于巧娜

（濱州學(xué)院電氣工程學(xué)院，山東 濱州 256600）

隨著科技的不斷進步，電氣工程及其自動化專業(yè)處于高度發(fā)展階段，其與各個領(lǐng)域的聯(lián)系越來越緊密，成為各個領(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)講授過程中，以大量的知識點理論講解為主，知識點晦澀難懂，也沒有與實際問題相銜接，極易讓學(xué)生抓不到重難點，大大降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，且其基礎(chǔ)性和重要性還沒有得到學(xué)生的重視，因此在教學(xué)改革研究中，需要通過與實際工作生活相聯(lián)系來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。筆者通過基于飛機電源系統(tǒng)配電技術(shù)的具體實例，結(jié)合電力電子技術(shù)的相關(guān)知識點，讓學(xué)生了解怎么從實例中提取問題的本質(zhì)，了解解決問題所需要的知識點是什么，通過對知識點的學(xué)習(xí)，回歸到問題中去解決問題，從而引導(dǎo)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性[1]。

1 實例教學(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，飛機所含的電氣設(shè)備數(shù)量越來越多，自動化程度越來越高。在電網(wǎng)線路的日常維護和災(zāi)情勘探等中，投入的無人機設(shè)備越來越多，大大降低了人工成本，同時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，需要無人機等航空設(shè)備的工作時間大幅度提高，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)自己對配電的了解，結(jié)合“供配電技術(shù)”中的相關(guān)知識，設(shè)計一個符合該案例要求的智能配電系統(tǒng)。

1.2 教學(xué)過程

為了實現(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，對硬件電路進行設(shè)計就需要對供配電技術(shù)有一個較完備的知識體系。教學(xué)過程中，可以通過本例題引導(dǎo)學(xué)生對配電系統(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)知識進行了解。

具體所需的理論知識主要為：飛機配電系統(tǒng)，就是按照需要將飛機發(fā)電機所產(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、保護設(shè)備、供配電管理裝置以及檢測儀表等相關(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、獨立、混合。配電系統(tǒng)的線制主要分為兩種：單線制、雙線制。兩種線制各有不同的優(yōu)缺點，可根據(jù)實際的需求選擇線制。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]。

通過上述的知識講解，讓學(xué)生對配電系統(tǒng)的相關(guān)知識有了初步的了解，接下來就需要引導(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)計中，最重要和首先要做的就是對系統(tǒng)中負荷的分析，只有正確地分析出系統(tǒng)的負荷，才可以正確地進行電氣設(shè)備的選擇。什么是電力負荷？電力負荷如何進行計算？接下來通過這兩個問題的提出，帶領(lǐng)學(xué)生了解電力負荷的概念、劃分等級以及電力負荷計算的方法，同時還要引出這個例子與傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)的不同之處，講解需要額外擴充的相關(guān)知識。

具體所需的理論知識主要為：電力負荷就是負載，主要是指需要消耗電能的設(shè)備。在本例題中，飛機中所有的用電設(shè)備都是負荷，包括溫度控制、光照、駕駛系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。電力負荷是可以進行等級劃分的，不同的場所等級的劃分標(biāo)準不同，一般等級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重程度分為三類：一級負荷、二級負荷、三級負荷。一級負荷為特別重要的負荷，相關(guān)設(shè)備斷電會造成人員傷亡，在當(dāng)前例題中，一級負荷應(yīng)該為保證飛機正常飛行的相關(guān)設(shè)備等。二級負荷為重要負荷，對其相關(guān)設(shè)備斷電會造成一定程度的危害，比如在本例題中飛機的溫度監(jiān)控、氣壓監(jiān)控等。三級負荷為一級負荷和二級負荷之外的負荷，為不重要的一般負荷。負荷不是固定不變的，是隨著工作狀態(tài)的變化而變化的，某時間的負荷可以通過日負荷曲線和年負荷曲線來獲得。在進行負荷計算的時候，主要涉及的幾個物理量為：年最大負荷、平均負荷、負荷系數(shù)。目前負荷計算的主要方法是二項式法、需要系數(shù)法。兩種算法各有優(yōu)缺點，這個算法的具體計算應(yīng)該在后續(xù)課程中詳細介紹，在此主要讓學(xué)生了解負荷計算的幾種算法即可。

在此之后，假定已經(jīng)對系統(tǒng)的電力負荷等級進行了劃分，引導(dǎo)學(xué)生去思考，在設(shè)計時應(yīng)該怎么去保證發(fā)生故障時各個級別負荷的供電？系統(tǒng)發(fā)生故障，如何進行恢復(fù)供電，恢復(fù)供電的最短時間應(yīng)如何考慮？

在學(xué)生思考和討論之后，帶領(lǐng)學(xué)生分析上述問題。首先，分析飛機配電系統(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)高壓線路運輸，且經(jīng)由各等級的變電站變壓后，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110 kV以下的均為配電系統(tǒng)。但是在此處，針對的不是傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)，需要研究的是飛機系統(tǒng)的配電系統(tǒng)，其電源的電壓等級是不同的。根據(jù)負荷所使用的電源類型不同，飛機系統(tǒng)的負載主要為28 VDC和115 VAC。其中，直流負載的電源主要由28 VDC總線電源供電，交流負載主要由115 V/440 Hz交流總線電源供電。其次，帶領(lǐng)學(xué)生分析斷電會造成的影響，斷電的最大時間如何選取。斷電對于飛機的正常運行會造成致命的損失，因此在考慮負荷時，需要考慮負荷所能承受的最大斷電時間，特別是關(guān)鍵飛行負載的最大允許斷電時間。在考查所有的負荷最大允許斷電時間后，應(yīng)選取允許斷電時間最短的為系統(tǒng)設(shè)計時所采用的時間。最后，和學(xué)生一塊分析如何解決斷電后供電的保證問題。首先引入優(yōu)先級的概念，然后思考如何設(shè)置優(yōu)先級。如果供電系統(tǒng)具有較大的發(fā)電容量，可以設(shè)置多個優(yōu)先級；考慮到不同飛行階段所對應(yīng)的任務(wù)不同，優(yōu)先級的劃分需要采取多種模式；優(yōu)先級的設(shè)定還需要根據(jù)重要性來劃分，比如保證飛行的設(shè)備優(yōu)先級要高于飛機內(nèi)部空調(diào)溫度調(diào)節(jié)設(shè)備的優(yōu)先級，重要任務(wù)的優(yōu)先級要高于一般任務(wù)的優(yōu)先級[3]。在介紹完上述知識后，可將該系統(tǒng)的優(yōu)先級劃分向同學(xué)們展示，讓同學(xué)們進一步掌握優(yōu)先級的劃分原則和方法。其優(yōu)先級的具體劃分如表1所示。

表1 電氣負荷管理優(yōu)先級

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

通過這些問題引出短路電流計算的必要性、短路的分類以及計算方法。任何系統(tǒng)不僅需要保證在正常工作狀態(tài)時運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)生的最嚴重故障時，系統(tǒng)的元器件不會損壞，系統(tǒng)仍然是安全可靠的，因此短路電流計算就是元器件、設(shè)備、繼電保護等選取的參考之一。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。在進行短路計算的理論知識講解時，引出標(biāo)幺值的概念，針對不同的短路類型，分別介紹短路電流的計算方法。

通過對電路電流的計算以及根據(jù)現(xiàn)有電力方面的知識，向?qū)W生提問：上述三種短路方式，哪種短路方式對系統(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？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，三相短路對電網(wǎng)系統(tǒng)造成的危害最大。因此在該題目中，只要計算出可能發(fā)生的三相短路電流即可，用計算的數(shù)值作為器件選擇的參考之一[4]。

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

圖1 電氣負載管理中心的硬件組成

至此，配電技術(shù)的知識已經(jīng)基本講完，通過對飛機配電系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)，讓學(xué)生對配電系統(tǒng)的知識點以及設(shè)計步驟形成一個相對完整的體系，不再是零散的知識點。

2 小結(jié)

通過一個完整的飛機智能配電系統(tǒng)的設(shè)計案例，從系統(tǒng)的設(shè)計開始，一步步地引入所需要的相關(guān)知識以及需要擴充的知識，不僅讓學(xué)生學(xué)到了具體的理論知識，也讓學(xué)生在面對系統(tǒng)設(shè)計時知道如何下手，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)具有了完整性和實用性，同時也讓學(xué)生掌握了配電技術(shù)在各個領(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。