第1講 電氣工程學(xué)科概述

電氣工程導(dǎo)論朱義強(qiáng)二〇一三年九月教學(xué)安排課程學(xué)時(shí)：18學(xué)時(shí)課程性質(zhì)：學(xué)科基礎(chǔ)課程目標(biāo)：“導(dǎo)航”在不涉及過多理論知識(shí)的前提下，使學(xué)生對(duì)本專業(yè)的概貌有一個(gè)全面、系統(tǒng)的了解。課程考核：出勤50%+課程論文50%主要內(nèi)容第一講電氣工程學(xué)科概述第二講電氣工程專業(yè)概述第三講電機(jī)與電器第四講電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化第五講電力電子與電力傳動(dòng)第六講高電壓與絕緣技術(shù)第七講電工理論與新技術(shù)第八講電氣測(cè)量學(xué)科與專業(yè)學(xué)科的含義含義1：學(xué)術(shù)的分類，一定科學(xué)領(lǐng)域或一門科學(xué)的分支。是與知識(shí)相聯(lián)系的學(xué)術(shù)概念，是分化的科學(xué)領(lǐng)域。含義2：高校教學(xué)科研的功能單位，是對(duì)高校人才培養(yǎng)、教師教學(xué)、科研業(yè)務(wù)隸屬范圍的相對(duì)界定，是高校的細(xì)胞組織。世界上不存在沒有學(xué)科的高校。專業(yè)的含義學(xué)校根據(jù)社會(huì)分工的需要而劃分的學(xué)業(yè)門類。社會(huì)分工是其基礎(chǔ)，學(xué)科知識(shí)時(shí)是其內(nèi)核，教育結(jié)構(gòu)為其表現(xiàn)形式。學(xué)科與專業(yè)的關(guān)系學(xué)科專業(yè)概念知識(shí)體系的分類按社會(huì)分工劃分的學(xué)業(yè)門類基本要素獨(dú)特的研究對(duì)象；理論體系；方法論。培養(yǎng)目標(biāo)；課程體系；專業(yè)人員。發(fā)展目標(biāo)知識(shí)的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新培養(yǎng)各級(jí)各類人才學(xué)位授予和人才培養(yǎng)學(xué)科目錄（2011年）普通高等學(xué)校本科專業(yè)目(2012)第一講電氣學(xué)科概述一、電氣工程及其自動(dòng)化的發(fā)展歷史電氣工程是研究電磁領(lǐng)域的客觀規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)，是以電工科學(xué)中的理論和方法為基礎(chǔ)而形成的工程技術(shù)。

電氣工程學(xué)科是一門歷史悠久的學(xué)科，從世界范圍來看，早在第二次工業(yè)革命時(shí)期，英、法、美等許多國家就已經(jīng)開設(shè)了這一學(xué)科；對(duì)于我國來說，電氣工程學(xué)科也已經(jīng)有了近百年的歷史。同時(shí)，電氣工程學(xué)科是一門涉及范圍很廣，與其他學(xué)科聯(lián)系較為密切的學(xué)科，其中電子信息、通信工程等許多學(xué)科都是由電氣工程學(xué)科派生出來的。

時(shí)間代表人物突出貢獻(xiàn)歷史地位1820安培電磁效應(yīng)1831法拉第電磁感應(yīng)奠定電磁學(xué)基礎(chǔ)1832法：匹克斯直流發(fā)電機(jī)第一臺(tái)1834雅可比15W棒狀鐵芯電動(dòng)機(jī)第一臺(tái)1866德：西門子自勵(lì)式發(fā)電機(jī)第一臺(tái)1873麥克斯韋《電磁學(xué)通論》預(yù)言電磁波存在與牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》相媲美；奠定電工基礎(chǔ)1885費(fèi)拉里斯旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論；兩相異步電動(dòng)機(jī)模型1886特斯拉兩相異步電動(dòng)機(jī)1889多勃羅沃爾斯基三相交流單雙鼠籠異步電動(dòng)機(jī)第一臺(tái)時(shí)間電廠類型1875法國巴黎火車站第一座火力發(fā)電廠直流1882美國第一座水力發(fā)電站直流1885英國第一座單相交流發(fā)電站交流1892法國第一座三相交流發(fā)電站交流

電機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步和電能的應(yīng)用的擴(kuò)展，促進(jìn)了發(fā)電廠和發(fā)電站的建設(shè)。時(shí)間類型距離1873第一條直流輸電線路2Km1882法國物理學(xué)家和電氣工程師德普勒，實(shí)驗(yàn)高壓直流輸電線路57Km1876-1878俄國亞布洛契可夫?qū)嶒?yàn)成功單相交流輸電技術(shù)1880英國費(fèi)朗蒂改進(jìn)了交流電機(jī)1882法：高蘭德和英：吉布斯：第一臺(tái)使用價(jià)值的變壓器1884英埃德瓦德和霍普金生發(fā)明封閉磁路變壓器1891布洛：高壓油浸變壓器1891多勃羅沃爾斯基三相交流輸電實(shí)驗(yàn)180Km

遠(yuǎn)距離輸電圖1-1法拉第盤

(a) (b)圖1-2雅可比電動(dòng)機(jī)模型和實(shí)用電動(dòng)機(jī)(a)電動(dòng)機(jī)模型；(b)實(shí)用電動(dòng)機(jī)

圖1-3特斯拉發(fā)明的二相異步電動(dòng)機(jī)

圖1-4多里沃-多勃羅沃爾斯基三相電動(dòng)機(jī)部件

圖1-5多里沃-多勃羅沃爾斯基三相電動(dòng)機(jī)外觀

圖1-6多里沃-多勃羅沃爾斯基的幾種三相變壓器

力主采用交流輸電英國的費(fèi)朗蒂、高登美國的威斯汀豪斯、特斯拉(1857—1943年)、斯普拉戈(1857—1934年)等反對(duì)交流輸電，主張直流輸電當(dāng)時(shí)美國電氣界最負(fù)盛名發(fā)明家愛迪生對(duì)電氣化作出了重要貢獻(xiàn)的著名英國物理學(xué)家威廉·湯姆生(即開爾文勛爵)羅克斯·克隆普頓(1845—1940年)等

隨著輸電技術(shù)的發(fā)展，交流電很快取代了直流電。這場(chǎng)關(guān)于交、直流輸電方式的爭論，最終以力主交流輸電派的暫時(shí)取勝而告結(jié)束。目前，交直流并存。爭論遠(yuǎn)距離輸電問題的根本解決是三相交流理論的形成與技術(shù)發(fā)明的結(jié)果。其主要發(fā)明者是在德國、瑞士工作的俄國電工學(xué)家多里沃-多勃羅沃爾斯基。他在1889年制成最早的一臺(tái)功率為100W的三相交流異步發(fā)電機(jī)。1891年又制成了75kW的三相交流異步電動(dòng)機(jī)(見圖1-4和圖1-5)和150kW的三相變壓器(見圖1-6)。正是他的發(fā)明，人們?cè)陔娔軕?yīng)用中廣泛采用了三相制。

1891年，多里沃-多勃羅沃爾斯基在德國法蘭克福的電氣技術(shù)博覽會(huì)上，成功地進(jìn)行了遠(yuǎn)距離三相交流輸電實(shí)驗(yàn)。他將180km外三相交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能用8500?V的高壓輸送，輸電效率達(dá)到75%，在當(dāng)時(shí)的條件下，如此高的傳輸效率是直流輸電所不能辦到的。從此，高壓交流輸電的有效性和優(yōu)越性得到了公認(rèn)。

電力的作用已不僅僅是用于照明，而開始成為新興工業(yè)的動(dòng)力和能源。電力的應(yīng)用和輸電技術(shù)的發(fā)展，促使一大批新的工業(yè)部門相繼產(chǎn)生。首先是與電力生產(chǎn)有關(guān)的行業(yè)，如電機(jī)、變壓器、絕緣材料、線路器材等電力設(shè)備的制造、安裝、維修和運(yùn)行等生產(chǎn)部門；其次是以電作為動(dòng)力和能源的行業(yè)，如照明、電鍍、電解、電車、電梯等工業(yè)交通部門；另外還有各種與生產(chǎn)、生活有關(guān)的新的電器生產(chǎn)部門也相繼出現(xiàn)了。這種發(fā)展的結(jié)果，又反過來促進(jìn)了發(fā)電和高壓輸電技術(shù)的提高。

隨著電力的應(yīng)用和發(fā)電、輸電、配電技術(shù)的發(fā)展，不但有力地促進(jìn)了電機(jī)、電器、照明、電力電子技術(shù)、電車等行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)反過來又促進(jìn)了電氣工程學(xué)科研究內(nèi)容的豐富。電氣工程學(xué)科與其他學(xué)科相互交叉，相互融合，相互促進(jìn)，現(xiàn)已形成了相對(duì)獨(dú)立的電機(jī)與電器、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、高電壓與絕緣技術(shù)、電力電子與電力傳動(dòng)、電工理論與新技術(shù)5門分學(xué)科。

電氣工程正進(jìn)一步從廣度和深度上向前發(fā)展，客觀世界也在不斷提出新的挑戰(zhàn)。例如：到處存在的工頻電磁場(chǎng)對(duì)人體機(jī)能影響的研究；太陽活動(dòng)周期所引起的地磁暴對(duì)電力設(shè)施的破壞作用；新型柔性輸電技術(shù)和電動(dòng)汽車技術(shù)所提出的多學(xué)科協(xié)同研究的新需要；人類從總體上對(duì)能源和環(huán)境的宏觀評(píng)估，向更有效地利用太陽能、風(fēng)能、水能等可再生能源方向發(fā)展而提出的新技術(shù)要求；CDM（溫室氣體減排）項(xiàng)目、電力驅(qū)動(dòng)、電氣節(jié)能和儲(chǔ)能技術(shù)的新發(fā)展等。此外，電磁兼容技術(shù)、電工環(huán)境技術(shù)可能發(fā)展為新的共性分學(xué)科，信息管理自動(dòng)化技術(shù)也在迅速發(fā)展。

二、電氣工程學(xué)科的知識(shí)體系與內(nèi)涵1電氣工程學(xué)科的知識(shí)體系電氣工程學(xué)科除具有各分支學(xué)科的專業(yè)理論外，還具有本學(xué)科的共性基礎(chǔ)理論(電路理論、電磁場(chǎng)理論、電磁測(cè)量理論等)，它與基礎(chǔ)科學(xué)(物理、數(shù)學(xué)等)中的相應(yīng)分支具有密切的關(guān)系，但又具有明顯的差別。因?yàn)榛A(chǔ)科學(xué)的主要任務(wù)是認(rèn)識(shí)客觀世界的本質(zhì)及其內(nèi)在規(guī)律，而技術(shù)科學(xué)的目的則在于改造客觀世界以達(dá)到人們的預(yù)定要求。所以，電氣工程的基礎(chǔ)理論所研究的對(duì)象是經(jīng)過人類加工改造后出現(xiàn)的新現(xiàn)象，而不是自然界固有存在的現(xiàn)象；

另外，不能只限于對(duì)現(xiàn)象的分析，還應(yīng)包括實(shí)現(xiàn)所需現(xiàn)象的綜合技術(shù)以及為此所付出的代價(jià)，從而使方法和途徑也占有重要的地位。例如：近年來電磁場(chǎng)理論中提出的廣義能量、伴隨場(chǎng)方法等，對(duì)場(chǎng)的分析、邊值計(jì)算等大有益處，從而對(duì)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生了重要作用；在電路理論中應(yīng)用了狀態(tài)空間、拓?fù)鋱D論、混沌理論之后，對(duì)系統(tǒng)分析、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、現(xiàn)象判斷等起了重要作用。

電氣測(cè)量技術(shù)在電氣工程各分支學(xué)科的技術(shù)發(fā)展中具有“耳目”和“神經(jīng)”的作用，它是定量研究電氣工程技術(shù)問題的手段，且隨著各分支學(xué)科的發(fā)展而迅速發(fā)展。電氣測(cè)量技術(shù)及其儀器的自動(dòng)化、智能化、多功能化等發(fā)展趨勢(shì)，已深深滲透到電氣工程各分支學(xué)科。新原理、新技術(shù)和新儀器日新月異，例如測(cè)量、監(jiān)視、控制等多功能新型裝置以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)整體系統(tǒng)精確度的改進(jìn)等，都對(duì)電氣工程分支學(xué)科的發(fā)展起了重要作用。

人類社會(huì)發(fā)展到任何時(shí)候也離不開能源，能源是人類永恒的研究對(duì)象，電能是利用最為方便的能源形式。

在現(xiàn)代人類生產(chǎn)、生活和科研活動(dòng)中一刻也離不開電。許多情況是先將初始能量轉(zhuǎn)換成電能，然后再轉(zhuǎn)換成所需要的其他能量形式，電已經(jīng)成為能量轉(zhuǎn)換的樞紐。

不僅如此，信息的處理和傳輸也要依靠電，計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)和無線電等無不以電作為信息的載體?，F(xiàn)代高科技的發(fā)展也離不開電，從探索物質(zhì)粒子的加速度到發(fā)射宇宙飛船和衛(wèi)星，從研究微型電機(jī)、機(jī)器人到可作為未來能源技術(shù)的受控核聚變裝置，都需要電氣科學(xué)與技術(shù)的支撐。

電氣工程學(xué)科專業(yè)主要研究電能的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、控制、儲(chǔ)存和利用。

電磁理論是電氣工程的理論基礎(chǔ)，而電磁理論是從物理學(xué)中的電學(xué)和磁學(xué)逐步發(fā)展而成的。

其中電信息的檢測(cè)、處理、控制等技術(shù)在電能從產(chǎn)生到利用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都起著越來越重要的作用。

按照電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)的專業(yè)規(guī)范，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)范圍主要包括電工基礎(chǔ)理論、電氣裝備制造和應(yīng)用、電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制3個(gè)部分。

電工理論是電氣工程的基礎(chǔ)，主要包括電路理論和電磁場(chǎng)理論。這些理論是物理學(xué)中電學(xué)和磁學(xué)的發(fā)展和延伸。而電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)等可以看成是由電工理論的不斷發(fā)展而誕生的，電工理論是它們的重要基礎(chǔ)。

電氣裝備制造主要包括發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等電機(jī)設(shè)備的制造，也包括開關(guān)、用電設(shè)備等電器與電氣設(shè)備的制造，還包括電力電子設(shè)備的制造、各種電氣控制裝置、電子控制裝置的制造以及電工材料、電氣絕緣等內(nèi)容。電氣裝備的應(yīng)用則是指上述設(shè)備和裝置的應(yīng)用。

電力系統(tǒng)主要指電力網(wǎng)的運(yùn)行和控制、電氣自動(dòng)化等內(nèi)容。

在專業(yè)內(nèi)容和知識(shí)結(jié)構(gòu)上，以電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、微機(jī)原理與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)語言與程序設(shè)計(jì)、信號(hào)分析與處理、自動(dòng)控制原理課程作為專業(yè)基礎(chǔ)，以電氣工程導(dǎo)論、電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)基礎(chǔ)作為專業(yè)課，以電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、電機(jī)設(shè)計(jì)、電機(jī)控制、電器學(xué)、高電壓工程、電氣絕緣、電力拖動(dòng)作為專業(yè)方向課程，達(dá)到掌握電機(jī)學(xué)理論、電力電子技術(shù)和電力系統(tǒng)基礎(chǔ)相關(guān)知識(shí)，掌握電工技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)、控制原理、信號(hào)分析與處理等專業(yè)類的基礎(chǔ)理論與技術(shù)，掌握電機(jī)理論、電力電子技術(shù)和電力系統(tǒng)基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)與相關(guān)理論，掌握電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、電機(jī)電器及其控制、高電壓與絕緣技術(shù)、電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)方向之一的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容與理論。

2電氣工程學(xué)科的內(nèi)涵

電氣工程學(xué)科包含電能科學(xué)與技術(shù)、電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用等兩個(gè)知識(shí)領(lǐng)域，它們相互依存、相互滲透和相互支撐，共同的理論基礎(chǔ)是電網(wǎng)絡(luò)理論、電磁場(chǎng)理論、電磁測(cè)量技術(shù)。

電能科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域主要研究：電能與機(jī)械能、熱能、聲能、光能、化學(xué)能、風(fēng)能、磁能等其他形式的能量直接和間接轉(zhuǎn)化的原理、方法及其與信息控制組成的一體化系統(tǒng)的過程建模、行為控制和結(jié)果仿真，電磁能量儲(chǔ)存的新原理、新介質(zhì)、新器件及其控制技術(shù)，大型電力系統(tǒng)及特種電力系統(tǒng)的建模與仿真，安全穩(wěn)定控制和災(zāi)變性事故的防治，以及考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、能源布局、市場(chǎng)機(jī)制等多種因素的電力系統(tǒng)最優(yōu)規(guī)劃、建設(shè)及運(yùn)行的理論和方法；電力電子新材料和新器件的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)技術(shù)，電力電子變流、控制、應(yīng)用的理論、方法和技術(shù)；電磁能量在時(shí)間和空間上壓縮形成功率脈沖的原理、器件、方法和技術(shù)。

電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域主要研究：電介質(zhì)材料的宏觀特性與微觀結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，微觀帶電粒子的輸運(yùn)、極化與松弛、老化與破壞、空間電荷效應(yīng)，電介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改性的原理和方法；高電壓的產(chǎn)生、測(cè)量和控制原理及方法，高壓絕緣結(jié)構(gòu)中氣、液、固不同介質(zhì)分界面、介質(zhì)組合體放電擊穿及老化的特性和機(jī)理，雷電及過電壓的防護(hù)理論和方法，絕緣檢測(cè)及故障診斷的原理和方法；氣體放電的理論模型與仿真，特種條件下的放電規(guī)律，特種放電形式與放電等離子體的產(chǎn)生方法及控制技術(shù)，放電等離子體與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象、機(jī)理及應(yīng)用技術(shù)；脈沖功率作用下物質(zhì)的電磁特性及其對(duì)功率脈沖生成的影響，脈沖功率作用下的新現(xiàn)象及其在高技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的理論和方法；

超導(dǎo)強(qiáng)磁體的制造及其在高科技領(lǐng)域中應(yīng)用的理論和方法，超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)故障限流技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的理論和方法；生命活動(dòng)中電磁現(xiàn)象的規(guī)律、產(chǎn)生機(jī)理、測(cè)量方法及其應(yīng)用電磁場(chǎng)和電網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行分析和建模，電磁場(chǎng)對(duì)生物體作用的現(xiàn)象、規(guī)律、機(jī)理及其在醫(yī)學(xué)診斷與治療中的應(yīng)用；電磁污染的產(chǎn)生、危害、評(píng)估方法及防護(hù)技術(shù)，利用電磁場(chǎng)效應(yīng)或放電等離子體處理廢水、廢氣、廢渣等環(huán)境污染的原理、方法和技術(shù)；電磁干擾產(chǎn)生的原因、傳輸及耦合機(jī)理，設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能而不產(chǎn)生降低功能的相互影響的預(yù)測(cè)方法、評(píng)估手段及防護(hù)技術(shù)。

共同基礎(chǔ)主要研究：電磁場(chǎng)在介質(zhì)域內(nèi)及邊界上的變化規(guī)律，電磁力和能量特性，以及相關(guān)問題分析與綜合的解析計(jì)算和數(shù)值計(jì)算方法；電路元件特性及基于基爾霍夫定律和特勒根定理、基于電路拓?fù)淅碚摵推渌嚓P(guān)現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的復(fù)雜電網(wǎng)分析、綜合及故障診斷的方法；材料、元件、設(shè)備及系統(tǒng)電磁參數(shù)及電磁特性測(cè)量的原理、方法及其信息化結(jié)合技術(shù)。

電氣工程學(xué)科專業(yè)是一個(gè)基礎(chǔ)性強(qiáng)、派生能力活的專業(yè)。電氣工程和生命科學(xué)的交叉已經(jīng)產(chǎn)生了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，對(duì)生命中電磁現(xiàn)象的研究產(chǎn)生了一門生物電磁學(xué)。電氣工程和材料科學(xué)的交叉形成了超導(dǎo)電工技術(shù)和納米電工技術(shù)。電氣工程和電子科學(xué)以及控制科學(xué)的交叉產(chǎn)生了電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)不但給電氣工程的發(fā)展帶來了極大的活力，同時(shí)電力電子技術(shù)也成為電氣工程的重要分支。

3．電氣工程與其他學(xué)科的關(guān)系

其他專業(yè)普遍需要電氣工程知識(shí)。

建筑工程領(lǐng)域涉及的電氣內(nèi)容主要包括供電電源及電壓的選擇、電力負(fù)荷的計(jì)算、短路電流計(jì)算、高壓接線、低壓配電線路設(shè)計(jì)、電氣設(shè)備選擇、繼電控制與保護(hù)、電力管理、變配電所設(shè)計(jì)、電梯、照明系統(tǒng)、安全用電等電氣知識(shí)。

多電飛機(jī)系統(tǒng)的電氣裝備，包含了電氣領(lǐng)域的諸多技術(shù)，如電力系統(tǒng)技術(shù)、電力電子技術(shù)、電力傳動(dòng)技術(shù)和電氣裝置自動(dòng)控制技術(shù)等。多電飛機(jī)用電磁懸浮軸承取代發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械軸承，用電磁執(zhí)行器代替液壓和氣動(dòng)執(zhí)行器，其所需的電氣裝置如圖1-7所示。

圖1-7多電飛機(jī)系統(tǒng)的電氣設(shè)備構(gòu)成

圖1-8電驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)車電氣裝備

圖1-9機(jī)電一體化系統(tǒng)各單元技術(shù)構(gòu)成

電氣工程已經(jīng)經(jīng)滲透到現(xiàn)代社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。與土木工程、機(jī)械工程、化學(xué)工程和管理工程稱為現(xiàn)代五大工程。是電力和電工制造所依靠的技術(shù)科學(xué)。是能源、電信、交通、鐵路、冶金、化工、機(jī)械等基本工業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。三、電氣工程的戰(zhàn)略地位電氣工程是21世紀(jì)社會(huì)生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防安全、科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新的重要支撐學(xué)科領(lǐng)域。四、電氣工程及其自動(dòng)化的發(fā)展前景

2005年中國人均擁有的裝機(jī)容量只有0.25?W，人均用電只有1064?kW·h，平均不到世界人均水平的一半，僅為發(fā)達(dá)國家的1/6～1/12，遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平提高的需要。

相比世界電力工業(yè)大發(fā)展時(shí)期，中國電力工業(yè)正處于持續(xù)高速發(fā)展時(shí)期，未來十幾年，輸配電及控制設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)將迎來一個(gè)前景廣闊的市場(chǎng)發(fā)展時(shí)期。

在2010年至2020年期間，我國將初步形成除新疆、西藏、臺(tái)灣地區(qū)之外的全國統(tǒng)一聯(lián)合電網(wǎng)。這一電網(wǎng)的形成將實(shí)現(xiàn)我國水電“西電東送”和煤電“北電南送”的合理能源流動(dòng)格局。未來15年，我國年均用電增長1.6×1011kW·h，而資源分布的不均衡性需要發(fā)展特高壓電網(wǎng)。預(yù)計(jì)2020年，我國全社會(huì)用電量將達(dá)到4.6×1012kW·h左右，需要裝機(jī)容量約109kW。這意味著未來15年間，我國年均新增裝機(jī)超過3.3×107kW，年均用電增長達(dá)到1.6×1011kW·h。

美國能源部信息管理局發(fā)布的《國際能源展望2006》報(bào)告預(yù)計(jì)，至2020年，中國用電量將達(dá)5.6×1012kW·h，發(fā)電總裝機(jī)容量預(yù)計(jì)達(dá)到1.186×109kW，屆時(shí)中國的用電量和發(fā)電總裝機(jī)容量將超過美國，躍居世界第一位。報(bào)告稱，到2030年，全世界的用電量將是2003年的兩倍，其中發(fā)達(dá)國家將占全世界總增長量的29%，發(fā)展中國家占71%。至2030年，發(fā)展中國家用電量的年均增長將達(dá)到3.9%，發(fā)達(dá)國家為1.5%。從2003年至2030年，中國和美國的用電量將分別增加4.3×1012kW·h和1.95×1012kW·h。

未來20年，我國電力工業(yè)和電工制造業(yè)將持續(xù)高速度發(fā)展。受此拉動(dòng)，我國設(shè)置電氣工程專業(yè)的高等學(xué)校也將持續(xù)高速度發(fā)展。正像我國正在成為世界制造業(yè)的中心，成為世界工廠一樣，我國也必將成為世界電氣工程高等教育、科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的中心。

2020年，我國發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量將穩(wěn)居世界第一。未來20年，中國將是全球電力工業(yè)和電工制造業(yè)的最大市場(chǎng)。我國電氣工程領(lǐng)域集中了一批最優(yōu)秀的人才。我國將成為世界電氣工程高等教育的中心。我國也將成為世界電氣工程科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的中心。

五、電氣工程學(xué)科的主要研究領(lǐng)域和未來研究熱點(diǎn)

1電氣工程學(xué)科的主要研究領(lǐng)域傳統(tǒng)的電氣工程定義為用于創(chuàng)造產(chǎn)生電氣與電子系統(tǒng)的有關(guān)學(xué)科的總和。但隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，今天的電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關(guān)的工程行為，是現(xiàn)代科技領(lǐng)域中的核心學(xué)科之一，更是當(dāng)今高新技術(shù)領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵學(xué)科。例如，正是電子技術(shù)的巨大進(jìn)步才推動(dòng)了以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的信息時(shí)代的到來，并將改變?nèi)祟惖纳罟ぷ髂Ｊ降取?/p>

1）電機(jī)與電器學(xué)科本學(xué)科專業(yè)主要從事有關(guān)電機(jī)理論、運(yùn)行、設(shè)計(jì)及其控制方面的研究工作和技術(shù)開發(fā)。電機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和控制的關(guān)鍵設(shè)備，除大容量發(fā)電設(shè)備外，工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人和家用電器等現(xiàn)代科技需要各種微特電機(jī)以及電機(jī)的調(diào)速和控制系統(tǒng)。由于引入電力電子、微機(jī)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)監(jiān)測(cè)等新技術(shù)手段，開辟了新的研究方向。

(1)電機(jī)在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)、參數(shù)辨識(shí)；(2)電機(jī)中各種物理場(chǎng)的研究；(3)新型電機(jī)及其控制系統(tǒng)；(4)大型電機(jī)的設(shè)計(jì)運(yùn)行理論和關(guān)鍵技術(shù)；(5)可再生能源轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵技術(shù)；(6)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；(7)電機(jī)的節(jié)能與智能控制技術(shù)；(8)新型機(jī)電一體化能量轉(zhuǎn)換裝置與系統(tǒng)；(9)新電磁材料的開發(fā)應(yīng)用研究；(10)大容量超高、低轉(zhuǎn)速電機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。

2）電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)科電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)科主要研究電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、特性分析、電網(wǎng)品質(zhì)校正、運(yùn)行管理、控制保護(hù)等理論和方法。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展、電壓等級(jí)的提高，電網(wǎng)容量越來越大，自動(dòng)控制和微波通信等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，電力系統(tǒng)對(duì)大氣過電壓防護(hù)的可靠性要求越來越高。研究電力系統(tǒng)仿真計(jì)算、運(yùn)行特性分析、接地參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算、控制和保護(hù)的新理論和新方法，研究和運(yùn)用各種新型的輸配電技術(shù)和分布式發(fā)電技術(shù)，研究區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)、電網(wǎng)能源管理、調(diào)度自動(dòng)化，開發(fā)太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等清潔能源也是電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)科的研究方向?，F(xiàn)階段，該學(xué)科主要有如下幾個(gè)研究方向：

(1)電力系統(tǒng)分析和仿真；(2)電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化；(3)電力系統(tǒng)運(yùn)籌學(xué)與電力市場(chǎng)；(4)電力系統(tǒng)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)與控制；(5)電廠自動(dòng)化；(6)電力系統(tǒng)規(guī)劃；(7)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)；(8)新型輸配電技術(shù)與分布式發(fā)電；(9)電力系統(tǒng)節(jié)能與儲(chǔ)能技術(shù)；(10)新型能源開發(fā)和可再生能源綜合利用技術(shù)。

3）高電壓與絕緣技術(shù)學(xué)科

高電壓是針對(duì)強(qiáng)電應(yīng)力條件下電磁現(xiàn)象的一種相對(duì)物理概念，在電壓數(shù)值上沒有確定的界限；絕緣的作用是分隔不同電位的導(dǎo)體，使其能保持不同的電位。高電壓的產(chǎn)生、測(cè)量與控制技術(shù)，高電壓設(shè)備技術(shù)、電介質(zhì)放電與絕緣擊穿理論、過電壓及其防護(hù)技術(shù)、絕緣監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)等構(gòu)成了高電壓與絕緣學(xué)科的學(xué)科體系。

高電壓的產(chǎn)生、測(cè)量與控制是研究絕緣材料和結(jié)構(gòu)在各種形式高電壓下物理現(xiàn)象的手段。目前，傳統(tǒng)的高電壓測(cè)量技術(shù)正面臨新的發(fā)展契機(jī)，基于瞬態(tài)電磁測(cè)量、光電測(cè)量、非接觸測(cè)量以及數(shù)字化測(cè)量等高電壓測(cè)試新理論和新技術(shù)正成為重要的研究方向。

高電壓設(shè)備技術(shù)是研究變壓器和高電壓電器等高電壓設(shè)備的絕緣理論與技術(shù)。隨著超、特高壓輸電等級(jí)的相繼出現(xiàn)，尤其是特高設(shè)備技術(shù)方面，國際上還沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，急需解決相應(yīng)設(shè)備的絕緣理論和關(guān)鍵技術(shù)問題，因而對(duì)高電壓與絕緣學(xué)科的基礎(chǔ)研究更具有實(shí)際的緊迫性。

電介質(zhì)放電與絕緣擊穿包括氣體、液體、固體介質(zhì)和復(fù)合絕緣介質(zhì)的放電、界面放電和局部放電等，其物理現(xiàn)象不僅與電極的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)和介質(zhì)本身的特性有關(guān)，而且還與外加電壓的種類、參數(shù)以及環(huán)境狀態(tài)和條件等密切相關(guān)。隨著超、特高壓輸電系統(tǒng)、超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和太空探索的需要，極端環(huán)境(如強(qiáng)輻射和低溫)下的絕緣技術(shù)也是本學(xué)科面臨的新問題。

研究雷電過電壓、內(nèi)部過電壓的產(chǎn)生、傳播及其防護(hù)，對(duì)電力行業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)其他行業(yè)的安全運(yùn)行與防災(zāi)都具有重要的意義。隨著大規(guī)模交直流互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成，其過電壓的產(chǎn)生和傳播機(jī)理將更加復(fù)雜，需要研究基于全波過程的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程理論和分析方法。

絕緣監(jiān)測(cè)與診斷是本學(xué)科近十幾年來的研究熱點(diǎn)，目的是通過在線監(jiān)測(cè)獲得運(yùn)行中的高電壓設(shè)備絕緣的狀態(tài)信息，提取其特征參量并診斷絕緣狀態(tài)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣的缺陷及其發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評(píng)估，以提高設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。研究的重點(diǎn)是：新型傳感技術(shù)、監(jiān)測(cè)裝置及系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，強(qiáng)電磁環(huán)境中的信號(hào)處理與智能化故障診斷技術(shù)、監(jiān)控裝置及系統(tǒng)的抗干擾能力和故障診斷的準(zhǔn)確性、大型高電壓設(shè)備絕緣狀態(tài)評(píng)估模型等，為實(shí)施高電壓設(shè)備狀態(tài)維修體制提供理論依據(jù)。

總之，本學(xué)科一直圍繞國家建設(shè)和學(xué)科發(fā)展的需要，圍繞發(fā)、輸、配電中的重大技術(shù)難題，形成了很多新的研究領(lǐng)域方向。例如：

(1)高電壓測(cè)試技術(shù)；

(2)電力設(shè)備診斷及狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)；

(3)新型絕緣材料與絕緣結(jié)構(gòu)；

(4)電力系統(tǒng)過電壓與絕緣技術(shù)；

(5)高壓電器及其智能化；

(6)氣體放電及高電壓大功率脈沖技術(shù)及其應(yīng)用；

(7)電磁環(huán)境技術(shù)；(8)電磁生物學(xué)；(9)接地技術(shù)；(10)電介質(zhì)材料及其應(yīng)用；(11)配電自動(dòng)化技術(shù)。

4）電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科是一門集電力、電子與控制于一身，綜合了電能變換、電磁學(xué)、自動(dòng)控制、微電子及電子信息、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的新成就而迅速發(fā)展起來的交叉學(xué)科。該學(xué)科涉及各種大功率的能量變換和控制、最新的自動(dòng)控制技術(shù)、電子信息科學(xué)中的檢測(cè)技術(shù)、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電力電子與電力傳動(dòng)工業(yè)應(yīng)用新技術(shù)等。

該學(xué)科主要研究新型電力電子器件、電能的變換與控制、功率源、電力傳動(dòng)及其自動(dòng)化等理論技術(shù)和應(yīng)用，稀土永磁電機(jī)設(shè)計(jì)及控制、新型電力電子裝置及控制、電力傳動(dòng)及自動(dòng)化、檢測(cè)技術(shù)與儀表，新型節(jié)能電機(jī)制造理論、技術(shù)及調(diào)速控制技術(shù)，開關(guān)電源技術(shù)、電能質(zhì)量管理、電力電子系統(tǒng)集成等。它對(duì)電氣工程學(xué)科的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有廣泛的影響和巨大的作用。其主要研究方向有：

(1)電力電子元器件及功率集成電路；(2)全數(shù)字化開關(guān)變流理論和控制技術(shù)；(3)電力電子系統(tǒng)集成與仿真；(4)高效電力電子電源和裝置；(5)高性能電力傳動(dòng)與控制系統(tǒng)；(6)電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償和濾波技術(shù)；(7)電力電子與傳動(dòng)系統(tǒng)模型與仿真；(8)電力電子系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)；(9)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制技術(shù)；(10)新型能源開發(fā)及節(jié)能技術(shù)；(11)電氣儲(chǔ)能技術(shù)及高效儲(chǔ)能系統(tǒng)。

5）電工理論與新技術(shù)學(xué)科本學(xué)科主要研究電磁場(chǎng)理論及其應(yīng)用、電路理論及其應(yīng)用、電磁測(cè)量技術(shù)及儀器等。研究領(lǐng)域包含生物電磁場(chǎng)、生命科學(xué)儀器、超導(dǎo)磁體技術(shù)、超導(dǎo)磁懸浮與磁屏蔽、脈沖功率技術(shù)、電力系統(tǒng)電磁干擾與電磁兼容、電力系統(tǒng)通信、大型電力設(shè)備的電磁暫態(tài)與故障分析、電力設(shè)備的輔助設(shè)計(jì)、非線性電路與系統(tǒng)的穩(wěn)定及控制、混沌信號(hào)處理、供電系統(tǒng)的諧波檢測(cè)與治理、無功補(bǔ)償技術(shù)、電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算、智能控制與仿真、智能計(jì)算、微機(jī)化儀器等。隨著電氣工程新原理、新技術(shù)與新材料的發(fā)展，出現(xiàn)了一些包括超導(dǎo)電工技術(shù)、受控核聚變技術(shù)、可再生能源

2電氣工程學(xué)科的未來研究熱點(diǎn)以應(yīng)用性基礎(chǔ)研究為主的電氣工程學(xué)科，隨著支撐技術(shù)的迅猛發(fā)展，將在與信息科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的交叉和融合中獲得進(jìn)一步發(fā)展。超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料與永磁材料的最新發(fā)展對(duì)于電氣工程領(lǐng)域有著特別重大的意義。

21世紀(jì)電氣工程學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)是：電氣工程學(xué)科將與工程和近代數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科