“研究生電力設(shè)備物理場分析”課程開發(fā)與實(shí)踐

卞祖穎 范鎮(zhèn)南 胡清靈

①西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院 ②國網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心

為切實(shí)提升電氣工程類研究生對電力設(shè)備物理場狀態(tài)的分析、評估和研判能力，本課程組從課程目標(biāo)、理論體系、實(shí)訓(xùn)案例、考核方式等多個(gè)方面著手，策劃開發(fā)了研究生“電力設(shè)備物理場分析”課程，并在教學(xué)實(shí)施中取得了較為滿意的效果，為電氣工程類研究生課程體系的改進(jìn)完善，乃至培養(yǎng)質(zhì)量的持續(xù)提高，提供了優(yōu)良的參考范例。

作為電能產(chǎn)生、傳輸、分配、使用的關(guān)鍵元件，電力設(shè)備在工作過程中，往往受到電場、磁場、流速場、溫度場、應(yīng)力場等多種物理場的共同作用，使得其運(yùn)行狀態(tài)，成為上述物理場作用的綜合體現(xiàn)。因此，對于電氣工程類研究生而言，其對電力設(shè)備物理場狀態(tài)的掌握程度，對于其理論水平與工程素養(yǎng)的提升，有著極為關(guān)鍵的影響，所以很有必要開發(fā)一門專門課程，用于培養(yǎng)其對電力設(shè)備物理場的分析、評估與研判能力。

基于上述認(rèn)識(shí)，課程組策劃開發(fā)了“研究生電力設(shè)備多物理場分析”課程，并在教學(xué)實(shí)施中，取得了較為滿意的效果。不但較好地克服了上述缺陷，更為電氣工程類研究生課程體系的優(yōu)化，乃至培養(yǎng)質(zhì)量的持續(xù)提高，提供了優(yōu)良的參考范例。

1 強(qiáng)化針對性，瞄準(zhǔn)差距定目標(biāo)

準(zhǔn)確定位課程目標(biāo)，是確保課程針對性的關(guān)鍵前提。為此，課程組通過對電力企業(yè)、電力設(shè)備生產(chǎn)廠家、高等院校及科研院所的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)電氣工程類研究生培養(yǎng)課程體系，在電力設(shè)備物理場分析教學(xué)方面，存在以下缺陷急待克服。

一是對于設(shè)備物理場的理論綜合性考慮不足。電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從物理實(shí)質(zhì)上講，是多種物理場耦合作用的體現(xiàn)。然而，在傳統(tǒng)電氣工程類研究生培養(yǎng)課程體系中，僅在“工程電磁場數(shù)值分析”課程教學(xué)中，部分涉及到電力設(shè)備電場與磁場的簡單分析，而對于其流速場、溫度場、應(yīng)力場等其他物理場分析的教學(xué)工作，尚很少開展。至于從多物理場耦合的角度，開展電力設(shè)備物理場分析教學(xué)的工作，則更為罕見，以致對學(xué)生理論素養(yǎng)的培育，造成了較為不利的影響。

二是對于電力設(shè)備物理場分析的工程適用性把握不牢。由于真實(shí)的電力設(shè)備，大多具有較為復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)與材料特性，其運(yùn)行工況，亦相對多樣，且其中的電機(jī)、斷路器、刀閘等設(shè)備，還具備一定的運(yùn)動(dòng)特性，因此對其物理場的建模與分析，必須全面可靠地考慮到上述工程因素的影響，才有可能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性。然而，在傳統(tǒng)的“工程電磁場數(shù)值分析”課程教學(xué)中，往往偏重于電磁場及數(shù)值計(jì)算理論的推導(dǎo)證明，而對相關(guān)算例分析，則涉及較少，且其算例多為結(jié)構(gòu)與材料特性甚為簡單的理想模型，與具體的工程實(shí)際之間，存在較大差異，以致對學(xué)生工程思維的養(yǎng)成，造成了較為不利的影響。

為克服上述缺陷，保證課程建設(shè)的針對性，課程組基于多物理場耦合分析理念，在全面考慮電力設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料、工況等工程實(shí)際因素的基礎(chǔ)上，開發(fā)建設(shè)了“研究生電力設(shè)備多物理場分析”課程，其課程目標(biāo)定位如下：通過實(shí)施本門課程的教學(xué)工作，使學(xué)生能夠針對重要電力設(shè)備的典型運(yùn)行及故障工況，實(shí)施物理場建模分析，進(jìn)而能夠較為全面地掌握設(shè)備電流、電壓、損耗、溫度、通風(fēng)、散熱、絕緣、受力、振動(dòng)等關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)，使其不但能夠?yàn)樵O(shè)備生產(chǎn)廠家，提供更為準(zhǔn)確合理的設(shè)計(jì)方案，亦能夠?yàn)殡娏ζ髽I(yè)設(shè)備的狀態(tài)檢修工作，提供更為全面有效的評估參考。

2 緊扣綜合性，提綱挈領(lǐng)強(qiáng)理論

在理論教學(xué)方面，課程組通過采取以下措施，強(qiáng)化課程的理論綜合性，引導(dǎo)學(xué)生形成較為先進(jìn)適用的電力設(shè)備物理場理論素養(yǎng)。

一是從發(fā)電機(jī)、電力變壓器、電抗器、斷路器、隔離開關(guān)、開關(guān)柜、GIS電器等重要電力設(shè)備運(yùn)行或故障原理入手，引導(dǎo)學(xué)生對其運(yùn)行中涉及到的物理場種類，形成初步了解，并對其作用機(jī)理，形成定性認(rèn)識(shí)。例如，針對某變電站封閉開關(guān)柜過熱爆炸故障，課程組通過故障過程分析，引導(dǎo)學(xué)生從故障產(chǎn)生機(jī)理方面，認(rèn)識(shí)相關(guān)物理場的作用。并在此基礎(chǔ)上，通過提問和作業(yè)的形式，引導(dǎo)其主動(dòng)思考各類物理場之間的聯(lián)系與影響機(jī)理。相關(guān)教案設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 理論教案示例1：封閉開關(guān)柜過熱爆炸故障涉及的物理場種類

表2 理論教案示例2：封閉開關(guān)柜過熱爆炸故障的物理場耦合機(jī)理

二是在此基礎(chǔ)上，從各類物理場之間的關(guān)鍵聯(lián)系參量入手，引導(dǎo)學(xué)生抓住各類物理場之間的聯(lián)系線索，對各類物理場參數(shù)之間的相互影響乃至耦合關(guān)系，形成較為清晰可靠的認(rèn)識(shí)。此處仍以上述開關(guān)柜受熱爆炸故障的物理場分析為例，加以說明，相關(guān)教案設(shè)計(jì)如表2所示。

三是在計(jì)算分析方法教學(xué)方面，既要講清相關(guān)數(shù)值計(jì)算方法的原理與用途，為學(xué)生開展精確定量分析，提供可靠適用的方法；亦要講清必要的解析方法或簡化路法，用于引導(dǎo)學(xué)生，對電力設(shè)備的運(yùn)行工況與故障機(jī)理，建立更為清晰物理概念模型，為其實(shí)施工程現(xiàn)場快速估算，提供簡明有效的手段。此處仍以上述開關(guān)柜受熱爆炸故障的物理場分析為例，說明兩類分析方法的用途，如表3所示。

表3 兩類方法開關(guān)柜受熱爆炸故障物理場分析中的用途

3 立足適用性，案例實(shí)訓(xùn)鍛真章

在案例實(shí)訓(xùn)方面，課程組通過采取以下措施，確保課程的工程適用性，引導(dǎo)學(xué)生形成較為扎實(shí)可靠電力設(shè)備物理場建模分析能力。

一是以電力企業(yè)狀態(tài)檢修與電力設(shè)備生產(chǎn)廠家產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求為導(dǎo)向，結(jié)合授課教師自身科研課題方向，從機(jī)組設(shè)計(jì)、機(jī)組運(yùn)行、機(jī)組檢修、電網(wǎng)運(yùn)行、電網(wǎng)檢修、輸配電線路運(yùn)行檢修等主要專業(yè)領(lǐng)域，多角度精心遴選工程案例，針對發(fā)電機(jī)、電力變壓器、電抗器、斷路器、隔離開關(guān)、開關(guān)柜、GIS電器等重要電力設(shè)備的物理場建模分析，初步建成了較為完備適用教學(xué)與考核案例資源庫。其中部分案例如表4與圖1、圖2所示。

表4 課程案例資源庫內(nèi)容分布示例

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)端部三維磁場分析

圖2 換流變?nèi)S磁場分析

二是針對在校學(xué)生工程實(shí)踐經(jīng)歷較少，工程經(jīng)驗(yàn)缺乏的特點(diǎn)，組織學(xué)生前往電力企業(yè)與電力設(shè)備生產(chǎn)廠家，在對設(shè)備檢修現(xiàn)場、制造車間、試驗(yàn)大廳、研發(fā)處室進(jìn)行參觀見習(xí)的基礎(chǔ)上，與企業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行認(rèn)真交流探討，深入學(xué)習(xí)電力設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、工藝、試驗(yàn)等多方面技術(shù)知識(shí)。不但克服了校內(nèi)教學(xué)所面臨的設(shè)備拆解機(jī)會(huì)少、大型設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以講清等一系列問題，使學(xué)生對電力設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料、原理、檢修試驗(yàn)方法的理解和認(rèn)識(shí)，得到進(jìn)一步深化，更對學(xué)生多物理場分析建模能力的養(yǎng)成，提供了直接具體的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)支持。部分實(shí)習(xí)情景見圖3 。

圖3 工程現(xiàn)場參觀見習(xí)

4 檢驗(yàn)真功夫，三級考核煉實(shí)才

由于本門課程的理論性與工程性都較為突出，因此常規(guī)閉卷理論考試方式難以客觀全面地評估學(xué)生對其的學(xué)習(xí)效果。為解決此問題，課程組通過設(shè)立以下三級考核環(huán)節(jié)，用于保證考核質(zhì)量。

一是理論筆試環(huán)節(jié)，主要考察學(xué)生在電力設(shè)備物理場建模分析中，綜合運(yùn)用電磁學(xué)、傳熱學(xué)、力學(xué)、電機(jī)學(xué)、發(fā)電廠電氣部分、數(shù)學(xué)物理方程等理論知識(shí)，實(shí)施理論分析、推導(dǎo)、建模的能力。

二是上機(jī)仿真環(huán)節(jié)，主要考察學(xué)生運(yùn)用相關(guān)專業(yè)分析軟件，實(shí)施電力設(shè)備物理場計(jì)算仿真與結(jié)果分析的能力。

三是論文答辯環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)要求學(xué)生根據(jù)筆試和上機(jī)仿真結(jié)果，完成一篇小型學(xué)術(shù)論文，并通過答辯。在答辯評委的組成上，既包括課程組教師，更包括來自電力企業(yè)的高水平專家，使學(xué)生在完成答辯的同時(shí)，通過與評委“面對面”交流，得到優(yōu)質(zhì)可靠的指導(dǎo)和點(diǎn)撥，進(jìn)一步拓寬其專業(yè)視野。

5 成效、結(jié)論與展望

自2015年至今，課程組利用本門課程資源庫，應(yīng)用本文所述教學(xué)方式方法，不但對我校2015、2016兩屆電氣工程類碩士研究生，進(jìn)行了電力設(shè)備物理場分析教學(xué)實(shí)踐，亦對電力企業(yè)新進(jìn)博碩士學(xué)歷新員工，開展了3批電力設(shè)備物理場分析培訓(xùn)。并在每屆（批）課程結(jié)束后的6個(gè)月，引入柯氏培訓(xùn)評估模型，對教學(xué)（培訓(xùn)）效果實(shí)施了行為評估，研判本門課程對教學(xué)（培訓(xùn)）對象學(xué)習(xí)及工作行為的改進(jìn)效果。評估結(jié)果表明：通過實(shí)施本門課程的教學(xué)（培訓(xùn)）工作，不但使學(xué)生對電力設(shè)備物理場及運(yùn)行狀態(tài)分析的分析評估水平，得到了實(shí)質(zhì)性的提高，更使電力企業(yè)參訓(xùn)員工的狀態(tài)檢修能力和經(jīng)驗(yàn)，得到了較大改善。

上述事實(shí)表明，本課程組對“研究生電力設(shè)備物理場分析”課程的開發(fā)建設(shè)與教學(xué)實(shí)施工作，既是必要的，也是成功的，不但能夠?yàn)殡姎夤こ填愌芯可囵B(yǎng)水平的持續(xù)提升，提供優(yōu)質(zhì)可靠的課程支持，更能為相關(guān)企業(yè)高端技術(shù)人才培養(yǎng)，提供先進(jìn)有效的培訓(xùn)支持

在下一步工作中，課程組將進(jìn)一步緊跟電力企業(yè)與設(shè)備制造廠家相關(guān)人才培養(yǎng)需求，完善課程案例與教學(xué)手段，使本課程的質(zhì)量，得到持續(xù)可靠的優(yōu)化提升。