，國家電網公司在向上直流湖北恩施區段也發現了2 000余片瓷絕緣子出現了鐵帽腐蝕[14]。此外，南方電網超高壓輸電公司柳州局發現其轄區內的±500 kV高肇、興安、天廣等高壓直流線路也存在鐵帽腐蝕問題。對線路運行絕緣子進行解剖檢測，發現隨機抽取的82片正極性側絕緣子均存在鋼腳腐蝕現象。隨著運行時間的增長，金屬附件腐蝕絕緣子的數量也日益增加，威脅到系統的安全穩定運行。

早期文獻對金屬附件腐蝕的研究主要集中在鋼腳方面[15，16]。直到近年來我國出現大面積的鐵帽腐蝕現象，該問題才引起研究人員的注意[17，18]。

對于絕緣子金屬附件的腐蝕問題，國內外通常在鐵帽和鋼腳處安裝保護鋅環、鋅套加以抑制。但由于不同類型產品的結構存在較大差異，相關行業標準也未對鋅環、鋅套的結構尺寸進行統一規定。此外，尚無合適的模擬試驗方法對其進行試驗研究，因此，無法對不同類型絕緣子金屬附件的耐腐蝕性能進行評判，更無法指導產品的設計和生產。這給特高壓直流盤形懸式瓷和玻璃絕緣子的生產和運行維護帶來不便。因此，亟需對模擬試驗方法進行深入、系統研究，選擇有效適用的試驗方法對金屬附件的腐蝕問題進行研究，為實際工程提供參考。

對于鋼腳腐蝕模擬試驗，A.W.Bardeen等[19]在20世紀50年代將針式瓷絕緣子置于相對濕度高于95%的高濕度氣候箱中，同時將二氧化硫等氣體通入氣候箱中，以實現對重工業區絕緣子鋼腳腐蝕現象的近似模擬。絕緣子串施加44 kV直流電壓，整個鋼腳腐蝕試驗過程持續了20年。I.M.Crabtree等[15]給出了絕緣子鋼腳腐蝕的等效電解電路，認為可以在電解池中對鋼腳腐蝕進行模擬試驗。文獻[20]采用電解法對支柱絕緣子下部金屬附件進行模擬試驗研究時，將可溶性硫酸鹽和鹽酸鹽等作為溶質，并按一定比例進行調配，以達到與現場絕緣子表面污穢成分相近的目的，之后將試品絕緣子置于電解池中進行試驗。文獻[21]把絕緣子浸入到污穢懸浮液中，以在絕緣子表面形成一層均勻的固體污穢層。之后將試品置于容器內進行鋼腳腐蝕試驗，并采用噴霧的方式對污穢層進行周期性濕潤。這一試驗方法同樣被俄羅斯高壓直流輸電研究院用于長棒形瓷絕緣子金屬附件電解腐蝕的模擬試驗研究[22]。張俊鋒等[23]分別采用鹽霧法、固體污層法及電解法對爬距較小的小噸位絕緣子進行了鋼腳腐蝕模擬試驗，并結合試驗結果，對3種試驗方法的優缺點及適用范圍進行了評價。此外，文獻[23]中還提到，美國OB公司采用十字轉輪法對絕緣子金具進行電解腐蝕模擬試驗。試品絕緣子固定在間歇旋轉的十字架上，依次經過鹽水池浸沒、滴干、施加直流電壓及冷卻4個環節，周而復始地進行人工加速腐蝕試驗。施加直流電壓為5 kV，產生約100 mA的泄漏電流。

盡管早期文獻采用了不同模擬試驗方法對直流盤形懸式絕緣子的鋼腳腐蝕進行了一定研究，但均在20世紀90年代之前，當時主要采用爬距較小的小噸位絕緣子進行試驗，且早期絕緣子的制造工藝與現在存在一定差異，很多試驗方法難以在現代絕緣子上取得類似的模擬效果，故其參考價值有限。

本文在參考國內外早期模擬試驗方法研究的基礎上，結合楚穗直流工程的現場腐蝕情況，以當前特高壓直流工程用的同型號絕緣子為試品，分別采用噴水法、鹽霧法、電解池法和固體污層法對其鐵帽、鋼腳進行模擬試驗研究。通過與現場腐蝕情況進行對比來選擇合適的模擬試驗方法，并確定試驗過程中的關鍵技術參數。

1 腐蝕情況和研究思路

高壓直流輸電工程上的鐵帽腐蝕絕緣子均位于負極性側，且其懸掛方式均為Ⅴ型串。腐蝕部位為Ⅴ型懸掛方式下絕緣子鐵帽最低點的滴水檐處，如圖1所示。

圖1 絕緣子鐵帽腐蝕Fig.1 Corrosion of insulators’ iron caps

鋼腳腐蝕Ⅴ型串瓷和玻璃絕緣子均位于正極性側。腐蝕部位為鋼腳保護鋅套在水泥與空氣交界處的環形區域，并且V串懸掛方式下保護鋅套最低點腐蝕較其他部位更為嚴重，如圖2所示。

圖2 絕緣子鋼腳腐蝕Fig.2 Corrosion of insulators’ pins

導致絕緣子金屬附件出現腐蝕的主要原因是電解腐蝕。運行絕緣子在降雨、濃霧、凝露等天氣條件下，絕緣子受潮后的表面液體環境、鐵帽、鋼腳以及施加在鐵帽和鋼腳上的電位差共同形成了電解回路。根據法拉第電解定律，與電源正極相連的陽極金屬會被電解。在直流線路上，負極性側的鐵帽和正極性側的鋼腳均為陽極，因此會出現腐蝕。

本文主要從與現場腐蝕情況的等效性及可操作性兩個方面對不同模擬試驗方法進行對比，進而選擇等效性、可操作性均較好的模擬試驗方法。等效性方面是通過與現場絕緣子進行等電荷量條件下的模擬試驗，對比兩者腐蝕區域的參數及形狀。

現場絕緣子的腐蝕電荷量主要根據法拉第電解定律對金屬附件腐蝕區域解剖測量得到。首先用橡皮泥對腐蝕區域進行復原填充，得到腐蝕區域的體積。需重復測量5次，取其平均值

(1)

式中，V為腐蝕區域的體積，cm3；m1為橡皮泥的質量，mg；ρ0為橡皮泥的密度，mg/cm3。

之后計算金屬附件腐蝕損失質量

m=ρV

(2)

式中，m為金屬附件的腐蝕損失質量，mg；ρ為金屬附件的密度，mg/cm3。

最后根據法拉第電解定律，計算出腐蝕電荷量

Q=m/ω

(3)

式中，ω為金屬附件的電化學當量，g/C。

以所求得的腐蝕電荷量對金屬附件進行等量模擬試驗，并將腐蝕區域的相關參數和腐蝕形狀與現場樣品進行對比，判斷其等效性的優劣。

對于可操作性，即從試驗過程中影響試驗進度的電解電流大小和試品準備繁瑣程度來進行評判。

2 噴水法

2.1 試驗平臺

采用噴水法進行鐵帽、鋼腳電解腐蝕模擬試驗的平臺如圖3所示。試驗過程中，將NaCl溶液噴至絕緣子表面形成腐蝕所需的電解液環境。進行鐵帽腐蝕試驗時，在鋼腳側施加負極性電壓；進行鋼腳腐蝕試驗時，在鋼腳側施加正極性電壓。

1—調壓器；2—變壓器；3—全橋整流器；4—保護電阻；5—濾波電容；6—分壓器；7—穿墻電纜；8—懸掛支架；9—噴水裝置；10—電流測量裝置；11—模擬試驗房圖3 基于噴水法的模擬試驗平臺Fig.3 The experimental set-up with spray water method

2.2 試品準備

圖4 試品絕緣子的準備過程Fig.4 Preparation procedure for the test insulators

采用噴水法進行金屬附件電解腐蝕模擬試驗之前，需對試品絕緣子進行前期準備。對于鐵帽腐蝕試品，需在絕緣件上表面距離鐵帽帽檐5 cm處粘貼固定銅片電極，以短接下表面及部分上表面爬距。為避免電極在水流沖擊下脫離絕緣件表面，在用強力膠粘貼電極后還需采用防水膠進一步固定，之后將電極另一端的金屬線纏繞固定在鋼腳上，如圖4a、圖4b所示。進行鋼腳腐蝕試驗前，同樣需要將銅片電極粘貼固定于絕緣件下表面，電極端部與鋼腳側絕緣件的邊緣相距1 cm，之后將金屬線纏繞固定于鐵帽的緊鎖銷上，如圖4c、圖4d所示。

2.3 試驗結果分析

2.3.1 鐵帽腐蝕試驗結果分析

為了便于討論和分析，對鐵帽腐蝕區域的長度、寬度、深度進行了定義，如圖5所示。

圖5 鐵帽腐蝕區域參數定義Fig.5 Parameters definition of the corrosion area

在5 200 C等腐蝕電荷量條件下，不同溶液電導率、噴水流速時的模擬試驗結果與現場腐蝕尺寸的對比如圖6所示。

圖6 鐵帽試驗結果與現場腐蝕情況的對比Fig.6 Comparison of iron caps between test results and field corrosion insulators

由圖6可知，當噴水溶液的電導率和流量在一定范圍內時，鐵帽腐蝕所形成銹坑的尺寸與實際運行絕緣子的腐蝕尺寸具有較好的等效性。從等效性和試驗過程中絕緣子沿面放電等方面進行綜合考慮，采用噴水法進行鐵帽電解腐蝕試驗時，噴水溶液的電導率宜取8～10 mS/cm(20℃)，噴水流量宜取8～10 L/h。對于溶液溫度不是20℃的情況，其電導率應按式(4)進行折算。

σθ=σ20/[1-b(θ-20)]

(4)

式中，θ為溶液溫度，℃；σθ為θ時的體積電導率，mS/cm；σ20為溶液溫度為20℃時的體積電導率，mS/cm；b為取決于溫度θ的因數，b=-3.200×10-8θ3+1.032×10-5θ2-8.272×10-4θ+3.544×10-2。

2.3.2 鋼腳腐蝕試驗結果分析

由于運行絕緣子鋼腳腐蝕區域的尺寸分散性較大，無法像鐵帽那樣進行尺寸測量和等價性驗證。因此，對于鋼腳腐蝕，只能采用近似的觀測。等量腐蝕電荷量條件下，試驗結果與現場腐蝕情況對比如圖7所示。

圖7 鋼腳腐蝕模擬試驗結果與現場情況對比Fig.7 Comparison of pins between test results and field corrosion insulators

從模擬等效性方面考慮，采用噴水法進行鋼腳電解腐蝕試驗時，溶液的電導率宜取2～3 mS/cm(20℃)，噴水流量宜取2～3 L/h。對于溶液溫度不是20℃的情況，其電導率也按式(4)進行折算。

采用噴水法對XZP2-300型瓷絕緣子進行模擬試驗，不同腐蝕電荷量條件下的試驗結果如圖8所示。可看到，4.2 mm厚的保護鋅套約能耐受45 000 C的腐蝕電荷量。

圖8 不同試驗電荷量條件下鋼腳的腐蝕情況Fig.8 Corrosion condition of pins under different test electric charges

3 鹽霧法

3.1 試驗平臺

基于鹽霧法的金屬附件電解腐蝕試驗仍在加速電解腐蝕試驗室內進行，通過安裝在底部的4個霧化噴頭將鹽霧噴至整個試驗空間，如圖9所示。

1—調壓器；2—變壓器；3—全橋整流器；4—保護電阻；5—濾波電容；6—分壓器；7—穿墻電纜；8—懸掛支架；9—噴水裝置；10—電流測量裝置；11—模擬試驗房圖9 基于鹽霧法的模擬試驗平臺Fig.9 The experimental set-up with salt fog method

試驗室鹽霧的產生方式包括高壓噴射法和超聲霧化法兩類。高壓噴射法以壓縮空氣的方式對鹽霧溶液產生6～10個大氣壓而使其霧化，此法產生鹽霧顆粒的粒徑為50～150 μm。超聲霧化法利用1～3 MHz超聲波的空化作用使液體分子作用力破壞，從液體表面脫出來而霧化，此法產生鹽霧顆粒的粒徑普遍在1～20 μm范圍內。兩種霧化方式的原理示意圖如圖10所示。

圖10 鹽霧發生裝置原理圖Fig.10 The experimental set-up of salt fog production

3.2 試驗結果分析

采用鹽霧法進行鐵帽電解腐蝕試驗，當腐蝕電荷量為5 200 C時，鐵帽的腐蝕情況如圖11b所示。

圖11 基于鹽霧法的鐵帽腐蝕試驗Fig.11 Test result of iron cap with salt fog method

由圖11可知，采用鹽霧法進行試驗時，鐵帽腐蝕部位沒有噴水法那么集中。大部分腐蝕電荷量作用在滴水檐處，但有一部分腐蝕電荷量作用在帽檐的其他部位。這說明，若按照滴水檐處的集中腐蝕電荷量進行模擬試驗，宜采用噴水法；若按照整個鐵帽帽檐的腐蝕電荷量進行試驗，則應采用鹽霧法。

在等量腐蝕電荷量條件下，分別采用兩種鹽霧發生方式進行鋼腳電解腐蝕試驗，試驗結果與現場腐蝕情況的對比如圖12所示。

圖12 鋼腳腐蝕模擬試驗結果與現場情況對比Fig.12 Comparison of pins between test results and field corrosion insulators

從模擬試驗結果看，采用鹽霧法進行鐵帽、鋼腳電解腐蝕試驗時，噴水溶液的電導率宜取10～12 mS/cm(20℃)，每個噴嘴的噴霧流量控制在 0.25～0.4 L/h范圍內。對于溶液溫度不是20℃的情況，其電導率仍按式(4)進行折算。

4 電解池法

4.1 試驗平臺和試品準備

電解池法只適用于鋼腳腐蝕的模擬試驗，而不適合于鐵帽。因為此法問題在于電解池中的金屬附件均會發生腐蝕，金屬附件腐蝕部位的形狀很難與現場實際情況相近。只有將金屬附件不腐蝕的部位用密封材料進行密封，將待腐蝕部位暴露在電解液中，才能近似模擬現場的腐蝕情況。對于鐵帽，難以通過密封等前期處理使其得到與現場腐蝕較接近的試驗結果。對于鋼腳，首先將金屬線纏繞在鋼腳上，之后用防水密封膠將鋼腳不發生腐蝕的部位和金屬線密封起來，只露出保護鋅套待腐蝕的環形區域，待密封膠干燥后進行試驗。進行鋼腳腐蝕試驗的試品準備及試驗平臺如圖13所示。

圖13 基于電解池法的試品準備和試驗平臺Fig.13 The experimental set-up and preparation process of pin with salt fog method

4.2 試驗結果分析

不同腐蝕電荷量條件下，鋼腳的腐蝕結果如圖14所示。

圖14 基于電解法的鋼腳腐蝕試驗結果Fig.14 Test results of pins with electrolytic method

由圖14可知，鋼腳腐蝕部位的形狀及尺寸與鋼腳密封后外露部分的形狀密切相關。采用電解法進行試驗時，金屬附件腐蝕部位的形狀、尺寸受人為因素影響較大，而與現場腐蝕情況存在較大的差異。因此，該法等效性較差，不宜采用。

5 固體污層法

5.1 試品準備

固體污層法是在絕緣子表面涂覆污層，之后將其懸掛于電解腐蝕試驗室內噴清潔霧進行加壓試驗。本文分別采用NaCl和高嶺土、NaCl和硅藻土作為固體污層，對絕緣子進行人工涂污。考慮到V串絕緣子金屬附件滴水檐處的腐蝕程度較其他區域更為嚴重，故將絕緣子表面劃分為圖15所示的兩部分區域，A區域為上下表面小扇形區域，其按照0.25 mg/cm2的鹽密進行涂污，B區域為大扇形區域，其按照0.05 mg/cm2的鹽密進行涂污。A、B兩個區域均按照鹽灰比1∶6的比例進行灰密的涂覆。

圖15 絕緣子表面涂污區域的劃分Fig.15 Division of the pollution surface of insulator

5.2 試驗結果分析

污層干燥后進行懸掛試驗，試驗過程中清潔霧充斥整個試驗室，鐵帽側接地，鋼腳側施加-3 kV的直流電壓，進行鐵帽電解腐蝕模擬試驗。試驗過程中，流經絕緣子的電解電流如圖16所示。

圖16 試驗過程中絕緣子鐵帽的電解電流Fig.16 Electrolytic current on insulator in test process

由圖16可知，試驗電解電流在開始的0.5 h內逐漸上升，這一過程是絕緣子表面逐漸受潮的過程。污層受潮后，Na+和Cl-離子在直流電壓作用下開始定向遷移，形成回路中的電解電流。0.5 h之后電流開始下降，出現這一現象的原因之一是電解液中陰、陽離子陸續遷移到相應的電極附近(Na+大部分已遷移至鋼腳所在的陰極附近，Cl-也已遷移到鐵帽所在的陽極附近)，導致電極附近相應種類離子的濃度增大，進而出現與離子遷移方向相反的擴散現象，最終離子遷移和擴散達到一個平衡狀態，此時電解電流的大小不再由Na+和Cl-來體現，而是由鐵帽電解腐蝕過程中產生的Fe2+和OH-遷移來體現，此時鐵帽進入了一個自持電解過程。為驗證這一推論，在圖17a所示的電解池內進行試驗研究。電解池的尺寸為25 cm×17 cm×16 cm。電解液的深度為14 cm，鐵棒和鋅棒的直徑為3 mm，兩者位于電解池中部，相距16 cm，沒入電解液中的長度為13 cm。在兩個金屬棒電極上施加5 V直流電壓，鐵棒接電源正極，鋅棒接電源負極。試驗前NaCl溶液的電導率調配為10 mS/cm，試驗過程中的電解電流如圖17b所示。

試驗過程中，鐵棒所在陽極發生氧化反應，失去電子后形成Fe2+，鋅棒所在陰極發生析氫還原反應，生產OH-。兩者在電解液中相遇后生產Fe(OH)2沉淀。整個過程中Na+和Cl-未發生化學反應，也未流失，但整個回路的電解電流出現了明顯下降，這說明Na+和Cl-已處于遷移和擴散的平衡狀態，而Fe2+和OH-因為生產沉淀，而在溶液中的濃度沒有Na+和Cl-那么大，因此電解電流變小。

圖17 試驗過程中絕緣子的泄漏電流Fig.17 Electrolytic current on insulator in test process

電解電流降低的另一個原因是絕緣子飽和受潮后，出現鹽分流失。為了驗證這一推論，對試驗完成后絕緣子表面的污穢度進行測量，結果如表1所示。

表1 絕緣子污穢度測量結果Tab.1 Contamination degree measurement results (單位：mg/cm2)

由表1可知，試驗完成后，絕緣子表面的污穢度遠遠低于試驗前。這說明絕緣子飽和受潮過程中污層的鹽分出現了較大程度的流失，這在一定程度上降低了電解電流。

采用固體污層法進行試驗時，電解電流太小，試驗進度太慢；且污穢流失后還需取下后重新涂污，工作量較大，試品準備極為繁瑣。故此法可操作性較差，不宜采用。

6 結論

本文對高壓盤形懸式瓷和玻璃絕緣子金屬附件電解腐蝕模擬試驗方法進行了研究，可為工程上鐵帽保護鋅環、鋼腳保護鋅套的設計提供試驗支撐。

1)采用噴水法和鹽霧法對金屬附件進行電解腐蝕試驗，能夠取得較好地模擬效果，并且這兩種方法具有較好的可行性。

2)采用電解法進行模擬試驗時，試驗結果與現場腐蝕情況存在較大差異。

3)采用固體污層法進行模擬試驗過程中，需對絕緣子進行多次重復涂污，工作量較大，該方法可操作性較差。

4)采用噴水法進行模擬試驗時，需對試品絕緣子進行銅片電極固定預處理。對于鐵帽腐蝕試品，銅片電極端部距離鐵帽帽檐5 cm；對于鋼腳腐蝕試品，電極端部距離鋼腳側絕緣件邊緣1 cm。

5)采用噴水法進行鐵帽腐蝕試驗時，鹽溶液的電導率宜取8～10 mS/cm(20℃)，噴水流量應控制在8～10 L/h范圍內；進行鋼腳腐蝕試驗時，溶液電導率取2～3 mS/cm(20℃)，噴水流量為2～3 L/h。

6)采用鹽霧法進行鐵帽、鋼腳電解腐蝕模擬試驗時，鹽溶液的電導率宜取10～12 mS/cm，單個鹽霧噴嘴的溶液流量為0.25～0.4 L/h。

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Test Methods for Hardware Electrolytic Corrosion of Porcelain and Glass Insulators on HVDC Transmission Lines

LuoLing1ZhangFuzeng2WangLiming1MeiHongwei1GuanZhicheng1LiLicheng1

(1.Graduate School at Shenzhen Tsinghua University Shenzhen 518055 China 2.Electric Power Research Institute China Southern Power Grid Guangzhou 510080 China)

In recent years，lots of porcelain and glass insulators on several HVDC transmission lines appeared hardware corrosion phenomena in China.The spray water method，the salt fog method，the electrolytic method，and the solid dirt layer method are used to carry out the corrosion tests for iron caps and pins of the insulators in this paper.Also，the equivalence and feasibility of those test methods are compared and analyzed.The spray water method and the salt fog method are proposed to research the electrolytic corrosion problem of hardware based on the comparison between the test results and the field corrosion.The conductivity and flow velocity of the solution are 8～10 mS/cm(20℃) and 8～10 L/h respectively while carrying on iron cap corrosion test with spray water method.For pin corrosion，these parameters are set as 2～3 mS/cm(20℃) and 2～3 L/h.The conductivity and flow velocity of the solution are 10～12 mS/cm(20℃) and 0.25～0.4 L/h per sprinkler for both iron cap and pin with salt fog method.

DC porcelain and glass insulator，hardware，electrolytic corrosion，test method，spray water method，salt fog method

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2011CB209406)，特高壓工程技術(昆明、廣州)國家工程實驗室開放基金重點項目(NEL201203、NEL201301)和南方電網公司基礎性、前瞻性科技項目(SEPRI-K133003)資助。

2015-01-08 改稿日期2015-02-12

TM85

羅 凌 男，1987年生，博士研究生，研究方向為特高壓直流絕緣子金屬附件電解腐蝕機理及其抑制措施。(通信作者)

王黎明 男，1963年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為高壓外絕緣和電工電能新技術等。