電機(jī)內(nèi)部故障研究的拓荒人

——記第四屆顧毓琇電機(jī)工程獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)咄跸殓裣壬?/p>

2013年11月21日，在成都召開的中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)上，舉行了第四屆“顧毓琇電機(jī)工程獎(jiǎng)”頒獎(jiǎng)典禮，清華大學(xué)王祥珩教授憑借在電機(jī)動(dòng)態(tài)分析領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究及教育方面的突出成就獲此殊榮。王祥珩教授提出了電機(jī)的多回路理論，突破了傳統(tǒng)電機(jī)理論的限制，成功地應(yīng)用于電機(jī)主保護(hù)以及特殊電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能分析等工程領(lǐng)域，開拓了電機(jī)研究的新方向。他還曾獲得2012年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，北京市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，國(guó)家優(yōu)秀科技圖書一等獎(jiǎng)，有突出貢獻(xiàn)的中國(guó)博士學(xué)位獲得者獎(jiǎng)?wù)碌取?/p>

圖1“顧毓琇電機(jī)工程獎(jiǎng)”頒獎(jiǎng)典禮上，王祥珩夫婦與顧慰慶先生（顧毓琇之子）合影

一 天資聰慧，樂學(xué)勤奮

王祥珩于1940年10月出生在安徽淮南，1952年進(jìn)入淮南二中?；茨隙形挥诨茨暇琵垗?，當(dāng)時(shí)的教室是平房，宿舍是草房，食堂由竹子蘆席搭成，冬冷夏熱，洗澡只能分班排隊(duì)到礦上去洗。雖然條件艱苦，但學(xué)校風(fēng)氣正、老師水平高，王祥珩至今仍能回憶起各位老師生動(dòng)透徹的課堂講授和無微不至的關(guān)心愛護(hù)。

王祥珩雖然年齡小，但熱愛學(xué)習(xí)、刻苦自律，中學(xué)六年學(xué)習(xí)的成績(jī)一直名列前茅。高中物理課上，他對(duì)童老師教的力學(xué)三定律特別感興趣，常到老師辦公室問物理學(xué)的問題。他很喜歡聽王滋務(wù)老師純正的英語發(fā)音，學(xué)了兩年英語后，學(xué)校按上級(jí)要求學(xué)習(xí)蘇聯(lián)，把英語課改成俄語課，他學(xué)俄語仍然非常認(rèn)真。他愛聽舒耀南老師講有趣的歷史故事，對(duì)舒老師出的大考題從來都認(rèn)真做答，每次歷史考試都會(huì)完整地回答相關(guān)歷史事件的原因、經(jīng)過、結(jié)果、意義等，即使手腕寫酸了也絕不敷衍。王祥珩各科成績(jī)經(jīng)常名列榜首，尤其是數(shù)學(xué)思維能力出眾，學(xué)校組織的該屆高中年級(jí)唯一的一次數(shù)學(xué)競(jìng)賽，大家都覺得題目難度很大，結(jié)果他以高分考了第一名。王祥珩與同學(xué)的關(guān)系很好，至今還與很多同學(xué)保持著純真的友誼。

王祥珩在淮南二中度過了六年快樂、充實(shí)的時(shí)光，為日后打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)。1958年，王祥珩憑借其數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、俄語四門滿分100分、語文和政治90多分的優(yōu)異成績(jī)，走進(jìn)了清華大學(xué)電機(jī)系。

雖然大學(xué)課程的難度和知識(shí)量都很大，但王祥珩通過自己的努力，收獲了優(yōu)異成績(jī)，除一門是4分之外，其余課程都是5分。這在上世紀(jì)五六十年代的清華園里已屬罕見，因此被我國(guó)電氣工程學(xué)科學(xué)術(shù)泰斗高景德先生挑選為其研究生。巧合的是，王祥珩大學(xué)期間唯一的4分課程，就是高先生在國(guó)內(nèi)首先開設(shè)并且親自講授的“電機(jī)過渡過程”。這門課要求深刻理解電機(jī)多種特殊運(yùn)行方式的物理意義，涉及很多概念和公式，是電機(jī)系最難通過的課程之一（現(xiàn)已改為研究生課程）。讀研后，王祥珩迎難而上，繼續(xù)鉆研老師的著作和電機(jī)過渡過程的各種理論，與本科階段相比取得了質(zhì)的飛躍。他對(duì)這些理論的深刻理解成為了以后研究工作的重要基礎(chǔ)。

二 善于思考，勤于實(shí)踐

高景德先生在20世紀(jì)六十年代開始嘗試解決電機(jī)定子內(nèi)部短路的準(zhǔn)確計(jì)算問題，萌生了以線圈為單元的分析方法。王祥珩正沿著此思路進(jìn)行探索時(shí)，卻被“文革”中斷了研究生學(xué)業(yè)，并于1968年被分配到四川省德陽的東方電機(jī)廠（該廠是新中國(guó)布局的三大動(dòng)力生產(chǎn)基地之一）。他從工人、技術(shù)員做起，各個(gè)工序都親自操作過。從清華大學(xué)的研究生轉(zhuǎn)換到工廠的生產(chǎn)勞動(dòng)，王祥珩從未抱怨過，反而將此當(dāng)作增加實(shí)際生產(chǎn)知識(shí)的機(jī)會(huì)，虛心向工人師傅請(qǐng)教，提高自己的動(dòng)手能力和操作水平。之后，東方電機(jī)廠又將王祥珩調(diào)到設(shè)計(jì)科的實(shí)驗(yàn)研究部門，從事大型電機(jī)的科研及實(shí)驗(yàn)工作。

十年浩劫結(jié)束后，教育部決定恢復(fù)研究生教育。求知若渴的王祥珩立即寫信給高景德老師詢問研究生的招生情況。先生親筆回信，鼓勵(lì)、支持他考研、深造。當(dāng)時(shí)已擔(dān)任清華大學(xué)副校長(zhǎng)的高先生辦事公道，仍建議昔日的得意弟子參加清華大學(xué)電機(jī)系的研究生招生考試。王祥珩當(dāng)時(shí)已是兩個(gè)孩子的父親，每天在完成繁重的工作之后，多虧妻子的全力支持，才能擠出時(shí)間進(jìn)行復(fù)習(xí)。好在他昔日的功底很扎實(shí)，到電機(jī)廠仍保持著善于思考的好習(xí)慣，經(jīng)常就生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行思考和研究，對(duì)電機(jī)的理解更加深刻。1978年，王祥珩在研究生招生考試中再次名列前茅，憑自己的實(shí)力，在工作十年后仍考回清華電機(jī)系，與高景德先生再續(xù)師生緣！

三 堅(jiān)實(shí)根基，清華鑄就

再次回到清華，在不惑之年重新讀研，妻子給予王祥珩充分的理解與支持。當(dāng)時(shí)無法讓全家一起調(diào)到北京，妻子仍留在四川德陽工作，一人照顧兩個(gè)年幼的孩子，從未因家事影響過王祥珩的學(xué)習(xí)和科研工作。王祥珩順利完成研究生論文答辯，因表現(xiàn)出色而留校任教，并獲得了繼續(xù)攻讀博士學(xué)位的機(jī)會(huì)。

讀博期間，在導(dǎo)師高景德先生的指導(dǎo)下，王祥珩首先提出了交流電機(jī)的多回路分析方法。自1958年進(jìn)入清華大學(xué)起，這已是王祥珩第4次師從高景德先生。高先生在電機(jī)工程領(lǐng)域是一位功底深厚而又建樹頗多的科學(xué)家。在學(xué)術(shù)上，王祥珩直接受高先生的親自指導(dǎo)，受益匪淺。而對(duì)他影響更大的還是高先生一絲不茍的學(xué)術(shù)精神。王祥珩在做博士論文初，曾為研究同步電機(jī)迭片磁極的阻尼作用，想在3臺(tái)電機(jī)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來表征其等效阻尼效應(yīng)。但高先生認(rèn)為3臺(tái)電機(jī)的數(shù)據(jù)不足以反映普遍規(guī)律，否定了王祥珩的這種“湊合”的做法。用多回路方法建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在考慮端部漏磁場(chǎng)時(shí)，由于其影響因素復(fù)雜，他想用已有的d，q，0端部漏磁參數(shù)“湊合”出相應(yīng)的多回路參數(shù)，高先生說：“你這個(gè)研究都有嚴(yán)格的推導(dǎo)，不能在端部漏感系數(shù)上搞個(gè)不倫不類的東西”，因此逼得王祥珩只能狠下工夫才解決了端部多回路參數(shù)的計(jì)算問題，從而形成了較為完整的電機(jī)多回路理論體系。

高先生在研究中十分注意精益求精，不贊成“湊合”的處理方法，這給王祥珩立下了“治學(xué)必須嚴(yán)謹(jǐn)，在科學(xué)上絕不能茍且”的原則。

圖2 王祥珩與導(dǎo)師高景德一起向外國(guó)學(xué)者介紹研究成果

在高先生的嚴(yán)格要求下，王祥珩形成了嚴(yán)肅認(rèn)真的研究風(fēng)格，練就了靜心搞科研的“定力”。多回路模型的相關(guān)研究工作，幾乎沒有可借鑒的研究成果，在把電機(jī)看作由相互運(yùn)動(dòng)的多個(gè)回路這一理念的基礎(chǔ)上，從電路分析的本質(zhì)出發(fā)，王祥珩獨(dú)立完成了主要模型的建立和參數(shù)的計(jì)算工作。復(fù)雜的公式、繁瑣的推導(dǎo)是一樁單調(diào)而艱巨的任務(wù)。他坐穿了冷板凳，堅(jiān)持了下來。翻開王祥珩書柜里珍藏的那本100多頁手抄本博士論文，從頭到尾都是雋秀的鋼筆字，寫滿了整齊的計(jì)算公式，浸透了他的汗水和辛勞。王祥珩高質(zhì)量地完成的博士論文，獲得了“有突出貢獻(xiàn)的中國(guó)博士學(xué)位獲得者”稱號(hào)，并與高先生一起獲得了國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。

這篇多年心血澆灌的博士論文，奠定了王祥珩及其領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)幾十年科研工作的根基。團(tuán)隊(duì)的后續(xù)獲獎(jiǎng)，也正是這篇博士論文內(nèi)容的擴(kuò)展和延伸。

四 團(tuán)隊(duì)合作，薪火相傳

王祥珩科研團(tuán)隊(duì)正式建立于1998年，多年來與王祥珩并肩奮斗的還有清華大學(xué)電機(jī)系老教授、我國(guó)電力系統(tǒng)保護(hù)領(lǐng)域的知名專家王維儉先生。當(dāng)時(shí)4位年輕成員相繼入學(xué)進(jìn)入團(tuán)隊(duì)攻讀清華博士學(xué)位，成為創(chuàng)新的骨干和新生力量。該團(tuán)隊(duì)在兩位老先生的指導(dǎo)下將多回路分析技術(shù)應(yīng)用于交流電機(jī)內(nèi)部故障保護(hù)和含有電力電子裝置的特殊電機(jī)系統(tǒng)的性能分析，并與電力系統(tǒng)繼電保護(hù)學(xué)科相結(jié)合，完成了10多項(xiàng)專利和120多座電站的工程實(shí)踐。憑借“交流電機(jī)系統(tǒng)的多回路分析技術(shù)及應(yīng)用”，王祥珩團(tuán)隊(duì)榮獲了2012年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

圖3王祥珩教授在人民大會(huì)堂參加2012年度國(guó)家科技獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)大會(huì)

多年來團(tuán)隊(duì)養(yǎng)成的科研“定力”，每個(gè)成員都特別享受全身心投入科研的純粹感覺，使得該項(xiàng)課題不斷地得到發(fā)展。王祥珩常常告誡大家：“當(dāng)你做研究的時(shí)候，一定不要有太多的功利思想和雜念，你要重點(diǎn)關(guān)注的是你筆下的那些公式和概念。當(dāng)你看到科研實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了你的分析結(jié)果時(shí)，當(dāng)你的設(shè)想成功應(yīng)用于工程實(shí)踐時(shí)，你才能真正體會(huì)到這就是最好的人生?！?/p>

簡(jiǎn)單純粹，刻苦勤奮。多年來，王祥珩團(tuán)隊(duì)能做到靜下心來認(rèn)認(rèn)真真地思考，心甘情愿坐冷板凳，憑著對(duì)科學(xué)純真的熱愛，注重團(tuán)結(jié)協(xié)作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、各盡所能，攻下了一個(gè)又一個(gè)科研難題?！?/p>

“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，基礎(chǔ)理論工作的正確性需要大量的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)?！边@是王祥珩經(jīng)常掛在嘴邊的話，也是團(tuán)隊(duì)的工作準(zhǔn)則。王祥珩團(tuán)隊(duì)先后在五種型式的6臺(tái)電機(jī)上進(jìn)行了多種實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)電機(jī)中既有凸極電機(jī)，又有隱極電機(jī)；既有實(shí)驗(yàn)室電機(jī)和動(dòng)模電機(jī)，又有工廠的中型電機(jī)；實(shí)驗(yàn)條件多種多樣，既有正常運(yùn)行工況，更有故障運(yùn)行狀態(tài)；測(cè)量比較的既有暫態(tài)過程，又有穩(wěn)態(tài)過程；短路故障既有外部短路，又有多種內(nèi)部短路。實(shí)驗(yàn)對(duì)比全面，具有代表性，分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較表明了多回路分析技術(shù)的正確性和準(zhǔn)確性。一路走來，王祥珩及其指導(dǎo)的博士在真機(jī)實(shí)驗(yàn)方面做了大量的工作，為多回路分析技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖4 獲2012年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)的項(xiàng)目組集體照

五 科研創(chuàng)新，攻堅(jiān)克難

在科研的原野上，辛勤勞作必將收獲豐碩。王祥珩領(lǐng)銜的項(xiàng)目組經(jīng)過30余年的悉心灌溉，終于收獲了創(chuàng)新的果實(shí)。交流電機(jī)系統(tǒng)的多回路分析技術(shù)提出了基于電機(jī)實(shí)際電路的全面通用的多回路分析模型，創(chuàng)造了一套完整的以單個(gè)線圈為基本單元的電機(jī)多回路參數(shù)計(jì)算技術(shù)，解決了電機(jī)時(shí)變參數(shù)的計(jì)算問題?；陔姍C(jī)內(nèi)部物理概念的內(nèi)部故障穩(wěn)態(tài)過程的求解技術(shù)也是多回路分析方法的主要組成部分，它具有物理概念清晰、求解速度快的特點(diǎn)。

“這一系列國(guó)外沒有而完全由我們自己創(chuàng)造的新技術(shù)，突破了傳統(tǒng)電機(jī)理論的限制，形成了電機(jī)理論新的體系，開拓了電機(jī)研究的新方向?！蓖跸殓裾f。

該項(xiàng)目的意義絕不僅于此。作為一項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，交流電機(jī)系統(tǒng)的多回路分析技術(shù)既是電機(jī)新的理論體系，又是分析電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行性能的新手段和新技術(shù)，不僅大大推動(dòng)了電機(jī)分析及繼電保護(hù)學(xué)科的發(fā)展，還對(duì)電力安全和國(guó)防安全具有重要意義。

項(xiàng)目組將多回路分析技術(shù)應(yīng)用于交流電機(jī)內(nèi)部故障保護(hù)，與電力系統(tǒng)繼電保護(hù)學(xué)科相結(jié)合，創(chuàng)造了大型發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案的定量化設(shè)計(jì)技術(shù)，徹底改變了國(guó)內(nèi)外以往僅憑概念和經(jīng)驗(yàn)的定性設(shè)計(jì)理念，開辟了我國(guó)主保護(hù)設(shè)計(jì)的新局面。

此外，團(tuán)隊(duì)還成功地將多回路分析技術(shù)應(yīng)用于含有電力電子裝置的交直流混合供電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和多相高速整流異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能分析，充分考慮電力電子裝置的非線性、電機(jī)氣隙幾何形狀、磁路飽和、齒槽效應(yīng)等復(fù)雜因素的影響，為設(shè)計(jì)和研制提供了依據(jù)。這些特殊電機(jī)系統(tǒng)的研究成果已實(shí)際應(yīng)用于海軍裝備的設(shè)計(jì)中，受到總裝備部、國(guó)防科工委和海軍裝備部的高度重視，為國(guó)防安全做出了貢獻(xiàn)，對(duì)國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。

面對(duì)獲得“顧毓琇電機(jī)工程獎(jiǎng)”這一崇高榮譽(yù)，王祥珩說：我要特別感謝與我有三十多年合作的王維儉老先生，他在電機(jī)主保護(hù)方面的遠(yuǎn)見卓識(shí)推動(dòng)了電機(jī)多回路分析技術(shù)的發(fā)展，促成了電機(jī)主保護(hù)技術(shù)的大幅進(jìn)步。所以這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)是我們電機(jī)工程界、我們研究團(tuán)隊(duì)的共同榮譽(yù)，希望這些研究成果能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮更多作用。

科研無止境。雖然已經(jīng)退休十多年，他仍然堅(jiān)持每天上午九點(diǎn)和下午三點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)到達(dá)辦公室。由于他的準(zhǔn)時(shí)和堅(jiān)持，團(tuán)隊(duì)成員們親切地稱他為“九三學(xué)社成員”。盡管王祥珩教授年事已高，由于他在學(xué)術(shù)方面的造詣深厚，外單位博士研究生答辯、重大項(xiàng)目評(píng)審還經(jīng)常邀請(qǐng)他作為專家參加。

“未來的路還很長(zhǎng)，我們相信，將來會(huì)有更多電機(jī)領(lǐng)域的‘攀登者’，會(huì)產(chǎn)生更為出色的科研成果，為祖國(guó)的電機(jī)事業(yè)發(fā)展做出更多、更大的貢獻(xiàn)?！蓖跸殓駮诚胛磥恚錆M希望。

圖5 王祥珩教授在辦公室的工作照