“电工学”简介含义起源历史及发展.pdf

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1、“电工学”简介含义起源历史及发展 电气化与现代社会 能源是人类社会赖以生存的最基本的物质条件之一。电能以其特殊的优点成为人类开发自然能源的最重要方式，是人类征服自然过程中所取得的具有划时代意义的光辉成就。自19 世纪 80 年代开始应用电能以来，几乎所有社会生产的技术部门与人民生活，都逐步转移到这一崭新的技术基础上，极大地推动了社会生产力的进展，改变了人类的社会生活方式，使 20 世纪以“电世纪”载入史册。电照明是较早开发的电能应用。它消除了黑夜对人类生活与生产劳动的限制，大大延长了人类用于制造财富的劳动时间，同时改善了劳动生产条件，丰富了人们的生活。这为电能的应用奠定了最广泛的社会基础，成为

2、推动电能生产的强大动力。电传动是范围最广、形式最多的电能应用领域。电动机是冶金、机械、化工、纺织、造纸、矿山、建工等一系列工业部门与交通运输与医疗电器、家用电器的最重要的动力源。各类类型的电动机占去全部用电设备总功率的 70左右。电传动在效率、精度、操作、操纵、节能、安全等许多方面都具有无可比拟的优越性，同时在向着机电一体化与工业机器人等新技术方向进展，从根本上改变了 19 世纪以蒸汽动力为基础的初级工业化的面貌。电能转换为热能是电能的另一重要用途。电加热能够直接作用到物体内部，且加热均匀、热效率高、容易操纵。因此，电加热在冶金工业及制造工业中成为重要的加工方式。电能在化工领域的应用开发了电化

3、学工业体系，包含电解工业、电热化学工业，与等离子体化学、放电化学、界面电化学、电池工业等，推动了化工工业的进展。电物理装置的研制成为电能应用的新领域。各类能级与不一致用途的加速器、大功率电脉冲装置、大功率激光设备、受控核聚变装置等所需要的电源技术、磁体技术、操纵与监测技术等都促进了电能的利用与电工的进展。总之，随着科学技术的进展，电的应用不仅影响到社会物质生产的各个侧面，也越来越广地渗透到人类生活的各个层面(医疗电器的广泛应用与家用电器的普及只是人们熟知的两个例证)。电气化已在某种程度上成为现代化的同义语，电气化程度已成为衡量社会物质文明进展水平的重要标志。世界各国都十分重视电能在国民经济中的

4、地位与作用。近一个世纪的实践说明，许多工业发达国家的电力生产大约以年平均 7的速率增长，超前于国民经济的进展速度，避免了经济进展受电能短缺的限制。比如，19501980 年 30 年间，美国实际国民经济生产总值年平均增长率为 3.4，而电能生产量年平均增长率为 6.26，两者之比即电力弹性系数为1.84；英国、法国、苏联等国家的电力弹性系数也在 1.28 与 1.97 之间。1937 年世界发电量为 455.8 亿千瓦时，1950 年 9589 亿千瓦时，1980 年约为 82400 亿千瓦时，1988 年已达到 11万亿千瓦时。50 年来增长了 240 倍，大大超过其他经济部门的增长速度。中

5、国 19491991年间，电力工业进展也极为迅速。年发电量 1949 年为 43.1 亿千瓦时，居世界第 25 位，而1991 年已增至 6750 亿千瓦时，跃升为世界第 4 位。据数十个国家的统计，各国人均年产值的增长与人均年耗电量的增长呈线性关系。电能消费的单位指标如单位国民生产总值、单位国民收入与单位人口的电能消费也都呈增长的趋势。比如，19201970 年期间美国的人均用电量由 540 千瓦时增加到 7950 千瓦时，年增长率约为 5.56；1989 年达到 13450 千瓦时。50 年代往常发达国家的电能消耗量约占能源消耗总量的 4，1985 年已占 30以上，预测2000 年将达到

6、 4050。扩大电能应用是 20 世纪各国国民经济进展的显著特征。电能已经成为现代化社会须臾不可中断的经济命脉。社会进展对电能的需求成为电工必将持续进展的巨大动力。大规模、多层次的工程系统 电能的生产与应用从诞生之日起就具有鲜明的系统性，这是由电能的本质决定的。电能以光速传播，至今未能实现工业规模储存。因此，电能的生产与消费几乎是在同一瞬间内完成，随发随用，发电、变电、输电、配电、用电构成了始终处于连续工作的不可分割的整体。各类电工产品归根到底都要纳入这一整体以发挥功效，经受检验。随着电能需求的增长，为充分提高电能利用的效率，发电机组容量及电站规模日益扩大(机组容量由 20 世纪 20 年代的

7、 10 万千瓦左右扩大到 70 年代的百万千瓦；电站由几十万千瓦扩大到几百万千瓦)，输电电压等级日益提高(由 20 年代的 220 千伏高压，通过 380、500、750 千伏的超高压等级到80 年代中出现 1150 千伏的特高压)，电力系统的覆盖面积日益拓广（由万平方公里扩展到1000 多万平方公里）。为了保证供电安全，还务必有调度、通信、保护、远动等一系列服务于电能生产与供应的信息与操纵系统。一个世纪以来，电能生产的规模已经从爱迪生时代的住户式电站进展到跨国界、跨洲际的联合电力系统，成为社会物质生产部门中空间跨度最广、时间协调严格、层次分工极复杂的实体系统。电能的开发与分配，电力系统的建设

8、与运行，是与宏观经济规划密切联系的，如能源开发的基本方针，工业的合理布局，电站与电网的最优规划，电价政策的制定，电网的经济调度等。大型发电站与水利枢纽的建设，还涉及勘测、设计、施工、运输、通信与生态、环境保护等一系列错综复杂的关系。在电能生产的内部，务必处理集中开发与分散使用与电能的连续供应与负荷的随机变化的矛盾。这涉及水、热、机、电等各类综合的动态过程。这些都说明，电工作为先进的生产力，务必作到技术经济与社会效益的统一，局部与整体的统一，目前与长远的统一；务必应用系统工程的观点与方法处理宏观乃至微观的各个层次的问题。这就需要从全局的观点出发，综合应用现代科学技术，使系统达到最优的规划、设计、

9、装备、实施与运行，电工正是沿着这一基本方向不断前进的。20 世纪出现的大电力系统，是人类工程科学史上最重要的成就之一。到 70 年代，世界上已建成好几个总装机容量超过亿千瓦的大型电力系统。其中覆盖面积最大的达 1000 多万平方公里。每个系统年传输、分配的电能都超过万亿千瓦时，为整个国家甚至整个大陆数亿人民的生产、生活与其他活动不间断地供应优质电能。这种纵横千万里、网络结点千百个交织密布的巨系统，有功潮流、无功潮流、高次谐波、负序电流等以光速在全系统范围瞬间传播。它既能输送大量电能，制造巨大财富，也可能在瞬间造成重大的灾难性事故。为保证如此巨大系统安全、稳固、经济地运行，务必采取集中与分散相结

10、合的操纵方式，使用高度自动化的装置，广泛应用电子计算机与在线实时遥测与调控，以完成状态监视、运行调度、自动保护、事故处理与计价收费等管理方面的事务。电能传播的高速度要求电力系统务必能以几分之一秒乃至百分之一秒的快速响应进行优化自动调控，否则，就会造成难以估量的后果。1977 年 7 月 13 日美国纽约市电力系统因雷击引起全市停电大事故，前后连续 25 小时，影响到 900 万居民的供电，事故所造成的直接与间接缺失达 3 亿 5 千万美元。事故原因是由于保护装置未能及时正确动作，调度中心掌握实时信息不足等，以致使事故扩大，导致系统瓦解。正是电力系统安全、稳固运行的重大经济意义与社会影响，使得人

11、们在进展电力系统的整个过程中，关于它的自动化程度，操纵的实时性与响应的灵敏度，与设备与运行的可靠性等，提出了广泛而高标准的要求。同其他工程系统相比，能够说电力系统是要求极严的优化受控系统。随着电力系统电压等级的增高、短路电流增大与社会广泛深入的电气化、自动化，电磁兼容性问题日益突出。比如，机电型继电器约需 10-1瓦的驱动力，而集成电路所需的驱动力比它小若干个数量级，因而极小的功率就会引起集成电路扰动，继而可能导致通信、制导、计算机网络等系统的误动或者失效，造成重大缺失。务必使电工装置、设备及系统在自身所处的电磁环境中能够满意地行使其功能，既具有抗干扰性，同时还不同意对周围环境引入超过限度的电

12、磁干扰。电磁干扰的范围几乎包含了从直流到吉赫频段，如谐波，电压突变与失压，频率变动等低频扰动；雷电及开关操作等微秒级的电磁暂态过程；静电放电；磁场扰动；高频、甚高频的电磁场扰动等，均需针对不一致的干扰源与抗干扰对象制定相应的技术措施与管理计策。面临实现与驾驭这一全社会规模的电能供需系统，计算机是最有力的工具。它的广泛应用正深刻改变着电工的面貌。许多复杂的基础性课题如静电场、电磁场、温度场、杂散损耗、振动噪声、发热通风、应力分析等，都已经有计算机辅助分析与计算。在电力系统中，计算机的应用还在改变电力系统二次回路的概念与功能。应用微机能够全面完成参数巡回检测、数据处理、越限警报、制表打印、图像显示

13、等。由单元操纵级、集中监控级、中央调度级相配合，构成统一操纵的大系统，实现调度自动化、经济调度、在线监测、安全操纵等。电力系统规划设计，方案优化，可靠性评估，潮流、稳固、短路、过电压等电磁稳态与暂态运行特性的分析，都开发了功能齐全的软件，同时建立起电力系统运行数据库。电工制造与电工新技术 电工制造业为电能的生产与消费系统提供物质装备。随着各国对电能需求的不断增加，为满足建设大型电站的需要，通过改进发电机的冷却技术，使用新型绝缘材料、铁磁材料，改进结构设计，使发电机的单机功率增大、效率提高、成本降低。最大火力发电机组的功率1926 年为 160 兆瓦，到 60 年代已成批生产 500600 兆瓦

14、火电机组，1973 年第一台 1300兆瓦火电机组投入运行。此后，由于受到材料性能与大型机组在设计制造上的缺陷等因素的限制，投运后事故较多，可用率降低，使大型火电机组的进展趋势减缓。80 年代，大约有四分之三的火电设备单机功率稳固在 300700 兆瓦。水力发电机组的最大功率由 1942 年的108 兆瓦提高到 1961 年的 230 兆瓦，1978 年 700 兆瓦机组投入运行。核电机组的功率由 1954年 5 兆瓦（第一台工业用试验性机组）提高到 80 年代的 13001500 兆瓦。随着大型电站与跨地区、跨国际大电网的建设，要求提供超高压、大容量的输变电设备。继 1952 年制造第一套

15、380 千伏交流输变电成套设备后，1965 年制成了 735 千伏交流输变电成套设备。70 年代以来，又先后制成 10001500 千伏交流输变电设备。50 年代最大变压器容量为 500 兆伏安，1975 年已达 1800 兆伏安。断路器的制造经历了多油式、少油式、压缩空气式与六氟化硫(SF6)气体绝缘等不一致进展阶段，近 10 多年又进展了 SF6组合式电器，缩小了占地面积(750 千伏级约为 1/75)与空间，并提高了运行可靠性。到 80 年代，高压断路器的额定开断电流已达 80100 千安，全开断时间已从 50 年代的 3 周波缩短至 2 周波与 1周波，为提高电力系统的稳固性制造了条件

16、。在用电设备中，约有 70左右的负荷为电动机，大的如轧钢电动机（单机功率达 12785千瓦）与高炉鼓风电动机（单机功率达 36000 千瓦），小的有千百种用途各异的微特电机。工厂中电动机分散传动代替了过去的皮带传动，改善了工厂的环境，提高了机床的效率与精度。电力机车同柴油机车一道代替了蒸汽机车。在家用电器中，出现了洗衣机、吸尘器、电风扇、空调器、电灶、微波炉等，使家庭生活更省力、更舒适。为满足冶金与机械工业的需要，各类电炉正向大容量、大功率、低能耗方向进展。1971 年已有 360 吨电弧炉投产。进入 80 年代又开发了 800 吨电弧炉。使用超大功率电弧炉通常可将熔炼时间缩短三分之二，电耗降

17、低 23。电力电子技术的出现不仅使直流输电技术得以稳步进展，而且使交、直流传动技术与各类电源转换技术都得到革新。它将微机操纵与功率执行紧密结合，统一完成逻辑、操纵、监视、保护、诊断等综合功能，有力地推动着机电一体化的技术潮流。80 年代，在电动机上使用功率因数操纵器后，通常单相电动机可节能 2050，三相电动机可节能510。通过设备性能改进，产品容量增大，电压等级提高，电网互联运行等，使发电设备容量的利用率得到合理地提高，输配电设备每千伏安的造价大幅度降低。发达国家电力系统的损耗，从 30 年代约占电能生产总量的 18减少至 80 年代的 7，估计还将会进一步降低。在此期间，电价降低了约 65

18、。努力探寻新的发电方式是 20 世纪后半叶电工进展的重要方面。自 50 年代首次实现核能发电以来，核电很快成为继火电、水电之后的第三大发电方式。在一些煤炭、石油、水力等一次能源缺乏的发达国家如法国，核电甚至成为要紧发电方式，在其总发电构成中占 70。磁流体发电在 50 年代末崭露头角，形成电工领域内的新兴工程技术分支。1959 年第一台 10千瓦磁流体发电机研制成功。到1985年已建成了50万千瓦工业性磁流体蒸汽联合热电站。实现受控核聚变反应是人类社会解决能源问题的最终途径之一。到 80 年代末已经成功地使等离子体约束到每立方厘米 1013个粒子，温度达到 108K，维持时间达到秒级。现代科学

19、技术的进步，将有可能使人类打开通向核聚变发电的大门。其他如太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等新型发电装置等也有重大进展。80 年代已经有功率为 10 兆瓦的太阳能塔式发电系统。单晶硅太阳能电池已进入商品化生产。随着多晶硅、非晶硅等新材料的出现，为太阳能电池的广泛应用制造了条件。电子技术、航天技术等新兴工程技术领域迫切要求可靠的独立供电的电源，使化学能电源的研究又获得新的活力，燃料电池的研制成为一项重要课题。燃料电池的转换效率可达60以上，远远超过热机。目前磷酸型燃料电池已经成熟，40 千瓦的电池与 48 兆瓦的发电系统正在试运行。熔融碳酸盐型与高温固体电解质型燃料电池均在积极研制。容量达

20、到 1千瓦的动力蓄电池已顺利运行，同时正继续研制 10 千瓦与更大容量等级。燃料电池与动力蓄电池能够分散建设，不需长距离输电，它的公害轻、应用范围广，在解决目前存在的一些技术、设备问题后，将有可能为电能供需系统开创全新的境地。材料科学的新成果不断提高电工制造的水平，如超耐热铝合金导线大大提高了输电线路的传输能力。非燃性合成液体、高介电常数合成液体改善了电工设备的介电性能。以合成高分子化合物为基础的新型电机绝缘材料降低了电机绝缘厚度，并可提高电机温升。各类合成绝缘结构已部分代替陶瓷。六氟化硫气体绝缘材料、合成纸复合绝缘材料等正加速传统绝缘材料的更新换代。低损耗、高磁导率的冷轧硅钢片使铁损降低到

21、0.4 瓦/千克下列。使用非晶态合金制造变压器与电动机，使铁损减少 7080。高磁能积的钕铁硼等稀土永磁材料正取代铝镍钴材料，为永磁电机的进展准备了良好的条件。超导材料研究的进展将会给电工带来重大变革。利用超导体能够获得稳态高强磁场而只需消耗极少的电能，在电工领域具有广泛的应用前景。使用超导电机驱动潜艇与水面舰只，能够消除传动噪声，改善灵活性与隐蔽性。超导磁悬浮列车时速可达 500 公里小时，已经通过载人试验。超导已应用于高能加速器等大型电物理装置，与磁流体发电、可控核聚变实验装置等所需要的强磁场与大电流线圈等设施。超导核磁共振在医疗诊断与组织代谢过程等研究中引进新的手段。随着高温超导材料研究

22、的进展，实现工业规模的超导应用在技术经济上已有了可能。这一切展现出超导电工时代诱人的前景。科学研究、技术开发、生产应用紧密配合的结晶 以电能应用为标志的技术革命区别于它往常的技术革命的根本点在于，它不是直接来源于工场或者其他生产实践领域，而是来源于科学实验室。正是它的出现，首次把科学技术是生产力清晰地写在人类认识史上。电工从一出现就将基础科学、技术科学、生产应用结合起来，形成人类认识世界与改造世界的一整套科学的方法。对电工基本理论的认识，经历了静电与静磁、电流与电磁、电磁感应与电磁场等由静止到运动，由孤立到联系，由局部到整体的基本进展阶段，充分表达了历史的逻辑与认识的逻辑的一致性。在每一进展阶

23、段，电工都是根据观察、实验发现基本原理；通过数学方法加以概括推演；这些基本原理在各自的水平上都很快地转化为生产技术与工业应用；技术应用中的新成果、新问题又为继续推进理论研究与技术进展提供动力与条件。在人类科学技术与工业生产的进展史中，电工是理论研究、科学实验、工业生产、社会应用等互为因果、互相促进的一首与谐的乐章。雷电与磁石吸铁是从自然界容易直接观察到的两种电磁现象。中国殷商时期的甲骨文中已有“雷”字，周朝的青铜器上已有“電”字(见彩图)。中国最早的经书易经中将雷电列为八种基本自然现象之一，有“雷出地奋”等许多记述。利用天然磁石发明指南仪“司南”(见彩图)，是古代中国人的杰出制造。闻名于世的指

24、南针是中国古代四大发明之一，关于推动人类社会文明发挥了重大作用。磁石吸铁与摩擦生电现象在古希腊也早有记述。17 世纪初才在观察实验的基础上，出现近代电磁科学的萌芽。1600 年 W.吉伯说明摩擦起电与磁石吸铁是性质不一致的两种力。他参考“琥珀”一词的希腊语()与拉丁语(electrum)，提出了表达电现象的英文术语(electric)。17 世纪至 18 世纪中叶是静电学的初期研究阶段。1752年 B.富兰克林以勇敢的献身精神所进行的著名的风筝试验揭示出雷电的本质，同时发明了避雷针，成为电学先驱勇于探索与实践的光辉范例。19 世纪被称之“科学的世纪”，电工的诞生为它增添了异彩。1800 年 A

25、.G.A.A.伏打发明了伏打电堆，使人类首次获得持续稳固的电源，促进了电学的研究转向电流，同时开始了电化学、电弧放电及照明、电磁铁等电能应用的研究。19 世纪中期电报的发明，促进了近代大型技术工程的诞生。1866 年在历尽重重挫折之后终于建成了长达 3700 公里横跨大西洋的海底电报电缆。电报的发明，推动了社会经济与公共事务的交流，促进了电工基础理论与实验技术的进展，带动了电工制造业与近代管理企业，提出了新型技术人才培养的要求，是电工进展史中重要的一页。1831 年 M.法拉第发现电磁感应定律，开始了电磁科学与技术的重大飞跃。这一定律的发现不仅使静电、动电（电流）、电流与磁场的相互感生等一系列

26、电磁现象达到了更加全面的统一的认识，而且奠定了机电能量转换的原理基础。1873 年，J.C.麦克斯韦导出描述电磁场理论的基本方程麦克斯韦方程组，成为整个电工领域的理论基础。发电机的发明实现了机械能转换为电能的发电方式，冲破了化学电源功率小、成本高、难以联网等限制，征服了自然界蕴藏的神奇的动力，预告了电气化时代的来临。发电与用电是一个连续生产的整体。务必扩大用电范围才能使发电从社会需要获得进展动力。与发电机的发明过程同时，电照明、电镀、电解、电冶炼、电动力等工业生产技术纷纷成熟，孕育了发电、变电、输电、配电、用电联为一体的电力系统的诞生。19 世纪 90 年代三相交流输电技术的发明成功，使电力工

27、业以基础产业的地位跨入了现代化大工业的行列，迎来了 20 世纪电气化的新时代。现代科学技术与工业的进展是基础理论研究、应用研究、技术开发紧密结合的过程。科学技术综合化的进展趋向日益明显，务必使个体研究转向集体研究，正是电工的成长，率先踏上这一必由之路。1876 年，T.A.爱迪生创办了世界上第一个工业应用研究实验室。在这个被人们赞誉的“发明工厂”里，他组织一批专门人才分工负责，共同致力于同一项发明，打破了以往只是由科学家单独从事研究发明的传统。这一与近代科学技术与生产力进展水平相习惯的技术研究与开发的正确道路，显示出巨大的活力，推动了电力生产与电工制造业的迅猛进展，也开创了基础科学、应用科学、

28、技术开发三者紧密结合、协同进展的先河。19 世纪末在电工进展的进程中形成了许多技术基础理论分支。交流电路理论，磁路理论，电机与变压器理论，电能传输理论，电工材料理论，电介质理论，气体放电理论等都进展成为系统的科学知识。20 世纪 50 年代以来，计算机技术、电子技术与工程操纵论等一系列新兴的科学技术理论蓬勃进展，基础科学、应用科学与技术开发之间的知识结构更加紧密，各门学科与专业之间互相渗透，互相交叉，使科学技术与社会生产形成一个既深入分化又高度综合的庞大复杂的整体，同时也促进了电工理论的进展。静电场、电磁场等结构复杂又包含多种媒质的三维物理场求解方法的研究取得新进展。矩量法、变分原理、函数空间

29、等都引入了电工理论。基于等效模型的概念进展了虚拟的磁荷与磁流模型，研究了多种动态位及不一致的规范选择，提出了有关广义能量的定理等。由于系统与元件相结合而扩大了元件的内涵，包含了逻辑门、可控源、回转器与大规模集成块等。各类工程系统的进展形成了共同的网络理论基础，使网络扩展成为研究某种特定空间结构与运动状态的通常性理论方法。广义网络理论又将“场”与“路”结合起来，出现新的边缘理论领域，如物理场论的网络模拟、辐射场的网络方法、等离子体的网络图解等；引用系统论的研究成果，将系统的整体性能与行为与系统结构、参数及局部物理量结合起来，进一步丰富了网络问题的内容。系统稳固性分析，多维系统的研究，状态空间的拓

30、扑等值性，动态系统的反馈理论与渐近性问题，与网络故障的自动侦察、诊断等，都成为引人注意的研究课题。*在人类历史进展的漫长岁月里，技术革命是强大的推动力。取火使人类摆脱了原始蒙昧；金属工具帮助人类建立起农业文明；动力，特别是电能，扩大了人类体力劳动能力，出现了现代化的大工业生产。今天，以电子与计算机技术为特征的新技术又在延伸人类的智力功能。正是电磁规律在能源、信息、操纵等领域的技术应用，描绘出现代化社会的蓝图，形成新技术革命的主流。它冲激着社会生产与生活的每一个角落，不仅大幅度地提高了社会生产力，制造出丰富的物质财富，而且改变着人们的生活方式、社会行为、教育训练、思维方法，促进了社会的精神文明。电工正在与现代科学技术相汇合，继续发挥社会支柱的作用。