代表性科研成果

代表性科研成果

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一、脉冲功率技术

实验室立足于强脉冲功率系统中的关键性、基础性技术，集中研究与高电磁参数相关的关键问题。重点围绕高密度储能技术、高功率脉冲成形与传输技术、高压大电流开关技术、脉冲电源小型化集成技术等四个方向开展了基础理论与应用研究工作。

研究了储能电容器绝缘介质在高场强下的击穿特性，提出了金属化电容器自愈能量控制技术，实现了电容器高安全性和长寿命，研制出储能密度达1.7kJ/L、寿命达1000次以上的电容器，居国内领先水平，已应用于高能激光、新概念武器等国防项目。

研究了气体开关、反向导通（RSD）半导体开关、真空开关等多种形式的等高电压强流开关，提出了基于电场均布原理的同轴式开关结构，研制的570kA高通荷能力的两电极气体间隙开关，在320kA/1650发次的满负荷寿命试验后运行状况依然良好，与国际同类开关的最高水平相当，现已应用于神光III主机工程，已成为打破国外封锁、替代进口的关键组件。

通过三维电磁场动态数值分析，解决了紧凑型脉冲电源系统内部强电磁、热等应力集中的问题，基于宏概念设计的监控技术实现了强干扰下的电磁兼容，研制的脉冲成形网络储能1.5MJ，储能密度为0.6MJ/m3，波形灵活可调，可输出幅值达1.5MA的电流；最新研制的脉冲成形网络整体储能密度已达到0.9MJ/m3，居国内领先、国际先进水平；上述脉冲电源系统已用于军口863试验装置。研制的10余套模块化、紧凑型脉冲功率电源集成系统（每套输出电流达180kA），已在“神光III”原型装置稳定运行近8年。

二、复杂电磁场分析方法及虚拟样机技术

以电磁场分析为中心的多物理场耦合分析是复杂电磁装置研究的理论基础和设计依据，也是电磁场理论研究的最重要课题。作为国内电磁场数值分析研究的开拓单位之一，实验室在电磁场分析新理论、新方法方面进行了长期、系统而深入的研究，取得系列研究成果，在国内外具有重要影响。

对电磁场边界元法的发展做出了开拓性贡献，提出了基于二阶矢量位的多连域三维边界元法和非线性迭代边界元法，解决了多连通导体区域涡流问题的计算困难，并将边界元法解题范围拓展到非线性问题。国际计算电磁学会主席A. Kost等多次高度评价本成果并将其引入专著中。获教育部高校自然科学一等奖。

在国内最早系统研究、总结基于双标量位的电磁场积分方程法，该方法计算量小而精度高，成为计算三维磁场最有效的方法。基于该算法开发的电磁场计算软件包DE2D/DE3D，直接应用于我国30MeV 强流质子回旋加速器的设计，性能达到国际先进水平。

电磁场无单元方法研究取得突破性进展，解释了无单元法数值振荡的本质原因，提出了正交基无单元法和瞬态电磁场边界型无单元方法。美国无损检测中心著名学者J. Bowler 教授将本成果作为代表性成就加以引用。获2009年全国百篇优秀博士学位论文奖。

首次提出低能回旋加速器虚拟样机技术，为加速器的优化设计研究建立了一条新途径。所开发的虚拟样机集成设计系统在中国原子能科学研究院100MeV 强流回旋加速器建造过程中帮助确立了整体型磁铁结构方案，起到了重要的技术支撑作用。研究成果在ICEMS 08国际会议上做大会特邀报告。本研究获得国家自然科学基金重点项目和国防基础研究项目的重要支持，获湖北省科技进步一等奖。

三、高维电磁系统控制与保护

实验室针对复杂电磁系统日益呈现的超高维数、非线性、刚性强等新特点，研究了高维复杂电磁系统的控制、保护等关键问题，取得系列突出成果。

研究了复杂电力系统的稳定、功率振荡和故障特征等问题，在电力系统智能控制领域所提出的发电机励磁自适应控制理论被学术界广泛引用，受到国际自适应控制大师瑞典皇家科学院院士Wintternmark教授、英国皇家科学院院士Hoog教授等本领域权威的高度评价，并被ABB公司应用于其生产的发电机励磁控制系统；研制的大型汽轮发电机组机电耦合轴系扭振诊断专家系统成功应用于30万千瓦等大型汽轮发电机组，大大减少了机组故障停机时间。基于上述成果研制的复杂电力系统系列稳定控制装置已应用于三峡电站、葛洲坝电站、亚洲第一世界第三的江厦潮汐电站等国家重点工程。

研究了大型电磁装备及复杂电力系统的保护技术，在国际上首次提出距离保护自适应特性的概念，自适应发电机保护、母线保护和线路保护等在三峡电站、我国第一条1000kV 特高压输电线路等国家重点工程得到广泛应用；基于复杂电力系统保护分析理论开发的“大型电网继电保护整定计算自动化系统”、“大型联合电力系统运行模拟软件”等系列软件，解决了大型复杂电力系统保护整定与规划的海量计算和关键参数信息缺失问题，获得国家电网公司、南方电网公司等全国200多家电力公司的广泛应用，产生直接经济效益超过5亿元。

开展了利用储能技术提高复杂电力系统安全稳定性的研究工作。研制出我国第一套用于电力系统稳定控制的35kJ/7kW直接冷却高温超导磁储能装置，磁体的临界电流为150A （20K）、中心场强4.5T、临界储能容量84kJ，已成功进行了电力系统现场试验；提出了基于磁悬浮飞轮储能的柔性功率调节器，并将其应用于提高复杂电力系统的动态稳定性，该研究被列入国家科技部“十二五”863重大项目指南。获得多项国家发明专利，为提高复杂电力系统的安全稳定水平提供了重要技术储备。

提出了基于模块化大电流并联技术的新型超大开断容量高压开关理论和实现方案，获得国家发明专利，牵头成功申报了国家科技部支撑计划项目，可望为我国大型发电装备及巨型电力系统中超大短路电流的切除与保护提供具有自主知识产权的解决方案，从而解决现有高压保护断路器因系统短路电流过大而无法开断的国际性难题。

对舰船用电源变换装置可靠性和电磁兼容等问题进行了系统研究，在国内最早解决了电源变换装置应用于舰船的可靠性和电磁兼容问题，研制成功三十多种应用于我国战斗舰艇的新型电源变换与控制装置，使本实验室成为我国舰船电源变换与控制装置重要的研制基地。

本研究获得国家科技进步二等奖3项，省部级科技成果一等奖6项、二等奖10项、全国百优博士学位论文提名奖1篇。5年来，承担了国家973计划、国家863计划、国家自然科学基金（重点）、国防装备研究等多项重大科研任务，研究经费达到1.4亿元。

四、高参数磁体技术

高参数磁体在带电粒子约束、中子散射、X射线衍射、电子回旋共振、生物结构谱分析以及电磁成形、磁分离、大型永磁设备整体后充磁等方面都有着重要应用。实验室针对高电压、大电流、强磁场、极低温、高应力等极端条件下高参数磁体应力与温升两大难点，研究了高参数磁体电磁场－温度场－应力场多场耦合的分析与设计理论，通过材料匹配、能量分配、强制冷却等技术，实现了对磁体应力和温升的优化与控制；研究了大型电磁线圈高品质设计、加工、测试技术，以及超强磁场在多种复杂电磁装置中的综合应用技术。