典型案例在《供电工程》教学研究中的应用
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摘 要：供电工程是电气工程及其自动化专业的专业必修课之一，由于学生缺乏电力系统基本原理和现场设备的了解基础较差，且该课程非考研科目，因此学生学习该课程知识的效率不高。为了提高学生学习供电工程的积极性和主动性，将电力系统中的电气安全和防雷过电压等关键问的的典型案例引入课程的教学中，讲理论知识与现场实际相结合，可以提高学生掌握相关知识点的效率和积极性。
关键词：案例法 供电工程 教学研究
中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0159-02
《供电工程》是高等学校工科電类专业的一门专业课。课程内容涵盖了电气安全、负荷计算与分级、供配电系统与电气设备选择、电气主接线、短路电流计算、电力线路选择、二次回路、防雷及过电压等电力系统基本内容。为了建设以航空为主要特色的高水平应用型大学，笔者学校电气工程学院在大三上学期开设了《供电工程》课程，共32学时，教材为机械工业出版社出版的国家十一五规划教材《工厂供电》。由于该课程并非考研专业课，而且学生在未参加毕业实习时对电力系统的运行原理和现场设备的认知基础较差，学生普遍学习积极性不高。为此，该文将供电工程中的典型案例应用于课程的教学过程中，通过结合现场实际，引导学生积极主动地学习课程内容。
1 供电工程中的电气安全案例
某座建筑物由一台1000kVA变压器采用TN-C-S系统供电，小间的移动式设备由末端配电箱供电，回路首端装有单相In=20A断路器，建筑物做总等电位联结，已知截面为50mm2、6mm2、2.5mm2铜电缆每芯导体在短路时每公里的热态电阻值为：0.4Ω、3Ω、8Ω。
1.1 故障电流
故障电流是指发生相线碰外壳接地故障时的电流。该移动式设备发生相线碰外壳接地故障时，故障点阻抗、变压器零序阻抗和电缆电抗可忽略不计的情况下分析计算回路故障电流Id。根据实际接线，可以根据对小间内移动设备发生相线碰外壳接地故障时的电路进行分析。因此，故障电流Id为：Id=U0/（R建筑物外相线+R建筑物内相线+R小间内相线+ R小间内PE+R建筑物内PE+R建筑物外PEN）=220/[2×（0.15×0.4+0.07×3+0.02×8）]=255.81A。该案例给出了建筑物外PEN线与相线截面相同、建筑物内PE线与相线截面相同和小间内PE线与相线截面相同的条件，因此计算故障回路电阻时可以乘2。
1.2 接触电压
接触电压是指发生接地故障时，人体接触的导电部位与大地之间的电压。流过人体的故障电流应该小于安全电流30mA。假设移动设备相线碰外壳的接地故障电流为200A。在建筑物内实施总等电位联结MEB后，该移动设备外壳上的预期接触电压Ut1为小间内PE线上的电压降加上建筑物内PE线上的电压降，即Ut1=Id×R小间内PE+Id× R建筑物内PE=200×0.07×3+200×0.02×8=74V。采用总等电位联结后的预期接触电压为故障接地点到总等电位联结的电压，即PE小间内PE线上的电压降加上建筑物内PE线上的电压降。可以看出，总等电位联结对于降低预期接触电压有一定的效果，但是预期接触电压仍然大于安全电压50V。在小间内实施局部等电位联结LEB后，该移动设备外壳上的预期接触电压Ut2仅为小间内PE线上的电压降，即：Ut2=Id×R小间内PE=200×0.02×8=32V。采用局部等电位联结后的预期接触电压为故障接地点到局部等电位联结的电压，即小间内PE线上的电压降。与总等电位联结相比，减少了建筑物内PE线上的压降，因此也就有可能将预期接触电压降低到安全电压50V以下。从该案例可以很好地说明局部等电位联结的作用。在移动设备供电回路的首端安装额定电流In为20A的断路器，断路器的瞬动电流为12In，根据《GB 50054-2011低压配电系统设计规范》，短路电流应不小于1.3×12×20=312A。
2 供电工程中的防雷和过电压案例
对注册电气工某厂根据负荷发展需要，拟新建一座110/10kV变电站，用于厂区内10kV负荷的供电，变电所基本情况如下：（1）电源取自地区110kV电网（无限大电源容量）;（2）主变采用两台容量为31.5MVA三相双绕组自冷有载调压变电器，户外布置。变压器高、低压侧均采用架空套管进线;（3）每台变压器低压侧配置两组10kV并联电容器，每组容量2400kVA，用单星形接线，配12%干式空芯电抗器，选用无重燃的真空断路器进行投切;（4）110kV设备采用GIS户外布置，10kV设备采用中置柜户内双列布置;（5）变电站接地网水平线地极采用?20热镀锌圆钢，垂直接地极采用L50×50×5热镀锌角钢，接地网埋深0.8m。
2.1 直击雷防护措施
该变电站采用独立避雷针进行直击雷保护，具体要求为：（1）独立避雷针宜设独立的接地装置。在非高土壤电阻率地区，其接地电阻不应超过10Ω;（2）独立避雷针宜设独立的接地装置，接地电阻难以满足要求时，该接地装置可与主接地网连接，但避雷针与主接地网的地下连接点至35kV及以下设备与主接地网的地下连接点之间，沿接地体的长度不得小于l5m;（3）独立避雷针不应设在人经常通行的地方，避雷针及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3m，否则应采取均压措施，或铺设砾石或沥青地面，也可铺设混凝土地面。架空线路防止雷电反击的措施，依据《交流电气装置的过电压和绝缘配合》DL/T 621-1997第5.1.2条c款。因雷击架空线路避雷线、杆顶形成的作用于线路绝缘的雷电反击过电压，与雷击参数、杆塔型式、高度和接地电阻有关，宜适当选取杆塔接地电阻，减少雷电反击过电压的危害。
2.2 过电压防护措施
依据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T 620-1997中第4.2.1条，范围I（系统最高电压3.6～252kV）的线路合闸和重合闸过电压一般不超过3.0倍，通常不需要采取限制措施。依据《并联电容器装置设计规范》GB 50227-95第4.2.10.3条：当需要限制电容器极间和电源侧对地过电压，且电抗率为12%及以上时，可采用避雷器与电抗器并联和中性点避雷器的接线。
3 结语
该文将供电工程中电气安全、防雷过电压等常见问题作为案例引入课堂教学，将教材的理论知识与生产实际问题相结合，从而使学生更透彻地理解课程相关知识点，并学会解决实际问题的能力。此外，还可以将负荷分级和计算、电气主接线等实际案例融入课堂的教学过程中，提高学生学习效率。
参考文献
[1] 霍晓玉，刘磊.应用型本科电力工程课程实践教学改革初探[J].科技视界，2017（33）：15-17.
[2] 宋佳音，唐文秀，周洪威.《工厂供电》课程工程化教学模式探索[J].电力系统及其自动化学报，2014（5）：60-61.
[3] 张连群.工厂供电工程设计方法分析[J].电子技术与软件工程，2013（7）：82-84.
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