面向航空航天院校的繼電保護(hù)課程探索與建設(shè)

江 軍 趙銘鑫 吳淑群 張潮海

南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 江蘇南京 211106

傳統(tǒng)繼電保護(hù)主要是面向大功率電力系統(tǒng)和高電壓大電流電氣裝備，以便保護(hù)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。隨著航空航天技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和不斷發(fā)展，飛機(jī)中原有的液壓和氣壓能源在能量傳輸過程中存在損耗大、利用效率低的不足，正在逐步被電能替代，達(dá)到二次能源的統(tǒng)一。尤其是借助于功率電力電子技術(shù)、智能控制、高密度高速電機(jī)等進(jìn)步，飛機(jī)的電氣化程度進(jìn)一步發(fā)展，多電飛機(jī)(More Electric Aircraft，簡(jiǎn)稱MEA)乃至全電飛機(jī)(All Electric Aircraft，簡(jiǎn)稱AEA)走向普及。多電飛機(jī)或全電飛機(jī)的電氣系統(tǒng)就是典型的電力電子化電力系統(tǒng)[2]。與氣壓/液壓?jiǎn)卧啾龋琈EA，AEA可以顯著減輕飛機(jī)的重量，降低飛機(jī)的全周期費(fèi)用，顯著提升飛機(jī)系統(tǒng)的可靠性、安全性，代表著飛機(jī)工業(yè)的發(fā)展方向。

所以，飛機(jī)上的用電設(shè)備功率需求越來越高，電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，對(duì)電能質(zhì)量要求也越來越高，尤其是部分飛行關(guān)鍵負(fù)載，一旦出現(xiàn)供電中斷，會(huì)對(duì)飛機(jī)的安全飛行造成巨大威脅，因此飛機(jī)通常采用繼電保護(hù)裝置以確保供電安全。因此，繼電保護(hù)對(duì)航空航天復(fù)雜的電氣系統(tǒng)而言非常必需，有必要開展繼電保護(hù)課程來給學(xué)生滲透對(duì)飛機(jī)電氣系統(tǒng)保護(hù)的認(rèn)知和認(rèn)同，也有助于多電/全電飛機(jī)的繼電保護(hù)裝置的研發(fā)和完善。

南京航空航天大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱“南航”)是一所國防背景高校，主要是依靠航空航天民航(簡(jiǎn)稱“三航”)具有鮮明行業(yè)特色的工科院校，并較早開設(shè)了電氣工程專業(yè)[3,4]。經(jīng)過多年發(fā)展，電氣工程學(xué)科取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，其中電力電子與電力傳動(dòng)、電機(jī)與電器二級(jí)學(xué)科均已走在了全國前列。然而，電力系統(tǒng)的課程和科研工作尚未完備，嚴(yán)重制約了南航電氣工程一級(jí)學(xué)科的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

本文以多電飛機(jī)電源和負(fù)載為切入點(diǎn)闡述航空航天電氣系統(tǒng)的典型組成，結(jié)合當(dāng)前電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的電力電子化趨勢(shì)，提出具有航空航天特色的繼電保護(hù)教學(xué)體系構(gòu)建思路，以探索與建設(shè)面向航空航天復(fù)雜電氣系統(tǒng)的繼電保護(hù)課程體系方案。

1 多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)

多電飛機(jī)(More-Electric-Aircraft，簡(jiǎn)稱MEA)上的主要負(fù)載采用電功率消耗型，也不排除小部分其他形式的功能部件(如圖1所示)。更高階段的是全電飛機(jī)，全電飛機(jī)是一種以電氣系統(tǒng)取代液壓、氣動(dòng)和機(jī)械系統(tǒng)的飛機(jī)，即所有的次級(jí)功率均以電的形式傳輸、分配。飛機(jī)的電氣化是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。在多電飛機(jī)中，廣泛采用機(jī)電作動(dòng)器(Electro Mechanical Actuator，簡(jiǎn)稱EMA)和功率電傳技術(shù)，顯著減輕了飛機(jī)的重量和降低了壽命周期的費(fèi)用，已經(jīng)開展的飛行試驗(yàn)也驗(yàn)證了機(jī)電作動(dòng)器取代液壓作動(dòng)器能提高飛機(jī)整體性能。

圖1 多電飛機(jī)能源架構(gòu)

多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能面臨不同類型的電氣故障。例如，飛機(jī)組成部件如接觸器、發(fā)電機(jī)、調(diào)壓器等自身故障，供電線路如交直流匯流條、饋電線、功率均衡環(huán)節(jié)等出現(xiàn)故障。故障的電氣參量表現(xiàn)各異，如欠電壓、過電壓、斷路、短路、欠頻、過頻和電壓不穩(wěn)定等。如果針對(duì)出現(xiàn)的電氣故障不及時(shí)采用保護(hù)措施，可能會(huì)導(dǎo)致局部或系統(tǒng)供電異常，嚴(yán)重時(shí)可能引起火災(zāi)等事故，威脅著飛機(jī)的安全飛行。圖2所示為繼電保護(hù)在多電飛機(jī)能量分布環(huán)節(jié)中的作用。

圖2 多電飛機(jī)能量使用框圖(帶底色框內(nèi)與繼電保護(hù)相關(guān))

多電飛機(jī)采用的是電力電子化的電力系統(tǒng)，其中大量使用了電力電子裝置和負(fù)載，既保證了飛機(jī)電氣系統(tǒng)的強(qiáng)可控性，也減輕了飛機(jī)的重量，實(shí)現(xiàn)輕量化和低飛行成本。繼電保護(hù)常常集成于電力電子裝置中，成為固態(tài)功率控制器(Solid State Power Controller，SSPC)的一個(gè)功能組件。

2 繼電保護(hù)發(fā)展趨勢(shì)

電網(wǎng)被認(rèn)為是目前人類構(gòu)建的最復(fù)雜的人工網(wǎng)絡(luò)，包含不同電壓等級(jí)的變電站和與輸配電線路組成的整體。在電力系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蚬收蠒r(shí)，為減輕故障設(shè)備對(duì)電網(wǎng)和電力供應(yīng)的影響，需要將故障設(shè)備及時(shí)切除，這是繼電保護(hù)的基本任務(wù)。在傳統(tǒng)早期繼電保護(hù)中，主要是利用帶觸點(diǎn)的繼電器來保護(hù)電力系統(tǒng)及其組成部件(發(fā)電機(jī)、輸電線路、電力變壓器等)。但是，隨著高壓直流輸電(HVDC)、新能源接入和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)電網(wǎng)趨于電力電子化系統(tǒng)(Power Electronics Enabled Power Systems)[5-7]。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要由同步發(fā)電機(jī)和感性元件組成，電力電子變換器(Power Electronics Converter)是個(gè)新鮮的設(shè)備。在并網(wǎng)變換器的數(shù)量和能量較低時(shí)，原有電力系統(tǒng)很容易保持理想電壓源特性，少部分的變換器與電網(wǎng)進(jìn)行交互作用時(shí)，原有電網(wǎng)以自身的運(yùn)行特性為主導(dǎo)，變換器對(duì)電力系統(tǒng)特性的影響弱化到可以忽略不計(jì)。當(dāng)前，廣泛新能源的接入，電力逆變器、電力電子型負(fù)載在電網(wǎng)中的作用顯著提升。一方面，電力電子變換器占有率持續(xù)走高；另一方面，電力系統(tǒng)中“器—網(wǎng)”交互增強(qiáng)，變換器與變換器之間的聯(lián)系頻繁，整體拓?fù)浼軜?gòu)越來越復(fù)雜，不能忽視電力電子變換器而仍假定電力系統(tǒng)為理想電壓源。

面對(duì)“器—網(wǎng)”深度交互下的電力系統(tǒng)，如何分析、設(shè)計(jì)、控制、通訊和集成是保障新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)。這恰好與多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)復(fù)雜的交直流混合體系以及典型的電力電子化特征非常吻合，這兩者有相通之處。

3 航空航天特色繼電保護(hù)教學(xué)體系

為了完善南航電氣工程學(xué)科，培養(yǎng)復(fù)合型專業(yè)人才，有必要將繼電保護(hù)課程融會(huì)貫通于多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的教學(xué)及研究工作中。

針對(duì)2種場(chǎng)合下的典型電力電子化特征，采用新視角、新理論、新方法貫穿于繼電保護(hù)的教學(xué)工作中，構(gòu)建具有航空航天特色的繼電保護(hù)教學(xué)體系。

3.1 注重理論 舉一反三 深入淺出

繼電保護(hù)與數(shù)字信號(hào)處理、單片機(jī)技術(shù)、電力系統(tǒng)分析、高電壓技術(shù)等課程有很多聯(lián)系，還包括電力電子技術(shù)和電氣測(cè)量技術(shù)課程?，F(xiàn)有的教學(xué)上往往孤立、脫節(jié)，沒有進(jìn)行全局梳理，使學(xué)生對(duì)繼電保護(hù)完整系統(tǒng)缺乏全面認(rèn)識(shí)。課堂上，教師應(yīng)將繼電保護(hù)教學(xué)作為一個(gè)整體，通過實(shí)例聯(lián)系相關(guān)課程內(nèi)容或具體章節(jié)，追蹤行業(yè)發(fā)展前沿尤其是結(jié)合實(shí)踐，例如以多電飛機(jī)作為典型的航空航天應(yīng)用對(duì)象，教學(xué)效果有望明顯提升。此外，目前繼電保護(hù)涉及的內(nèi)容和元件繁多，出現(xiàn)與其他專業(yè)課程重復(fù)的部分，就要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況將課程內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化和突出差異，如圖3所示。

繼電保護(hù)雖然是一門比較新的學(xué)科，從概念形成到當(dāng)下不足百年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于電氣工程學(xué)科的歷史，但繼電保護(hù)技術(shù)的更新很快。當(dāng)前，基于各種原理、各種技術(shù)、不同材料形成的繼電保護(hù)裝置和方案層出不窮、更迭不斷。由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，當(dāng)前電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置可謂“四世同堂”，這是因?yàn)樾录夹g(shù)不能完全替代原有的技術(shù)體系，新舊裝置、新舊原理在電力系統(tǒng)中都在使用，并且應(yīng)用對(duì)象也在發(fā)生著巨大的變化。這就要求課堂上需要將這門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程以深入淺出的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，萬變不離其宗，提倡舉一反三，降低學(xué)生學(xué)習(xí)繼電保護(hù)課程的入門門檻，提高廣大學(xué)生學(xué)習(xí)保護(hù)原理和裝置的積極性和熱情。

圖3 構(gòu)建航空航天特色繼電保護(hù)教學(xué)體系框圖

3.2 緊湊設(shè)置 優(yōu)化內(nèi)容 科學(xué)修訂

考慮到繼電保護(hù)課程涉及的保護(hù)類型和設(shè)備對(duì)象種類繁多，內(nèi)容廣泛，但學(xué)生的課程時(shí)間非常有限，需要協(xié)調(diào)好理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐教學(xué)的安排，突出實(shí)踐的重要性，所以需要科學(xué)制訂教學(xué)計(jì)劃，優(yōu)化課程內(nèi)容設(shè)計(jì)。

一方面，強(qiáng)調(diào)繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)變化。繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作與否主要受設(shè)備所處的狀態(tài)影響，所以在教學(xué)過程中啟發(fā)學(xué)生對(duì)設(shè)備狀態(tài)的把握和理解，區(qū)分故障狀態(tài)和正常運(yùn)行狀態(tài)，并且與相關(guān)的參數(shù)整定建立聯(lián)系，為學(xué)生在每種繼電保護(hù)方法和裝置的學(xué)習(xí)中建立初步的輪廓，引導(dǎo)后續(xù)參數(shù)學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

另一方面，引導(dǎo)學(xué)生分析計(jì)算繼電保護(hù)參數(shù)，深入理解繼電保護(hù)的要點(diǎn)。繼電保護(hù)涉及的內(nèi)容十分廣泛，其對(duì)應(yīng)、涉及的參量也是十分復(fù)雜。以距離保護(hù)而言，針對(duì)特定的電網(wǎng)拓?fù)?，存在不同層次和層?jí)的距離保護(hù)，引導(dǎo)學(xué)生自主計(jì)算和分析不同層次的整定參量有助于學(xué)生掌握繼電保護(hù)對(duì)應(yīng)的范圍和整定參數(shù)來源，深入理解繼電保護(hù)要點(diǎn)和原則。針對(duì)同一個(gè)電網(wǎng)拓?fù)浠蛘唠姎庋b備，也要開展不同類型的電氣繼電保護(hù)的參數(shù)計(jì)算，以油浸式電力變壓器為例，有溶解氣體保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)等多種形式。

另外，鼓勵(lì)學(xué)生追蹤和調(diào)研最新的繼電保護(hù)技術(shù)和方法，然后在課堂中進(jìn)行分享和總結(jié)，共同參與到繼電保護(hù)課程的建設(shè)中。

3.3 體現(xiàn)特色 強(qiáng)調(diào)實(shí)踐 突出電力電子化

結(jié)合南航在電力電子技術(shù)、航空電源、航空電機(jī)學(xué)等行業(yè)的專業(yè)教育，拓展電力系統(tǒng)電力電子化發(fā)展后面臨的繼電保護(hù)技術(shù)更新，延伸開展繼電保護(hù)電力電子化的專題研討和講座，打通電氣工程學(xué)科內(nèi)的專業(yè)壁壘，以電力電子技術(shù)為紐帶建立起新形勢(shì)下電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的新視角和相關(guān)理論更新。尤其是結(jié)合繼電保護(hù)的可靠性、選擇性、速動(dòng)性、靈敏性特征，在多電飛機(jī)的電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)方面進(jìn)行“落腳”，既符合南航電氣工程專業(yè)的行業(yè)背景，又能為學(xué)生理解保護(hù)的特征提供素材，掌握最新的研究前沿動(dòng)態(tài)。

通過整合不同領(lǐng)域中的前沿相似技術(shù)原理和應(yīng)用，構(gòu)建面向航空航天復(fù)雜電氣系統(tǒng)的繼電保護(hù)課程有助于培養(yǎng)具有前沿意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)的電氣專業(yè)高素質(zhì)人才。

4 結(jié)語

以南航為例，針對(duì)性地闡明了如何以多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)為切入點(diǎn)開展繼電保護(hù)課程建設(shè)，為航空類院校的電氣工程專業(yè)完善電氣工程繼電保護(hù)教學(xué)提供了一種視角和思路。

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的基礎(chǔ)上，滲透一些新的繼電保護(hù)技術(shù)，使學(xué)生具有前瞻性，以更快地適應(yīng)迅速發(fā)展的電力事業(yè)和航空航天電氣系統(tǒng)(尤其是多電飛機(jī)和全電飛機(jī))，走在繼電保護(hù)教學(xué)和科學(xué)研究的前沿，服務(wù)于高素質(zhì)電氣人才培養(yǎng)和一流電氣工程學(xué)科建設(shè)。