中国科学院电工研究所 中国科学院北京分院
重点研究领域:电力系统稳定性、电力系统自动化、大型电机、高电压技术、电工测量仪器、电弧风洞技术、大型电感储能技术、电火箭技术、微特电机、特种电源、电加工与离子束加工、计算机应用、数控机床、超导磁体系统、磁流体发电等方面
所在地:北京市,北京
机构简介:

中国科学院电工研究所(以下简称电工所)于1958年在北京开始筹建,迄今已有50余年的历史,是我国目前从事电气科学研究的唯一国立研究机构。 创建50多年来,电工所一直承担着国家能源与电气领域的战略高技术发展及电气科学前沿研究的任务,在电力系统稳定性、电力系统自动化、大型电机、高电压技术、电工测量仪器、电弧风洞技术、大型电感储能技术、电火箭技术、微特电机、特种电源、电加工与离子束加工、计算机应用、数控机床、超导磁体系统、磁流体发电等方面取得了科研成果500余项,其中100余项已在多个领域得到了推广应用,先后获得国家和中国科学院及其他部级奖励100余项。 近10年以来,我所进一步面向国家重大战略需求、面向学科前沿,不断加强新能源、智能电网及电力节能方面的高技术研究开发布局,不断加强电气科学与材料、信息、生物和纳米科技等方面的前沿交叉科学研究,已经成为国内新能源利用、智能电网、电机与电力电子及电气驱动、应用超导技术及电气科学前沿交叉等领域的核心与骨干研究机构,在国际同行中享有很高的声誉和广泛的影响,在大型电机蒸发冷却技术、太阳能和风能发电并网技术、太阳能热发电技术、微型电网及储能、电动汽车及轨道交通的牵引供电与控制技术、脉冲功率技术、电磁推进技术、超导电力技术、超导磁体技术、磁共振成像技术、电子束曝光技术等方面取得了一大批实用化的技术成果,在太阳能电池、超导材料、生物电磁学、微纳米加工等方面取得了多方面重要的基础性科学研究成果。 多年来,电工所与美国、德国、法国、英国、日本、澳大利亚等20多个国家和地区建立了广泛的科技合作和交流。近10年来,成功主办(承办)了电磁场、磁流体发电、电机及系统、可再生能源、电气驱动、应用超导及低温工程等领域10余次重大的国际学术会议。 为进一步提高研究所科技创新能力,加强人才队伍建设,推进实验室和公共科研平台建设,保障“创新2020”和“一三五”战略目标的顺利实现,2012年开始,在广泛征求意见的基础上,研究所对科研组织机构和科研管理模式进行了相应调整,建立了以实验室为单位的新的科研组织模式,目前下设六个实验室,分别是可再生能源发电技术实验室、电力设备新技术实验室、电力电子与电能变换技术实验室、直流电网科学技术实验室、超导与新材料应用研究实验室和电磁生物学与电磁探测技术实验室,并筹建一个多学科交叉研究中心。 1977年,当国家恢复研究生招生制度后,电工所按照中科院部署,在同年下半年启动研究生招生工作。1981年,电工所被国家批准为首批学位授予单位;2000年,电工所获得“电气工程”一级学科硕士、博士学位授予权;2012年,获得“生物医学工程”一级学科硕士学位授予权;2001年,被人事部、全国博士后管理委员会批准设立电气工程一级学科博士后流动站;2006年在全国一级学科评估中,电工所整体水平排名位列全国科研院所第一,拥有中国科学院院士和中国工程院院士各1名。

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科研成果
生物医药与医疗机械

新型生物人工肝体外支持系统

一、项目简介 临床上由于各种原因引起急慢性肝功能衰竭十分常见,据统计国内每年此类患者达20~30万。肝功能衰竭是临床危象,一般内科治疗收效甚微,病死率大于80%。对于肝功能衰竭,最为有效的治疗方法是肝移植,其次是人工肝治疗。虽然肝移植治疗最有效,但存在以下难题: (1)鉴于我国器官移植法的逐步成熟与细化,供体越来越缺乏,绝大部分患者难 以获得移植机会; (2)部分患者病情危重,难以耐受肝移植手术,只能接受人工肝治疗; (3)肝移植术前需要人工肝作为桥梁,在肝移植术前等待供肝以及术前准备的过 程中,只能通过人工肝治疗改善其临床状况,为寻找合适的供肝争取时间; (4)部分患者经人工肝治疗过渡后肝功能可以恢复。 开发解毒效率高、生物转化和合成功能好、安全性强和高度自动化的新一代人源细胞混合型生物人工肝是解决肝功能衰竭治疗问题的关键。机械人工肝由于解毒功能差,无生物转化和合成功能而逐渐被生物人工肝取代。电工所在生物人工肝研究方向进行了长期不懈的工作,取得了多项重要成果。1999年~2001年期间完成了澳大利亚与中国政府间的科技合作——动物肝细胞“生物人工肝系统”的科研项目,研制出了人工生物肝系统的核心部件“生物反应器及其控制系统”,得到澳方专家的一致好评。此项工作在2002年通过了中国科学院有关部门组织的专家验收。2005年获科技部”十五”攻关项目的支持,研制成功世界首创的分体双循环生物型人工肝体外支持系统,通过了科技部专家的验收。2006年与南方医科大学合作获得科技部”十一五”重大项目的支持。经过近十年的不断努力,电工所在生物人工肝系统的核心技术研发上奠定了坚实的基础,获得了多项发明专利,现已提出了新型人源化生物人工肝系统的创新性构想。目前已申请和获得相关专利6项。 主要技术指标 (1)系统的血液净化部分可以有效地清除患者血液中与蛋白结合的毒素和水溶性毒素,调节体液电解质和酸碱平衡; (2)系统使用的永生化人源肝细胞白蛋白等多种分泌物和肝功能指标等同或接近正常人情况; (3)系统使用在载体上贴壁良好的人源肝细胞总量不少于2.5×1010个; (4)系统可为患者的肝脏进行不少于48小时的体外支持,暂时代偿肝脏功能。 二、应用范围 应用于肝功能衰竭的治疗。 三、项目所处阶段 已完成实验室研究。 四、市场前景 根据开发的原理样机估算,一套该系统批量化后成本约为50万元,每套售价100万元。保守估计国内市场的需求量超过1000套,市场价值10亿元以上,利润超过5亿元。 五、合作方式 技术转让、技术入股。

新能源与高效节能

适用于北方农宅的太阳能综合利用研究

基于对中国北方农宅建筑形式以及农民生活模式的研究发现,目前我国北方农宅冬季燃煤量已经达到1.0亿吨标煤,由此造成的碳排放已经达到3亿吨左右。由于小型燃煤锅炉燃烧效率低,不仅造成了能源浪费,也对室内外环境造成了污染的严重。据测试,在农村居民燃煤供暖过程中,室内PM2.5的排放浓度是国家标准的100倍左右,严重威胁农村居民的身体健康。根据哈佛大学公共卫生学院的预测报告,如果我国农村固体燃料利用方式无任何改进并保持现有室内吸烟状况,我国2003~2033年将有6500万人死于慢性阻塞性肺病(COPD),1800万人死于肺癌,由该两种病因引起的死亡人数将分别占这30年间总死亡人数的19%和8%。据我国现在试行的新型农村合作医疗补贴政策,国家每年仅补贴患有慢性阻塞性肺病和肺癌的农村病患就要花费331.6亿元。 为能够有效降低北方农宅采暖用煤量,以及明显改善室内外人居环境,基于北方农宅建筑形式、农村居民生活模式、资源条件等因素,提出北方“零煤耗”农宅这一理念,并基于此理念,开展太阳能综合热利用研究,提出了一套适用于北方农宅的太阳能综合热利用方案,即在农宅本体保温以及被动式太阳能热利用的基础上,开发低成本、高效的太阳能空气集热系统,如此规避太阳能热水系统在农宅应用过程中的一系列弊病,同时改善太阳能利用过程中的经济性,为太阳能在农村市场的进一步拓展奠定技术基础。

新能源与高效节能

氟碳气体替代SF6气体绝缘的新型开关

六氟化硫(SF6)气体以其优良的绝缘性能和灭弧性能广泛应用于高压、超高压和特高压电力设备中。但是,SF6气体的全球温暖化潜能值是二氧化碳的23900倍,在《京都议定书》中被列为限制使用的六种气体之一。并且,采用SF6气体的输变电设备成本高、价格贵,SF6的放电生成物含有剧毒,影响人身健康,因此,发达国家的研究人员正试图寻找能够代替SF6用于输变电设备的新介质,以减少或杜绝SF6的使用。 目前使用SF6/N2混合气体代替SF6是该类研究的一个方向,也是新一代气体绝缘电力设备的主要技术革新点,但该方案未能杜绝SF6的使用。逐渐杜绝SF6气体的使用正成为国内外科研人员和电力专家的共识。 中国科学院电工研究所通过实验发现了几种氟碳类混合气体可代替SF6气体。这些氟碳类混合气体无毒、臭氧层破坏潜能值为零,温室效应潜能值低,工频击穿强度和局部放电起始电压高,价格适中,具备了替代SF6气体的技术可行性和经济合理性。使用氟碳混合气体代替SF6气体用于气体绝缘电力设备,既保持了气体绝缘电力设备的各种优点,又杜绝了SF6的使用,能够降低生产成本和环境破坏影响,符合国家节能减排政策,市场成熟期能产生显著经济效益。以氟碳混合气体为研究对象,针对其局部放电性能、灭弧性能、传热性能展开了大量基础实验研究,并综合环保、成本、性能等多方面因素,探讨了使用氟碳混合气体替代SF6气体的可行性,初步验证了使用氟碳混合气体替代SF6气体用于12~40.5kV的电力设备具有可行性。 使用氟碳混合气体替代SF6气体用于中压开关设备的绝缘气体,其全球温暖化潜能值降低为SF6的7~9%,而开关设备的体积及通流能力基本不变。 二、 应用范围 中压等级的气体绝缘开关,利用真空灭弧室进行开断,低压气体介质绝缘,具有体积小,安全和可靠性高、不易受环境影响等优点,尤其适用于高海拔,潮湿,污秽等恶劣的环境,在城市配电等领域也有大量应用,正逐渐成为中压开关领域的主流产品。其使用场合如下。 1)城市电网建设、城市地铁、轻轨、高层建筑、大型工矿企业以及特殊使用场合; 2)温度变化大和高湿环境(如湿热带地区)、高温及低温地区(如沙漠地区和南北两极区)、环境中含有自然物质(如沿海的盐雾、工业粉尘)或化学性腐蚀物质(化工厂、炼油厂)的地方,还有地震区、有震动的场合; 3)高原地区及安装受限制的狭窄场合等;苛刻、严酷环境

先进制造技术

采用回路热管技术的输变电设备用新型高效换热器

输变电设备,如变压器、电抗器、互感器等,一般采用空气或者绝缘油作为绝缘和冷却介质。传统的冷却方式,一般有空冷、风冷、水冷等,即通过比热换热的原理,使用空气或水作为冷却介质,通过换热器与运行中的输变电设备的冷却介质进行热量交换。上述三种冷却方式对应的冷却器分别是片式散热器、风冷冷却器和水冷冷却器,但是多年的运行经验表明,以上传统冷却器都有其固有的缺陷和问题,越来越不能满足新形势下城市电网中输变电设备大容量、低噪音、小体积的需求。 采用回路热管技术的新型高效换热器技术,打破了传统输变电设备冷却技术的比热换热原理,研发出采用不燃、高绝缘强度的氟碳介质进行自然循环相变换热的换热器,有效地解决了上述散热、噪音、泄漏等问题,有以下几个主要特点: (1)由于氟碳介质的汽化潜热较比热值大得多,因此换热器中氟碳介质蒸发侧的换热系数可达几百到几千W/m2K,大大提高了换热效率,减小了冷却系统的体积和重量,降低了成本; (2)冷却系统在运行中呈自然循环方式,不需要泵,极大提高了运行可靠性,并降低了噪音,从根本解决了噪音扰民的问题; (3)换热器运行压力低,工作气压相对水冷却器的水压减小了一个数量级,降低了对冷却器机械强度和密封的要求,也减小了泄漏的原动力; (4)因氟碳介质的电绝缘水平高,即使出现泄漏,漏入并混合进变压器油中也不会造成变压器的绝缘事故; (5)可实现移位换热。采用热管技术的新型高效换热器技术是一种二级冷却方式,能有效地将热能通过氟碳介质的相变从地下热源转移至地面上来,或从A处转移至B处,为移位换热输变电设备和系统的紧凑设计和高效运行提供条件; (6)换热器结构多样化、个性化设计,可因地制宜,根据设备类型、结构和安装环境等因素设计最优的冷却系统工作方式。

电子信息技术

特高压换流变压器绝缘材料特性与绝缘可靠性评价软件包

特高压换流变压器的作用是向换流站提供交流功率或从换流站接收交流功率,并且将网侧的电压变换成阀侧所需的电压,反之亦然。由于特高压直流输电的特殊性及运行条件的复杂性,换流变压器从结构设计、绝缘材料特性、运行特性等方面与普通电力变压器相比有很大差异。这主要表现在绝缘材料尤其是固体绝缘材料性能参数的实验研究较少导致绝缘材料特性不明确、特高压换流变压器的电气特性探索处于起步阶段、换流变压器绝缘系统的可靠性评价判据及相关试验方法不完善等。 然而,我国的特高压直流输电工程正处于规划建设和快速发展阶段,尚缺乏±800kV特高压直流输电长期运行的经验。因此,有必要结合特高压直流输电的特征,开展换流变压器绝缘材料性能的实验研究,并以此为基础,评价交直流复合电场下换流变压器的绝缘可靠性,开发特高压换流变压器绝缘材料特性与绝缘可靠性评价的软件包,为提高特高压换流变压器的绝缘性能和延长其使用寿命提供客观丰富的实验依据和理论支持。 为适应我国电力行业特高压输电极其良好的发展机遇和市场需求,电工所正在开展“特高压换流变压器绝缘材料特性与绝缘可靠性评价软件包”的基础实验研究与软件包开发。 针对绝缘材料特性的基础性试验匮乏和交、直流独立评价绝缘可靠性的缺陷,从实验研究入手,研究绝缘材料的电导率、介电系数、介质损耗等特性及绝缘系统的电气性能,并建立特高压换流变压器绝缘系统可靠性评价的统一判据。在此基础上,开发特高压换流变压器绝缘材料特性与绝缘可靠性评价软件包,该软件包的具体技术特点如下: 具备特高压换流变主要绝缘材料随温度、湿度、电场强度等变化的典型参数库; 提供特高压换流变压器主要绝缘材料电导率、介电系数、介质损耗等性能参数的函数表达式,如绝缘油、油浸纸、纸板等,分析主要绝缘材料的特性规律; 提供多维场下特高压换流变压器绝缘系统电气性能的函数表达式,如交流、直流、交直流复合电场、极性反转、谐波等,分析其电气性能; 提供交、直流复合电场下绝缘系统可靠性评价的统一判据及许用值,输入工厂试验或经验值,可自动判断绝缘系统的绝缘强度、绝缘可靠性等; 可自定义绝缘材料的参数库,自定义绝缘材料参数性能、电气性能的模型等,进行绝缘材料特性的计算与分析; 封装绝缘参数性能各数据的参数选择、统计分析和机器学习等算法,可实现绝缘材料特征量的筛选提取、与绝缘性能的关联分析、数据处理

电子信息技术

220kV城市电网地下变电站用不燃型液浸变压器

随着我国城市化进程加快,一些郊区变电站逐渐变成了市区变电站;也有些城市中心变电站需要在安装场地不增加的前提下,大幅度地扩容改造。在这些变电站的改造和建设过程中,无油化及防火阻燃的消防要求迫使供电部门不得不采用全新的、具有不燃或难燃性能的电力变压器。目前国际和国内电力变压器的发展趋势,是进一步向大容量、高电压、无油化、高效化方向发展,城网用变压器向高阻抗、不燃、防爆、低噪音方向发展。 现有的大容量电力变压器都是采用普通的矿物油作为绝缘和冷却介质,而普通变压器油具有易燃性、易爆性(如下图所示)。为防备变压器起火后的火灾规模扩大,很多油浸式变压器配备有水喷雾灭火装置或排油注氮灭火装置,使设备投资扩大,且只能灾后补救,不能预防矿物油的燃烧,事故隐患依然存在。 部分城市为提高消防等级,使用了不燃的六氟化硫气体绝缘变压器,但其缺点是冷却效率不高,过负荷能力低,成本昂贵(是油变的2.5~3.0倍),制作周期也比较长,且存在环保问题,难以满足我国输变电行业对不燃型变压器的需求。目前国内的六氟化硫气体绝缘变压器产品一般为110kV电压等级,提升至220kV需要进一步解决绝缘、散热等方面的问题。 不燃型氟碳化合物绝缘液浸变压器利用具有不燃不爆、绿色环保、绝缘强度高等特性的氟碳介质代替变压器油作为绝缘和冷却介质,通过研发采用氟碳介质的全新的绝缘结构和冷却系统的变压器,可以从全新的意义上很好地解决上述问题。利用冷却介质不可燃的特性,可提高城网的消防安全水平;氟碳介质自循环相变冷却的结构,可降低设备运行噪声;具有能耗低、噪音小、不燃防爆、安全可靠、经济高效、绿色环保、成本适中的特点。 不燃型液浸电力变压器代替六氟化硫气体绝缘变压器可以降低设备投资,代替普通的油浸式电力变压器可提高防火安全水平,因此具有巨大的社会效益和可观的经济效益。