学科简介

学院学科介绍

 

一、学科概况

学科始建于1950年,是原机械工业部面向全国电机、变压器、电缆等电气装备制造行业的科学研究、技术转化和人才培养而设立的急需学科,自成立以来为行业输送了大批优秀人才,被国内的电线电缆行业誉为黄埔军校。学科创始人汤蕴璆、路长柏、汪景璞等老一辈资深教授在行业内享有较高的声望,所编写的《电机学》、《电力变压器设计》、《电力电缆》、《电缆工艺》、《电机内电磁场》、《交流电机》等专业教材至今仍为行业上的经典著作,曾在多个五年国家规划中连续被评为国家级规划教材,其中《电机学》被评为国家级精品资源共享课。

学科涵盖了原“高电压技术及设备”、“电气绝缘与电缆”、“电机电器及其控制”、“电气技术”、“应用电子技术”和“信息工程”6个专业,其中“电气工程及其自动化” 为国家重点专业,“电子信息工程”为省级重点专业。电气工程学科为黑龙江省重点一级学科,涵盖5个二级学科,包括高电压与绝缘技术学科国家重点学科、电机与电器学科国防特色学科,电机与电器和电力电子与电力传动学科为省级重点学科,。学科于1978年招收硕士研究生,1981年获首批硕士学位授权点,1998年获博士学位授权点,2000年拥有博士后流动站,2003年获一级博士学位授权点,2017年电气工程学科入选黑龙江省重点建设一流学科。目前,在校全日制本科生1800余人、研究生700余人。

学科现有教职工143人,教授41人,博导14人,硕导82人,其中:国家工程院院士1人,国家千人计划海外高层次人才1人,龙江学者教授5人,国家级优秀教师1人,享受国务院政府特殊津贴6人,教育部新世纪优秀人才2人,省杰出青年基金获得者3人,省新世纪优秀人才3人,省级教学名师3人;黑龙江省领军人才梯队3支,黑龙江省高校科技创新团队2支。学科骨干教师在国内外46个学术团体和协会任主任委员、副主任委员、常务理事和理事等职。

学科具有良好的教学与科学研究实验平台,拥有电介质工程国家重点实验室培育基地、大型电机电气与传热技术国家地方联合工程研究中心、工程电介质及其应用教育部重点实验室、汽车电子驱动与系统集成教育研发中心、黑龙江省先进制造与智能运行2011协同创新中心、电机及其控制黑龙江省普通高校重点实验室、黑龙江省特/超高压电力设备绝缘技术创新服务平台。同时,学科与国内20余大型企业和地方政府建立了产学研联盟基地。

学科近5年学科共承担“973”课题4项、国家863计划项目课题2项、国家科技支撑、重大专项和重点研发计划课题6项、国际科技合作专项3项、国家自然科学基金重点项目1项、面上及青年项目36项,省级科研项目72项,厅局级科研项目53项,企业合作项目353项;获黑龙江省教学成果一等奖1项,二等奖1项;获省部级科技成果一等奖3项、二等奖5项、三等奖4项;获授权专利802项,其中:发明专利124项、实用新型657项;出版专著及教材16部;在学术期刊及学术会议发表论文800余篇,其中SCIEI收录的期刊论文486篇。

学科始终坚持科技进步与创新,不断优化平台资源与配置,注重学科间的交叉。近些年来围绕国际学术前沿和国内重大需求,充分发挥学科在基础研究、技术集成和产学研相结合方面的优势,在工程电介质理论及应用、纳米工程电介质制备及表征、高压电力电缆制造与质量评价关键技术、高压电力设备绝缘检测与诊断、大型电机运行与制造关键技术等方面形成了具有鲜明特色的研究方向:

方向一:工程电介质理论及应用

n  纳米电介质的基础理论及结构表征与测试方法;

n  纳米电介质材料的制备技术及其工程应用;

n  特殊和极端条件下工程纳米电介质应用基础研究。

方向二:聚合物绝缘材料与测试技术

n  聚合物高场绝缘材料制备方法和特性及电缆交联新技术研究;

n  非线性绝缘电介质理论、测试技术、材料开发及应用;

n  高导热材料、高耐晕材料及高储能密度材料的开发与应用。

方向三:高电压及绝缘检测技术与应用

n  特高压输电设备绝缘关键技术的研究;

n  高寒地区电力设备绝缘关键技术研究;

n  高压电力设备绝缘试验与检测诊断技术。

方向四:电机理论、设计及其控制技术

n  大型发电机设计与运行关键技术;

n  高效节能新型电机及其控制技术;

n  机电能量转化装备物理场分析与仿真技术;

n  超高压发电机及其并网关键技术。

方向五:电力电子与电力传动

n  汽车电子驱动技术与系统集成;

n  电能质量控制技术与装备;

n  高压大功率变流技术。

方向六:电网智能化监测及新能源接入技术

n  新能源发电系统关键技术

n  分布式电源及微网系统;

n  输电线路在线监测及故障预防技术。

方向七:信号与信息处理理论及应用

n  数字信号处理理论及应用;

n  信息融合与故障诊断;

n  模式分类与深度学习。

 

 

二、学科取得的标志性成果与贡献(参考备选)

近几年,学科围绕大型发电设备及节能关键技术、超/特高压交直流输电装备关键技术、新型绝缘材料开发与应用技术、大型电气装备状态监测与智能运行等方面,与国内装备制造企业合作,开展系列关键技术、成果转化和产业升级工作,取得了重多标志性成果:

2.1时空多层次性纳米电介质理论体系的构建

纳米电介质的深入研究可将传统的电介质理论发展到能够有效描述奇异特性和尺度效应的低维电介质理论;建立电介质材料的微观、介观结构与宏观性能之间相互关系的理论体系,从而开辟电介质学科认识的新层次、促进新概念的建立和新方法的产生。该领域取得的代表性重要成果包括:

1)构建时空多层次性的纳米电介质理论研究框架:该研究领域长期坚持工程电介质材料、介电性能机理、结构表征及其应用的基础理论研究,特别是在聚合物/无机纳米复合材料宏观特性与介观-微观结构相关性研究方面开展了深入的研究工作,提出了以介观物理中的量子限域效应、小尺寸效应以及表面和界面效应的研究内涵,修改电介质经典理论的新概念,构建了基于结构和运动时空多层次性的纳米电介质3MMicro-Meso结构与Macro性能之间的联系)理论研究框架。

2)提出基于一维气-固氧化铝纳元胞结构的超电绝缘体原型:针对工程电介质中绝缘体界面复杂、综合物理单元不清晰等导致性能调控困难的问题,从低维物理-奇异的理化特性出发,在宏观-介观-微观关系基础上,首次提出了一维气-固氧化铝纳米原胞概念,并获得了实验验证,在结构纳米材料上获得极高击穿强度,实现了通过结构构筑调控材料性能目的,这一工作构建了新的绝缘介质科学体系,是纳米电介质理论的重要进展之一。

3)纳米复合电介质界面优化与性能调控技术:在温度场和电场作用下,采用SAXS结合TEMDSCDMA联合表征复合薄膜微结构演化规律及对性能的影响,发现PI聚合物基SiO2纳米电介质的颗粒尺寸和组分效应,即界面层与尺寸和组分存在阈值;发现聚合物基纳米电介质的界面层记忆形变效应,半结晶LDPEXLPE基复合薄膜中呈现正界面层记忆效应PI基复合薄膜呈现负界面层记忆效应;建立界面层抑制电导率增加模型,阐明纳米电介质在温度升高时抑制电导率升高、绝缘性能提高机理。将材料的耐电晕性能与复合薄膜的层间界面结构特征相联系,揭示了材料可控界面结构与耐电晕性能的关联性。对复合薄膜的结构进行优化设计,例如采用多层结构优化电场,获得具有较高击穿场强的复合薄膜电介质,击穿强度可达350 MV/m

学科提出的纳米电介质微观、介观结构与宏观性能之间相互关系的理论体系,开辟了电介质学科认识的新层次,促进新概念的建立和新方法的产生,这是一个跨多学科、具有前瞻性和挑战性的重大科学问题,其研究成果在国内处于领先水平。以此为基础,学科带头人雷清泉教授申请主持召开了以纳米电介质为主题的第354次香山科学会议,这是国内最高级别的科学会议,雷清泉教授的主题评述报告,被出版在科技前沿丛书《面向科学未来》,引领了国内纳米电介质的发展方向,推动纳米电介质的研究进程。研制了光激电流谱仪、高场电致发光谱仪、热激电流和热激发光谱、压激电流谱、空间电荷测量仪等,使学科具有国内唯一能够表征电介质中电荷深、浅陷阱和空间分布以及电介质在高场作用下老化、损伤直至破坏演化过程的实验室,处于国际先进水平。

2.2 高压电力电缆制造与质量评价关键技术

学科从我国线缆行业的重大需求出发,多年潜心研究,开展技术攻关,突破行业诸多共性关键技术,有力推动了线缆行业技术进步,取得代表性成果:

1110kV超高压电缆材料制造关键技术

作为技术负责单位设计并与企业共同建造国内第一条110kV超净XLPE材料生产线。研发出适合于高压电缆绝缘料的基础树脂,并开发适合于高电压等级XLPE电缆料的制造工艺。成果已在青岛汉缆公司得到应用,打破了国外在该领域的垄断。

2)高压电缆材料质量评定技术

建立110kV过氧化物交联聚乙烯电缆料产品生产及检验的企业和国家标准。根据110kV以上XLPE材料的性能评定和质量控制要求,研制出杂质颗粒与焦烧物检测仪器、凝胶点测试仪器、杂质颗粒测量仪、失重式电子称配料系统和转矩流变仪等国内首创的仪器。

3)超高压电缆的设计与产业化

与企业合作完成国内首条220kV海底光电复合电缆以和320kV直流电缆的结构设计,建成了国内第一条基于全部国产设备和原料的高压电缆XLPE绝缘材料生产线。

4)紫外辐射交联电缆制造技术与设备

紫外辐射交联电缆制造技术是我国具有独立知识产权的制造技术,研制成功的紫外辐照低压电缆交联装备与新材料配套,极大地推进了新技术在电缆工艺的进程,扩大了装备制造产能,为新材料提供了至少年10,000吨的加工吃配能力。

该方向与国内电缆材料及电缆生产厂家建立了密切的合作,并建立了产学研联盟与研发基地,如:电线电缆产学研联盟(教育部蓝火计划)、信息传输线缆省部级产学研创新联盟(广东东莞)、超高压电缆料研发基地(宁波东方电缆集团)、高压电缆与交联技术工程研究中心(黑龙江沃尔德电缆厂)。针对国内110kV及以上电压等级电缆料完全依赖于进口现状,率先与企业合作开展高压及超高压电缆料的研究工作,并实现在国内首家能生产110kV电压等级电缆材料,打破了国外在该产品上的垄断。所开发出的XLPE材料的多种性能评定和质量控制技术与设备,其性能指标达到了国际同类仪器水平,占到国内80%市场份额,并实现向国外多个国家出口。

2.3 高压电力设备绝缘检测与状态评价技术

1500kV海底电缆绝缘状态综合在线监测技术

针对海南联网500kV海底电缆长距离跨海敷设的特点,提出了一种基于瞬时信号同步检测的双端、四电流互感器法的电缆本体及地线电流在线监测技术与方案,成果已安装于南方电网超高压公司广州局福山站和海底电缆的两个终端站,首次实现了对总长亚洲第一、世界第二的海南联网工程500kV超高压海底电缆绝缘的综合在线监测。

2)大型空心电抗器匝间绝缘检测技术与装备

针对线圈生产过程中由于无铁芯而无法对线圈施加工频高压来进行其绝缘检测的难题,提出了脉冲电压法进行空芯电抗器及电机线圈绝缘耐压试验与绝缘检测的新方法,研究成果属国内首创,并广泛应用于国内空心电抗器制造企业和国内各电力公司。

3)大型电机线棒冷热老化评定技术与装备

针对国内大型电机线棒老化评价技术的急需,在国内首次研发具有自主知识产权的具有国际先进水平的百万千瓦发电机组定子线棒冷热循环老化装置和电热联合老化装置,研究成果已应用于国内各大电机制造企业,并出口到日本。

4)电力电容器过电压周期试验技术与装置

针对电力电容器耐压试验的需求,采用大功率IGBT控制高压并联谐振技术,研制与开发出电力电容器过电压周期性试验装置,成果已应用国内多家电力电容器生产厂家,实现对电力电容器绝缘的有效检测。

该方向结合电力装备制造及运行部门的迫切需求,从基础研究角度出发研究高压电力设备绝缘状态与各种评价参数的关系,在此基础上研发出在国内或国外具有领先优势的独创性技术及装置,其中:500kV海底电缆绝缘状态综合在线监测装置、大型高电压等级空心电抗器匝间试验置、百万千瓦发电机组定子线棒冷热循环老化装置、电力电容器过电压周期耐压试验装置在世界范围内是独创成果,代表着国际领先水平,部分成果已实现出口。以上技术的研究开发与推广,解决了行业的急需,实现国内企业的自主创新,推动了国内高压电力设备绝缘检测与评价技术的发展。

2.4大型电机制造运行关键技术与应用

学科结合我国电力发电设备制造行业引进国外先进技术、消化吸收、国产化、再创新的技术创新模式,在百万千瓦等级的超超临界火电机组、核电机组、水电机组等方面与大型发电设备制造厂联合开展科学研究,为国内大型发电设备国产化做出了突出的贡献,代表性业绩包括:

1)抽水蓄能发电/电动机理论与运行关键技术

发电电动机是抽水蓄能机组的核心设备,经常在静止、发电、抽水和调相四种运行状态之间频繁切换,给电机的设计分析带来很多困难,围绕抽水蓄能机组发电电动机电磁设计理论与运行展开研究,提出了大型发电电动机的实用电磁设计方法;研发了发电电动机各种运行工况及其相互转换过程与机网暂态过程的分析程序,研究成果为新产品的开发与研制提供了技术支持。

2AP1000核电汽轮发电机关键技术基础研究

针对超临界和超超临界汽轮发电机关键技术开展基础研究,包括通风冷却系统的选择和优化研究、全流域流场研究、定转子温度场研究、电磁损耗研究、定子铁心端部损耗与发热计算分析、定子线棒的热应力分析、定子绕组附加损耗与换位研究等,研究成果为国内首台CAP1400核电汽轮发电机的设计与运行提供了理论依据。

31000MW水力发电机组关键技术的研究

参与由哈尔滨电机厂有限责任公司主持的国家重点科技支撑计划项目“1000MW水力发电机组研究,完成了多项子任务的研究工作。形成了1000MW水轮发电机电磁设计、通风冷却设计、运行性能分析、机网协调仿真等项关键设计技术的突破,研究成果应用于三峡水电站水轮发电机的研发设计中。

该方向立足电机本体设计研发制造,兼顾电机运行与控制,特别是在大型电机设计研发与运行控制方面取得了显著成绩,得到了学界、同行及用人单位的一致认可。与国内龙头电机制造企业建立了良好的合作关系,成果被应用于葛洲坝、三峡、白鹤滩、向家坝、秦山核电、三门核电、大亚湾等水电和核电发电工程,推动了电机行业的技术进步。

2.5 汽车电子驱动控制与系统集成关键技术

学科以汽车电子驱动控制与系统集成教育部工程研究中心为平台,围绕国内汽车企业技术创新的需求,整合资源、打造特色创新团队来提高社会服务能力,取得代表性成果:

1)增程式电动汽车辅助动力单元(APU)应用研究

作为技术负责单位设计研发了增程式电动汽车辅助动力单元(APU),提出了增程式电动汽车动力总成(发动机-发电机组、电动机、电池)总体控制方案,开发出的辅助动力单元的高性能控制器已在商务用增程式电动客车中得到应用。

2)汽车特种电机及驱动控制技术研究

开发出了多种车辆牵引电机和控制器,包括直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。研究成果具有功率密度高、效率高、结构紧凑、振动噪声低优点,满足了汽车驱动要求。

3 电动汽车关键零部件低温性能技术研究

作为中国寒地新能源汽车联盟成员,开展了应用于高寒地区的具有低温运行模式的电动汽车电驱动系统的各项关键技术研究,建立以黑龙江省高纬度地区电动汽车产业技术创新战略联盟为主体的产学研相结合的技术创新体系,支撑和引领我国高纬度寒冷地区汽车工业技术进步和跨越式发展。

4)汽车电子装置及相关技术研究

该方向研发出多项具有自主知识产权的汽车电子成果,如:ABS控制器、无级变速箱控制器、汽车电子点火线圈、非接触式节气门位置传感器、雨刮同步控制器、轮胎气压监测器等。

作为中国寒地新能源汽车联盟成员、中国微型电动汽车标准化技术委员会增程器分技术标准委员会主任委员单位,先后与精进电动科技(北京)、杭州赛恩斯能源科技、苏州益茂电动客车、美国SinoEV Technologies、广东亿纬新能源汽车等公司合作,共同开发了多款电动汽车用电机及其驱动器:与北京精进合作研发的BSG弱混合动力轿车正在路试中;与杭州赛恩斯共同研发出混合动力客车60kW特种电机及其驱动系统;为苏州益茂研发的45kW发电机已进入小批量路试阶段;与美国SinoEV 共同研发的电动汽车用高速电机已进入小批量生产阶段。

2.6 新能源材料及器件关键技术与应用

该方向结合世界各国对新能源、新材料技术研究热点,针对航空航天、电动汽车、风光储能、移动电源、军事基地等产业的重大需求,展开新能源材料与器件的应用技术研究,代表性业绩和重要研究成果包括:

1)柔性石墨烯/碳纳米管三维多孔复合材料构筑及其储能特性研究:通过对石墨烯、碳纳米管和金属氧化物的协同效应的研究,发现锂离子电池电极材料离子嵌入和扩散行为规律,研制了高导电性、高比表面积、柔性三维多孔石墨烯/碳纳米管纳米复合材料,得到了其微观结构对储能性能的影响规律;,揭示复合材料微观结构与复合电极的嵌锂和储能机制的耦合关系,为新型电池、超级电容器及传感器电极材料的研究和制备提供理论依据和实验指导。

2)石墨烯基超级电容器结构与储能特性研究:保证在达到工业化生产要求的前提下,石墨烯复合材料制作的超电容器,功率密度和能量密度均可达到商业化超电容器件 5-10 倍。该研究结果已获美国专利。水合肼还原,微波剥离及真空热剥离还原法制备石墨烯材料;研究复合材料的电化学性能,挑选电位窗口较宽,适合储能应用的电极活性材料;在不同表面修饰的石墨烯电极材料上原位生长电极活性材料;以石墨烯复合电极材料组装商用超级电容器,综合考量其功率密度、能量密度、倍率和循环寿命等;批量制备石墨烯复合电极材料,与超级电容器制造商合作,组装商用石墨烯基超级电容器。

3)高储能密度锂硫电池电极的设计与关键技术研究:锂硫电池具有极高的理论比容量,适合军事、航天用储能材料,其功率和体积能量密度是现有锂离子电池的8-9倍。围绕阵列CNTs/三维石墨烯基底进一步开展高能量密度锂硫电池开发,其关键技术内容:1)利用阵列CNTs/三维石墨烯柔性导电网络负载纳米硫单质的技术方法;2)研究真空装载、湿化学法、热复合等不同硫负载方式对硫装载容量、单质硫吸附/附着位置等因素对该材料在锂硫电池中电化学活性的影响;3)研制一种制备高容量、寿命长、安全性好的锂硫电池全电池的工艺方法。

学科聘请俄罗斯科学院副院长Sergey M. Aldoshin院士、莫斯科国立大学化学学院院长Valery V. Lunin院士与新加坡南洋理工大学申泽骧教授三位国际顶级专家共建中--新石墨烯应用技术协同创新中心;在国际顶尖期刊Advanced Functional Materials发表封面论文。目前,团队已完成石墨烯电极材料及动力锂电中试生产线,其中石墨烯日产能达5kg/天,石墨烯基电极材料日产能达50kg/天。团队与Jonhson Mathhey、宝马等国际公司深入合作,开发出石墨烯导电剂、石墨烯涂层集流体、高性能电解液、石墨烯基正负极材料、石墨烯基动力电池技术,以上产品均通过5-20Ah软包锂离子电池的反复验证。

 

三、学科未来发展方向与建议

近些年,国家确立了“一带一路”、全球能源互联和“中国制造2025”等一系列发展战略,并将先进电力装备、轨道交通装备、节能与新能源汽车、新材料等列入重点发展和突破领域,其中:超大容量水电机组和核电机组、新能源和可再生能源装备、先进储能装置、智能电网用输变电及用户端设备、动力电池和驱动电机、大功率电力电子器件、高温超导材料等关键元器件、高性能结构材料和功能性高分子材料、超导材料、纳米材料、石墨烯等被列出优先发展方向。这些未来研究方向属于先进智能装备制造领域和新材料领域范畴,与学科的研究方向高度吻合,为本学科的建设发展创造了良好的外部环境,提供了更加广阔的发展空间。为此,学科成立了新能源材料与器件专业,组建了石墨烯应用技术协同创新中心,并聘请国际顶尖知名学者新加坡南洋理工大学申泽镶教授任中心主任,形成了学缘结构、年龄结构合理的创新队伍。目前,学科在特高压交直流电缆材料、高导热材料、高储能密度材料、锂电池用高效石墨烯电极材料等方面已取得显著成果,将成为学科发展的新增长点。

今后,学科将紧紧围绕国家中长期科学与技术发展规划、国家十三五发展规划及中国制造2025等创新型国家建设目标对人才培养、科学研究、成果转化、产业升级和服务社会的需求,将学科建设成为面向电力装备制造业和电力运行行业的高水平科研基地、高层次人才培养基地、高科技成果产出中心,培养出在国内外有一定影响的新世纪学术带头人。全面提升学科的整体实力与水平,进一步凝练学科的研究方向、突出学科特色,重点在交直流超高压与特高压远距离输电工程、大型水力建设工程、核电工程、新能源发电、环境友好节能装备、新能源汽车、新材料开发与应用等领域取得创新性成果。