摘" 要" 針對新工科培養(yǎng)體系下電氣工程人才需求，對研究生專業(yè)理論課程和工程實(shí)踐相融合的教學(xué)方法進(jìn)行深入探索，提出兩者融合的教改措施。以電氣絕緣測試技術(shù)研究生課程為例，結(jié)合目前國家重大戰(zhàn)略“西電東送”的高壓直流輸電工程案例，詳細(xì)探討強(qiáng)電課程教學(xué)、工程電力裝備以及電氣理論實(shí)踐結(jié)合的新一代教學(xué)方法。對研究生的課程教學(xué)與改革具有重要意義，對于電氣研究生課程學(xué)習(xí)和未來的企業(yè)工作實(shí)踐具有很好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞" 教學(xué)改革；電氣工程；高壓直流輸電；電氣絕緣測試技術(shù)

中圖分類號(hào)：G643.2" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）03-0097-05

0" 引言

隨著我國電力制造業(yè)的發(fā)展，電力制造行業(yè)亟須培養(yǎng)一批新型人才。在國家推行“中國制造2025”的政策方針下，教育部積極發(fā)起了新工科建設(shè)，《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》等系列重要文件相繼發(fā)布[1]，助力高等學(xué)校、科研院所培養(yǎng)理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的新一代新型人才[2]。

隨著我國能源結(jié)構(gòu)分布的不平衡、環(huán)境污染和全球氣候變化等系列問題的凸顯，采用特高壓直流輸電技術(shù)將西部電能輸送到東部（西電東送），是我國構(gòu)建清潔能源的重要通道，因此，“西電東送”是我國的重要能源戰(zhàn)略工程。2020年，“西電東送”容量達(dá)到2.7億千瓦。

21世紀(jì)特高壓直流輸電工程的提速，給電氣工程學(xué)科帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，未來國家對于電氣工程研究生人才的培養(yǎng)目標(biāo)是：培養(yǎng)多專業(yè)、多系統(tǒng)、多維度、多學(xué)科交叉的綜合型人才。隨著電壓等級(jí)的不斷提高，系統(tǒng)及設(shè)備的絕緣問題日益突

出[3]，嚴(yán)重限制了高電壓等級(jí)的發(fā)展，電氣絕緣測試技術(shù)作為電氣工程強(qiáng)電研究生培養(yǎng)的一門重要專業(yè)課，其主要課程包括電介質(zhì)的四大參數(shù)（電導(dǎo)率、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和擊穿強(qiáng)度）的測試方法，局部放電的原理及測量方法、設(shè)備的高電壓與試

驗(yàn)等[4]。

而在高壓直流輸電工程領(lǐng)域，電氣絕緣測試方法具有非常重要的意義，其結(jié)果直接關(guān)系著直流輸變電設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，結(jié)合“西電東送”高壓直流輸電技術(shù)等工程問題，針對電氣研究生課程進(jìn)行探索，具有重要意義。

1" “西電東送”高壓直流輸電工程條件下

的人才培養(yǎng)需求

1.1" 行業(yè)現(xiàn)狀與人才體系

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電能需求的日益增長與環(huán)境問題的矛盾成了當(dāng)下亟待解決的重要問題。我國能源東西地理位置分布不平衡，70%的負(fù)荷分布在東部，80%的能源分布在西部。因此，發(fā)展遠(yuǎn)距離、大容量和高效率的超/特高壓輸電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)外電力的跨區(qū)域大范圍優(yōu)化配置成了時(shí)代的必然選擇。

目前，特高壓直流輸電最主流、最成熟的技術(shù)是常規(guī)直流輸電技術(shù)（Line Commutated Converter

Based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC），具有輸送容量大、運(yùn)行穩(wěn)定性好、系統(tǒng)損耗小、建設(shè)成本低等優(yōu)勢，在遠(yuǎn)距離大容量輸電方面具有不可替代的作用。截至目前，我國已有10項(xiàng)特高壓常規(guī)直流工程實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營，還有4項(xiàng)工程在建，最高電壓等級(jí)達(dá)到±1 100 kV，為昌吉—古泉特高壓直流輸電工程，最大輸電容量達(dá)到

12 000 MW。

隨著我國直流電網(wǎng)建設(shè)的不斷升級(jí)，構(gòu)建高壓大容量多端直流系統(tǒng)成為了必然趨勢。故研究多端柔性直流輸電系統(tǒng)已成為未來的主流，柔性直流輸電又稱為第3代直流輸電技術(shù)。表1為國內(nèi)近些年柔性直流輸電工程的建設(shè)狀況。

1.2" 人才培養(yǎng)需求

在高壓直流輸電工程發(fā)展的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)工程輸變電設(shè)備眾多，必須培養(yǎng)一批從事電氣絕緣方面設(shè)計(jì)的人才。而且要著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法，注重其多維度、多學(xué)科綜合素質(zhì)教育的培養(yǎng)，提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)工程問題、分析問題和解決工程問題的能力。而不能單單使學(xué)生從書本上獲得理論知識(shí)，與真正的工程實(shí)踐相脫節(jié)。

現(xiàn)階段電氣工程的教師授課多采用課堂講授專業(yè)知識(shí)的方式，與學(xué)生缺乏工程知識(shí)方面的互動(dòng)交流，而電氣工程學(xué)科必須緊密結(jié)合“電”、工程設(shè)備才能夠幫助學(xué)生更好地理解電氣學(xué)科的價(jià)值。

特高壓直流輸電工程涵蓋了電氣工程的所有二級(jí)子學(xué)科，包括高電壓技術(shù)、絕緣理論、電力電子、電力系統(tǒng)、電機(jī)與電器、電路與系統(tǒng)等，因此，學(xué)生的培養(yǎng)方式不能單一化，如研究生所學(xué)為絕緣專業(yè)，要求其在所學(xué)專業(yè)課基礎(chǔ)上，還要了解其他學(xué)科的專業(yè)課，如繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)分析、直流輸電技術(shù)等[5]。

2" 電氣絕緣測試技術(shù)與直流工程結(jié)合的教

學(xué)改革路徑

2.1" 系統(tǒng)至底層“依上而下”構(gòu)建教學(xué)體系

良好的絕緣設(shè)計(jì)是保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要手段。如果拿行軍打仗來比喻的話，電力系統(tǒng)可比為先頭部隊(duì)的“前行軍”，而絕緣就可比為重要的“后勤保障軍”。一旦“后勤保障”出現(xiàn)問題，那么先頭部隊(duì)“前行軍”必然會(huì)糧草枯竭，最后必作戰(zhàn)失敗。在正常的行軍作戰(zhàn)時(shí)，我們似乎很難察覺“后勤保障軍”的重要性，一旦作戰(zhàn)失敗，在指揮系統(tǒng)正常的情況下，往往就是“后勤保障”供應(yīng)不上或出現(xiàn)重大問題。

與此一致，絕緣在電力系統(tǒng)中的重要性也是如此，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由于各個(gè)設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)良好，能夠保證電力的正常供應(yīng)，但是一旦絕緣出現(xiàn)缺陷或失效，那么必然導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)癱瘓、停電[6]。

電氣絕緣測試作為設(shè)備的測試技術(shù)方法，是為電力系統(tǒng)中的最底設(shè)備層服務(wù)。那么首先針對整個(gè)高壓柔性直流系統(tǒng)做一個(gè)最上層的講解，以±500 kV張北四端柔直工程為例，如圖1所示。對±500 kV的高壓柔直系統(tǒng)進(jìn)行研究，其中可以看出整個(gè)系統(tǒng)是由VSC-MMC柔直換流閥設(shè)備、直流斷路器[7]、變壓器、架空線等設(shè)備構(gòu)成。將圖1中的VSC-MMC柔直換流閥設(shè)備單獨(dú)拿出細(xì)述，如圖2所示。VSC-MMC設(shè)備是直流系統(tǒng)中的核心裝置，承擔(dān)著交流轉(zhuǎn)直流的重要任務(wù)，其絕緣設(shè)計(jì)非常重要。

通過上述的講解，讓學(xué)生能夠了解絕緣在高壓直流輸電技術(shù)中的重要性，加強(qiáng)了學(xué)生對高壓直流輸電設(shè)備的認(rèn)知，在這一過程中，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行思考和提問，如這個(gè)VSC-MMC是怎樣工作的？它是怎樣將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的？其設(shè)備的絕緣應(yīng)該怎么設(shè)計(jì)？真實(shí)的設(shè)備長什么樣？通過對該教學(xué)過程中的關(guān)鍵場景進(jìn)行提問，教師可針對重點(diǎn)問題進(jìn)行詳細(xì)講解，與學(xué)生相互交流探討，加強(qiáng)學(xué)生對于工程實(shí)踐的認(rèn)知。

2.2" 高壓直流輸電設(shè)備與電氣絕緣工程實(shí)踐結(jié)合教學(xué)改革

通過介紹VSC-MMC柔直換流閥的拓?fù)涓拍?，闡述其工作方式，使得學(xué)生對VSC-MMC高壓直流輸電設(shè)備有了一個(gè)系統(tǒng)性的認(rèn)知。接下來，可針對該AC/DC設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)闡述，如設(shè)備的控制方式、保護(hù)策略、型式試驗(yàn)等?？山又U述VSC-MMC柔直換流閥設(shè)備的實(shí)物照片，在這個(gè)實(shí)物講解中，教師可詳細(xì)闡述每部分對應(yīng)電氣原理圖的模塊，如SM模塊放置于屏蔽罩內(nèi)部。閥塔整個(gè)底部要采用絕緣設(shè)計(jì)，用以將500 kV高壓電位與地電位隔離開來，底部絕緣全部為支撐絕緣子[8]，具有較高的電氣強(qiáng)度。針對該VSC-MMC柔直換流閥的絕緣，此時(shí)就可引入電氣絕緣測試技術(shù)中的概念以及測試方法。

聚焦VSC-MMC柔直換流閥的底部絕緣，教師可重點(diǎn)闡述其絕緣設(shè)計(jì)的重要性。讓學(xué)生思考絕緣測試的點(diǎn)有哪些內(nèi)容，為什么要針對絕緣設(shè)備開展絕緣測試等[9]。

此時(shí)引入電氣絕緣測試技術(shù)這門課中的電介質(zhì)四大參數(shù)“電導(dǎo)率、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和擊穿強(qiáng)度”，然后教師可針對每個(gè)參數(shù)詳細(xì)講述測量方法，如電導(dǎo)率測量為高阻計(jì)法、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗為電橋法、擊穿強(qiáng)度儀測試法，以及局部放電測量法?？山Y(jié)合VSC-MMC柔直換流閥的測試，闡述相關(guān)的在線測量等理論。

2.3" 多元化工程實(shí)踐案例教學(xué)

圍繞著VSC-MMC柔直換流閥設(shè)備的絕緣問題，教師針對電氣絕緣測試方法做了詳細(xì)的理論闡述。此時(shí)可結(jié)合所學(xué)課程列出工程實(shí)踐中VSC-MMC柔直換流閥設(shè)備的絕緣試驗(yàn)，如表2所示。在該試驗(yàn)項(xiàng)目中，教師應(yīng)分享絕緣試驗(yàn)的詳細(xì)試驗(yàn)規(guī)程。如有相關(guān)的試驗(yàn)視頻案例，應(yīng)展示視頻案例。

以第1項(xiàng)直流耐壓試驗(yàn)項(xiàng)目為例說明。

2.3.1" 試驗(yàn)要求

這個(gè)試驗(yàn)是驗(yàn)證±420 kV閥支架絕緣在最大穩(wěn)態(tài)直流電壓和短時(shí)過電壓的耐壓能力。試驗(yàn)以正負(fù)極性重復(fù)進(jìn)行，試驗(yàn)期間進(jìn)行局放測量。在規(guī)定的3 h電壓試驗(yàn)的最后1 h，超過300 pC的局部放電數(shù)目，應(yīng)按照IEC60700-1附錄B中的說明記錄。

整個(gè)記錄期間，平均每分鐘300 pC以上的脈沖不超過15次；500 pC以上的脈沖每分鐘不超過7次；1000 pC以上的脈沖每分鐘不超過3次；2000 pC以上的脈沖每分鐘不超過1次。

試驗(yàn)電壓：

Utds=±Udms×k3×kt" （1）

Utds為閥支架兩端承受的最大穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓，424.2 kV；k3是試驗(yàn)安全系數(shù)，1 min試驗(yàn)為1.6，3 h試驗(yàn)為1.1。kt 是大氣修正系數(shù)：1 min試驗(yàn)1.0495，3 h試驗(yàn)為1。

2.3.2" 試驗(yàn)方法

1）在試驗(yàn)之前，閥支架應(yīng)當(dāng)短路并接地最少2小時(shí)；

2）啟動(dòng)水冷系統(tǒng)運(yùn)行，進(jìn)水溫度、流量、電導(dǎo)率滿足表3要求；

3）閥的兩端短接，短接的閥端對地間施加直流試驗(yàn)電壓。從規(guī)定的1 min最大試驗(yàn)電壓的50%開始，電壓盡快升至規(guī)定的1 min試驗(yàn)電壓，保持1 min恒定，再降至規(guī)定的3 h試驗(yàn)電壓，保持3 h恒定，然后減到零。檢查試品閥是否無閃絡(luò)、無擊穿放電，冷卻系統(tǒng)無損壞；

4）在3 h電壓試驗(yàn)的最后1 h，記錄超過300 pC的局部放電數(shù)目；

5）用相反極性電壓重復(fù)上述試驗(yàn)；

6）記錄試驗(yàn)電壓、進(jìn)水溫度、流量、電導(dǎo)率等參數(shù)。

將上述第1項(xiàng)試驗(yàn)規(guī)程全部列出后，可給學(xué)生詳細(xì)講述電氣絕緣測試中各個(gè)參數(shù)測試的工程意義，對應(yīng)于電氣絕緣測試技術(shù)這門課程中的理論環(huán)節(jié)，讓學(xué)生舉一反三，課堂上討論電力設(shè)備的絕緣測試方法都有哪些，針對不同的電力設(shè)備絕緣測試方法的不同等，以理論知識(shí)掌握為基礎(chǔ)，結(jié)合工程設(shè)備實(shí)際，強(qiáng)化其工程思維方式，通過該試驗(yàn)項(xiàng)目案例，讓其掌握電氣絕緣測試技術(shù)中的理論與實(shí)踐相結(jié)合的點(diǎn)，增強(qiáng)理性認(rèn)知。

引入多元化的教學(xué)體系方案，教學(xué)體系不僅僅純講授理論知識(shí)，應(yīng)結(jié)合不同高壓直流工程中VSC-MMC柔直換流閥設(shè)備的研制過程，以PSCAD/EMTDC為仿真工具，在課堂上再現(xiàn)事實(shí)仿真柔性直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，讓學(xué)生能夠親自動(dòng)手操作PSCAD/EMTDC仿真工具，理論研究柔直換流閥設(shè)備的AC/DC動(dòng)態(tài)特征。讓學(xué)生能夠熟悉設(shè)備研制的流程，理論仿真→樣機(jī)設(shè)計(jì)→樣機(jī)研制→型式試驗(yàn)。結(jié)合工程實(shí)際，引入ANSYS、ANSOFT、COMSOL等有限元仿真軟件[10]，讓學(xué)生掌握理論設(shè)計(jì)方法，建模方法和仿真方法[11]，培養(yǎng)學(xué)生研發(fā)的能力，使得其掌握知識(shí)面要多元化，最后在型式試驗(yàn)中講解設(shè)備的電氣絕緣測試方法[12]，這樣可形成一套完整的研發(fā)知識(shí)體系，有助于培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力。

在最終的考核體系中，要求學(xué)生結(jié)合實(shí)際工程，圍繞介質(zhì)絕緣測試方法，采用查閱資料、課堂PPT匯報(bào)的方式，講述自己對電氣絕緣測試方法的一些理解。從企業(yè)研發(fā)能力角度，撰寫一篇關(guān)于絕緣測試相關(guān)的小論文，全方面考查學(xué)生對于工程實(shí)踐的理解，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，培養(yǎng)其工程綜合素養(yǎng)。

3" 結(jié)束語

基于“西電東送”重大工程背景，結(jié)合電氣絕緣測試技術(shù)理論，構(gòu)建理論與實(shí)踐相結(jié)合的多維度培養(yǎng)方案體系，探索一種適用于電氣工程研究生的教學(xué)改革方法。

以“自上而下”系統(tǒng)至底層設(shè)備的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)對絕緣測試重要性的認(rèn)知；結(jié)合VSC-MMC柔直換流閥設(shè)備，將電氣絕緣測試?yán)碚撆c工程裝備完美結(jié)合起來，探索一種新的教學(xué)模式；最后提出多元化的教學(xué)體系，在課堂教學(xué)中引入設(shè)備的研制過程，包括理論仿真→樣機(jī)設(shè)計(jì)→樣機(jī)研制→型式試驗(yàn)，引入ANSYS、ANSOFT、COMSOL等高電壓計(jì)算軟件，完善考核考評(píng)體系，實(shí)踐證明該模式提升了學(xué)生的綜合能力，滿足了“新工科”的人才培養(yǎng)需求。

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