电气工程导论论文

电气工程在我国节能减排和环境保护工作 中的作用 摘要:简述电气工程的主要发展历程和研究方向,以及其所关注的技术难点和热点问;同时讨论电气工程学科对我国社会经济可持续发展、节能减排和环境保护工作方面所起的重要作用;最后根据电气工程相关新技术的发展和应用,对治理大气污染与高效利用能源进行创新性思考。 关键词:电气工程;发展历程;节能减排;环境保护;大气污染; 一、引言 电气工程学科涉及工业、农业、交通运输、国防及人民生活等各领域,与电子科学与技术、计算机科学与技术、控制科学与工程、信息与通信工程、环境科学与工程、生物医学等学科交叉渗透,拓宽了电气工程学科的内涵与外延。随着科技的发展,电气工程的学科结构、研究领域、技术领域发生了很大变化。电气工程愈来愈多地应用信息技术、计算机技术、通信技术、电力电子技术和自动化技术,电气工程及其自动化专业内涵也发展演变为强电和弱电结合、电工技术和电子技术结合、软件和硬件结合、元件和系统结合。我国的电气化水平直接决定了电力数据具有大范围的覆盖性。有专家表示,电力工业的发展方向是智能电力系统,或者是坚强智能电网或者是智能电网。智能电力系统是实现电力工业发展价值特征的最有效途径,也是现代电力工业的发展方向,发展智能电力系统能够确保更安全、更经济、更绿色、更和谐,同时智能电力系统是一个广义的坚强智能电网,能够有效地破解未来发展的挑战。 二、电气工程的主要发展历程 有史以来,最早认识电的人是希腊学者米利都(Miletus,公元前六世纪),观 察用布摩擦琥珀后,会吸引如羽毛等轻小的东西。但对静电有系统及科学的研究则是始于17世纪。 (1)17世纪的1600年初英国医生吉尔伯特(W.Gilber,t1540~1603)所著的书中,对“电”进行了最早的论述,英语“E-lectric”一词即起源于希腊语“Electrica”和拉丁语“Electrum”。 (2)随后,英国人格雷(S.Gray,1696~1736)发现了电的导体和绝缘体,法国人杜菲(CharlesduFay,1698-1739)可说是当时深入探讨静电现象的第一人,它由众多的实验中发现,几乎所有的物质都可以摩擦生电,并且他更仔细地发现,所产生的电有两种,带有异种电者会互相吸引,带有同种电者会互相排斥。 (3)18世纪美国人富兰克林(B.Franklin,1760~1790)更是以他著名的“风筝实验”证明的电在自然界中的存在。 (4)19世纪上半叶,安培发现电流的磁效应、法拉第发现电磁感应定律。19世纪下半叶,电磁理论集大成者麦克斯韦尔的理论为电气工程奠定了基础。19世纪末到20世纪初,西方国家的大学陆续设置了电气工程专业。 (5)1908年,南洋大学堂(交通大学前身)设置了电机专科,这是我国大学最早的电气工程专业,至今已有近一个世纪。 (6)1920年,拥有百年历史的东南大学设置了电机工程系。 (7)1932年,清华大学设置了电机系。 (8)1949年后,我国出现了一大批以工科为主的多科性大学,也出现了一批机电学院,这些学院基本上都有电机工程系。 (9)1958年,在北京电力学校基础上成立了北京电力学院,当时的电力工程系设有“发电厂电力网及电力系统专业”、“高电压技术专业”等,它们就是现在的“电气工程及其自动化专业”的前身。 (10)1961年,哈尔滨工业大学的发电教研室部分教师和学生并入北京电力学院,充实了该专业的力量。1961至1962年,哈尔滨工业大学又有发电、高压和电自三个专业的10名研究生转入北京电力学院,开启了研究生培养的先河。 (11)1986年,国务院批准“电力系统及其自动化”为博士学位授权学科。1994年,电力系统及其自动化学科的学术带头人杨奇逊教授被遴选为中国工程院首批院士。1995年,华北电力学院“电力系统及其自动化”学科被批准为博士学位授予点,同年华北电力大学成立。 (12)1998年,华北电力大学电力系统及其自动化学科被批准为博士学位授权一级学科。 (13)2002年,“电力系统及其自动化”学科被评为国家级重点学科。2003年,“电力系统及其自动化”学科博士后流动站获得批准,通过“211工程”验收。 (14)2004年“高电压与电磁兼容北京市重点实验室”挂牌。 (15)2006年“电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室”正式评审通过。[1] 三、电气工程研究方向 传统的电气工程定义为用于创造产生电气与电子系统的有关学科的总和。但随着科学技术的飞速发展,今天的电气工程涵盖了几乎所有与电子、光子有关的工程行为,是现代科技领域中的核心学科之一,更是当今高新技术领域中不可或缺的关键学科。例如,正是电子技术的巨大进步才推动了以计算机网络为基础的信息时代的到来,并将改变人类的生活工作模式等。 1.电机与电器学科 本学科主要从事有关电机理论、运行、设计及其控制方而的研究工作和技术开发。电机是实现机电能量转换和控制的关键设备,除大容量发电设备外工业自动化、机器人和家用电器等现代科技需要各种微特电机以及电机的调速和控制系统。由于引入电力电了、微机控制、计算机技术、信号监测等新技术手段,开辟了新的研究方向。 (1)电机在线运行监测、参数辨识; (2)电机中各种物理场的研究; (3)新型电机及其控制系统; (4)大型电机的设计运行理论和关键技术; (5)可再生能源转换中的关键技术; (6)电动汽车驱动系统; (7)电机的节能与智能控制技术; (8)新型机电一体化能量转换装置与系统; (9)新电磁材料的开发应用研究; (10)大容量超高、低转速电机设计和制造技术。 2.电力系统及其自动化学科 电力系统及其自动化学科主要研究电力系统规划设计、特性、电网品质校正、运行管理、控制保护等理论和方法。随着电力系统的发展、电压等级的提高,电网容量越来越大,自动控制和微波通信等先进技术的应用,电力系统对大气过电压防护的可靠性要求越来越高。研究电力系统仿真计算、运行特性分析、接地参数的测量和计算、控制和保护的新理论和新方法,研究和运用各种新型的输配电技术和分布式发电技术,研究区域稳定控制系统、电网能源管理、调度自动化,开发太阳能、风能、生物质能等清洁能源也是电力系统及其自动化学科的研究方向。现阶段,该学科主要有如下几个研究方向: (1)电力系统分析和仿真; (2)电力系统调度自动化; (3)电力系统运筹学与电力市场; (4)电力系统稳定监测与控制; (5)电厂自动化; (6)电力系统规划; (7)电力系统继电保护; (8)新型输配电技术与分布式发电; (9)电力系统节能与储能技术; (10)新型能源开发和可再生能源综合利用技术。 3.高电压与绝缘技术学科 高电压是针对强电应力条件下电磁现象的一种相对物理概念,在电压数值上没有确定的界限;绝缘的作用是分隔不同电位的导体,使其能保持不同的电位。高电压的产生、测量与控制技术,高电压设备技术、电介质放电与绝缘击穿理论、过电压及其防护技术、绝缘监测与诊断技术等构成了高电压与绝缘学科的学科体系。 高电压的产生、测量与控制是研究绝缘材料和结构在各种形式高电压下物理现象的手段。目前,传统的高电压测量技术正面临新的发展契机,基于瞬态电磁测量、光电测量、非接触测量以及数字化测量等高电压测试新理论和新技术正成为重要的研究方向。 高电压设备技术是研究变压器和高电压电器等高电压设备的绝缘理论与技术。随着超、特高压输电等级的相继出现,尤其是特高设备技术方面,国际上还没有成熟的经验可借鉴,急需解决相应设备的绝缘理论和关键技术问题,因而对高电压与绝缘学科的基础研究更具有实际的紧迫性。 电介质放电与绝缘击穿包括气体、液体、固体介质和复合绝缘介质的放电、界面放电和局部放电等,其物理现象不仅与电极的电场结构和介质本身的特性有关,而且还与外加电压的种类、参数以及环境状态和条件等密切相关。随着超、特高压输电系统、超导技术的发展和太空探索的需要,极端环境(如强辐射和低温)下的绝缘技术也是本学科面临的新问题。 研究雷电过电压、内部过电压的产生、传播及其防护,对电力行业和国民经 济其他行业的安全运行与防灾都具有重要的意义。随着大规模交直流互联网络的形成,其过电压的产生和传播机理将更加复杂,需要研究基于全波过程的电力系统电磁暂态过程理论和分析方法。 绝缘监测与诊断是本学科近十几年来的研究热点,目的是通过在线监测获得运行中的高电压设备绝缘的状态信息,提取其特征参量并诊断绝缘状态,以便及时发现绝缘的缺陷及其发展趋势,实现状态评估,以提高设备及系统运行的安全性和经济性。 研究的重点是:新型传感技术、监测装置及系统的准确性和可靠性,强电磁环境中的信号处理与智能化故障诊断技术、监控装置及系统的抗干扰能力和故障诊断的准确性、大型高电压设备绝缘状态评估模型等,为实施高电压设备状态维修体制提供理论依据。 总之,本学科一直围绕国家建设和学科发展的需要,围绕发、输、配电中的重大技术难题,形成了很多新的研究领域方向。例如: (1) 高电压测试技术; (2) 电力设备诊断及状态监测技术; (3) 新型绝缘材料与绝缘结构; (4) 电力系统过电压与绝缘技术; (5) 高压电器及其智能化; (6) 气体放电及高电压大功率脉冲技术及其应用; (7) 电磁环境技术; (8) 电磁生物学; (9) 接地技术; (10) 电介质材料及其应用; (11) 配电自动化技术。 4.电力电子与电力传动学科 电力电子与电力传动学科是一门集电力、电子与控制于一身,综合了电能变换、电磁学、自动控制、微电子及电子信息、计算机等技术的新成就而迅速发展起来的交叉学科。该学科涉及各种大功率的能量变换和控制、最新的自动控制技术、电子信息科学中的检测技术、信息处理技术、计算机控制技术和电力电子与电力传动工业应用新技术等。 该学科主要研究新型电力电子器件、电能的变换与控制、功率源、电力传动及其自动化等理论技术和应用,稀土永磁电机设计及控制、新型电力电子装置及控制、电力传动及自动化、检测技术与仪表,新型节能电机制造理论、技术及调速控制技术,开关电源技术、电能质量管理、电力电子系统集成等。它对电气工程学科的发展和社会进步具有广泛的影响和巨大的作用。其主要研究方向有: (1) 电力电子元器件及功率集成电路; (2) 全数字化开关变流理论和控制技术; (3) 电力电子系统集成与仿真; (4) 高效电力电子电源和装置; (5) 高性能电力传动与控制系统; (6) 电力系统无功补偿和滤波技术; (7) 电力电子与传动系统模型与仿真; (8) 电力电子系统的电磁兼容技术; (9) 电力驱动系统及控制技术; (10) 新型能源开发及节能技术; (11) 电气储能技术及高效储能系统。 5.电工理论与新技术学科 本学科主要研究电磁场理论及其应用、电路理论及其应用、电磁测量技术及仪器等。研究领域包含生物电磁场、生命科学仪器、超导磁体技术、超导磁悬浮与磁屏蔽、脉冲功率技术、电力系统电磁干扰与电磁兼容、电力系统通信、大型电力设备的电磁暂态与故障分析、电力设备的辅助设计、非线性电路与系统的稳定及控制、混沌信号处理、供电系统的谐波检测与治理、无功补偿技术、电磁场数值计算、智能控制与仿真、智能计算、微机化仪器等。随着电气工程新原理、新技术与新材料的发展,出现了一些包括超导电工技术、受控核聚变技术、可再生能源发电技术、磁悬浮技术、磁液体发电技术、磁液体推进技术等的新兴电工高新技术领域。 6.电气工程学科的未来研究热点 以应用性基础研究为主的电气工程学科,随着支撑技术的迅猛发展,将在与信息科学、材料科学、生命科学以及环境科学等学科的交叉和融合中获得进一步发展。超导材料、半导体材料与永磁材料的最新发展对于电气工程领域有着特别重大的意义。 21世纪电气工程学科的发展趋势是:电气工程学科将与工程和近代、物理学、化学、生命科学、材料科学以及系统科学、信息科学的前沿技术相融合,加强从整体上对大型复杂系统的研究,加深对微观现象及过程规律性的认识,同时利用信息科学的成就提升本学科并开创新的研究方向。 电气工程学科将在电能高效安全转换传输及集约利用、工程电介质与高电压技术、脉冲功率与放电等离子体、电磁场理论与生物电磁学等几个优先技术领域,重点在以下几个方面开展更进一步的研究工作。 (1) 电力大系统、电力传动及电力电子变流系统中的非线性、复杂性问题; (2) 生物、医学与健康领域中的电磁方法与新技术; (3) 气体放电及多相混合体放电问题; (4) 基于新材料、新原理开拓新应用领域的电机、电器; (5) 反映各类电气设备电气或绝缘性能演变的多因子规律及其观察和测量技术; (6) 电能质量的理论及其测量、控制; (7) 可再生能源发电、电能存储和电力变换技术; (8) 现代测量原理及传感技术; (9) 脉冲功率技术与低温等离子体应用基础; (10) 电力电磁兼容问题以及复杂电力系统的经济安全运行、控制理论及其应用等。 [2] 四、电气工程对我国社会经济可持续发展、节能减排和环境 保护工作方面所起的重要作用 电力是发展生产和提高人类生活水平的重要物质基础,电力的应用在不断深化和发展,电气自动化是国民经济和人民生活现代化的重要标志。电力工业是国民经济中重要的基础产业之一,电能是最清洁的能源,电是能量转换的枢纽和信息的载体,也是最便于远距离传输、分配和控制,最易于实现与其他能量相互 转换,最便于进行能量时空分布变换的一种能量。所以电能已经成为人类现代社会最主要的能源形式。 电力的特殊功能决定其在能源中具有特别重要的地位。电力生产可将各种化石能源、核能、水能、风能、太阳能等一次能源转化成为清洁高效的二次能源;可以建发电基地大规模生产,通过输电网络为用户提供优质方便的终端服务;通过提高能源转换和输配的效率,可以大大节约一次能源的消耗,实现高效清洁安 全的能源供应。电力既是重要的二次能源,又是一次能源的消耗大户,随着经济发展和社会进步,电力在能源工业中的地位将进一步提升。第一,电力在终端能源消费中的比重不断增大,由1991年的10.11%增长到2006年的20.31%,15年间翻了一番多,年均增速近7%,电力消费增速高于经济增速;第二,电力生产消耗的一次 能源总量持续增加。2006年,全国6MW及以上发电生产耗用原煤占全国原煤消耗的49.7%,从2002年起,火电发电量每年以约15%的速度增长。随着可再生能源利用的兴起,电力生产消耗其他一次能源的数量也会不断增加。第三,电力在能源安全中的地位更显重要。电力安全关系国民经济的持续健康发展、社会秩序的稳定和千家万户的生活,比其他能源行业安全的影响面更广、影响力更大。目前,电煤消耗占全国煤炭产量的一半以上,火电用水占工业用水的40%,二氧化硫排放量 占全国排放量的52%,烟尘排放量占全国排放量的20%,产生的灰渣占全国的70%,电力行业关乎全国节能减排的整体成效。“十一五”期间,我国节能环保形势极为严峻,抓好电力工业的节能减排工作,对于推进全国节能减排工作具有决定性的 作用。[3] 风能是一种取之不尽、无任何污染的可再生能源。而风力发电也是目前较为成熟的发电与节能技术。地球上的风能资源极其丰富,据专家估计,全世界风能资源总量为每年2×kW。也就是说,仅1%的地面风力就能满足全世界对能源的需求。由于风力发电技术的不断发展,风力发电的成本已与火力发电相当,因此,风力发电越来越受到世界各国的重视。 国际上由于风电能在减排温室气体方面发挥作用,因此得到各国政府的鼓励。尤其是近两年,随着国际石油价格大的波动以及《京都议定书》的生效,可再生能源的发展得到了世界许多国家的广泛关注,成为了国际能源领域的热点,每年都以20%以上的速度增长。随着技术的进步和规模的扩大,发电成本继续下降,估计十年后完全可与清洁的燃煤电厂竞争,成为可持续发展的能源结构中重要的组成部分。欧盟国家风电发展目标是2010年达到4×kW;2020年达到1×kW, 届时风电的比例将超过10%。 我国有丰富的可再生能源资源,近年来其开发利用取得了较快进展。根据2004年的统计,我国可再生能源的利用总量已经达到4亿吨煤的效能,在 我国的能源结构中占20%,其中太阳能、风电、现代技术生物质能的利用等可提供2500万吨标准煤的能源。 根据国家发展规划中提出的目标,到“十一五”末期,全国风电总装机容量将达到5×kW。在我国东部沿海和西北、华北、东北等风能资源丰富的地区,将建设30个左右kW等级的大型风电项目,预计到2010年累积总装机约3×~5×kW;2030年累积总装机约8×kW;2050年累积总装机约2×kW。 在“十一五”期间,将重点研制2~3MW大功率风电机组,建设近海试验风电场,形成海上风电技术;攻克2MW以下风电机组产业化关键技术;进行大型并网风电技术、无刷双馈电机、变浆调节方式、变速恒频方式、应用矩阵变换器等新型变流器拓扑技术等方面的重点研究。 我国是1992年联合国环境与发展大会《联合国气候变化框架公约》和1997年《京都议定书》的签字国,将根据我国的可持续发展战略,承担“共同但有区别的责任”,努力减缓温室气体排放的增长率,加快可再生能源发展。 五、电气工程应用于治理大气污染与高效利用能源 在环保领域的应用。环境保护和可持续发展已提到了基本国策的认识高度,我国政府对环境保护问题始终十分重视,并为此投入巨额资金。环境保护课题都是多学科交叉的问题,需要相关学科紧密合作。高电压技术学科在环保领域应用前景很广。例如,烟气的脱硫脱硝和除尘问题。我国是燃煤大国,燃料结构决定了我国在今后相当长的时间内,发电、供暖等所需能源仍是以燃煤为主。我国大气中的SO2有87%来自燃煤。煤的清洁燃烧问题是迫切需要解决的课题。在烟气排放前,用高压窄脉冲电晕放电方法对烟气进行处理,可取得较好的脱硫脱硝效果。此技术是应用上升前沿陡、脉冲窄的高压放电得到5~20eV的高能电子打断周围气体分子的化学键而生成氧化性极强的OH、O、HO2、O3等自由原子、自由基等活性物质,可同时脱除SO2和NO2,在氨注入的条件下,可生成化肥。这一技术的投资较低,估计仅为湿法脱硫的50%,被认为是21世纪最有前景的脱硫脱硝技术。现在,日本、美国、意大利、俄罗斯等国都开展了此方法的研究。意大利已建造出中试装置,在威尼斯附近的Marghera热电厂进行了工业性试验,日本也在建工业试验装置,我国也对此方法进行了积极研究。 汽车尾气已成为造成我国特大型城市大气污染的最重要因素之一,治理汽车尾气已成为解决大城市空气污染的首要任务。降低尾气中有毒、有害气体含量有许多技术手段,除用传统的催化剂方法清除汽车尾气中的有害物质外,国际上正大力开展用高压脉冲放电产生非平衡态等离子体去处理汽车尾气的研究,其指导思想是放电等离子体产生的物理及化学作用加上催化剂的协同作用,较之单纯的催化剂作用具有更好的效果及性能价格比。在美国加州于1998年10月召开的美国汽车工程师学会(SAE)会议上专门讨论了这一课题。在环境工程领域对污水的处理有很多方法,如物理法、化学法、生物法等,有些高浓度废水,如造纸厂、印染厂等排放出的废水中有很多难降解成分,用上述传统方法很难处理。高电压技术有可能会对此问题的解决提供帮助,清华大学电机系和环境系合作,用水中高压脉冲放电的方法对多种染料进行了处理,取得较好的降解和脱色效果。高电压技术对污水处理特别是难降解废水处理方面会大有帮助。 六、关于电气技术发展前景分析 电气技术的未来发展前景是非常广阔的,其影响着电力工业及其相关电力行业发展,可以说电气技术的应用发展,是国家经济建设的重要环节。电气技术的发展,也推动了可再生能源技术的深化应用,满足了国家经济的健康可持续发展,实现了对风电技术、光伏技术及其氢能的有效应用,这符合未来电气工程的发展需要,满足低碳经济的发展需要。特别是氢能技术的应用,氢能有其他能源无与伦比的优势,其反应后的生成物为水和氮化氢,对环境没有污染。地球上的海水所含的氢用来发电就够人类用数亿年。单位重量的发热量叫热值,氢的热值是汽油的3倍,煤炭的4倍。现在世界上很多国家正在斥巨资研究这一能源,但目前还处在实验室阶段,距工业应用还有一段距离。 超导技术的深化,满足了电气工程的发展需要,促进其综合社会效益的提升,通过对其超导储能系统的深化应用,实现对其电能的有效转换,实现对其电磁能 的应用。它是一种高效的储能系统,能够实现对电网的安全性的提升,满足了实际工作的需要。保障电网安全。超导大容量电缆,可大大降低输电过程中的电耗,提高能源效率。灵活交流输电技术,用大功率电子器实现对电力系统电压、参数、功率、相位角等的实时调节控制,以实现电力系统的安全稳定性和输电过程中的能耗。[4] 参考文献 [1] 王伟.浅谈电气工程与自动化的发展历程[J].城市建设理论研究(电子版),2011,(34). [2] 贾文超. 电气工程导论[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007. [3]何昌群,谢敬东,魏萍. 电力行业节能减排是国家重要战略举措[J]. 华东电力,2008,09:67-71. [4] 蔡志.电气工程技术与学科发展历程的分析[J].科技创新与应用,2013,(23):296.