電氣工程概論 課后思考題參考答案匯 第1-6章

2012年教育部修訂專業(yè)目錄后，電氣工程一級學科下包含哪幾個二級學科？答：電機與電器、電力系統(tǒng)及其自動化、高電壓與絕緣技術、電力電子與電力傳動、電工理論與新技術，5個二級學科。與“現(xiàn)代五大工程”的其他工程相比，電氣工程的突出特點是什么？答：與其他工程相比，電氣工程的特點在于：他的出現(xiàn)首先不是來源與文明發(fā)展的自發(fā)需要，而是來源于科學發(fā)現(xiàn)。他以全新的能量形態(tài)開辟出一個人類文明的新領域。他的發(fā)展又伴生了電子工程，從而孕育出通信，計算機，網(wǎng)絡等工程領域，為信息時代的出現(xiàn)奠定了基礎。電氣科學與電氣工程的發(fā)展史給你哪些啟發(fā)?答：今天電能的應用已經(jīng)滲透到人類社會的生產(chǎn)，生活的各個領域，他不僅創(chuàng)造了極大的生產(chǎn)力，而且促進了人類文明的極大進步，徹底改變了人類社會生活方式，電氣工程也應次被譽為“現(xiàn)代文明之輪”為什么在19世紀后半葉開始設立電氣工程專業(yè)？答：電氣工程專業(yè)高等教育發(fā)展的基礎是電氣科學的發(fā)展，電氣科學是從物理學中的電學和磁學為基礎逐步發(fā)展而形成的。19世紀，通過科學家、發(fā)明家和工程師的不懈努力，電氣工程的科學技術基礎已經(jīng)奠定，其工程應用也取得了實質(zhì)性的進展。為了培養(yǎng)專業(yè)人才，在大學中設立電氣工程專業(yè)已經(jīng)勢在必行。于是，從19世紀末到20世紀初，世界各國的大學相繼設立了電氣工程專業(yè)。簡述電氣工程及其自動化專業(yè)的發(fā)展前景。答：我國電力工業(yè)和電工制造業(yè)將持續(xù)高速度發(fā)展。受此拉動，我國設置電氣工程專業(yè)的高等學校也將持續(xù)高速度發(fā)展。正像我國正在成為世界制造業(yè)的中心，成為世界工廠一樣，我國也必將成為世界電氣工程高等教育、科學研究和技術開發(fā)的中心。未來20年，中國將是全球電力工業(yè)和電工制造業(yè)的最大市場。我國電氣工程領域集中了一批最優(yōu)秀的人才。我國將成為世界電氣工程高等教育的中心。我國也將成為世界電氣工程科學研究和技術開發(fā)的中心。電氣工程科學的基礎理論包括那些？答：電路理論、電磁場理論、電磁計量理論等你認為有那些計算機軟件可以用于電氣工程專業(yè)的學習？答：MATLAB，AutoCADElectrical，Multisim，Protel，ANSYS，COMSOLMultiphysics等。簡述電氣工程及其自動化專業(yè)人才培養(yǎng)目標。答：電氣工程主要是研究電能的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、控制、儲存和利用的學科。本專業(yè)隸屬于電氣類，培養(yǎng)具備電氣工程領域相關的基礎理論、專業(yè)技術和實踐能力，能在電氣工程領域的裝備制造、系統(tǒng)運行、技術開發(fā)等部門從事設計、研發(fā)、運行等工作的復合型工程技術人才。簡述電氣工程及其自動化專業(yè)的畢業(yè)生應獲得哪幾方面的知識和能力？答：（1）掌握較扎實的高等數(shù)學和大學物理等自然科學基礎知識，具有較好的人文社會科學和管理科學基礎，具有外語運用能力；（2）系統(tǒng)地掌握電氣工程學科的基礎理論和基礎知識，主要包括電工理論、電子技術、信息處理、控制理論、計算機軟硬件基本原理與應用等；（3）掌握電氣工程相關的系統(tǒng)分析方法、設計方法和實驗技術；（4）獲得較好的工程實踐訓練，具有較熟練的計算機應用能力；（5）具有本專業(yè)領域內(nèi)1~2個專業(yè)方向的知識與技能，了解本專業(yè)學科前沿的發(fā)展趨勢；（6）具有較強的工作適應能力，具備一定的科學研究、技術開發(fā)和組織管理的實際工作能力。現(xiàn)今電氣類專業(yè)除電氣工程及其自動化專業(yè)外還有哪些特設專業(yè)？答：智能電網(wǎng)信息工程、光源與照明、電氣工程與智能控制、電纜工程、電機電器智能化第2章課后思考題參考答案2-1什么是電力系統(tǒng)？電力系統(tǒng)：由發(fā)、變、輸、配、用電設備和相應的輔助系統(tǒng)，按規(guī)定的技術和經(jīng)濟要求組成的一個統(tǒng)一系統(tǒng)。2-2電力工業(yè)的主要包括那幾個生產(chǎn)環(huán)節(jié)？發(fā)電：利用各種能源資源生產(chǎn)電能。輸電：電力的輸送。變電：電壓等級的變換。配電：電能的分配供給。用電：電能消費。2-3簡述中國電力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。(1)電力建設快速發(fā)展。(2)電源結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整和技術升級受到重視。(3)電網(wǎng)建設不斷加強。(4)電力環(huán)保取得顯著成績。(5)可再生能源發(fā)電取得進步(6)電力需求旺盛，發(fā)展?jié)摿薮?。?）結(jié)構(gòu)性矛盾突出，技術升級任重道遠。2-4現(xiàn)代電力系統(tǒng)的特點是什么?電力系統(tǒng)技術上發(fā)展的特征可用“大機組、大電網(wǎng)、高電壓”來描述，可靠性也已成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、設計、運行考慮的首要因素。20世紀60年代以來，以控制、通信和計算機技術的引入與廣泛應用為標志，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、信息化、智能化技術日益提高了電力系統(tǒng)的自動化水平。以電力電子技術為基礎，直流輸電技術成為成熟技術，靈活交流輸電技術也得到了重視和發(fā)展。以上這些構(gòu)成了現(xiàn)代電力系統(tǒng)技術發(fā)展的新特征。2-5根據(jù)對供電可靠性的要求不同,電力負荷分為哪幾類？根據(jù)對供電可靠性的要求不同分類=1\*GB3①一級負荷：若供電突然中斷將造成生命危害，或造成重大設備損壞且難以修復，或打亂復雜的生產(chǎn)過程并使大量產(chǎn)品報廢，給國民經(jīng)濟帶來極大損失；=2\*GB3②二級負荷：若突然停電，將造成生產(chǎn)設備局部損壞，或生產(chǎn)流程紊亂且恢復較困難，企業(yè)內(nèi)部運輸停頓，或出現(xiàn)大量減產(chǎn)，給國民經(jīng)濟造成一定的損失；=3\*GB3③三級負荷：不屬于一、二級負荷的用電設備稱為三級負荷。三級負荷為不重要的一般負荷，對供電無特殊要求，允許較長時間停電。2-6分別簡述交流電和直流電的優(yōu)缺點。（1）交流電的優(yōu)點主要表現(xiàn)在發(fā)電和配電方面：利用建立在電磁感應原理基礎上的交流發(fā)電機可以很經(jīng)濟方便地把機械能（水流能、風能……）、化學能（石油、天然氣……）等其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能；交流電源和交流變電站與同功率的直流電源和直流換流站相比，造價大為低廉；交流電可以方便地通過變壓器升壓和降壓，這給配送電能帶來極大的方便．這是交流電與直流電相比所具有的獨特優(yōu)勢。交流電可以方便地變換電壓；交流電機在結(jié)構(gòu)上也比直流電機簡單；在需要直流的地方還可以很方便地采用電子整流裝置。交流電的主要缺點包括電磁輻射、電壓波動、感應電流和電磁干擾等?（2）直流電的優(yōu)缺點：①輸送相同功率時，直流輸電所用線材僅為交流輸電的l／2～2／3。②在電纜輸電線路中，直流輸電沒有電容電流產(chǎn)生，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。③直流輸電時，其兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運行，而交流輸電必須同步運行。④直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小。=5\*GB3⑤直流電更容易儲存，尤其使用現(xiàn)代化的UPS，加入蓄電池作為后備失電保護，可以控制直流電和交流電相互逆變整流為我所用，更加智能方便。=6\*GB3⑥直流電在整流和逆變的過程中，容易產(chǎn)生諧波，污染電能質(zhì)量，這是它的大缺點。2-7電力系統(tǒng)運行狀態(tài)有哪些？=1\*GB3①正常運行狀態(tài)：滿足等式和不等式約束條件，是經(jīng)濟運行調(diào)度的基礎。=2\*GB3②警戒狀態(tài)：滿足等式和不等式約束條件，但不等式約束已經(jīng)接近上下限，以安全調(diào)度為主。=3\*GB3③緊急狀態(tài)：不等式約束遭到破壞，等式約束仍能滿足，系統(tǒng)仍能同步運行。=4\*GB3④系統(tǒng)崩潰：不等式、等式約束同時不滿足，系統(tǒng)將解列成幾個獨立的小系統(tǒng)。=5\*GB3⑤恢復狀態(tài)：使崩潰后的若干個小系統(tǒng)向并列的大系統(tǒng)運行狀態(tài)過渡。2-8什么是電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定？靜態(tài)穩(wěn)定：在一個特定的穩(wěn)定運行的條件下，電力系統(tǒng)受到任何一個小的擾動，經(jīng)過一段時間，它能夠自動恢復到或者靠近小擾動前的運行條件。暫態(tài)穩(wěn)定：在一個特定的穩(wěn)態(tài)運行條件下，電力系統(tǒng)受到一個特定的大干擾后，能夠從原來的運行狀態(tài)不失去同步地過渡到另一個允許的穩(wěn)態(tài)運行條件。2-9照其所利用的能源不同，發(fā)電廠主要分為哪幾種類型？按照其所利用的能源不同，發(fā)電廠主要分為以下幾種類型：火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、原子能發(fā)電廠、風力發(fā)電廠、潮汐發(fā)電廠、沼氣發(fā)電廠、地熱發(fā)電、太陽能發(fā)電廠等。2-10電力工業(yè)生產(chǎn)主要特點是什么？(1)電力生產(chǎn)的同時性發(fā)、供＝用電負荷，同時完成。(2)電力生產(chǎn)的整體性電力系統(tǒng)是由發(fā)電、供電和用電三者緊密連接起來的一個系統(tǒng)，任何一個環(huán)節(jié)配合不好，都會影響電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟運行。發(fā)電機、變壓器、高壓輸電線路、配電線路和用電設備形成一個不可分割的整體，缺少哪一環(huán)節(jié)，電力生產(chǎn)都不可能完成。(3)電力生產(chǎn)的快速性電能輸送過程迅速。每秒30萬公里，發(fā)、供、用瞬間同時實現(xiàn)。(4)電力生產(chǎn)的連續(xù)性電能質(zhì)量需要實時、連續(xù)監(jiān)視與調(diào)整。(5)電力生產(chǎn)的實時性電網(wǎng)事故發(fā)展迅速涉及面大，需要實時安全監(jiān)控。(6)電力生產(chǎn)的隨機性電網(wǎng)運行由于用電負荷的變化、異常情況及事故發(fā)生變化是隨機性的，在電力生產(chǎn)過程中，需要實時電力調(diào)度及安全監(jiān)控系統(tǒng)跟蹤隨機事件，以保證電能質(zhì)量及電網(wǎng)安全運行。2-11現(xiàn)代電網(wǎng)的特點有哪些？(1)各電網(wǎng)之間聯(lián)系較強。(2)電壓等級簡化。(3)具有較高的供電可靠性。(4)具有足夠的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓，能夠?qū)崿F(xiàn)自動發(fā)電控制。(5)具有相應的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)。(6)具有高度自動化的監(jiān)控系統(tǒng)。(7)具有高度現(xiàn)代化的通訊系統(tǒng)。(8)具有適應電力市場運營的技術支持系統(tǒng)。(9)有利于合理利用能源。2-12新型輸電技術有哪些？（1）高壓直流輸電：在發(fā)電和變壓上，交流有明顯的優(yōu)越性，但是在輸電問題上，直流有其交流所沒有的優(yōu)點。和交流輸電相比，直流輸電有三個主要優(yōu)點：=1\*GB3①當輸電距離足夠長時，直流輸電的經(jīng)濟性將優(yōu)于交流輸電。=2\*GB3②直流輸電通過對換流器的控制可以快速地（時間為毫秒級）調(diào)整直流線路上的功率，從而提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。=3\*GB3③可以聯(lián)接兩個不同步或頻率不同的交流系統(tǒng)。（2）靈活交流輸電(柔性輸電)：靈活交流輸電（柔性輸電）是利用大功率電力電子元器件構(gòu)成的裝置來控制或調(diào)節(jié)交流電力系統(tǒng)的運行參數(shù)和／或網(wǎng)絡參數(shù)從而優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高電力系統(tǒng)的輸電能力的技術。2-13電力負荷控制技術有哪些？1.無線電力負荷控制技術2.工頻電力負荷控制技術.3.載波電力負荷控制技術4.音頻電力負荷控制技術2-14衡量電能質(zhì)量的指標有哪些?電能質(zhì)量的指標是頻率、電壓和交流電的波形。當三者在允許的范圍內(nèi)變動時，電能質(zhì)量合格；當上述三者的偏差超過容許范圍時，不僅嚴重影響用戶的工作，對電力系統(tǒng)本身的運行也有嚴重的危害。2-15常用的節(jié)電技術主要體現(xiàn)在哪幾個方面？（1）可控硅斬波技術（2）抑制浪涌技術（3）變頻技術（4）電磁調(diào)控技術（5）單片機控制技術2-16繼電保護的基本要求是什么？動作于跳閘的繼電保護，在技術上一般應滿足四個基本要求，即可靠性（安全性和信賴性）、選擇性、速動性和靈敏性。思考題及答案解析3-1什么是電機的可逆運行原理？3-2電機有哪些不同的分類方法？3-3電機制造中所用的原材料有哪些？3-4典型的三相電機結(jié)構(gòu)包括哪幾部分？3-5變壓器的基本工作原理是什么？3-6試闡述我國電力行業(yè)的常見能源獲取領域（電力能源分布）。3-7試舉例說明電機的各領域應用。3-8常見的電器的分類方法有哪些？3-9常見的低壓電器有哪些？各自的作用是什么？3-10常見的高壓電器有哪些？各自的作用是什么？3-1什么是電機的可逆運行原理？?電機的可逆運行原理?是指同一臺電機在不同條件下既可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行，能量轉(zhuǎn)換的方向取決于運行條件。?電動機?是指通過電能轉(zhuǎn)換為機械能的設備，而?發(fā)電機?是指通過機械能轉(zhuǎn)換為電能的設備。電機的可逆運行原理表明，同一臺電機在不同應用場景下可以靈活切換這兩種功能。3-2電機有哪些不同的分類方法？?電機可以根據(jù)不同的分類方法進行多種分類?。以下是幾種常見的分類方法及其對應的電機類型：1.?按工作電源種類劃分?：（1）?直流電機?：使用直流電作為電源，包括有刷直流電機和無刷直流電機。有刷直流電機又可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。（2）?交流電機?：使用交流電作為電源，包括單相電機和三相電機。交流電機進一步分為異步電動機和同步電動機。2.?按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分?：（1）?直流電動機?：包括無刷直流電動機和有刷直流電動機。（2）?異步電動機?：包括三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機。（3）?同步電動機?：包括永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。3.?按起動與運行方式劃分?：?電容起動式單相異步電動機?、?電容運轉(zhuǎn)式單相異步電動機?、?電容起動運轉(zhuǎn)式單相異步電動機?和?分相式單相異步電動機。4.?按用途劃分?：（1）?驅(qū)動用電動機?：用于驅(qū)動各種機械設備，如電動工具、家電等。（2）?控制用電動機?：用于控制系統(tǒng)中的執(zhí)行和測量，如步進電動機和伺服電動機。5.?按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)劃分?：?籠型感應電動機?（舊稱鼠籠型異步電動機）和?繞線轉(zhuǎn)子感應電動機?（舊稱繞線型異步電動機）。3-3電機制造中所用的原材料有哪些？?電機制造中常用的原材料主要包括以下幾種?：（1）?導電材料，如銅、鋁、銀。（2）?導磁材料?，鋼鐵（硅鋼片、電工純鐵等）、永磁材料。（3）?絕緣材料，如紙張、麻布、塑料、合成樹脂等。?（4）絕緣材料，如?油漆、?清漆、?環(huán)氧樹脂等。3-4典型的三相電機結(jié)構(gòu)包括哪幾部分？?典型的三相電機結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個部分：定子、轉(zhuǎn)子和氣隙?。（1）定子是電機的靜止部分，包括定子鐵心、?定子繞組和機座。（2）轉(zhuǎn)子是電機的旋轉(zhuǎn)部分，包括?轉(zhuǎn)子鐵心、?轉(zhuǎn)子繞組和?轉(zhuǎn)軸。（3）氣隙是定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙，氣隙的大小影響磁場的分布和電機的效率。?3-5變壓器的基本工作原理是什么？變壓器的基本工作原理是電磁感應，通過初級和次級線圈的磁耦合實現(xiàn)電壓變換。具體過程：當交流電流通過初級線圈時，會在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，根據(jù)法拉第電磁感應定律，變壓器的初、次級線圈因磁通變化感應出電動勢E1、E2。電動勢比等于兩線圈的匝數(shù)比，即：E1/E2=N1/N2，而變壓器的初、次級線圈的電壓比U1/U2≈N1/N2。3-6試闡述我國電力行業(yè)的常見能源獲取領域（電力能源分布）。?我國電力行業(yè)的常見能源獲取領域主要包括火力發(fā)電、水力發(fā)電、風力發(fā)電和太陽能發(fā)電?。這些能源形式在我國電力供應中占據(jù)重要地位，各自具有不同的特點和優(yōu)勢。（1）?火力發(fā)電是我國電力供應的主要來源之一?，尤其是煤炭發(fā)電，約占全國發(fā)電量的六成?；鹆Πl(fā)電成本相對較低，得益于豐富的煤炭資源。（2）水力發(fā)電在我國電力供應中占據(jù)重要地位?，憑借豐富的水資源，水力發(fā)電成為清潔能源的代表。水電站如三峽水電站和白鶴灘水電站在全國發(fā)電量中占有顯著份額。（3）風力發(fā)電在我國發(fā)展迅速?，已成為清潔能源轉(zhuǎn)型的重要推手。中國擁有廣闊的陸地和海域，為風力發(fā)電提供了得天獨厚的條件。（4）?太陽能（光伏）發(fā)電在我國也占據(jù)一定份額?，盡管目前占比不高，但其清潔和可再生的特性使其未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?-7試舉例說明電機的各領域應用?？赏ㄟ^AI+搜索，獲得相應結(jié)果。電機作為能量轉(zhuǎn)換的核心裝置，其應用覆蓋幾乎所有工業(yè)和民用領域。以下分領域舉例說明其多樣化應用場景：一、工業(yè)制造領域，如?數(shù)控機床中，伺服電機驅(qū)動主軸實現(xiàn)微米級定位（如西門子Sinumerik系統(tǒng)）；?工業(yè)機器人中，諧波減速電機+絕對值編碼器構(gòu)成6軸聯(lián)動關節(jié)（ABBIRB6700）；?注塑成型機中，永磁同步電機驅(qū)動螺桿實現(xiàn)精密計量；?紡織機械中，開關磁阻電機驅(qū)動錠子實現(xiàn)20000rpm高速紡紗。二、交通運輸領域，如?軌道交通中，CR400AF動車組采用650kW永磁牽引電機；?電動汽車中，特斯拉ModelS后驅(qū)版搭載3D6三相交流異步電機；?船舶推進中，ABBAzipod吊艙式推進系統(tǒng)配360°回轉(zhuǎn)永磁電機；?航空應用中，波音787電動剎車系統(tǒng)使用多臺270V直流電機。三、精密醫(yī)療領域，如?手術機器人中，達芬奇系統(tǒng)內(nèi)置微型無刷電機實現(xiàn)7自由度操作；?MRI設備中，超導電機驅(qū)動液氦冷卻系統(tǒng)維持1.5T磁場強度；?胰島素泵中，步進電機控制納米級藥物輸送精度；?呼吸機中，無鐵芯直線電機驅(qū)動活塞實現(xiàn)靜音送氣。四、新能源領域，如?風力發(fā)電?：直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機（金風科技GW171-6.8MW）；?光伏跟蹤?：防水步進電機驅(qū)動雙軸追日系統(tǒng)（中信博天智II）；?燃料電池?：空氣壓縮機采用高速無油磁懸浮電機；?儲能系統(tǒng)?：飛輪儲能裝置使用真空磁軸承三相感應電機。五、消費電子領域，如?智能手機?：LRA線性諧振馬達提供觸覺反饋（iPhoneTapticEngine）；?無人機?：外轉(zhuǎn)子無刷電機驅(qū)動螺旋槳（大疆Mavic3）；?智能家居?：EC風機電機實現(xiàn)空調(diào)無級調(diào)速（三菱電機MSZ-ZF系列）；?穿戴設備?：微型振動電機直徑僅4mm（小米手環(huán)7）。六、特種應用領域，如?粒子加速器?：直線電機推動質(zhì)子束達到0.999999991倍光速（CERNLHC）；?人工心臟?：磁懸浮離心泵電機實現(xiàn)無接觸式血泵（雅培HeartMate3）；?太空探索?：好奇號火星車使用抗輻射步進電機驅(qū)動取樣鉆頭；?量子計算?：超導電機驅(qū)動稀釋制冷機維持10mK極低溫。3-8常見的電器分類方法有哪些？常見的電器分類方法可歸納為以下七大類，不同分類依據(jù)對應不同的應用場景和技術標準：一、按用途分類?家用電器?：如冰箱、空調(diào)、洗衣機等，服務于日常生活需求。?工業(yè)電器?：包括電動機、PLC控制器等，用于生產(chǎn)場景。?醫(yī)療電器?：如醫(yī)療影像設備、生命支持儀器，屬于專業(yè)領域設備。?辦公電器?：涵蓋打印機、投影儀等辦公場景設備。二、按工作原理分類?電磁式電器?：基于電磁感應原理工作，如接觸器、繼電器。?非電量控制電器?：依賴外力或物理量變化操作，如按鈕、溫度繼電器。三、按電壓等級分類?高壓電器?：用于1200V及以上交流電路或1500V直流電路，如高壓斷路器。?低壓電器?：適用于1200V以下交流或1500V以下直流電路，如接觸器。四、按安全防護等級分類，分為0類（僅基本絕緣）、I類（帶接地）、II類（雙重絕緣）、III類（安全特低電壓）電器。五、按動作方式分類?手動電器?：需人工操作，如刀開關、按鈕。?自動電器?：通過電磁力或物理量變化自動運行，如接觸器、電磁閥。六、按觸點類型分類?有觸點電器?：通過機械觸點通斷電路，如接觸器、開關。?無觸點電器?：采用電子元件控制，如固態(tài)繼電器、接近開關。3-9常見的低壓電器有哪些？各自的作用是什么？以下是常見低壓電器及其功能的分類說明，綜合技術標準與應用場景進行歸納：一、配電與控制類電器（1）?低壓斷路器，其作用：通過過載、短路、欠壓等保護功能自動切斷故障電路，兼具手動控制能力。（2）?刀開關，其作用：手動接通或隔離電路，常與斷路器配合使用，起電源隔離作用。（3）?熔斷器，其作用：通過熔體熔斷切斷短路電流，提供電路短路保護。二、執(zhí)行與操作類電器（1）?接觸器，其作用：電磁驅(qū)動觸點閉合，遠距離頻繁控制電動機等負載的啟停。（2）?繼電器，其作用：接收信號后切換電路，實現(xiàn)控制邏輯（如時間、溫度、速度控制）。三、指令與保護類電器（1）?主令電器，其作用：發(fā)送操作指令，包含按鈕、行程開關、轉(zhuǎn)換開關等。（2）?起動器，其作用：控制電動機啟動方式，如星三角起動器、自耦減壓起動器，降低啟動電流沖擊。（3）?漏電保護器，其作用：檢測漏電流并切斷電路，防止觸電事故。四、輔助與調(diào)節(jié)類電器（1）?控制器，其作用：通過程序或邏輯控制設備運行，如凸輪控制器、PLC等。（2）?電阻器與變阻器，其作用：調(diào)節(jié)電路電流或電壓，用于限流、分壓及能耗制動。五、其他關鍵電器（1）?組合開關?：多觸點組合，實現(xiàn)電源切換或電路轉(zhuǎn)換6。（2）?電磁鐵?：用于起重、制動等機械操作6。3-10常見的高壓電器有哪些？各自的作用是什么？常見的高壓電器及其作用一、開關類電器（1）?高壓斷路器，其?作用?：分合正常負荷電流，并快速切斷短路故障電流，保護電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。（2）?隔離開關，其?作用?：隔離帶電設備與斷電部分，確保檢修安全，不切斷負荷電流或故障電流。（3）?負荷開關，其?作用?：分合正常負載電流，但不能切斷短路電流，常與熔斷器配合使用。二、保護類電器（1）?熔斷器，其?作用?：通過熔體熔斷切斷短路或過載電流，提供快速保護。（2）?避雷器，其?作用?：抑制雷電或操作過電壓，保護設備絕緣免受沖擊損壞。三、測量與變換類電器（1）?電壓互感器，其?作用?：將千伏級高壓轉(zhuǎn)換為100V標準電壓，用于測量、保護及控制系統(tǒng)。（2）?電流互感器，其?作用?：將千安級大電流轉(zhuǎn)換為5A或1A標準信號，供儀表和繼電保護使用。四、限制與調(diào)節(jié)類電器（1）?電抗器，其?作用?：限制短路電流或調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)無功功率，提高電能質(zhì)量。（2）?電容器，其?作用?：補償無功功率，穩(wěn)定電壓，優(yōu)化電網(wǎng)運行效率。五、輔助安全類電器?接地開關，其?作用?：強制將設備接地，保障檢修時人員安全。第4章課后思考題參考答案4-1按電力電子開關器件的可控性，電力電子器件可以分為哪幾類？按電力電子開關器件的可控性，電力電子器件可以分為不控型器件,半控型器件和全控型器件三類。(1)不控型器件如電力二極管，它沒有控制極，只有陽極和陰極兩個端子，在陽極和陰極間施加正向電壓時管子導通，施加反向電壓時管子關斷。(2)半控型器件主要是具有閘流管特性的晶閘管系列器件(可關斷晶閘管除外)，它的特點是可以通過控制極(門極)信號控制器件的開通，但是其關斷卻取決于器件承受的外部電壓和電流情況，不受門極信號控制。(3)全控型器件是指可以通過控制極信號控制導通和關斷的器件，這類器件發(fā)展最快，典型的全控型器件有電力晶體管、電力場效應管和IGBT等。4-2試述今后電力電子技術的發(fā)展趨勢。大容量化、高效化、小型化、模塊化、智能化和低成本化，是電力電子技術的發(fā)展趨勢。4-3電力電子技術的重要應用領域有哪些？1.工業(yè)領域(1)交直流電力拖動領域(2)電解電化學領域(3)電冶煉領域2.交通運輸領域(1)電氣化鐵路(2)電動汽車領域(3)航空航海領域3.電力系統(tǒng)領域(1)直流輸電領域(2)無功補償領域(3)有源濾波領域(4)變電所領域4.電子設備電源5.國防領域6.可再生能源發(fā)電領域7.家用電器領域以上只是電力電子技術的幾個重要應用領域。電力電子技術在其他方面還有著十分廣泛的應用，幾乎注入到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國防、科技和社會生活的各個領域。4-4為什么電力電子器件在變流電路中常簡稱為“開關”？電力電子器件是建立在半導體原理基礎上的，與其他半導體元件不同的是,它一般能承受較高的工作電壓和較大的電流,并且主要工作在開關狀態(tài)，因此在變流電路中也常簡稱為“開關”。4-5電力電子變換器按電能輸入、輸出的變換形式來劃分，有哪幾種基本類型？1.交流-直流(AC-DC)變換器2.直流-交流(DC-AC)變換器3.交流-交流(AC-AC)變換器4.直流-直流(DC-DC)變換器4-6什么是“軟開關”技術？通過開關變換技術的辦法，減小開關過程中電流和電壓波形的交疊成分，從而減小開關過程損耗的辦法，稱為軟開關技術。4-7電力電子技術的經(jīng)濟和社會意義是什么？1.技術經(jīng)濟意義為了滿足一定的生產(chǎn)工藝要求，確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率、降低能源消耗、提高經(jīng)濟效益，供電電源的電壓、頻率、甚至波形都必須滿足各種用電設備的不同要求。凡此種種，都要求將發(fā)電廠生產(chǎn)的單一頻率和電壓的電能變換為各個用電設備所需要的另一種特性和參數(shù)(頻率、電壓、相位和波形)的電能，以獲得更好的技術特性和更大的經(jīng)濟效益。2.節(jié)能降耗意義通過現(xiàn)代電力電子技術進行電能變換可獲得符合要求的輸出，減少過程損耗，提高效率。（1）我國電機傳動系統(tǒng)降耗節(jié)能空間很大（2）電廠發(fā)電總量的10%~15%消耗在電氣照明上（3）減少用電設備體積（4）保護環(huán)境4-8請聯(lián)系實際生活，列舉身邊應用電力電子技術的實例。1.?智能家居設備??無線傳感器與開關?：部署在智能家居中的傳感器（如溫度、光線、人體感應）和無線開關通過電池供電，利用nA級超低功耗的DC/DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高效電源管理，延長電池壽命?。?LED智能照明?：采用高頻軟開關技術調(diào)節(jié)亮度和時間，降低能耗并提高可靠性?。2.?便攜式電子設備充電器??手機/電腦充電器?：通過整流和隔離降壓技術將220V交流電轉(zhuǎn)換為鋰電池所需的低壓直流電?。?太陽能充電系統(tǒng)?：通過逆變器將太陽能板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為家用交流電，并利用IGBT等器件提高轉(zhuǎn)換效率?。3.?家用電器??變頻空調(diào)?：通過電力電子技術調(diào)節(jié)壓縮機電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)節(jié)能和精準控溫?。?節(jié)能冰箱?：采用變頻驅(qū)動技術優(yōu)化壓縮機運行效率，減少電能損耗?。4.?不間斷電源（UPS）??電腦/網(wǎng)絡設備保護?：在市電異常時，通過逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，保障設備持續(xù)運行，并具備過載保護和電壓穩(wěn)壓功能?。5.?新能源應用??家庭光伏系統(tǒng)?：太陽能電池輸出的直流電通過逆變器接入電網(wǎng)或家庭用電系統(tǒng)?。?電動汽車充電樁?：采用AC/DC和DC/DC變換技術，實現(xiàn)電網(wǎng)交流電與車載電池之間的高效能量轉(zhuǎn)換?。6.?公共交通系統(tǒng)??電動公交車/地鐵?：通過電力電子變頻器控制牽引電機轉(zhuǎn)速，優(yōu)化加速、減速和能量回收效率?。7.?通信設備??路由器/基站電源?：采用分布式供電技術，通過多級DC/DC變換器為不同模塊提供穩(wěn)定電壓，并集成功率因數(shù)校正（PFC）技術提高能效?。以上實例覆蓋了家居、通信、交通、能源等多個領域，展現(xiàn)了電力電子技術如何支撐現(xiàn)代生活的高效化和智能化?5-1為什么電力系統(tǒng)要盡可能提高輸電電壓?答：因為電流大的時候，在輸電線電阻R上引起的熱耗將增大。提高輸電電壓，可以提高輸電功率，降低損耗。5-2氣體放電的主要形式有哪些？答：火花放電、輝光放電、電暈放電、電弧放電。5-3試敘述什么湯遜理論，并說明其適用的場合。答：氣體間隙中發(fā)生的電子碰撞電離是氣體放電的主要原因(電子崩)，二次電子來源于正離子撞擊陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件，所逸出的電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。適用條件：均勻電場、低氣壓、短間隙。5-4簡述什么電介質(zhì)的極化？答：電介質(zhì)在電場作用下，其束縛電荷相應于電場方向產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。5-5簡述測試絕緣電介質(zhì)電導的意義。答：討論電介質(zhì)電導的意義體現(xiàn)在以下三個方面。（1）絕緣預防性試驗：利用絕緣電阻、泄漏電流及吸收比可判斷設備的絕緣狀況。（2）多層介質(zhì)絕緣配合：直流電壓下分層絕緣時，各層電壓分布與電導率成反比，應使材料合理使用，實現(xiàn)各層之間的合理分壓。（3）電氣設備運行維護：注意環(huán)境濕度對固體介質(zhì)表面電阻的影響，注意親水性材料的表面防水處理。5-6在液體電介質(zhì)中什么是“小橋理論”？答：氣泡擊穿理論認為當外加電場較高時，液體介質(zhì)內(nèi)由于各種原因產(chǎn)生氣泡。由于串聯(lián)介質(zhì)中，場強的分布與介質(zhì)的介電常數(shù)成反比，電離首先在氣泡中發(fā)生。如果許多電離的氣泡在電場中排列形成氣體小橋，擊穿就可能在此小橋通道中發(fā)生。這個擊穿理論也稱為“小橋理論”。5-7常見的無機、有機絕緣材料有哪些？答：無機絕緣材料：玻璃、電工陶瓷、云母；有機絕緣材料：塑料、橡膠、纖維、絕緣漆5-8電氣設備絕緣試驗的目的和主要內(nèi)容是什么?答：目的：通過實驗，掌握電氣設備絕緣的情況，保證產(chǎn)品的質(zhì)量或盡早發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，從而進行相應的維護與檢修，防患于未然，以保證設備的安全進行。內(nèi)容：電氣設備絕緣試驗包括以下方面：絕緣電阻及吸收比的測量，泄露電流的測量，介質(zhì)損失角正切值tana的測量值，局部放電的測量，絕緣油的色譜分析，工頻交流耐壓試驗，直流耐壓試驗，沖擊高壓試驗等。5-9串級直流發(fā)生器的工作原理是什么？答：獲得直流高電壓，最常用的途徑就是采用下圖所示的串級直流電路。其工作原理與倍壓整流電路類似，電源為負半波時依次給左柱電容器充電，而電源為正半波時依次給右柱電容器充電。空載時，n級串接的整流電路可輸出2nUm的直流電壓（Um為變壓器高壓側(cè)輸出電壓峰值）。隨著串接級數(shù)的增多，接入負載時的電壓脈動和電壓降落迅速增大。串級直流電路5-10沖擊電壓發(fā)生器的工作原理是什么？答：其工作原理概括來說就是利用多級電容器并聯(lián)充電，然后通過球隙串聯(lián)放電，從而產(chǎn)生高幅值的沖擊電壓。原理圖如下圖。高效率多級沖擊電壓發(fā)生器電路5-11電力系統(tǒng)過電壓是怎樣分類的？答：電力系統(tǒng)過電壓分為雷電（外部）過電壓和內(nèi)部過電壓，其中雷電過電壓分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓；內(nèi)部過電壓分為暫時過電壓和操作過電壓，暫時過電壓又分為工頻電壓升高和諧振過電壓。5-12避雷針與避雷器有何區(qū)別？答：避雷針是防止雷直擊電氣設備的保護裝置，但由于各種原因，如繞擊，反擊或受條件限制未裝置避雷針，電氣設備仍會有被雷擊的可能。此外當雷擊線路和線路附近的大地時，在輸電線路上有過電壓產(chǎn)生，它將一流動波的形式，沿線路傳到變電站內(nèi)，危機絕緣薄弱的地方或變電站內(nèi)的貴重設備。因此為了保護電氣設備必須安設防止流動過電壓的裝置，這種保護設備就是避雷器。當系統(tǒng)中出現(xiàn)過電壓時，避雷器的作用是既要限制過電壓以保護電氣設備不受過電壓的損害，又要保證不會跳閘停電保證可靠運行。6-1什么是超導現(xiàn)象？試舉例說明超導技術發(fā)展過程中的典型事件。超導現(xiàn)象是指某些材料在低于特定臨界溫度時，電阻突然消失為零并表現(xiàn)出完全抗磁性的物理特性。其核心機制是電子形成庫珀對并集體運動，避免了與晶格的碰撞。這種狀態(tài)下的材料不僅實現(xiàn)無損電流傳輸，還能通過邁斯納效應排斥外部磁場。?超導技術發(fā)展中的典型事件舉例?：?汞的零電阻發(fā)現(xiàn)?（1911年）：荷蘭科學家昂內(nèi)斯首次在4.2K溫度下觀察到汞的電阻突降為零，標志著超導現(xiàn)象的正式發(fā)現(xiàn)。?高溫銅氧化物突破?（1986年）：米勒和貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導體，臨界溫度突破至30K以上，首次實現(xiàn)液氮溫區(qū)（77K）外的高溫超導。?鐵基超導體研究進展?（2025年）：Nadj-Perge團隊在鐵基材料FeTe?.??Se?.??中觀測到原子級波長的庫珀對密度調(diào)制，為調(diào)控超導能隙提供了新路徑。?二維材料多態(tài)調(diào)控?（2025年）：日本理化學研究所通過離子插層技術，使二硫化鉬在同一材料中實現(xiàn)超導、金屬、半導體和絕緣體的可控切換。6-2試說明常溫絕緣高溫超導電纜的結(jié)構(gòu)。參見204頁圖6-2。以下為根據(jù)AI搜索整理內(nèi)容，供參考。常溫絕緣高溫超導電纜（WD型）的結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次為：（1）?內(nèi)支撐芯?：采用金屬波紋管設計，表面覆蓋致密金屬網(wǎng)，既作為超導帶材纏繞的基準支撐結(jié)構(gòu)，又作為液氮冷卻劑的循環(huán)通道。（2）?超導導體層?：由多層高溫超導帶材（如鉍系超導材料）螺旋繞制而成，層間通過絕緣膜隔離，承擔電流傳輸功能。（3）?熱絕緣層?：由同軸雙層金屬波紋管（不銹鋼或鋁合金）套制，兩層間抽真空并嵌入多層防輻射金屬箔，隔絕外部熱量以維持內(nèi)部低溫環(huán)境。（4）?電絕緣層?：采用常規(guī)電纜絕緣材料（如交聯(lián)聚乙烯LXPE），工作在常溫下，提供電氣隔離并承受高電壓。（5）?屏蔽層和護層?：外層為銅或鋁制電磁屏蔽層，外部覆蓋防腐、防水護套（如聚乙烯或聚氯乙烯），功能與常規(guī)電纜類似。?配套系統(tǒng)部分?：（1）?終端結(jié)構(gòu)?：集成高電壓絕緣技術、液氮管路絕熱設計及導電體溫度過渡優(yōu)化，連接超導電纜與外部電網(wǎng)及制冷系統(tǒng)。（2）?制冷系統(tǒng)?：通過液氮泵和制冷機維持低溫循環(huán)，入口溫度70–72K，出口溫度74–76K，確保超導態(tài)穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)通過熱絕緣與電絕緣分離設計，平衡了低溫保持與常溫電氣性能需求，適用于城市電網(wǎng)升級等場景。6-3試說明低溫絕緣高溫超導電纜的結(jié)構(gòu)。參見205頁圖6-3。以下為根據(jù)AI搜索整理內(nèi)容，供參考。低溫絕緣高溫超導電纜（CD型）的結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次為：（1）?內(nèi)支撐芯?：金屬波紋管構(gòu)成，內(nèi)部作為液氮循環(huán)通道，兼具支撐超導帶材和增強機械強度的功能。（2）?超導導體層?：多層鉍系或釔系高溫超導帶材螺旋繞制，層間纏繞絕緣膜以降低交流損耗，承擔主電流傳輸。（3）?電絕緣層?：采用聚丙烯層壓紙（PPLP）或環(huán)氧樹脂復合材料，直接浸漬于液氮環(huán)境中，需滿足低溫介電性能和抗開裂要求。（4）?超導屏蔽層?：由超導帶材繞制，與導體層同軸反向螺旋排布，形成自屏蔽結(jié)構(gòu)以抵消外部磁場干擾。（5）?液氮回流層?：與內(nèi)支撐芯共同構(gòu)成閉環(huán)冷卻系統(tǒng)，通過外部制冷機驅(qū)動液氮循環(huán)（入口72–74K，出口76–78K）。（6）?熱絕緣層?：雙波紋管套接真空夾層結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)嵌多層鋁箔反射層，隔絕外部熱量滲透以維持低溫環(huán)境。（7）?外屏蔽層與護套?：銅網(wǎng)電磁屏蔽層覆蓋，外層采用聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）護套實現(xiàn)防水防腐。?配套系統(tǒng)部分?：（1）?終端結(jié)構(gòu)?：包含超導-常規(guī)導體過渡接頭（SC-NC接頭）、液氮溫度梯度過渡段及復合絕緣套管，需同步解決液氮密封與高電壓隔離難題。（2）?制冷系統(tǒng)?：配備閉環(huán)液氮泵和GM制冷機，通過分布式溫度傳感器實時監(jiān)控電纜軸向溫差（±1K）。相較于常溫絕緣電纜，CD型結(jié)構(gòu)通過低溫絕緣設計顯著降低交流損耗（可減少30%–50%），已應用于上海寶山鋼鐵示范工程等大容量輸電場景。6-4舉例說明高溫超導電纜在電工技術領域的應用。學生作答，除了教材上的案例，可以借助AI搜索，獲得相應案例。一、城市電網(wǎng)升級（1）?上海35千伏公里級超導輸電示范工程。?技術參數(shù)?：全長1.2公里，采用國產(chǎn)化三相同軸結(jié)構(gòu)，核心材料為釔鋇銅氧（YBCO）超導帶材，載流量達2160安培，相當于5條同規(guī)格傳統(tǒng)電纜的輸電容量。?應用效果?：連續(xù)穩(wěn)定運行超700天，為徐家匯商圈供電3.2億度，減少地下管廊占用面積60%以上。（2）?深圳平安金融中心供電系統(tǒng)。?技術亮點?：采用三相同軸超導電纜，通過三相電流同軸傳輸消除電磁干擾，輸電損耗趨近于零。?實際效益?：為超高層建筑節(jié)省電力傳輸空間40%，年碳排放減少約8000噸。二、工業(yè)大電流場景（1）?寶山鋼鐵工業(yè)園超導電纜應用。?需求背景?：鋼鐵冶煉需短距離傳輸10kA以上大電流，傳統(tǒng)銅纜電能損耗高達15%。?技術方案?：部署500米低溫絕緣高溫超導電纜，搭配液氮閉環(huán)冷卻系統(tǒng)，運行溫度穩(wěn)定在72–76K。?節(jié)能效果?：電能利用率提升至98%，年節(jié)電成本超2000萬元。（2）?電解鋁廠超導母線改造。?應用場景?：替代傳統(tǒng)銅排母線，傳輸30kA級直流電流。?技術突破?：超導帶材層間采用聚酰亞胺絕緣膜，降低交流損耗至常規(guī)電纜的1/5。三、可再生能源并網(wǎng)?蘇州光伏電站直流超導輸電示范項目。?技術特征?：全球首條高溫超導低壓直流電纜，額定電壓±10kV，輸電容量50MW。?運行數(shù)據(jù)?：線損較交流系統(tǒng)降低70%，適配光伏波動性發(fā)電特性。四、極端環(huán)境電力保障?南極科考站超導供電系統(tǒng)。?環(huán)境適應性?：在-50℃極寒條件下，通過自研真空絕熱層將液氮蒸發(fā)率控制在0.5%/天以下。?可靠性驗證?：連續(xù)無故障運行超1年，解決極地長距離輸電溫升難題。截至2025年，全球已建成超導電纜示范工程超50項，其中中國占比達60%，覆蓋城市電網(wǎng)、工業(yè)用電、新能源等領域。6-5什么是等離子體？簡述等離子技術具體應用示例。?等離子體?是物質(zhì)的第四態(tài)，由電離氣體構(gòu)成，包含自由電子、正負離子及中性粒子，整體呈現(xiàn)電中性。其形成需通過高溫或強電磁場使氣體電離，例如恒星內(nèi)部（如太陽）的高溫環(huán)境（約1500萬攝氏度）或電弧放電現(xiàn)象。與普通氣體相比，等離子體具有導電性、受電磁力支配和集體運動特性。等離子體技術應用示例（1）工業(yè)生產(chǎn)中的?金屬表面處理。利用氬等離子體轟擊金屬表面，可清除納米級污染物和氧化層，提升金屬親水性及粘合性能。?實例?：半導體封裝中通過氫等離子體去除焊線基材的氧化物，增強連接可靠性。（2）?材料合成。甲烷在氫等離子體中熱解制備乙炔，簡化傳統(tǒng)工藝但電耗較高。硼砂與尿素在電弧等離子體中生成高純氮化硼粉，純度達99.9%。（3）?核聚變研究。高溫等離子體（溫度超1億開爾文）用于模擬太陽內(nèi)部反應，推動可控核聚變技術發(fā)展。（4）?廢氣處理。臭氧等離子體分解工業(yè)廢氣中的VOCs（揮發(fā)性有機物），轉(zhuǎn)化效率超90%。（5）醫(yī)療領域中的?低溫等離子滅菌。過氧化氫等離子體可在40–50℃下殺滅細菌孢子，用于手術器械滅菌，避免高溫損傷。（6）醫(yī)療領域中的?生物材料改性。氧等離子體處理高分子材料表面，增強其與人體組織的相容性，用于人工關節(jié)涂層。（7）半導體、?芯片制造。等離子蝕刻技術通過氟基氣體電離形成活性粒子，在硅片上精確刻蝕納米級電路。（8）?顯示技術。等離子電視利用惰性氣體電離發(fā)光，實現(xiàn)高對比度顯示（已逐步被替代）。（9）日常生活中舉例。?熒光照明?：汞蒸氣在電場下電離發(fā)光，激發(fā)熒光粉產(chǎn)生可見光；?食品包裝?：等離子涂層增強塑料瓶阻隔性，延長飲料保質(zhì)期。截至2025年，全球約60%的半導體制造和30%的醫(yī)療滅菌設備依賴等離子技術。6-6什么是核聚變？典型的核聚變實驗裝置有哪些？?核聚變?是輕原子核（如氘、氚）在極端高溫高壓條件下結(jié)合成較重原子核（如氦），并釋放巨大能量的反應過程。其核心科學原理基于愛因斯坦質(zhì)能方程，反應中部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，單位質(zhì)量燃料釋放的能量可達化石燃料的百萬倍以上?？煽睾司圩冃铦M足三大條件：（1）?高溫?：燃料需加熱至上億攝氏度形成等離子體，克服原子核間的靜電斥力；（2）?高密度?：等離子體密度需達到特定閾值以增加碰撞概率；（3）?長時間約束?：通過磁場或慣性約束維持等離子體穩(wěn)定，避免能量散失。典型核聚變實驗裝置（1）?全超導托卡馬克裝置（EAST）。?技術特點?：由中國中科院合肥物質(zhì)科學研究院研制，采用環(huán)形磁場約束等離子體，超導線圈可在零電阻狀態(tài)下產(chǎn)生高強度磁場。2025年實現(xiàn)1億攝氏度等離子體運行100秒，為國際首個突破分鐘級穩(wěn)態(tài)運行的裝置。（2）?國際熱核聚變實驗堆（ITER）。由中、美、歐等35國共建，計劃驗證氘氚聚變的科學可行性，目標輸出功率達500MW（輸入功率50MW）。?技術路徑?：基于托卡馬克構(gòu)型，磁場強度達13特斯拉，等離子體體積達840立方米。（3）?激光聚變裝置。通過高能激光瞬間壓縮氘氚燃料靶丸，引發(fā)內(nèi)爆產(chǎn)生極端高溫高壓環(huán)境。美國國家點火裝置（NIF）曾實現(xiàn)能量凈增益（Q>1）實驗。截至2025年，全球超過50個大型聚變實驗裝置在運行，中國EAST、歐洲JET及美國DIII-D等成為關鍵技術驗證的核心平臺。6-7舉例說明我國在核聚變領域的研究貢獻。我國在核聚變領域的研究貢獻示例（1）實驗裝置自主研發(fā)，如?全超導托卡馬克裝置（EAST）。2025年1月20日，EAST實現(xiàn)1億攝氏度等離子體高約束模運行?1066秒?，創(chuàng)全球最長穩(wěn)態(tài)運行紀錄，驗證了超高溫等離子體約束技術的可行性。該裝置首次突破分鐘級穩(wěn)態(tài)運行限制，為ITER和未來聚變堆工程提供關鍵數(shù)據(jù)支持。（2）?HL系列裝置迭代。HL-2M裝置在2020年將等離子體溫度提升至1.2億攝氏度，達到核聚變點火條件；2021年實現(xiàn)等離子體穩(wěn)態(tài)運行1056秒，為千秒級長脈沖運行奠定技術基礎。（3）國際熱核聚變實驗堆（ITER）關鍵性貢獻。中國承擔ITER磁體饋線系統(tǒng)的研發(fā)，包括超導線圈、校正場線圈和真空絕熱層，被稱為ITER磁體系統(tǒng)的“生命線”；自主突破聚變堆真空室材料抗中子輻照技術，材料壽命提升至國際同類產(chǎn)品的3倍以上。（4）?技術標準輸出。主導制定ITER超導磁體電磁設計規(guī)范，解決多國技術標準兼容性問題；為ITER提供首個通過認證的鎢銅偏濾器模塊，耐高溫性能達2000萬次熱循環(huán)測試。（5）關鍵技術突破。?高溫等離子體控制：開發(fā)微波加熱與中性束注入復合加熱技術，使等離子體電流驅(qū)動效率提升40%；提出“雪花”磁位形控制方案，降低等離子體邊緣局域模（ELM）頻率，提升約束穩(wěn)定性。（6）?燃料循環(huán)技術。建成全球首套氚增殖包層實驗系統(tǒng)，氚自持率突破1.05（理論值需≥1.1）；（7）開發(fā)海水提氘工業(yè)化技術，氘豐度提純成本降低至傳統(tǒng)方法的1/3。我國通過EAST、HL系列裝置的技術突破，以及ITER核心部件研發(fā)，實現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”的跨越。截至2025年，中國在聚變堆材料、等離子體約束時長等關鍵指標上保持全球領先，為2035年建成示范性聚變電站奠定基礎。6-8簡述磁流體發(fā)電的基本原理。?磁流體發(fā)電是一種將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術，其核心基于導電流體（如等離子體或液態(tài)金屬）在磁場中的運動引發(fā)電磁感應。以下是其基本原理的簡要說明：1.?法拉第電磁感應定律的應用。??導電流體?：高溫電離氣體（等離子體）或液態(tài)金屬被用作導電介質(zhì)，通常需要添加電離種子（如鉀鹽）以增強電導率。?磁場與流體運動?：當導電流體高速通過強磁場（由超導磁體或電磁鐵產(chǎn)生）時，流體中的帶電粒子（電子和離子）受洛倫茲力作用，向相反方向偏轉(zhuǎn)，形成電荷分離。?電勢差產(chǎn)生?：電荷分離導致在垂直于磁場和流體流動方向的兩側(cè)產(chǎn)生電壓差（霍爾效應），通過電極和外接電路即可輸出電流。2.?能量轉(zhuǎn)換路徑。??熱能→動能→電能?：燃料（如化石燃料或核能）燃燒產(chǎn)生高溫高速等離子體，其動能通過磁場直接轉(zhuǎn)化為電能，無需傳統(tǒng)發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)動環(huán)節(jié)，能量損失減少。3.?關鍵組件。??燃燒室?：燃料與氧化劑燃燒生成高溫（約3000°C）等離子體；?電離種子注入?：添加鉀鹽（如K?CO?）降低氣體電離溫度，提升電導率；?發(fā)電通道?：耐高溫材料（如陶瓷）制成的矩形管道，內(nèi)置電極與磁場；?磁體系統(tǒng)?：產(chǎn)生強度約4–8特斯拉的均勻磁場。6-9簡述等離子發(fā)動機的工作原理及應用事件。等離子發(fā)動機屬于電推進系統(tǒng)，其核心通過電磁場加速帶電粒子產(chǎn)生推力，具體原理可分為以下關鍵步驟：（1）?工質(zhì)電離?：將推進劑（如氙、氫氣或空氣）電離形成等離子體，即包含自由電子和離子的帶電粒子混合態(tài)；（2）?電磁加速?：施加電場與磁場，利用洛倫茲力加速帶電粒子：（3）?霍爾效應路徑?：電子在徑向磁場中漂移形成霍爾電流，與軸向電場共同作用加速離子噴出；（4）?直接電磁加速?：雙電極間施加強電場，離子被高速推出形成推力（如俄羅斯脈沖周期模式設計）；（5）?推力輸出?：高速噴射的等離子體產(chǎn)生反作用力驅(qū)動航天器，比沖可達化學火箭的10倍以上。典型應用事件（1）技術驗證與早期應用。?1964年，美國衛(wèi)星SERT-1首次搭載離子發(fā)動機完成太空飛行驗證；?2025年3月，中國成功研制大推力磁等離子體發(fā)動機，實現(xiàn)100千瓦級穩(wěn)定運行，計劃用于深空探測。（2）創(chuàng)新研發(fā)與突破。?俄羅斯火星計劃，開發(fā)脈沖周期等離子體發(fā)動機，輸出功率300千瓦，可支持單程火星任務（1–2個月），2030年前完成飛行版測試；?多工質(zhì)適配，中國實現(xiàn)空氣、氫氣等多類型推進劑兼容技術，提升發(fā)動機適應性。6-10什么是高功率脈沖技術？高功率脈沖發(fā)生器的基本原理是什么？有哪些應用？高功率脈沖技術是一種通過儲能、能量壓縮與快速釋放，將低功率能源瞬時轉(zhuǎn)換為高功率脈沖輸出的電物理技術。其核心特征包括：（1）?能量密度高?：以較長時間儲存能量，再通過短脈沖（微秒至秒級）集中釋放，功率可達兆瓦甚至吉瓦；（2）?多能態(tài)轉(zhuǎn)換?：支持電能、磁能、化學能等多種能量形式的存儲與轉(zhuǎn)換；（3）?跨學科交叉?：涉及儲能技術、高壓絕緣、功率開關及控制技術等多個領域。高功率脈沖發(fā)生器基本原理：高功率脈沖發(fā)生器是實現(xiàn)該技術的核心設備，其工作原理可分為以下關鍵步驟：（1）?能量儲存。通過電容器組、電感或飛輪等儲能元件，將低功率能源（如電網(wǎng)交流電）轉(zhuǎn)換為高壓直流電并儲存，典型儲能裝置包括高壓直流電源（含整流、逆變、升壓模塊）和脈沖形成網(wǎng)絡。（2）?能量轉(zhuǎn)換與釋放。利用高功率開關（如火花隙、半導體開關）在極短時間內(nèi)觸發(fā)能量釋放；通過振蕩器或脈沖調(diào)制器生成特定波形（如方波、指數(shù)波），脈沖前沿越陡峭，能量利用率越高。（3）?負載匹配與控制。結(jié)合高壓絕緣技術，確保能量高效傳輸至負載（如電磁線圈、粒子加速器）；采用現(xiàn)代控制系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)（頻率、幅度、寬度）以滿足不同需求。主要應用領域有：?（1）?能源與科研。例如：?受控核聚變，為托卡馬克裝置提供約束磁場，驅(qū)動等離子體穩(wěn)定運行；?粒子束與強激光，生成高能粒子束或驅(qū)動激光器，用于材料科學、核物理研究。（2）?工業(yè)與民生。例如：?食品殺菌，指數(shù)波或方波脈沖電場可高效滅活微生物，減少能量損耗（如高壓脈沖殺菌設備）；?電磁成形，利用脈沖磁場對金屬材料進行無接觸塑性加工。（3）?國防與航天。例如：?電磁發(fā)射中，驅(qū)動電磁炮、電磁彈射系統(tǒng)，實現(xiàn)高速動能武器設計；?雷達與通信中，高頻脈沖發(fā)生器生成精準信號，提升雷達探測與數(shù)據(jù)傳輸效率。（4）?極端環(huán)境模擬。例如：?核爆炸效應模擬，通過吉瓦級脈沖裝置復現(xiàn)電磁脈沖環(huán)境，用于防護技術測試；?雷電模擬，研究高壓脈沖對電子設備的破壞機制及防護策略。6-11什么是電磁環(huán)境？電磁環(huán)境對人類和設備的影響有哪些？電磁環(huán)境指存在于特定空間內(nèi)的所有電磁現(xiàn)象總和，包括天然和人工產(chǎn)生的電磁輻射、電磁感應及電磁干擾等。其核心特征包括：（1）?天然源?：地球磁場、雷電、太陽輻射等自然現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁波；（2）?人工源?：電力系統(tǒng)、通信設備、家用電器及工業(yè)設備等；（3）?頻譜多樣性?：覆蓋從工頻到微波的廣泛頻段，信號形式包括連續(xù)波、脈沖波等。電磁環(huán)境的高強度暴露可能引發(fā)以下健康風險：（1）?生理影響。?熱效應?：電磁波使體內(nèi)水分子摩擦升溫，導致組織損傷（如白內(nèi)障、器官功能異常）；?非熱效應?：干擾人體生物電場，引發(fā)頭痛、失眠、免疫力下降及內(nèi)分泌紊亂；?生殖危害?：長期暴露可能導致男性精子質(zhì)量下降、孕婦流產(chǎn)或胎兒畸形。（2）?長期風險。高劑量輻射可能加速癌細胞增殖，增加白血病、腦瘤等疾病風險；心血管系統(tǒng)異常（如心悸、心動過緩）及神經(jīng)系統(tǒng)功能退化。（3）設備影響。電磁環(huán)境通過干擾信號或直接破壞電路威脅設備運行。對于?通信與電子設備，無線電信號受工頻干擾（如高壓線附近收音機雜音）或射頻干擾（如基站影響導航系統(tǒng)精度）；而精密儀器（醫(yī)療設備、實驗室傳感器）因電磁脈沖誤觸發(fā)數(shù)據(jù)錯誤或功能失效。在?工業(yè)與能源系統(tǒng)，高壓輸電線路電暈放電導致能量損耗，并干擾周邊電子設備；工業(yè)高頻設備（如塑料熱合機）泄漏輻射，影響生產(chǎn)線自動化控制穩(wěn)定性。（4）?安全威脅。恐怖分子通過高能脈沖攻擊電網(wǎng)、通信網(wǎng)絡，引發(fā)大規(guī)模癱瘓；雷電或核爆電磁脈沖（NEMP）可燒毀未防護的電子元件。6-12電磁污染的特點有哪些？對人體生物和設備的危害有哪些？怎樣進行電磁防護？?電磁污染特點：?（1）?來源多樣性。?天然來源?：地球磁場、雷電、太陽輻射等自然現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁波；?人工源?：電力系統(tǒng)（高壓線、變電站）、通信設備（基站、手機）、家用電器（微波爐、電腦）及工業(yè)設備（高頻爐、醫(yī)療儀器）等。（2）?頻譜覆蓋廣。涵蓋工頻（50Hz）至微波（300MHz以上），包括無線電波、微波、紫外線等多種頻段。（3）?隱蔽性與積累性。