積木式“繼電保護(hù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究與探索

鄧豐強(qiáng) 王智東 楊 玲 關(guān)穎聰 梁敏航

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院， 廣州 510641)

繼電保護(hù)是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的，是對電力系統(tǒng)中發(fā)生的故障或異常情況進(jìn)行檢測，從而發(fā)出報(bào)警信號，或直接將故障部分隔離、切除的一種重要措施。其基本任務(wù)是：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時(shí)，在可能實(shí)現(xiàn)的最短時(shí)間和最小區(qū)域內(nèi)，自動將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響[1]。

繼電保護(hù)裝置必須具有正確區(qū)分被保護(hù)元件是處于正常運(yùn)行狀態(tài)還是發(fā)生了故障，是保護(hù)區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的功能。保護(hù)裝置要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎(chǔ)來構(gòu)成。電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，將出現(xiàn)電流增大、電壓降低、電流與電壓之間的相位角改變、測量阻抗發(fā)生變化等主要特征。不對稱短路時(shí)，出現(xiàn)相序分量，出現(xiàn)負(fù)序和零序電流、電壓分量[2-3]。

利用短路故障時(shí)電氣量的變化，構(gòu)成各種原理的繼電保護(hù)。當(dāng)前“繼電保護(hù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也是根據(jù)電氣量的變化情況，設(shè)計(jì)各種類型的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)，比如，利用故障時(shí)電流增大特點(diǎn)，采用電流繼電器實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)功能；采用電壓繼電器實(shí)現(xiàn)低電壓常閉接點(diǎn)功能，構(gòu)成電壓保護(hù)。

但當(dāng)前高校開設(shè)的“繼電保護(hù)”實(shí)驗(yàn)，主要按照固定的保護(hù)類型設(shè)置課程，比如三段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)，僅利用多個(gè)電流繼電器組裝形成；更有利用單個(gè)電流繼電器或單個(gè)電壓繼電器實(shí)現(xiàn)的簡單繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)[4-6]。

由于以特定的“繼電保護(hù)”實(shí)驗(yàn)方式設(shè)置課程，學(xué)生通常只是按部就班地完成實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，容易產(chǎn)生固定的思維模式，沒有充分體現(xiàn)繼電保護(hù)靈活的配置方式。

因此，下面將探討在“繼電保護(hù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以功能模塊為核心，通過引導(dǎo)學(xué)生梳理繼電器功能，在熟悉各個(gè)繼電器功能基礎(chǔ)上，根據(jù)對電力系統(tǒng)異?；蚬收纤w現(xiàn)的電氣特征，充分利用電氣特征構(gòu)建所需的保護(hù)功能，并調(diào)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的各種保護(hù)元件，以搭積木的方式靈活構(gòu)建所需的功能模塊，實(shí)現(xiàn)從簡單的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)到綜合性繼電保護(hù)發(fā)展。

1 積木式實(shí)驗(yàn)方法

1.1 積木式教學(xué)

積木有利于學(xué)生發(fā)揮想象，綜合運(yùn)用多種不同種類的積木共同搭建實(shí)物，有利于想象力和創(chuàng)造力的培養(yǎng)[7-9]。積木原理通過提供各種構(gòu)件，使之按照不同的構(gòu)想和操作方式，快速實(shí)行綜合組編和應(yīng)用[10-12]。

積木式教學(xué)適用于多種具體的實(shí)踐型、應(yīng)用型專業(yè)課程。如“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)”“電力電子綜合實(shí)驗(yàn)”“電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”“單片機(jī)原理與應(yīng)用”等課程。該教學(xué)方法一般分為基礎(chǔ)教學(xué)、積木分解和組合教學(xué)三個(gè)階段?；A(chǔ)教學(xué)主要對學(xué)科的基礎(chǔ)知識、基本設(shè)備等的教學(xué)和技能講授，如常用的電子儀器使用、電路參數(shù)測量、接線、查線的基本方法與技能的訓(xùn)練；積木分解主要向?qū)W生闡明該門課程雖然復(fù)雜，但可逐級分解，最后為最基本的要素或知識技能，如各功能電路最后可分解為最基本的電子元件三極管、二極管、電阻、電容等，學(xué)生掌握了事物可分解性的特征，遇到任何復(fù)雜的知識和技能都能根據(jù)性能將其劃分幾個(gè)基本的功能電路(或基本部分)；組合教學(xué)就是根據(jù)教學(xué)目的和要求，將若干基礎(chǔ)知識或技能、要素組合成功能單元(電路)，再將若干功能單元組合成能滿足某種需要的復(fù)雜知識技能或電路。

積木式教學(xué)的核心就是在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生從簡單到復(fù)雜、從單功能到多功能，積極引導(dǎo)、多加訓(xùn)練，逐步培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識問題、分析問題、解決問題的能力和激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)造潛力。

1.2 繼電保護(hù)模塊化

按照各個(gè)功能模塊梳理平臺所能實(shí)現(xiàn)的功能，一種是接入可調(diào)電源，優(yōu)點(diǎn)是可以慢慢調(diào)節(jié)等，靈活性更好；另外一種是根據(jù)現(xiàn)有平臺的簡易一次系統(tǒng)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

繼電保護(hù)模塊化可按保護(hù)對象、保護(hù)原理、保護(hù)所反應(yīng)故障類型、繼電保護(hù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和保護(hù)所起的作用等進(jìn)行分類，如圖1所示。

圖1 繼電保護(hù)模塊化分類

繼電保護(hù)模塊化分類是進(jìn)行積木式“繼電保護(hù)”課程研究的前提和基礎(chǔ)，根據(jù)模塊化分類便可進(jìn)行積木式設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

1.3 實(shí)現(xiàn)步驟

積木式實(shí)驗(yàn)方法步驟為：①了解和掌握實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)備的基礎(chǔ)信息，如參數(shù)、功能和數(shù)量等；②分析平臺設(shè)備所能產(chǎn)生的電氣特征；③根據(jù)所產(chǎn)生的電氣特征選擇合適的電氣元件；④測試和確保各電氣元件能夠?qū)崿F(xiàn)和完成自身的繼電保護(hù)功能；⑤按照積木式方法將上述各功能元件組合搭建成一個(gè)整體性的綜合繼電保護(hù)功能平臺。實(shí)現(xiàn)步驟流程圖如圖2所示。

2 積木式繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)構(gòu)造

華南理工大學(xué)面向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前擁有8臺繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)綜合平臺，每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺有6個(gè)電磁式電流繼電器(以下統(tǒng)稱電流繼電器)、2個(gè)電磁式電壓繼電器(以下統(tǒng)稱電壓繼電器)、2個(gè)時(shí)間繼電器、2個(gè)信號繼電器和2個(gè)中間繼電器，對上述8個(gè)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)綜合平臺的所有電磁式電流和電壓繼電器進(jìn)行繼電器特性實(shí)驗(yàn)實(shí)測。

圖2 積木式實(shí)驗(yàn)方法流程圖

2.1 保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

三段式保護(hù)的實(shí)現(xiàn)都要和時(shí)間繼電器、信號繼電器、中間繼電器配合，才能使各個(gè)保護(hù)不會越限動作，從而保證選擇性，并且保護(hù)線路的全長，減少死區(qū)。具體如下：

(1)電流繼電器與時(shí)間繼電器、信號繼電器以及中間繼電器配合可以形成相間電流三段式保護(hù)。

(2)電壓繼電器與時(shí)間繼電器、信號繼電器以及中間繼電器配合可以形成相間電壓三段式保護(hù)。

(3)三個(gè)相電流并聯(lián)的電流輸入電流繼電器可以形成零序電流保護(hù)。

(4)三個(gè)相電壓并聯(lián)的電壓輸入電壓繼電器可以形成零序電壓保護(hù)。

(5)因距離保護(hù)在接地故障與相間故障分別采用不同的接線方式，接地故障采用帶零序補(bǔ)償?shù)慕泳€方式，加入繼電器的電壓為相電壓UA和電流為IA+K×3I0，其中K=(Z0-Z1)/3Z1。K為零序補(bǔ)償系數(shù)，I0為零序電流，Z0為零序阻抗，Z為正序阻抗。而在相間故障時(shí)則采用0°接線方式，加入繼電器的電壓為相電壓，電流為相電流差。如此，可以形成完整的距離保護(hù)，在各種故障時(shí)都能可靠地切除故障，保證供電的可靠性。

(6)通過三相重合閘，在線路故障跳開繼電器時(shí)啟動重合閘裝置對已動作的繼電器三相重合閘，若重合于瞬間故障，則能提高供電可靠性，保證線路繼續(xù)為各端進(jìn)行供電。若重合于永久性故障，則跳開三相的繼電器，且不再重合。

2.2 積木式保護(hù)功能構(gòu)造

顯然，通過上述保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)上述6種實(shí)驗(yàn)和功能，學(xué)生可以分析線路和設(shè)備產(chǎn)生的特征，選擇以上一種或多種保護(hù)功能來實(shí)現(xiàn)和完成實(shí)驗(yàn)，通過積木式的方法將其結(jié)合在一起形成一個(gè)綜合的繼電保護(hù)系統(tǒng)。積木式保護(hù)功能構(gòu)造如圖3所示。

圖3 積木式保護(hù)功能構(gòu)造圖

3 微機(jī)裝置實(shí)現(xiàn)積木式繼電保護(hù)功能

微機(jī)保護(hù)中有三種類型的保護(hù)，即線路電壓、電流保護(hù)、線路阻抗保護(hù)和變壓器保護(hù)。微機(jī)裝置允許全部使用用戶自己編寫的程序代替原程序，這個(gè)擴(kuò)展性能更好地提高學(xué)生的創(chuàng)造力，使保護(hù)的實(shí)現(xiàn)不局限于微機(jī)的內(nèi)部程序設(shè)定的保護(hù)，學(xué)生可以通過自己編寫的程序?qū)€路進(jìn)行保護(hù)。

概括來說，可實(shí)現(xiàn)以下八個(gè)方面的功能：

(1)全部使用用戶自己編寫的程序代替原程序；

(2)使用用戶自己編寫的幅值計(jì)算程序代替原程序中的電壓電流幅值計(jì)算程序；

(3)使用用戶自己編寫的程序代替原阻抗保護(hù)判定程序中的相關(guān)程序；

(4)使用用戶自己編寫的程序代替原變壓器保護(hù)判定程序中的相關(guān)程序；

(5)使用用戶自己編寫的程序代替原電流電壓保護(hù)判定程序中的相關(guān)程序；

(6)使用用戶自己編寫的顯示子程序代替原程序中的相關(guān)程序；

(7)使用用戶自己編寫的A/D采樣程序代替原程序中的相關(guān)程序；

(8)在原程序中增加用戶自己編寫的部分程序。

以上為微機(jī)基本程序的修改、編寫，相當(dāng)于微機(jī)保護(hù)的“積木”，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可將以上基本子程序進(jìn)行組合，自主地選擇不同的保護(hù)元件來形成不同的保護(hù)，然后將各個(gè)保護(hù)利用積木式的形式結(jié)合起來，搭建成一個(gè)更為強(qiáng)大的綜合性繼電保護(hù)功能。

從簡單到復(fù)雜、從容易到較難的程度上分步實(shí)現(xiàn)積木式實(shí)驗(yàn)教學(xué)：

(1)在原程序中加入學(xué)生自己編寫的部分程序。該步驟對學(xué)生的相關(guān)知識要求較低，適合于初學(xué)者進(jìn)行實(shí)踐操作訓(xùn)練。例如，在原程序中加入最簡單的一個(gè)顯示子程序，讓保護(hù)單元箱只顯示某一個(gè)字符或一行字符，通過檢查保護(hù)單元箱上的顯示內(nèi)容就可檢驗(yàn)用戶自己進(jìn)行的編程是否正確，形成微機(jī)保護(hù)的積木要素。

(2)完成某一項(xiàng)程序的替代或基本功能的擴(kuò)充。例如完成A/D采樣程序的替代程序，形成微機(jī)保護(hù)的積木程序。

(3)根據(jù)教學(xué)目的和需要，分解微機(jī)保護(hù)為各積木程序，梳理各積木程序并完善積木程序編寫。

(4)組合各積木程序?qū)崿F(xiàn)綜合、強(qiáng)大的微機(jī)保護(hù)功能。

4 結(jié)語

積木式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生增強(qiáng)了自信心，同時(shí)提高了學(xué)習(xí)積極性。通過小組成員協(xié)作完成任務(wù)，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神。參與教研教改項(xiàng)目的學(xué)生普遍反映受益匪淺。

積木式教學(xué)方法提高了學(xué)生的動手能力以及自主創(chuàng)新、創(chuàng)造的能力，將進(jìn)一步推進(jìn)積木式教學(xué)的不斷發(fā)展；后續(xù)將繼續(xù)不斷地探索新的積木式教學(xué)的方法和思路，努力推進(jìn)積木式教學(xué)的推廣和普及。