电气工程新技术

在电力生产、电工制造与其他工业发展，以及国防建设与科学实验的实际需要的有力推动下，在新原理、新理论、新技术和新材料发展的基础上，发展起来了多种电气工程新技术（简称电工新技术），成为近代电气工程科学技术发展中最为活跃和最有生命力的重要分支。

1.6.1 超导电工技术

超导电工技术涵盖了超导电力科学技术和超导强磁场科学技术，包括实用超导线与超导磁体技术与应用，以及初步产业化的实现。

1911年，荷兰科学家昂纳斯（H.Kamerlingh Onnes）在测量低温下汞电阻率的时候发现，当温度降到4.2K附近，汞的电阻突然消失，后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，这就是超导态的零电阻效应，它是超导态的基本性质之一。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，也就是说，磁力线完全被排斥在超导体外面，如图1.6.1所示。人们将这种现象称为“迈斯纳效应”。

利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮。如图1.6.2所示，把一块磁铁放在超导体上，由于超导体把磁感应线排斥出去，超导体跟磁铁之间有排斥力，结果磁铁悬浮在超导盘的上方。这种超导磁悬浮在工程技术中是可以大大利用的，超导磁悬浮轴承就是一例。

图1.6.1 迈斯纳效应示意图

图1.6.2 超导磁悬浮实验

超导材料分为高温超导材料和低温超导材料两类，使用最广的是在液氦温区使用的低温超导材料NbTi导线和液氮温区高温超导材料Bi系带材。20世纪60年代初，实用超导体出现后，人们就期待利用它使现有的常规电工装备的性能得到改善和提高，并期望许多过去无法实现的电工装备能成为现实。20世纪90年代以来，随着实用的高临界温度超导体与超导线的发展，掀起了世界范围内新的超导电力热潮，这包括输电、限流器、变压器、飞轮储能等多方面的应用，超导电力被认为可能是21世纪最主要的电力新技术储备。

我国在超导技术研究方面，包括有关的工艺技术的研究和实验型样机的研制上，都建立了自己的研究开发体系，有自己的知识积累和技术储备，在电力领域也已开发出或正在研制开发超导装置的实用化样机，如高温超导输电电缆（见图1.6.3）、高温超导变压器、高温超导限流器、超导储能装置和移动通信用的高温超导滤波器系统等，有的已投入试验运行。

图1.6.3 高温超导电缆结构

高温超导材料的用途非常广阔，正在研究和开发的大致可分为大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用三类。

1.6.2 聚变电工技术

最早被人发现的核能是重元素的原子核裂变时产生的能量，人们利用这一原理制造了原子弹。科学家们又从太阳上的热核反应受到启发，制造了氢弹，这就是核聚变。

把核裂变反应控制起来，让核能按需要释放，就可以建成核裂变发电站，这一技术已经成熟。同理，把核聚变反应控制起来，也可以建成核聚变发电站。与核裂变相比，核聚变的燃料取之不尽，用之不绝，核聚变需要的燃料是重氢，在天然水分子中，约7 000个分子内就含1个重水分子，2kg重水中含有4g氕，一升水内约含0.02g氕，相当于燃烧400t煤所放出的能量。地球表面有13.7亿立方千米海水，其中含有25万亿吨氘，它至少可以供人类使用10亿年。另外，核聚变反应运行相对安全，因为核聚变反应堆不会产生大量强放射性物质，而且核聚变燃料用量极少，能从根本上解决人类能源、环境与生态的持续协调发展的问题。但是，核聚变的控制技术远比核裂变的控制技术复杂。目前，世界上还没有一座实用的核聚变电站，但世界各国都投入了巨大的人力物力进行研究。

实现受控核聚变反应的必要条件是：要把氘和氚加热到上亿摄氏度的超高温等离子体状态，这种等离子体粒子密度要达到每立方厘米100万亿个，并要使能量约束时间达到1s以上。这也就是核聚变反应点火条件，此后只需补充燃料（每秒补充约1g），核聚变反应就能继续下去。在高温下，通过热交换产生蒸汽，就可以推动汽轮发电机发电。

由于无论什么样的固体容器都经受不起这样的超高温，因此，人们采用高强磁场把高温等离子体“箍缩”在真空容器中平缓地进行核聚变反应。但是高温等离子体很难约束，也很难保持稳定，有时会变得弯曲，最终触及器壁。人们研究得较多的是一种叫做托克马克的环形核聚变反应堆装置，如图1.6.4所示。另一种方法是惯性约束，即用强功率驱动器（激光、电子或离子束）把燃料微粒高度压缩加热，实现一系列微型核爆炸，然后把产生的能量取出来，惯性约束不需要外磁场，系统相对简单，但这种方法还有一系列技术难题有待解决。

1982年底，美国建成一座为了使输出能量等于输入能量，以证明受控核聚变具有现实可能的大型“托克马克”型核聚变实验室反应堆。近年来，美国、英国、俄罗斯三国正在联合建设一座输出功率为62万千瓦的国际核聚变反应堆，希望其输出能量能够超过输入能量而使核聚变发电的可能性得到证实。1984年9月，我国自行建成了第一座大型托克马克装置——中国环流器一号，经过20多年的努力，最近又建成中国环流器新一号，其纵向磁场2.8T，等离子体电流320kA，等离子体存在时间4s，辅助加热功率5 MW，达到世界先进水平。此外，人们还在试图开发聚变 －裂变混合堆，以期降低聚变反应的启动难度。1991年11月8日，在英国南部世界最大的核聚变实验设施内首次成功运用氘和氚实现核聚变，在1s内产生了超过100万瓦的电能。

图1.6.4 托克马克装置

经过20世纪下半叶的巨大努力，已在大型的托克马克磁约束聚变装置上达到“点火”条件，证实了聚变反应堆的科学现实性，目前正在进行聚变试验堆的国际联合设计研制工作。

1.6.3 磁流体推进技术

1.磁流体推进船

磁流体推进船是在船底装有线圈和电极，当线圈通上电流，就会在海水中产生磁场，利用海水的导电特性，与电极形成通电回路，使海水带电。这样，带电的海水在强大磁场的作用下，产生使海水发生运动的电磁力，而船体就在反作用力的推动下向相反方向运动。由于超导电磁船是依靠电磁力作用而前进的，所以它不需要螺旋桨。

磁流体推进船的优点在于利用海水作为导电流体，而处在超导线圈形成的强磁场中的这些海水“导线”，必然会受到电磁力的作用，其方向可以用物理学上的左手定则来判定。所以，在预先设计好的磁场和电流方向的配置下，海水这根“导线”被推向后方。同时，超导电磁船所获得的推力与通过海水的电流大小、超导线圈产生的磁场强度成正比。由此可知，只要控制进入超导线圈和电极的电流大小和方向，就可以控制船的速度和方向，并且可以做到瞬间启动、瞬时停止、瞬时改变航向，具有其他船舶无法与之相比的机动性。

但是由于海水的电导率不高，要产生强大的推力，线圈内必须通过强大的电流产生强磁场。如果用普通线圈，不仅体积庞大，而且极为耗能，所以必须采用超导线圈。

超导磁流体船舶推进是一种正在发展的新技术。随着超导强磁场的顺利实现，从20世纪60年代就开始了认真的研究发展工作。20世纪90年代初，国外载人试验船就已经顺利地进行了海上试验。中国科学院电工研究所也进行了超导磁流体模型船试验。

2.等离子磁流体航天推进器

目前，航天器主要依靠燃烧火箭上装载的燃料推进，这使得火箭的发射质量很大，效率也比较低。为了节省燃料，提高效率，减小火箭发射质量，国外已经开始研发不需要燃料的新型电磁推进器。等离子磁流体推进器就是其中一种，它也称为离子发动机。与船舶的磁流体推进器不同，等离子磁流体推进器是利用等离子体作为导电流体。等离子磁流体推进器由同心的芯柱（阴极）与外环（阳极）构成，在两极之间施加高电压可同时产生等离子体和强磁场，在强磁场的作用下，等离子体将高速运动并喷射出去，推动航天器前进。1998年10月24日，美国发射了深空1号探测器，任务是探测小行星Braille和遥远的彗星Borrelly，主发动机就采用了离子发动机。

1.6.4 磁悬浮列车技术

磁悬浮列车是一种采用磁悬浮、直线电动机驱动的新型无轮高速地面交通工具，它主要依靠电磁力实现传统铁路中的支承、导向和牵引功能。相应的磁悬浮铁路系统是一种新型的有导向轨的交通系统。由于运行的磁悬浮列车和线路之间无机械接触或可大大避免机械接触，从根本上突破了轮轨铁路中轮轨关系和弓网关系的约束，具有速度高，客运量大，对环境影响（噪声、振动等）小，能耗低，维护便宜，运行安全平稳，无脱轨危险，有很强的爬坡能力等一系列优点。

磁悬浮列车的实现要解决磁悬浮、直线电动机驱动、车辆设计与研制、轨道设施、供电系统、列车检测与控制等一系列高新技术的关键问题。任何磁悬浮列车都需要解决三个基本问题，即悬浮、驱动与导向。磁悬浮目前主要有电磁式、电动式和永磁式三种方式。驱动用的直线电动机有同步直线电动机和异步直线电动机两种。导向分为主动导向和被动导向两类。

高速磁悬浮列车有常导与超导两种技术方案，采用超导的优点是悬浮气隙大、轨道结构简单、造价低、车身轻，随着高温超导的发展与应用，将具有更大的优越性。目前，铁路电气化常规轮轨铁路的运营时速为200～350km／h，磁悬浮列车可以比轮轨铁路更经济地达到较高的速度（400～550km／h）。低速运行的磁悬浮列车，在环境保护方面也比其他公共交通工具有优势。

我国上海引进德国的捷运高速磁悬浮系统于2004年5月投入上海浦东机场线运营，时速高达400km／h以上。这类常导磁悬浮列车系统结构如图1.6.5所示，是利用车体底部的可控悬浮和推进磁体，与安装在路轨底面的铁芯电枢绕组之间的吸引力工作的，悬浮和推进磁体从路轨下面利用吸引力使列车浮起，导向和制动磁体从侧面使车辆保持运行轨迹。悬浮磁体和导向磁体安装在列车的两侧，驱动和制动通过同步长定子直线电动机实现。与之不同的是，日本的常导磁悬浮列车采用的是短定子异步电动机。

日本超导磁悬浮系统的悬浮力和驱动力均来自车辆两侧，如图1.6.6所示。列车的驱动绕组和一组组的8字形零磁通线圈均安装在导轨两侧的侧壁上，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。地面轨道两侧的驱动绕组通上三相交流电时，产生行波电磁场，列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，推动列车前进。当车辆高速通过时，车辆的超导磁场会在导轨侧壁的悬浮线圈中产生感应电流和感应磁场。控制每组悬浮线圈上侧的磁场极性与车辆超导磁场的极性相反，从而产生引力，下侧极性与超导磁场极性相同，产生斥力，使得车辆悬浮起来，同时起到导向作用，由于无静止悬浮力，故有轮子，2003年，日本高速磁悬浮列车达到581 km／h的时速。

图1.6.5 常导磁悬浮列车系统结构

图1.6.6 日本超导磁悬浮列车系统结构

1.6.5 燃料电池技术

水电解以后可以生成氢和氧，其逆反应则是氢和氧化合生成水。燃料电池正是利用水电解及其逆反应获取电能的装置。以天然气、石油、甲醇、煤等原料为燃料制造氢气，然后与空气中的氧反应，便可以得到需要的电能。

燃料电池主要由燃料电极和氧化剂电极及电解质组成，加速燃料电池电化学反应的催化剂是电催化剂。常用的燃料有氢气、甲醇、肼液氨、烃类和天然气，如航天用的燃料电池大部分用氢或肼作燃料。氧化剂一般用空气或纯氧气，也有用过氧化氢水溶液的。作为燃料电极的电催化剂有过渡金属和贵金属铂、钯、钉、镍等，作氧电极用的电催化剂有银、金、汞等。其工作原理如图1.6.7所示，由氧电极和电催化剂与防水剂组成的燃料电极形成阳极和阴极，阳极和阴极之间用电解质（碱溶液或酸溶液）隔开，燃料和氧化剂（空气）分别通入两个电极，在电催化剂的催化作用下，同电解质一起发生氧化还原反应。反应中产生的电子由导线引出，这样便产生了电流。因此，只要向电池的工作室不断加入燃料和氧化剂，并及时把电极上的反应产物和废电解质排走，燃料电池就能持续不断地供电。

燃料电池与一般火力发电相比，具有许多优点：发电效率比目前应用的火力发电还高，既能发电，同时还可获得质量优良的水蒸气来供热，其总的热效率可达到80％；工作可靠，不产生污染和噪声；燃料电池可以就近安装，简化了输电设备，降低了输电线路的电损耗；几百上千瓦的发电部件可以预先在工厂里做好，然后再把它运到燃料电池发电站去进行组装，建造发电站所用的时间短；体积小、重量轻、使用寿命长，单位体积输出的功率大，可以实现大功率供电。

图1.6.7 燃料电池工作原理示意图

美国曾在20世纪70年代初期，建成了一座1 000kW的燃料电池发电装置。现在，输出直流电4.8MW的燃料电池发电厂的试验已获成功，人们正在进一步研究设计11MW的燃料电池发电厂。迄今为止，燃料电池已发展有碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）、固体电解质型燃料电池（SOFC）、聚合物电解质型薄膜燃料电池（PEMFC）等多种。

燃料电池的用途也不仅仅限于发电，它同时可以作为一般家庭用电源、电动汽车的动力源、携带用电源等。在宇航工业、海洋开发和电气货车、通信电源、计算机电源等方面得到实际应用，燃料电池推进船也正在开发研制之中。国外还准备将它用作战地发电机，并作为无声电动坦克和卫星上的电源。

1.6.6 飞轮储能技术

飞轮储能装置由高速飞轮和同轴的电动／发电机构成，飞轮常采用轻质高强度纤维复合材料制造，并用磁力轴承悬浮在真空罐内，其结构如图1.6.8所示。飞轮储能原理是：飞轮储能时是通过高速电动机带动飞轮旋转，将电能转换成动能；释放能量时，再通过飞轮带动发电机发电，转换为电能输出。这样一来，飞轮的转速与接受能量的设备转速无关。根据牛顿定律，飞轮的储能为

显然，为了尽可能多地储能，主要应该增加飞轮的转速ω，而不是增加转动惯量J。所以，现代飞轮转速每分钟至少几万转，以增加功率密度与能量密度。

图1.6.8 飞轮储能装置结构

近年来，飞轮储能系统得到快速发展，一是采用高强度碳素纤维和玻璃纤维飞轮转子，使得飞轮允许线速度可达500～1 000m／s，大大增加了单位质量的动能储量；二是电力电子技术的新进展，给飞轮电机与系统的能量交换提供了强大的支持；三是电磁悬浮、超导磁悬浮技术的发展，配合真空技术，极大地降低了机械摩擦与风力损耗，提高了效率。

飞轮储能的应用之一是电力调峰。电力调峰是电力系统必须充分考虑的重要问题。飞轮储能能量输入、输出快捷，可就近分散放置，不污染、不影响环境，因此，国际上很多研究机构都在研究采用飞轮实现电力调峰。德国1996年着手研究储能5MW·h／100MW·h的超导磁悬浮储能飞轮电站，电站由10个飞轮模块组成，每只模块重30t、直径3.5m、高6.5m，转子运行转速为2 250～4 500r／min，系统效率为96％。20世纪90年代以来，美国马里兰大学一直致力于储能飞轮的应用开发，1991年开发出用于电力调峰的24kW·h电磁悬浮飞轮系统，飞轮重172.8kg，工作转速范围11 610～46 345r／min，破坏转速为48 784r／min，系统输出恒压110／240V，全程效率为81％。

飞轮储能还可用于大型航天器、轨道机车、城市公交车与卡车、民用飞机、电动轿车等。作为不间断供电系统，储能飞轮在太阳能发电、风力发电、潮汐发电、地热发电以及电信系统不间断电源中等有良好的应用前景。目前，世界上转速最高的飞轮最高转速可达200 000 r／min以上，飞轮电池寿命为15年以上，效率约90％，且充电迅速、无污染，是21世纪最有前途的绿色储能电源之一。

1.6.7 脉冲功率技术

脉冲功率技术是研究高电压、大电流、高功率短脉冲的产生和应用的技术。已发展成为电气工程一个非常有前途的分支。脉冲功率技术的原理是先以较慢的速度将从低功率能源中获得的能量储藏在电容器或电感线圈中，然后将这些能量经高功率脉冲发生器转变成幅值极高但持续时间极短的脉冲电压及脉冲电流，形成极高功率脉冲，并传给负荷。

脉冲功率技术的基础是冲击电压发生器，也叫马克斯发生器或冲击机，是德国人马克斯（E.Marx）在1924年发明的。1962年，英国的J.C.马丁成功地将已有的马克斯发生器与传输线技术结合起来，产生了持续时间短达纳秒级的高功率脉冲，随之，高技术领域如核聚变电工技术研究、高功率粒子束、大功率激光、定向束能武器、电磁轨道炮等的研制都要求更高的脉冲功率，使高功率脉冲技术成为20世纪80年代极为活跃的研究领域之一。20世纪80年代建在英国的欧洲联合环（托克马克装置），由脉冲发电机提供脉冲大电流。脉冲发电机由两台各带有9m直径、重量为775t的大飞轮的发电机组成。发电机由8.8MW的电动机驱动，大飞轮用来存储准备提供产生大功率脉冲的能量。每隔10min脉冲发电机可以产生一个持续25s左右的5MA大电流脉冲。高功率脉冲系统的主要参量有：脉冲能量（k J～GJ），脉冲功率（GW～TW），脉冲电流（kA～MA），脉冲宽度（μs～ns）和脉冲电压。目前，脉冲功率技术总的发展方向仍是提高功率水平。

脉冲功率技术已应用到许多科技领域，如闪光X射线照相、核爆炸模拟器、等离子体的加热和约束、惯性约束聚变驱动器、高功率激光器、强脉冲X射线、核电磁脉冲、高功率微波、强脉冲中子源和电磁发射器等。脉冲功率技术与国防建设及各种尖端技术紧密相连，已成为当前国际上非常活跃的一门前沿科学技术。

1.6.8 微机电系统

微机电系统（MEMS）是融合了硅微加工、光刻铸造成型和精密机械加工等多种微加工技术制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器，以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统或器件。微机电系统技术是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。

微机电系统技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的器件和系统。它将电子系统和外部世界有机地联系起来，不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界信号，并将这些信号转换成电子系统可以识别的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，进而发出指令，控制执行部件完成所需要的操作，以降低机电系统的成本，完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。

微机电系统的加工技术主要有三种：第一种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件；第二种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造出小机器，再利用小机器制造出微机器的方法；第三种是以德国为代表的利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。其中硅加工技术与传统的集成电路工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前微机电系统的主流技术。MEMS的特点是微型化、集成化、批量化，机械电器性能优良。

1987年，美国加州大学伯克利分校率先用微机电系统技术制造出微电机。20世纪90年代，众多发达国家先后投巨资设立国家重大项目以促进微机电系统技术发展。1993年，美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着微机电系统技术商品化的开端。此后，微机电系统技术迅速发展，并研发了多种新型产品。一次性血压计是最早的MEMS产品之一，目前国际上每年都有几千万只的用量。微机电系统还有3mm长的能够开动的汽车，可以飞行的蝴蝶大小的飞机，细如发丝的微机电电机，微米级的微机电系统继电器，一种微型惯性测量装置的样机，其尺度为2cm×2cm×0.5cm，质量仅为5g。

微机电系统技术在航空、航天、汽车、生物医学、电子、环境临控、军事，以及几乎人们接触到的所有领域都有着十分广阔的应用前景。