電抗器匝間短路在線檢測開放實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究

摘要：闡述了“電抗器匝間短路在線檢測開放實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)施細(xì)則、實(shí)驗(yàn)特色及實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)踐表明，將科研成果應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，發(fā)揮學(xué)生的個人能動性，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神。

關(guān)鍵詞：開放實(shí)驗(yàn)；電抗器；匝間短路；在線檢測

作者簡介：趙彥珍（1967-），女，山西運(yùn)城人，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授；應(yīng)柏青（1964-），女，浙江仙居人，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，高級工程師。（陜西 西安 710049）

基金項目：本文系2013年西安交通大學(xué)本科教學(xué)改革專題研究項目的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）03-0137-02

實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能、科學(xué)精神、創(chuàng)新能力等具有無可替代的意義。多年來，西安交通大學(xué)的“電路”及“電磁場與波”實(shí)驗(yàn)分立開設(shè)，且均以常規(guī)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。為配合“電路”及“電磁場與波”的課程建設(shè)，我們積極開展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，其中一項重要措施就是結(jié)合前沿的科研課題開設(shè)系列綜合性開放實(shí)驗(yàn)。

2010年我們完成了“干式空芯電抗器匝間短路故障在線檢測方法研究”的科研課題，提出一種有效的匝間短路在線檢測方法——磁場探測法。[1-4]該項科研課題的研究工作涉及到電類本科生必須掌握的電路、電磁場相關(guān)理論知識，例如：互感電路分析計算方法，典型運(yùn)放電路分析計算方法及應(yīng)用，線圈自感、互感參數(shù)的計算方法，電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用，有限元數(shù)值計算方法等。因此，面向已完成電路、電磁場課程學(xué)習(xí)的大學(xué)二年級電類本科生開設(shè)基于干式空芯電抗器匝間短路在線檢測的電路電磁場系列綜合實(shí)驗(yàn)，通過面向工程實(shí)際的綜合分析和綜合設(shè)計能力訓(xùn)煉，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，鞏固學(xué)生對理論知識的掌握，增強(qiáng)學(xué)生的自信心，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神。

一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

首先對科研課題的研究工作進(jìn)行分塊細(xì)化，然后結(jié)合“電路”、“電磁場與波”課程的所學(xué)內(nèi)容選定系列實(shí)驗(yàn)題目，這些實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、難度以及要求既有區(qū)別，又有聯(lián)系，以便學(xué)生可以根據(jù)自己的個人興趣、能力以及專業(yè)特點(diǎn)選擇適合自己水平的實(shí)驗(yàn)題目，既能鍛煉學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)及綜合實(shí)踐能力還能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神。

圖1為干式空芯電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)的原理示意圖。該系統(tǒng)按功能可劃分為信號采集、信號分析與處理、故障顯示及報警三個主要模塊。該系統(tǒng)的軟件是基于LabVIEW平臺開發(fā)的。結(jié)合科研課題的研究經(jīng)歷，根據(jù)系統(tǒng)的功能模塊，我們最終確定系列綜合實(shí)驗(yàn)四項：干式空芯電抗器匝間短路故障工頻特性的研究、基于LabVIEW的干式空芯電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)現(xiàn)、干式空芯電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)濾波及放大功能的實(shí)現(xiàn)以及干式空芯電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)報警模塊的實(shí)現(xiàn)。

1.干式空芯電抗器匝間短路故障工頻特性的研究

要求學(xué)生基于場路耦合法，建立干式空芯電抗器正常運(yùn)行狀態(tài)與匝間短路故障狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，采用工程數(shù)值分析軟件Ansoft[5]或工程編程軟件Matlab[6]分析計算兩種狀態(tài)下的工頻電磁場特性，確定匝間短路故障檢測方法。

其中，電抗器線圈并聯(lián)支路自感、支路間互感的計算可基于聶以曼公式的解析法，或基于有限元數(shù)值計算的能量法或磁通法。[7]電抗器電流分布及等效電感的計算可基于電抗器的電路模型，采用具有耦合電感電路分析方法。[8]電抗器磁場分布的計算可基于ansoft軟件中的有限元法。[7]

2.基于LabVIEW的干式空芯電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)現(xiàn)

要求學(xué)生通過LabVIEW軟件完成干式空芯電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時采集任務(wù)，并用LabVIEW實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的保存、管理。[9]

3.干式空芯電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)濾波及放大功能的實(shí)現(xiàn)

要求學(xué)生通過LabVIEW軟件方法完成干式空芯電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)濾波功能的任務(wù)。通過自行設(shè)計制作的印刷電路板實(shí)現(xiàn)信號放大功能。

4.干式空芯電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)報警模塊的實(shí)現(xiàn)

要求學(xué)生通過LabVIEW軟件及自行設(shè)計制作的印刷電路板實(shí)現(xiàn)干式空芯電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)報警模塊的任務(wù)。

二、實(shí)施細(xì)則

實(shí)驗(yàn)通過任務(wù)書的形式向已完成電路、電磁場課程學(xué)習(xí)的大學(xué)本科二年級學(xué)生公布。由學(xué)生自愿報名，擇優(yōu)錄取。

在實(shí)驗(yàn)活動開始前安排一次對實(shí)驗(yàn)項目介紹的集中講解及現(xiàn)場演示，使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)的工程背景、所需完成的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

我校電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的電路、電磁場實(shí)驗(yàn)室及計算機(jī)房可提供實(shí)驗(yàn)開展場地。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試完成實(shí)驗(yàn)后，可借用科研課題中相關(guān)的硬件系統(tǒng)平臺進(jìn)行驗(yàn)收。

可參考指導(dǎo)本科生畢業(yè)設(shè)計的模式，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時間以學(xué)生的意愿為主，可選在實(shí)驗(yàn)室、學(xué)生和教師都有空的交叉點(diǎn)上，也可見縫插針，安排在有空閑實(shí)驗(yàn)臺的常規(guī)實(shí)驗(yàn)課時。

實(shí)驗(yàn)通過驗(yàn)收后，要求學(xué)生先提交電子版實(shí)驗(yàn)報告，經(jīng)過老師批改，評定為“合格”后，學(xué)生再整理打印紙制版實(shí)驗(yàn)報告提交。

三、實(shí)驗(yàn)特色

將實(shí)際工程科研成果轉(zhuǎn)化為電路電磁場理論教學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過把電路、電磁場理論知識和實(shí)際工程科研成果聯(lián)系起來，將該領(lǐng)域相關(guān)教師的最新科研進(jìn)展凝練成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開闊學(xué)生視野、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時，也對學(xué)生的科研方法訓(xùn)練有極大的促進(jìn)作用。

電路和電磁場兩門課程的綜合性實(shí)驗(yàn)。本綜合實(shí)驗(yàn)涉及到電路、電磁場耦合模型的建立、多層并聯(lián)線圈的支路自感、支路間互感以及總等效電感的計算、線圈工頻磁場分布的有限元數(shù)值計算等，貫通、融合了電路和電磁場理論兩門課程中的相關(guān)概念和分析計算方法。既能鍛煉學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)及綜合實(shí)踐能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神。

開設(shè)的4項實(shí)驗(yàn)項目既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，學(xué)生在選取及開展某一項實(shí)驗(yàn)時，還需了解其他實(shí)驗(yàn)項目或借用其他項目的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣，每個學(xué)生要圓滿完成自己選取的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，需要充分發(fā)揮個人的能動性，同時，每個學(xué)生還可深刻體會到，要完成一項實(shí)際的科研課題，團(tuán)隊協(xié)作精神起著很重要的作用。

四、實(shí)驗(yàn)效果

在2012至2013學(xué)年的第二學(xué)期，我們面向我校電氣工程學(xué)院大學(xué)本科二年級學(xué)生開展了上述系列綜合開放實(shí)驗(yàn)，共有8名學(xué)生參加本次實(shí)驗(yàn)活動。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之際，參加實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)教師與學(xué)生就本次實(shí)驗(yàn)活動進(jìn)行了討論交談。學(xué)生們紛紛表示，經(jīng)過系列綜合實(shí)驗(yàn)的鍛煉收獲頗多。例如，深刻體會到學(xué)習(xí)電路、電磁場課程理論知識的重要性，了解到實(shí)際工程問題的分析計算方法，還掌握了大型工程應(yīng)用軟件Ansoft及工具軟件LabVIEW的使用方法，學(xué)會了電路設(shè)計、印刷電路板設(shè)計及調(diào)試技術(shù)，這些都有助于提高他們獨(dú)立進(jìn)行科研工作的能力。老師們對本次綜合實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)過程也深有體會，通過與學(xué)生的溝通，更加了解學(xué)生的興趣、需求及能力，為進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供更多的思路，同時，學(xué)生們的研究成果也可供教師的科研工作參考借鑒。

五、結(jié)束語

基于科研課題的研究工作開設(shè)電路電磁場系列綜合性開放實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生對電路電磁場課程理論知識的學(xué)習(xí)興趣，可以充分發(fā)揮學(xué)生的能動性，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神，還可進(jìn)一步推進(jìn)電路電磁場的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

參考文獻(xiàn)：

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[3]趙彥珍，馬西奎，梁正波，應(yīng)柏青. 一種干式空芯電抗器匝間短路故障在線實(shí)時檢測方法：中國，ZL201010217935.7[P].

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[6]馮慈璋，馬西奎.工程電磁場導(dǎo)論[M].北京：高等教育出版社，

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[7]邱關(guān)源，羅先覺.電路[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[8]江建軍.LabVIEW程序設(shè)計教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，

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（責(zé)任編輯：王祝萍）