“电工学”简介、含义、起源、历史及发展

电工电工指研究电磁领域的客观规律及其应用的科学技术，以及电力生产和电工制造两大工业生产体系。电工的发展水平是衡量社会现代化程度的重要标志，是推动社会生产和科学技术发展，促进社会文明的有力杠杆。早在1883年电能开发的萌芽时期，恩格斯就曾经评价了它的意义：“……这实际上是一次巨大的革命。蒸汽机教我们把热变成机械运动，而电的利用将为我们开辟一条道路，使一切形式的能──热、机械运动、电、磁、光──互相转化，并在工业中加以利用。循环完成了。德普勒的最新发现，在于能够把高压电流在能量损失较小的情况下通过普通电线输送到迄今连想也不敢想的远距离，并在那一端加以利用──这件事还只是处于萌芽状态──，这一发现使工业几乎彻底摆脱地方条件所规定的一切界限，并且使极遥远的水力的利用成为可能，如果在最初它只是对城市有利，那末到最后它终将成为消除城乡对立的最强有力的杠杆。”一个世纪以来人类社会的发展历程，充分说明了这一预见的正确性。电磁是自然界物质普遍存在的一种基本物理属性。因此，研究电磁规律及其应用的电工科学技术对物质生产和社会生活的各个方面，包括能源、信息、材料等现代社会的支柱都有着深刻的影响。电能作为一种二次能源，它便于与各种一次能源进行转换，从多种途径获得来源（如水力发电、火力发电、核能发电、太阳能发电等）；同时又便于转换为其他能量形式以满足社会生产和生活的种种需要（如电动力、电热、电化学能、电光源等）。与其他能源相比，电能在生产、传送、使用中更易于调控。这一系列优点，使电能成为最理想的二次能源，格外受到人们关注。电能的开发及其广泛应用成为继蒸汽机的发明之后，近代史上第二次技术革命的核心内容。20世纪出现的大电力系统构成工业社会传输能量的大动脉，以电磁为载体的信息与控制系统则组成了现代社会的神经网络。各种新兴电工材料的开发、应用丰富了现代材料科学的内容，它们既得益于电工的发展，又为电工的技术进步提供物质条件。电工科学技术的基础理论的成就极大地丰富了人类思维的宝库。物质世界统一性的认识、近代物理学的诞生，以及系统控制论的发展等，都直接或间接地受到电工发展的影响。反过来，各相邻学科的成就也不断促进电工向更高的层次发展。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。电能以其独特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以及人民生活，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发展，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和生产劳动的限制，大大延长了人类用于创造财富的劳动时间，并且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以及医疗电器、家用电器的最重要的动力源。各种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、控制、节能、安全等许多方面都具有无可比拟的优越性，并且在向着机电一体化以及工业机器人等新技术方向发展，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。电加热可以直接作用到物体内部，且加热均匀、热效率高、容易控制。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辟了电化学工业体系，包括电解工业、电热化学工业，以及等离子体化学、放电化学、界面电化学、电池工业等，推动了化工工业的发展。电物理装置的研制成为电能应用的新领域。各种能级和不同用途的加速器、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、控制和监测技术等都促进了电能的利用和电工的发展。总之，随着科学技术的发展，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和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发展水平的重要标志。世界各国都十分重视电能在国民经济中的地位和作用。近一个世纪的实践表明，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，超前于国民经济的发展速度，避免了经济发展受电能短缺的限制。例如，1950～1980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。中国1949～1991年间，电力工业发展也极为迅速。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、单位国民收入和单位人口的电能消费也都呈增长的趋势。例如，1920～1970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年代以前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40～50％。扩大电能应用是20世纪各国国民经济发展的显著特征。电能已经成为现代化社会须臾不可中断的经济命脉。社会发展对电能的需求成为电工必将持续发展的巨大动力。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、用电组成了始终处于连续工作的不可分割的整体。各种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，经过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，还必须有调度、通信、保护、远动等一系列服务于电能生产和供应的信息与控制系统。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发展到跨国界、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。电能的开发和分配，电力系统的建设和运行，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，电站和电网的最优规划，电价政策的制定，电网的经济调度等。大型发电站以及水利枢纽的建设，还涉及勘测、设计、施工、运输、通信以及生态、环境保护等一系列错综复杂的关系。在电能生产的内部，必须处理集中开发与分散使用以及电能的连续供应与负荷的随机变化的矛盾。这涉及水、热、机、电等各种综合的动态过程。这些都说明，电工作为先进的生产力，必须作到技术经济和社会效益的统一，局部和整体的统一，目前和长远的统一；必须应用系统工程的观点和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、装备、实施和运行，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、生活和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，创造巨大财富，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、稳定、经济地运行，必须采取集中与分散相结合的控制方式，使用高度自动化的装置，广泛应用电子计算机以及在线实时遥测和调控，以完成状态监视、运行调度、自动保护、事故处理以及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必须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，前后延续25小时，影响到900万居民的供电，事故所造成的直接和间接损失达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、稳定运行的重大经济意义和社会影响，使得人们在发展电力系统的整个过程中，对于它的自动化程度，控制的实时性和响应的灵敏度，以及设备和运行的可靠性等，提出了广泛而高标准的要求。同其他工程系统相比，可以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、短路电流增大以及社会广泛深入的电气化、自动化，电磁兼容性问题日益突出。例如，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失效，造成重大损失。必须使电工装置、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，同时还不允许对周围环境引入超过限度的电磁干扰。电磁干扰的范围几乎包括了从直流到吉赫频段，如谐波，电压突变和失压，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，均需针对不同的干扰源和抗干扰对象制定相应的技术措施和管理对策。面临实现和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和计算。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和功能。应用微机可以全面完成参数巡回检测、数据处理、越限警报、制表打印、图像显示等。由单元控制级、集中监控级、中央调度级相配合，组成统一控制的大系统，实现调度自动化、经济调度、在线监测、安全控制等。电力系统规划设计，方案优化，可靠性评估，潮流、稳定、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，并且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和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，采用新型绝缘材料、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500～600兆瓦火电机组，1973年第一台1300兆瓦火电机组投入运行。此后，由于受到材料性能以及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，使大型火电机组的发展趋势减缓。80年代，大约有四分之三的火电设备单机功率稳定在300～700兆瓦。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1300～1500兆瓦。随着大型电站以及跨地区、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380千伏交流输变电成套