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電工領域基礎和應用基礎研究展望

更新時間: 2002-07-05 瀏覽次數: 1934
關志成 劉瑛巖 宋婷
清華大學電機系 北京 100084
摘要 本文對電工領域的基礎研究和應用基礎研究尤其是在和信息科
學、材料科學、生命科學和環境科學領域的交叉進行了展望。
20世紀電工學科隨著電力工業的發展獲得飛速進步,并取得了輝
煌的成就,在對20世紀影響最大科技成果的評選中,電力系統獨居鰲
頭。
進入21世紀科學技術將以更快的速度發展,學科之間的界限將越
來越模糊,學科之間的交叉和融合將成為新世紀科技發展的特點,創
新和飛躍往往發生在學科的交叉點上,21世紀的電工學科將在與信息
科學、材料科學、生命科學以及環境科學等學科的交叉和融合中獲得
進一步發展。
生產力的發展是推動科技進步的不竭動力,雖然我國的電力工業
已取得了十分巨大的成績,例如裝機容量已達3億千瓦。但是,目前
我國人均占有的裝機容量和發電量還不到世界平均水平的一半,僅為
發達國家的1/6到1/10,我國的電力 工業還將持續快速發展,根據"
十五"以及未來十年電力工業發展的總目標,我國2005年發電裝機
容量將達到3.55億千瓦,2010年和2015年將分別達到4.5和5.5億千
瓦。電力工業的發展和進步將對電工學科的基礎研究和應用基礎研究
提出更多的需求,同時會給予更大的支持,是電工領域科技發展的一
個強大推動力。
展望新世紀,電工領域的基礎研究和應用基礎研究仍會是一個百
花齊放蓬勃發展的局面,和其他學科的融合交叉是它的顯著特點。
1、和信息科學的交叉
信息科學的發展是和電工學科的發展緊密聯系在一起的,現在它
們之間的關聯和相互促進將更為明顯。電力系統本身就是一個龐大復
雜、要求反應速度快、安全可靠穩定的特大系統之一,信息領域的科
技成果幾乎都能在電力系統找到用武之地。現代電力系統中,對各種
電力設備的控制(如HVDC、FACTS技術中的電力電子設備)、電力設
備狀態的在線監測(如變壓器、電機局部放電監測、輸電線路的故障
測距等)、電力市場的建模與分析、電力系統的規劃、分析、仿真和
控制、虛擬儀器的應用以及電力通訊技術等都離不開計算機硬件、軟
件、網絡技術、人工智能理論、通訊技術的支持。信息科學的發展,
使電力系統的運行和控制向著更加方便、快速、安全、靈活的方向發
展;而電力系統發展的需求反過來又促進了信息科學的發展。各種信
息技術在電力系統的具體應用有不同于其它領域的獨特之處,這對信
息科學提出了特殊要求,對這些具體問題的解決豐富了信息科學的內
容。如要想在電力網絡這種世界上普及率和牢固率最高的有線網絡基
礎上實現電話、電腦、電視和電力"四網合一",就需要進一步發展載
波通訊技術。目前,電力系統的控制、穩定、分析、仿真、經濟運
行、電力設備的在線監測診斷等問題,仍然是電工領域研究的熱點,
對這些問題研究的進一步深入將和信息科學結合得更加緊密,使得電
力系統更加信息化、數字化,借鑒"數字地球"的概念,有人已經提出
了"數字電力系統"(DPS)的概念。可以預見,電力系統的前沿問題
研究將和計算機技術、網絡技術、通訊技術、自動化技術等領域前沿
問題的研究同步發展。
2、和材料科學的交叉
材料學科是發展最快的領域之一,很多材料的功能及性能以前所
未有的速度不斷得到改進和提高,新材料不斷涌現。相比較而言,電
工學科是一個相對較為成熟的領域,然而,新材料在此領域的應用,
卻有可能帶來革命性變化。有機硅橡膠材料在外絕緣領域的應用就是
一個突出的實例。眾所周知,高壓輸電線路的絕緣子曾是電瓷的一統
天下,盡管電瓷材料有耐老化性能好等很多優點,但易破碎、抗拉強
度低、笨重、生產耗能高等是電瓷材料本身獨有的弱點,特別是耐污
閃性能不好,已成為電力系統安全運行的一大隱患。目前以硅橡膠材
料作傘裙護套、環氧玻璃纖維引拔棒作芯棒的線路懸式合成絕緣子在
我國線路絕緣子市場上已占1/3左右,而且有進一步發展壯大之趨
勢。已在線運行的100余萬只線路合成絕緣子經受住多年惡劣氣候條
件嚴峻考驗的事實表明其耐污閃能力明顯高于電瓷或玻璃絕緣子,已
成為一項行之有效的防污閃技術措施,在防止污閃事故發生,保障電
力系統安全運行方面發揮了顯著作用,受到電力運行部門的歡迎。可
以預計,硅橡膠材料也將在變電站外絕緣,如棒型支柱絕緣子、絕緣
套管等方面得到應用推廣。
超導材料的發展給電工技術帶來質的飛躍,許多過去無法實現的
超導電工裝備已成為或即將成為現實。超導材料可以在巨大的空間產
生很高的強磁場而幾乎不消耗電能,從而為一些高技術如核聚變、磁
流體發電等的實際應用和發展創造了有利條件。而目前常規電工裝備
如采用超導技術,也將大大改善其性能。可以預計,高溫超導材料在
電力系統中的應用將有突破性進展,超導儲能、超導變壓器、超導電
纜、超導電機、超導故障電流限制器等都有可能在不遠的將來獲得實
際應用。高性能穩定廉價的超導材料、低溫條件下的絕緣、低溫條件
的產生和維護等系列問題的研究仍需人們做出不懈努力。
新型絕緣材料、磁性材料、半導體材料、合金材料等會更迅速的
用于電力和電工設備。當今世界的研究熱點納米材料,也會在電力工
業獲得應用,其影響難以估量。
同時,電工技術的發展也為新材料的制造提供了新的手段和方
法。如等離子體技術在高溫材料冶煉(如鋯、鈦、釩、氧化鉻等)、
特殊化合物合成、大規模集成電路制造、材料表面改性等方面的應
用、放電技術在微細加工方面的應用等。可以相信,電工技術和材料
科學將會在相互促進中發展。
3、和生命科學的交叉
生命的起源和進化是與包括宇宙射線及各種頻率的電磁場在內的
物理環境相適應的,隨著人類文明的進步,人類制造的各種電氣裝置
和電子設備向自然界輻射出大量人工電磁場,其趨勢有增無減,從而
改變了地球生命生存的環境,必然會對各種生命體的生存進化構成影
響,調查和大量實驗顯示,電磁場對生命體存在利與弊兩方面的影
響,如何利用有利影響,避免不利影響已是不容回避的問題,1996年
世界衛生組織倡議,在全球范圍開展電磁場生物效應的深入研究。
大量的流行病學調查和對生命各個層次上的實驗研究表明電磁場
有明顯的生物效應,實驗表明電磁場對心臟節律、神經生理、生化代
謝、免疫機能、植物生長等方面都有明顯的影響。為了搞清楚電磁場
生物效應的根本機理,科學家們也進行了不懈努力,提出了一些有關
弱的電磁場與活生物體作用機理的模型,例如:頻率共振學說、自由
基學說、回旋共振學說、斯托克斯共振學說等。但這些學說大部分是
從物理學角度提出的理論模型,目前還沒有任何一個學說能較好地解
釋弱電磁場與生物體作用機理。一些電磁生物技術已經得到了實際應
用,較為成熟的技術是利用脈沖電場打開細胞膜的電穿孔技術已用于
臨床醫學,為諸如腫瘤等重大疾病的治療提供了新手段;利用高頻電
磁場效應的高頻理療儀、高頻電刀、射頻治療儀,利用低頻電磁場效
應促進骨折愈合和治療骨質疏松取得了良好效果;在用于診斷的磁共
振成像(MRI)中,運用了高、低頻兩種電磁場技術等等。
目前,在這一交叉領域總的現狀是基礎研究落后于應用技術研
究,由于機理不清導致應用技術開發的科學依據不足,從而也制約了
應用技術的研發。本領域的基礎研究應采用理論與實驗相結合,宏觀
與微觀相結合的方法,揭示電磁場對生命體作用的根本機理。
4、與環境領域的交叉
環境保護和可持續發展已提到基本國策的認識高度。我國政府對
環境保護問題始終十分重視,并為此投入巨額資金,進行環境保護和
治理。伴隨經濟的高速發展,特別是眾多鄉鎮企業的興起,我國的環
境污染問題十分嚴重,不少城市已建立空氣質量監測系統,例如北京
每天都發布空氣質量監測報告,空氣質量為三級或四級時有發生,空
氣質量狀況令人擔憂。迅速改變我國特大城市空氣質量狀況、降低大
氣污染程度,任務迫在眉睫。我國江河湖海的污染問題也到了非治理
不可的程度。煙氣處理,汽車尾氣處理,廢水排放治理,固體廢棄物
處理以及飲用水處理等問題都是迫切需要解決的課題,這些課題都是
多學科交叉的問題,需要相關學科的科技工作者緊密合作,電工技術
在環保領域大有用武之地。
例如,煙氣的脫硫脫硝和除塵問題。我國是燃煤大國,燃料結構
決定了我國在今后相當長的時間內,發電、供暖等所需能源仍是以燃
煤為主。我國大氣中的二氧化硫有87%來自燃煤。煤的清潔燃燒問題
是迫切需要解決的課題。在煙氣排放前,用高壓窄脈沖電暈放電方法
對煙氣進行處理,可取得較好的脫硫脫硝效果,此技術是應用上升前
沿陡,脈沖窄的高壓放電得到5-20電子伏的高能電子,打斷周圍氣體
分子的化學鍵而生成氧化性極強的OH、O、O3等自由原子、自由基等
活性物質,可同時脫除SO2和NOx,在氨注入的條件下,可生成化肥。
這一技術的搞資較低,估計僅為濕法脫硫的50%,被認為是21世紀最
有前景的脫硫脫硝技術。現在日本、美國、意大利、俄羅斯等國都開
展了此方法的研究,意大利已建造出中試裝置,在威尼斯附近的
Marghera熱電廠進行了工業性實驗,日本也在建工業試驗裝置,我國
也對此方法進行了積極研究。
汽車尾氣已成為造成我國特大型城市大氣污染的最重要因素之
一,治理汽車尾氣已成為解決大城市空氣污染的首要任務。降低尾氣
中有毒有害氣體含量有許多技術手段,除用傳統的催化劑方法清除汽
車尾氣中的有害物質外,國際上正大力開展用高壓脈沖放電產生非平
衡態等離子體去處理汽車尾氣的研究,其指導思想是放電等離子體產
生的物理及化學作用加上催化劑的協同作用,較之單純的催化劑作
用,具有更好的效果及性能價格比。此技術已成為汽車尾氣治理的研
究熱點之一。
在環境工程領域對污水的處理有很多方法,如物理法、化學法、
生物法等,有些高濃度廢水,如造紙廠、印染廠等排放出的廢水中有
很多難降解成分,用上述傳統方法很難處理。在我國有眾多小型造紙
廠,印染廠排放的廢水造成極為為嚴重的江河污染,至今對這些高濃
度廢水尚無有效處理方法。高電壓技術有可能會對此問題的解決提供
幫助。利用在水中脈沖放電的方法,會起到很好的降解和脫色效果,
可以預計,高電壓技術在污水處理特別是難降解廢水處理方面會大有
用武之地。
用高電壓技術對固體廢棄物中有毒害物質的處理,也是一項值得
研究的課題。已有人用高電壓技術,產生模擬閃電,在無氧狀態下,
以強光、高達5000度的熱能、強帶電粒子流破壞有毒、有害廢棄物,
使其被分解成簡單分子,經急冷中和后不會再次形成劇毒合成物,可
經濟地將廢棄物轉化成具有高穩定性的玻璃體物質,有價金屬,富氫
氣體。此項技術可以用來處理化工廢渣、醫療廢物、被染污泥土等多
種有害固體廢棄物。
高電壓技術在滅菌消毒方面也有廣泛用途,在利用高壓脈沖放電
產生的非平衡態等離子體中,各種帶電粒子和中性粒子之間發生復雜
的物理及化學反應,產生高濃度的臭氧和大量的活性自由基,可以有
效降解蔬菜和水果上殘存的農藥,將其還原成綠色食品。此外,高電
壓技術在飲用水處理,水果保鮮以及食品及飲料的加工上都有成功的
應用實例。
除上述領域處,電工學科還將在與數學、物理、化學、新能源等領
域的交叉中開拓新的方向,會在基礎研究和應用基礎研究中和其他
學科相互促進,為推動國民經濟發展和科技進步作出創造性貢獻。
參考文獻
[1] 國家自然科學基金委員會,電工科學,科學出版社,1994
[2] 中國電工技術學會,電工高新技術叢書1-6冊,機械工業出版社,2000
關志成, 清華大學教授,博士生導師,中國電機工程學會副理事長、
中國電工技術學會副理事長。已發表論文150多篇。主要研究領域包
括高電壓絕緣、電磁環境技術、高電壓及等離子體技術在環境保護及
生物領域中的應用、染污放電機理與防污閃技術、特高壓輸電以及高
電壓測量及診斷技術。
劉瑛巖,博士后,從事高電壓技術的研究
宋婷,碩士研究生,從事高電壓技術的研究

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