實(shí)例教學(xué)在“供配電技術(shù)”課程中的應(yīng)用*

于巧娜

（濱州學(xué)院電氣工程學(xué)院，山東 濱州 256600）

隨著科技的不斷進(jìn)步，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)處于高度發(fā)展階段，其與各個(gè)領(lǐng)域的聯(lián)系越來(lái)越緊密，成為各個(gè)領(lǐng)域的新型研究工具?！肮┡潆娂夹g(shù)”在濱州學(xué)院電氣工程學(xué)院大學(xué)三年級(jí)上學(xué)期開設(shè)。雖然“供配電技術(shù)”是電氣專業(yè)的重要學(xué)科，但在教學(xué)講授過(guò)程中，以大量的知識(shí)點(diǎn)理論講解為主，知識(shí)點(diǎn)晦澀難懂，也沒(méi)有與實(shí)際問(wèn)題相銜接，極易讓學(xué)生抓不到重難點(diǎn)，大大降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，且其基礎(chǔ)性和重要性還沒(méi)有得到學(xué)生的重視，因此在教學(xué)改革研究中，需要通過(guò)與實(shí)際工作生活相聯(lián)系來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。筆者通過(guò)基于飛機(jī)電源系統(tǒng)配電技術(shù)的具體實(shí)例，結(jié)合電力電子技術(shù)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生了解怎么從實(shí)例中提取問(wèn)題的本質(zhì)，了解解決問(wèn)題所需要的知識(shí)點(diǎn)是什么，通過(guò)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，回歸到問(wèn)題中去解決問(wèn)題，從而引導(dǎo)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性[1]。

1 實(shí)例教學(xué)在“供配電技術(shù)”課程中的應(yīng)用

1.1 案例導(dǎo)入

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)所含的電氣設(shè)備數(shù)量越來(lái)越多，自動(dòng)化程度越來(lái)越高。在電網(wǎng)線路的日常維護(hù)和災(zāi)情勘探等中，投入的無(wú)人機(jī)設(shè)備越來(lái)越多，大大降低了人工成本，同時(shí)大幅度提高了工作效率。隨著工作需求等各方面的要求變化，需要無(wú)人機(jī)等航空設(shè)備的工作時(shí)間大幅度提高，也就意味著航空設(shè)備電池的容量應(yīng)當(dāng)變大。目前飛機(jī)電源配電發(fā)展的大方向是270 V高壓直流。筆者試根據(jù)自己對(duì)配電的了解，結(jié)合“供配電技術(shù)”中的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)符合該案例要求的智能配電系統(tǒng)。

1.2 教學(xué)過(guò)程

為了實(shí)現(xiàn)符合上述要求的智能配電系統(tǒng)，主要工作就是硬件電路的設(shè)計(jì)，對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)就需要對(duì)供配電技術(shù)有一個(gè)較完備的知識(shí)體系。教學(xué)過(guò)程中，可以通過(guò)本例題引導(dǎo)學(xué)生對(duì)配電系統(tǒng)的工作原理、組成結(jié)構(gòu)、工作模式、管理方式以及線制等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了解。

具體所需的理論知識(shí)主要為：飛機(jī)配電系統(tǒng)，就是按照需要將飛機(jī)發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能傳送到用電設(shè)備處的電源系統(tǒng)。主要由輸電線路、保護(hù)設(shè)備、供配電管理裝置以及檢測(cè)儀表等相關(guān)設(shè)備組成?？刂蒲b置一般都采用斷路器、接觸器、限流器等常規(guī)設(shè)備組成，為方便駕駛?cè)藛T操作，控制中心一般安裝在駕駛室內(nèi)。配電方式可分為4種，分別為：集中、分散、獨(dú)立、混合。配電系統(tǒng)的線制主要分為兩種：?jiǎn)尉€制、雙線制。兩種線制各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際的需求選擇線制。配電系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)按照控制關(guān)系大致可分為3種：集成、非集成、分層總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的控制模式主要有：集中式、集散式、分布式。按照控制的管理方式，可分為固態(tài)、常規(guī)以及遙控3類[2]。

通過(guò)上述的知識(shí)講解，讓學(xué)生對(duì)配電系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)有了初步的了解，接下來(lái)就需要引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)該如何分析，需要讓學(xué)生知道，在電力系統(tǒng)所需要的設(shè)計(jì)中，最重要和首先要做的就是對(duì)系統(tǒng)中負(fù)荷的分析，只有正確地分析出系統(tǒng)的負(fù)荷，才可以正確地進(jìn)行電氣設(shè)備的選擇。什么是電力負(fù)荷？電力負(fù)荷如何進(jìn)行計(jì)算？接下來(lái)通過(guò)這兩個(gè)問(wèn)題的提出，帶領(lǐng)學(xué)生了解電力負(fù)荷的概念、劃分等級(jí)以及電力負(fù)荷計(jì)算的方法，同時(shí)還要引出這個(gè)例子與傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)的不同之處，講解需要額外擴(kuò)充的相關(guān)知識(shí)。

具體所需的理論知識(shí)主要為：電力負(fù)荷就是負(fù)載，主要是指需要消耗電能的設(shè)備。在本例題中，飛機(jī)中所有的用電設(shè)備都是負(fù)荷，包括溫度控制、光照、駕駛系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。電力負(fù)荷是可以進(jìn)行等級(jí)劃分的，不同的場(chǎng)所等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)不同，一般等級(jí)的劃分主要按照其供電可靠性和供電中斷所引起的后果嚴(yán)重程度分為三類：一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷、三級(jí)負(fù)荷。一級(jí)負(fù)荷為特別重要的負(fù)荷，相關(guān)設(shè)備斷電會(huì)造成人員傷亡，在當(dāng)前例題中，一級(jí)負(fù)荷應(yīng)該為保證飛機(jī)正常飛行的相關(guān)設(shè)備等。二級(jí)負(fù)荷為重要負(fù)荷，對(duì)其相關(guān)設(shè)備斷電會(huì)造成一定程度的危害，比如在本例題中飛機(jī)的溫度監(jiān)控、氣壓監(jiān)控等。三級(jí)負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷之外的負(fù)荷，為不重要的一般負(fù)荷。負(fù)荷不是固定不變的，是隨著工作狀態(tài)的變化而變化的，某時(shí)間的負(fù)荷可以通過(guò)日負(fù)荷曲線和年負(fù)荷曲線來(lái)獲得。在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算的時(shí)候，主要涉及的幾個(gè)物理量為：年最大負(fù)荷、平均負(fù)荷、負(fù)荷系數(shù)。目前負(fù)荷計(jì)算的主要方法是二項(xiàng)式法、需要系數(shù)法。兩種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，這個(gè)算法的具體計(jì)算應(yīng)該在后續(xù)課程中詳細(xì)介紹，在此主要讓學(xué)生了解負(fù)荷計(jì)算的幾種算法即可。

在此之后，假定已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)的電力負(fù)荷等級(jí)進(jìn)行了劃分，引導(dǎo)學(xué)生去思考，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該怎么去保證發(fā)生故障時(shí)各個(gè)級(jí)別負(fù)荷的供電？系統(tǒng)發(fā)生故障，如何進(jìn)行恢復(fù)供電，恢復(fù)供電的最短時(shí)間應(yīng)如何考慮？

在學(xué)生思考和討論之后，帶領(lǐng)學(xué)生分析上述問(wèn)題。首先，分析飛機(jī)配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的不同之處，傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)是發(fā)電廠發(fā)送的電能經(jīng)高壓線路運(yùn)輸，且經(jīng)由各等級(jí)的變電站變壓后，分為輸變電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，電壓等級(jí)110 kV以下的均為配電系統(tǒng)。但是在此處，針對(duì)的不是傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)，需要研究的是飛機(jī)系統(tǒng)的配電系統(tǒng)，其電源的電壓等級(jí)是不同的。根據(jù)負(fù)荷所使用的電源類型不同，飛機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載主要為28 VDC和115 VAC。其中，直流負(fù)載的電源主要由28 VDC總線電源供電，交流負(fù)載主要由115 V/440 Hz交流總線電源供電。其次，帶領(lǐng)學(xué)生分析斷電會(huì)造成的影響，斷電的最大時(shí)間如何選取。斷電對(duì)于飛機(jī)的正常運(yùn)行會(huì)造成致命的損失，因此在考慮負(fù)荷時(shí)，需要考慮負(fù)荷所能承受的最大斷電時(shí)間，特別是關(guān)鍵飛行負(fù)載的最大允許斷電時(shí)間。在考查所有的負(fù)荷最大允許斷電時(shí)間后，應(yīng)選取允許斷電時(shí)間最短的為系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所采用的時(shí)間。最后，和學(xué)生一塊分析如何解決斷電后供電的保證問(wèn)題。首先引入優(yōu)先級(jí)的概念，然后思考如何設(shè)置優(yōu)先級(jí)。如果供電系統(tǒng)具有較大的發(fā)電容量，可以設(shè)置多個(gè)優(yōu)先級(jí)；考慮到不同飛行階段所對(duì)應(yīng)的任務(wù)不同，優(yōu)先級(jí)的劃分需要采取多種模式；優(yōu)先級(jí)的設(shè)定還需要根據(jù)重要性來(lái)劃分，比如保證飛行的設(shè)備優(yōu)先級(jí)要高于飛機(jī)內(nèi)部空調(diào)溫度調(diào)節(jié)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)，重要任務(wù)的優(yōu)先級(jí)要高于一般任務(wù)的優(yōu)先級(jí)[3]。在介紹完上述知識(shí)后，可將該系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)劃分向同學(xué)們展示，讓同學(xué)們進(jìn)一步掌握優(yōu)先級(jí)的劃分原則和方法。其優(yōu)先級(jí)的具體劃分如表1所示。

表1 電氣負(fù)荷管理優(yōu)先級(jí)

通過(guò)上述對(duì)負(fù)荷等級(jí)的分析以及優(yōu)先級(jí)的劃分，在此提問(wèn)，考慮正常工作狀態(tài)下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，特別是發(fā)生短路故障時(shí)，元器件是否能不損壞？解除故障后系統(tǒng)是否還可以正常運(yùn)行？

通過(guò)這些問(wèn)題引出短路電流計(jì)算的必要性、短路的分類以及計(jì)算方法。任何系統(tǒng)不僅需要保證在正常工作狀態(tài)時(shí)運(yùn)行的安全性與可靠性，還需要保證在發(fā)生故障，特別是可能發(fā)生的最嚴(yán)重故障時(shí)，系統(tǒng)的元器件不會(huì)損壞，系統(tǒng)仍然是安全可靠的，因此短路電流計(jì)算就是元器件、設(shè)備、繼電保護(hù)等選取的參考之一。短路的分類主要分為三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相短路。在進(jìn)行短路計(jì)算的理論知識(shí)講解時(shí)，引出標(biāo)幺值的概念，針對(duì)不同的短路類型，分別介紹短路電流的計(jì)算方法。

通過(guò)對(duì)電路電流的計(jì)算以及根據(jù)現(xiàn)有電力方面的知識(shí)，向?qū)W生提問(wèn)：上述三種短路方式，哪種短路方式對(duì)系統(tǒng)造成的傷害更大？哪種短路發(fā)生的可能性最大？在該系統(tǒng)中，應(yīng)該選取哪種短路電流數(shù)值作為元器件選擇的標(biāo)準(zhǔn)？在電力系統(tǒng)中，單相短路發(fā)生的可能性最大，兩相短路發(fā)生的概率最小，三相短路對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成的危害最大。因此在該題目中，只要計(jì)算出可能發(fā)生的三相短路電流即可，用計(jì)算的數(shù)值作為器件選擇的參考之一[4]。

通過(guò)上述講解，在飛機(jī)配電系統(tǒng)中所涉及到的配電技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)已經(jīng)基本都提到了，還需要給學(xué)生擴(kuò)充一些額外的知識(shí)。首先，就是集成總線的設(shè)計(jì)，總線如何選取，總線的結(jié)構(gòu)如何設(shè)置。其次，對(duì)于該配電系統(tǒng)，很重要的一點(diǎn)是對(duì)負(fù)載的管理，應(yīng)該設(shè)置電氣負(fù)載管理中心（ELMC），電氣負(fù)載中心是一個(gè)相對(duì)比較大的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要依據(jù)設(shè)計(jì)需求分模塊設(shè)計(jì)，依據(jù)功能主要分為五大模塊：總線監(jiān)控、通訊、電源、負(fù)載監(jiān)控以及電氣遠(yuǎn)程終端模塊。將每個(gè)模塊的具體功能以及設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問(wèn)題，給學(xué)生講解，同時(shí)將該系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)展示給學(xué)生，講解每個(gè)硬件電路所對(duì)應(yīng)的模塊。讓學(xué)生自行體會(huì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的知識(shí)點(diǎn)、切入口以及設(shè)計(jì)重難點(diǎn)。如圖1所示。

圖1 電氣負(fù)載管理中心的硬件組成

至此，配電技術(shù)的知識(shí)已經(jīng)基本講完，通過(guò)對(duì)飛機(jī)配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生對(duì)配電系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)以及設(shè)計(jì)步驟形成一個(gè)相對(duì)完整的體系，不再是零散的知識(shí)點(diǎn)。

2 小結(jié)

通過(guò)一個(gè)完整的飛機(jī)智能配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例，從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開始，一步步地引入所需要的相關(guān)知識(shí)以及需要擴(kuò)充的知識(shí)，不僅讓學(xué)生學(xué)到了具體的理論知識(shí)，也讓學(xué)生在面對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)知道如何下手，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)具有了完整性和實(shí)用性，同時(shí)也讓學(xué)生掌握了配電技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，供配電技術(shù)的基礎(chǔ)性以及重要性，大幅度提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。