電機內(nèi)部故障研究的拓荒人 ——記第四屆顧毓琇電機工程獎獲獎者王祥珩先生

電機內(nèi)部故障研究的拓荒人

——記第四屆顧毓琇電機工程獎獲獎者王祥珩先生

2013年11月21日，在成都召開的中國電機工程學會年會上，舉行了第四屆“顧毓琇電機工程獎”頒獎典禮，清華大學王祥珩教授憑借在電機動態(tài)分析領域?qū)W術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的多回路理論，突破了傳統(tǒng)電機理論的限制，成功地應用于電機主保護以及特殊電機系統(tǒng)設計和性能分析等工程領域，開拓了電機研究的新方向。他還曾獲得2012年國家技術發(fā)明二等獎，北京市科學技術一等獎，國家優(yōu)秀科技圖書一等獎，有突出貢獻的中國博士學位獲得者獎章等。

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

一 天資聰慧，樂學勤奮

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

王祥珩雖然年齡小，但熱愛學習、刻苦自律，中學六年學習的成績一直名列前茅。高中物理課上，他對童老師教的力學三定律特別感興趣，常到老師辦公室問物理學的問題。他很喜歡聽王滋務老師純正的英語發(fā)音，學了兩年英語后，學校按上級要求學習蘇聯(lián)，把英語課改成俄語課，他學俄語仍然非常認真。他愛聽舒耀南老師講有趣的歷史故事，對舒老師出的大考題從來都認真做答，每次歷史考試都會完整地回答相關歷史事件的原因、經(jīng)過、結(jié)果、意義等，即使手腕寫酸了也絕不敷衍。王祥珩各科成績經(jīng)常名列榜首，尤其是數(shù)學思維能力出眾，學校組織的該屆高中年級唯一的一次數(shù)學競賽，大家都覺得題目難度很大，結(jié)果他以高分考了第一名。王祥珩與同學的關系很好，至今還與很多同學保持著純真的友誼。

王祥珩在淮南二中度過了六年快樂、充實的時光，為日后打下了堅實的基礎，培養(yǎng)了嚴謹作風。1958年，王祥珩憑借其數(shù)學、物理、化學、俄語四門滿分100分、語文和政治90多分的優(yōu)異成績，走進了清華大學電機系。

雖然大學課程的難度和知識量都很大，但王祥珩通過自己的努力，收獲了優(yōu)異成績，除一門是4分之外，其余課程都是5分。這在上世紀五六十年代的清華園里已屬罕見，因此被我國電氣工程學科學術泰斗高景德先生挑選為其研究生。巧合的是，王祥珩大學期間唯一的4分課程，就是高先生在國內(nèi)首先開設并且親自講授的“電機過渡過程”。這門課要求深刻理解電機多種特殊運行方式的物理意義，涉及很多概念和公式，是電機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。他對這些理論的深刻理解成為了以后研究工作的重要基礎。

二 善于思考，勤于實踐

高景德先生在20世紀六十年代開始嘗試解決電機定子內(nèi)部短路的準確計算問題，萌生了以線圈為單元的分析方法。王祥珩正沿著此思路進行探索時，卻被“文革”中斷了研究生學業(yè)，并于1968年被分配到四川省德陽的東方電機廠（該廠是新中國布局的三大動力生產(chǎn)基地之一）。他從工人、技術員做起，各個工序都親自操作過。從清華大學的研究生轉(zhuǎn)換到工廠的生產(chǎn)勞動，王祥珩從未抱怨過，反而將此當作增加實際生產(chǎn)知識的機會，虛心向工人師傅請教，提高自己的動手能力和操作水平。之后，東方電機廠又將王祥珩調(diào)到設計科的實驗研究部門，從事大型電機的科研及實驗工作。

十年浩劫結(jié)束后，教育部決定恢復研究生教育。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、支持他考研、深造。當時已擔任清華大學副校長的高先生辦事公道，仍建議昔日的得意弟子參加清華大學電機系的研究生招生考試。王祥珩當時已是兩個孩子的父親，每天在完成繁重的工作之后，多虧妻子的全力支持，才能擠出時間進行復習。好在他昔日的功底很扎實，到電機廠仍保持著善于思考的好習慣，經(jīng)常就生產(chǎn)實驗中發(fā)現(xiàn)的問題進行思考和研究，對電機的理解更加深刻。1978年，王祥珩在研究生招生考試中再次名列前茅，憑自己的實力，在工作十年后仍考回清華電機系，與高景德先生再續(xù)師生緣！

三 堅實根基，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。當時無法讓全家一起調(diào)到北京，妻子仍留在四川德陽工作，一人照顧兩個年幼的孩子，從未因家事影響過王祥珩的學習和科研工作。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)攻讀博士學位的機會。

讀博期間，在導師高景德先生的指導下，王祥珩首先提出了交流電機的多回路分析方法。自1958年進入清華大學起，這已是王祥珩第4次師從高景德先生。高先生在電機工程領域是一位功底深厚而又建樹頗多的科學家。在學術上，王祥珩直接受高先生的親自指導，受益匪淺。而對他影響更大的還是高先生一絲不茍的學術精神。王祥珩在做博士論文初，曾為研究同步電機迭片磁極的阻尼作用，想在3臺電機實驗研究的基礎上用一個經(jīng)驗系數(shù)來表征其等效阻尼效應。但高先生認為3臺電機的數(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的數(shù)學模型，在考慮端部漏磁場時，由于其影響因素復雜，他想用已有的d，q，0端部漏磁參數(shù)“湊合”出相應的多回路參數(shù)，高先生說：“你這個研究都有嚴格的推導，不能在端部漏感系數(shù)上搞個不倫不類的東西”，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)的計算問題，從而形成了較為完整的電機多回路理論體系。

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“治學必須嚴謹，在科學上絕不能茍且”的原則。

圖2 王祥珩與導師高景德一起向外國學者介紹研究成果

在高先生的嚴格要求下，王祥珩形成了嚴肅認真的研究風格，練就了靜心搞科研的“定力”。多回路模型的相關研究工作，幾乎沒有可借鑒的研究成果，在把電機看作由相互運動的多個回路這一理念的基礎上，從電路分析的本質(zhì)出發(fā)，王祥珩獨立完成了主要模型的建立和參數(shù)的計算工作。復雜的公式、繁瑣的推導是一樁單調(diào)而艱巨的任務。他坐穿了冷板凳，堅持了下來。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“有突出貢獻的中國博士學位獲得者”稱號，并與高先生一起獲得了國家自然科學二等獎。

這篇多年心血澆灌的博士論文，奠定了王祥珩及其領導的團隊幾十年科研工作的根基。團隊的后續(xù)獲獎，也正是這篇博士論文內(nèi)容的擴展和延伸。

四 團隊合作，薪火相傳

王祥珩科研團隊正式建立于1998年，多年來與王祥珩并肩奮斗的還有清華大學電機系老教授、我國電力系統(tǒng)保護領域的知名專家王維儉先生。當時4位年輕成員相繼入學進入團隊攻讀清華博士學位，成為創(chuàng)新的骨干和新生力量。該團隊在兩位老先生的指導下將多回路分析技術應用于交流電機內(nèi)部故障保護和含有電力電子裝置的特殊電機系統(tǒng)的性能分析，并與電力系統(tǒng)繼電保護學科相結(jié)合，完成了10多項專利和120多座電站的工程實踐。憑借“交流電機系統(tǒng)的多回路分析技術及應用”，王祥珩團隊榮獲了2012年度國家技術發(fā)明獎二等獎。

圖3王祥珩教授在人民大會堂參加2012年度國家科技獎頒獎大會

多年來團隊養(yǎng)成的科研“定力”，每個成員都特別享受全身心投入科研的純粹感覺，使得該項課題不斷地得到發(fā)展。王祥珩常常告誡大家：“當你做研究的時候，一定不要有太多的功利思想和雜念，你要重點關注的是你筆下的那些公式和概念。當你看到科研實驗驗證了你的分析結(jié)果時，當你的設想成功應用于工程實踐時，你才能真正體會到這就是最好的人生?！?/p>

簡單純粹，刻苦勤奮。多年來，王祥珩團隊能做到靜下心來認認真真地思考，心甘情愿坐冷板凳，憑著對科學純真的熱愛，注重團結(jié)協(xié)作、優(yōu)勢互補、各盡所能，攻下了一個又一個科研難題?！?/p>

“實踐是檢驗真理的唯一標準，基礎理論工作的正確性需要大量的實驗來檢驗?！边@是王祥珩經(jīng)常掛在嘴邊的話，也是團隊的工作準則。王祥珩團隊先后在五種型式的6臺電機上進行了多種實驗。實驗電機中既有凸極電機，又有隱極電機；既有實驗室電機和動模電機，又有工廠的中型電機；實驗條件多種多樣，既有正常運行工況，更有故障運行狀態(tài)；測量比較的既有暫態(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。實驗對比全面，具有代表性，分析計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較表明了多回路分析技術的正確性和準確性。一路走來，王祥珩及其指導的博士在真機實驗方面做了大量的工作，為多回路分析技術的應用奠定了堅實基礎。

圖4 獲2012年度國家技術發(fā)明獎二等獎的項目組集體照

五 科研創(chuàng)新，攻堅克難

在科研的原野上，辛勤勞作必將收獲豐碩。王祥珩領銜的項目組經(jīng)過30余年的悉心灌溉，終于收獲了創(chuàng)新的果實。交流電機系統(tǒng)的多回路分析技術提出了基于電機實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線圈為基本單元的電機多回路參數(shù)計算技術，解決了電機時變參數(shù)的計算問題?；陔姍C內(nèi)部物理概念的內(nèi)部故障穩(wěn)態(tài)過程的求解技術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。

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

該項目的意義絕不僅于此。作為一項具有自主知識產(chǎn)權的技術，交流電機系統(tǒng)的多回路分析技術既是電機新的理論體系，又是分析電機系統(tǒng)運行性能的新手段和新技術，不僅大大推動了電機分析及繼電保護學科的發(fā)展，還對電力安全和國防安全具有重要意義。

項目組將多回路分析技術應用于交流電機內(nèi)部故障保護，與電力系統(tǒng)繼電保護學科相結(jié)合，創(chuàng)造了大型發(fā)電機主保護配置方案的定量化設計技術，徹底改變了國內(nèi)外以往僅憑概念和經(jīng)驗的定性設計理念，開辟了我國主保護設計的新局面。

此外，團隊還成功地將多回路分析技術應用于含有電力電子裝置的交直流混合供電發(fā)電機系統(tǒng)和多相高速整流異步發(fā)電機系統(tǒng)的性能分析，充分考慮電力電子裝置的非線性、電機氣隙幾何形狀、磁路飽和、齒槽效應等復雜因素的影響，為設計和研制提供了依據(jù)。這些特殊電機系統(tǒng)的研究成果已實際應用于海軍裝備的設計中，受到總裝備部、國防科工委和海軍裝備部的高度重視，為國防安全做出了貢獻，對國防建設和國民經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義。

面對獲得“顧毓琇電機工程獎”這一崇高榮譽，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，他在電機主保護方面的遠見卓識推動了電機多回路分析技術的發(fā)展，促成了電機主保護技術的大幅進步。所以這個獎項是我們電機工程界、我們研究團隊的共同榮譽，希望這些研究成果能在國民經(jīng)濟和國防建設中發(fā)揮更多作用。

科研無止境。雖然已經(jīng)退休十多年，他仍然堅持每天上午九點和下午三點準時到達辦公室。由于他的準時和堅持，團隊成員們親切地稱他為“九三學社成員”。盡管王祥珩教授年事已高，由于他在學術方面的造詣深厚，外單位博士研究生答辯、重大項目評審還經(jīng)常邀請他作為專家參加。

“未來的路還很長，我們相信，將來會有更多電機領域的‘攀登者’，會產(chǎn)生更為出色的科研成果，為祖國的電機事業(yè)發(fā)展做出更多、更大的貢獻?！蓖跸殓駮诚胛磥?，充滿希望。

圖5 王祥珩教授在辦公室的工作照