高電壓技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與探索*

李春葉 武興華 張靈

太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院 太原 030024

高電壓技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與探索*

李春葉 武興華 張靈

太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院 太原 030024

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是專業(yè)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題能力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從高電壓實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展歷程、總體設(shè)計(jì)、試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置、設(shè)備配置及今后工作展望幾方面出發(fā)，對(duì)高電壓實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)行探索和思考。

高電壓技術(shù)；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 實(shí)驗(yàn)室歷程及總體設(shè)計(jì)

太原理工大學(xué)高電壓實(shí)驗(yàn)室始建于1972年，現(xiàn)有面積636平方米，固定資產(chǎn)400多萬元。目前高電壓實(shí)驗(yàn)室擁有20米（L）×12米（W）×10米（H）的高壓試驗(yàn)大廳和16個(gè)試驗(yàn)小廳，試驗(yàn)場(chǎng)地滿足電力系統(tǒng)高壓設(shè)備的試驗(yàn)要求。隨著時(shí)代的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也不斷與時(shí)俱進(jìn)，不斷發(fā)展，為培養(yǎng)電氣工程專業(yè)學(xué)生的高電壓試驗(yàn)?zāi)芰Πl(fā)揮了巨大的作用。

20世紀(jì)70年代末，在非常艱苦的條件下，實(shí)驗(yàn)室的教師自己動(dòng)手，研發(fā)生產(chǎn)了120 kV沖擊電壓發(fā)生器及沖擊電流發(fā)生器等大型設(shè)備，于1980年建成同類高校中少有的高電壓實(shí)驗(yàn)大廳。1995年，實(shí)驗(yàn)室得到學(xué)校專款資助，購(gòu)置直流高壓發(fā)生器、數(shù)字波形記錄儀等大型精密測(cè)試儀器，實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試能力大大提高。2010年，學(xué)校加大對(duì)高電壓技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的投入。根據(jù)電氣專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了新的規(guī)劃和建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室的裝備水平和高壓試驗(yàn)?zāi)芰Φ玫竭M(jìn)一步提高。目前實(shí)驗(yàn)室主要設(shè)備有1 000 kV沖擊電壓發(fā)生器、100 kV無局部放電工頻試驗(yàn)變壓器、250 kV工頻試驗(yàn)變壓器、60 kV直流電壓發(fā)生器、變壓器油色譜分析儀及相應(yīng)配套的先進(jìn)測(cè)試記錄儀器，并添置一批數(shù)字化測(cè)量和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備電氣參數(shù)和測(cè)控技術(shù)在山西省高校中處于領(lǐng)先的水平。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)該課程內(nèi)容認(rèn)識(shí)的延伸和深化。高電壓技術(shù)這門課程的課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互依賴的特點(diǎn)更為突出，通過實(shí)驗(yàn)，不但使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，而且培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、綜合分析問題和解決問題的能力[3-7]。高電壓技術(shù)課程課堂教學(xué)內(nèi)容主要分兩大部分：高電壓絕緣與絕緣試驗(yàn)和電力系統(tǒng)的過電壓及保護(hù)。課堂教學(xué)為48學(xué)時(shí)，試驗(yàn)也相應(yīng)從絕緣和過電壓兩方面入手，試驗(yàn)學(xué)時(shí)安排為8學(xué)時(shí)。

2.1 絕緣試驗(yàn)

針對(duì)課程的高電壓絕緣部分，開設(shè)4學(xué)時(shí)試驗(yàn)，主要內(nèi)容有絕緣電阻及吸收比的測(cè)量、局部放電的測(cè)量和絕緣油中溶解氣體的色譜分析。

1）絕緣電阻及吸收比的測(cè)量。絕緣電阻是反映絕緣性能的最基本的指標(biāo)之一。絕緣良好的絕緣電阻一般很高，而劣化絕緣后的絕緣電阻則明顯下降，一般用絕緣電阻表可以檢測(cè)絕緣電阻的優(yōu)劣。對(duì)于大容量試品，規(guī)定除測(cè)量絕緣電阻之外，還要求測(cè)量吸收比K：K=R60s/R15s（60 s的絕緣電阻與15 s的絕緣電阻之比）。一般認(rèn)為K≥1.3～1.5時(shí)，絕緣是良好的[8]。

2）局部放電的測(cè)量。局部放電是導(dǎo)體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電，可發(fā)生在不同介質(zhì)，放電的能量微弱，但日積月累，將引起設(shè)備絕緣老化，最后可能導(dǎo)致整個(gè)絕緣在正常電壓下發(fā)生擊穿。開設(shè)局部放電測(cè)量實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生了解局部放電產(chǎn)生的機(jī)理，掌握依據(jù)局部放電量、放電電壓判斷電力設(shè)備絕緣質(zhì)量的方法。

3）絕緣油中溶解氣體的色譜分析。通過分析絕緣油中溶解氣體的成分、含量及其隨時(shí)間而增長(zhǎng)的規(guī)律，可鑒別故障的性質(zhì)、程度及發(fā)展情況。通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生學(xué)習(xí)SP-3420氣相色譜分析儀的具體使用方法，掌握氣相色譜分析法的基本檢測(cè)原理，以及依據(jù)絕緣油中溶解氣體的成分及含量來判斷充油電氣設(shè)備絕緣狀況的方法，以鞏固課堂上的內(nèi)容。

2.2 過電壓的產(chǎn)生

電氣設(shè)備的絕緣在運(yùn)行中除受工作電壓的作用外，還會(huì)受到電力系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種過電壓的影響，這就需要通過相應(yīng)的高電壓試驗(yàn)以確定電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度。因此，需要在高壓實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生出相應(yīng)的試驗(yàn)電壓。本部分開設(shè)4學(xué)時(shí)試驗(yàn)，包括工頻交流耐壓實(shí)驗(yàn)和沖擊耐壓實(shí)驗(yàn)。

1）工頻交流耐壓實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘箤W(xué)生掌握YDTW-125/250型工頻試驗(yàn)變壓器的接線及操作方法，掌握工頻高電壓的幾種測(cè)量方法。

2）沖擊耐壓實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘箤W(xué)生熟悉HYJD-1000kV 25kJ沖擊電壓發(fā)生器的工作原理及結(jié)構(gòu)，掌握沖擊電壓發(fā)生器的使用方法，掌握沖擊電壓的測(cè)量方法等。

通過高電壓絕緣及過電壓的實(shí)踐環(huán)節(jié)后，學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)高電壓技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)都會(huì)有較深刻的認(rèn)識(shí)，并能為學(xué)生將來在電力行業(yè)從事相關(guān)的工作提供一定的技術(shù)儲(chǔ)備。

3 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備

太原理工大學(xué)在高電壓實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中引進(jìn)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，豐富了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，對(duì)于教學(xué)和科研都提供了良好的環(huán)境。依托高電壓實(shí)驗(yàn)室，可以進(jìn)行高電壓試驗(yàn)設(shè)備的開放研究，高電壓試驗(yàn)數(shù)字測(cè)量與計(jì)量研究，電力系統(tǒng)過電壓、電力設(shè)備絕緣的在線檢測(cè)技術(shù)及電氣綜合實(shí)驗(yàn)。建成的實(shí)驗(yàn)室除開設(shè)課程實(shí)驗(yàn)外，還支撐學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，可作為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)及教師科研工作基地，以發(fā)揮更高的效能。基于上述建設(shè)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室整體建設(shè)規(guī)劃中引進(jìn)如下設(shè)備，以更好滿足學(xué)生及科研工作需求。

3.1 HYJD-1000KV 25KJ沖擊電壓發(fā)生器

如圖1所示，HYJD-1000kV 25kJ沖擊電壓發(fā)生器是產(chǎn)生脈沖波的高電壓發(fā)生裝置。沖擊電壓試驗(yàn)是電力設(shè)備高壓試驗(yàn)的基本項(xiàng)目之一。該試驗(yàn)既可用于研究電力設(shè)備遭受大氣過電壓（雷擊）時(shí)的絕緣性能，又可用于研究電力設(shè)備遭受操作過電壓時(shí)的絕緣性能。同時(shí)，在進(jìn)行電磁兼容研究及放電機(jī)理研究等許多方面也都需要進(jìn)行沖擊電壓試驗(yàn)。目前可開設(shè)出的實(shí)驗(yàn)有雷電沖擊全波試驗(yàn)、雷電沖擊截波實(shí)驗(yàn)、操作沖擊全波試驗(yàn)等。

圖1 HYJD-1000kV沖擊電壓發(fā)生器

3.2 SP-3420A氣相色譜分析儀

色譜分析儀是應(yīng)用色譜法對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量分析，研究物質(zhì)的物理、化學(xué)特性的儀器[9]。SP-3420A型色譜分析儀是在引進(jìn)美國(guó)Varian公司食品制造技術(shù)的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀，如圖2所示。該產(chǎn)品的技術(shù)性能和技術(shù)指標(biāo)均處于國(guó)際、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，廣泛用于化工、電力、科研和教育等眾多領(lǐng)域。目前可開設(shè)的實(shí)驗(yàn)有變壓器油中溶解氣體的氣相色譜分析，依據(jù)絕緣油中溶解氣體的成分及含量判斷充油電氣設(shè)備絕緣狀況的方法等。

3.3 YDTW-125/250型工頻試驗(yàn)變壓器

電氣設(shè)備絕緣在電力系統(tǒng)中會(huì)受到各種過電壓的影響，設(shè)備絕緣能否承受過電壓而不發(fā)生損壞，就必須通過相應(yīng)的高電壓試驗(yàn)以確定電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度。YDTW-125/250型工頻試驗(yàn)變壓器是一種廣泛用于電力系統(tǒng)用戶現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)各種高壓電器設(shè)備絕緣性能的設(shè)備。目前可開設(shè)的實(shí)驗(yàn)有掌握交流高壓試驗(yàn)變壓器的運(yùn)行特性，掌握試驗(yàn)變壓器短路阻抗的測(cè)量方法，試品的工頻交流耐壓實(shí)驗(yàn)，試品的過壓、過流保護(hù)實(shí)驗(yàn)等。

3.4 TPH1型電磁屏蔽室

如圖3所示，TPH1型電磁屏蔽室是利用電磁波通過金屬或?qū)﹄姶挪ㄓ兴p作用的阻擋層時(shí)，會(huì)受到一定程度的衰減的原理，有效地對(duì)電子產(chǎn)品和系統(tǒng)工程進(jìn)行寬頻范圍的精密測(cè)量及電子信息保護(hù)的一種高性能設(shè)備。使用過程中應(yīng)注意：1）嚴(yán)禁在屏蔽室的波導(dǎo)孔或波導(dǎo)窗中穿入金屬導(dǎo)線；2）開關(guān)屏蔽室時(shí)，要用力均勻，切勿撞擊；3）要定期對(duì)門扇封刀和簧片部位做清潔工作；4）定期檢查屏蔽門，以確保傳動(dòng)靈活；5）屏蔽室須保證可靠接地，接地電阻≦1 Ω。

圖2 SP-3420A型氣相色譜分析儀

3.5 DDX9101型局部放電測(cè)試儀

電氣設(shè)備絕緣的擊穿常由局部缺陷處的放電開始，對(duì)絕緣中的局部放電強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量成了檢測(cè)絕緣內(nèi)部缺陷的重要方法之一。DDX9101型局部放電測(cè)試儀整合所有模擬探測(cè)器的基本功能，提供局部放電合格測(cè)試的理想方案。該設(shè)備可對(duì)試品的局部放電進(jìn)行測(cè)量。

3.6 其他設(shè)備

目前實(shí)驗(yàn)室還配備有數(shù)字絕緣電阻測(cè)試儀、接地電阻測(cè)試儀、高精度LCR測(cè)試儀、自動(dòng)抗干擾精密介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x、真空干燥箱等，這些設(shè)備為學(xué)生消化課堂上的內(nèi)容提供了極大的便利。

4 今后工作展望

太原理工大學(xué)電氣工程專業(yè)有較長(zhǎng)的歷史，自建校以來，就一直作為學(xué)校學(xué)科重點(diǎn)建設(shè)的專業(yè)。近5年來學(xué)校加大投入力度，通過由外引進(jìn)、對(duì)內(nèi)培養(yǎng)，高電壓與絕緣技術(shù)學(xué)科的師資力量得到飛速發(fā)展，現(xiàn)有教授3人、副教授4人、講師2人、助教2人、高級(jí)實(shí)驗(yàn)師2人，已形成一支師資力量雄厚，年齡和知識(shí)結(jié)構(gòu)合理，教學(xué)水平高、教學(xué)效果好的教學(xué)科研隊(duì)伍。

今后配合學(xué)校高電壓與絕緣技術(shù)學(xué)科的發(fā)展，從滿足本科教學(xué)和教師、研究生科研的需求出發(fā)，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)繼續(xù)從實(shí)驗(yàn)人員培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新及實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)3個(gè)方面進(jìn)行規(guī)劃，大力促進(jìn)該電氣工程專業(yè)和學(xué)科的發(fā)展，擴(kuò)大在國(guó)內(nèi)的影響力。

5 結(jié)語

高電壓技術(shù)實(shí)驗(yàn)室通過近些年的發(fā)展，大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備及新型檢測(cè)裝置的使用，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，提高了學(xué)生的理論水平，在培養(yǎng)學(xué)生思考問題、解決問題的能力上取得很大成功，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。同時(shí)，新設(shè)備的引進(jìn)，對(duì)學(xué)生的科技創(chuàng)新活動(dòng)和教師及研究生的科研工作也起到巨大推進(jìn)作用，取得一系列成果。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)，今后將不斷推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的改革，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，以適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的需要。

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The experimental teaching is key link for training the students’ ability of analyzing and solving problem and innovation in professional teaching. This paper introduces the research and construction of high voltage laboratory from the aspects of development history, overall design,experimental teaching setting, equipment configuration and laboratory prospect.

high voltage technology; laboratory construction; experimental teaching

G482

B

1671-489X(2012)15-0093-03

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.15.093

Research and Construction of High Voltage Technology Laboratory//Li Chunye, Wu Xinghua, Zhang Ling

Author’s address College of Electricity and Power Engineering, Taiyuan University of Technology,Taiyuan, China 030024

對(duì)于電氣工程專業(yè)的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)高電壓相關(guān)課程的主要目的是學(xué)會(huì)正確處理電力系統(tǒng)中過電壓與絕緣這一矛盾。課程內(nèi)容的抽象性和相對(duì)復(fù)雜性，在客觀上增大了學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握的難度。在授課過程中，需要設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，才能使學(xué)生建立起一定的感性認(rèn)識(shí)，更好地理解課本上的知識(shí)[1-2]。高電壓技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)，將使學(xué)生通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、測(cè)試及親自動(dòng)手操作，具備一定的動(dòng)手能力，鞏固課堂知識(shí)，培養(yǎng)分析和解決問題的能力，提高工程素養(yǎng)及實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的靈活運(yùn)用，系統(tǒng)地掌握高電壓技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的理論知識(shí)和技能。本文從高電壓實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展歷程、總體設(shè)計(jì)、試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置、設(shè)備配置及今后工作展望幾方面對(duì)太原理工大學(xué)高電壓實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)行探索和思考。

2011年太原理工大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目。作者：李春葉，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與運(yùn)行。

圖3 TPH1型電磁屏蔽室