电气工程专业本科内部过电压防护技术专题教案

电气工程专业本科内部过电压防护技术专题教案

一、教材与教学内容分析

（一）课程定位与课标要求

本专题属于电气工程及其自动化专业核心必修课高电压技术课程中的重要篇章。高电压技术是研究电力系统在高电压作用下绝缘特性、过电压产生机理及防护措施的学科，具有极强的理论性与工程实践性-1-4。依据专业人才培养方案及工程教育认证标准，本章节的教学旨在支撑毕业要求中关于解决复杂工程问题能力的指标点，即学生能够理解电力系统内部电磁暂态过程，识别、表达并通过文献研究分析复杂过电压问题，以获得有效结论并设计防护方案-2。本专题内容涉及电磁场理论、电路原理、电力系统分析等多学科知识的综合运用，是连接高电压绝缘理论与电力系统运行实践的桥梁，【重要】为学生后续从事电力系统设计、运行、维护及科研工作奠定坚实的理论基础。

（二）本节地位与作用

内部过电压防护技术是高电压技术的核心内容之一，与雷电过电压防护共同构成电力系统过电压防护的完整体系-2-5。相较于雷电过电压，内部过电压由系统内部能量或操作引起，其幅值虽通常低于雷电过电压，但持续时间长、作用范围广、发生频繁，且随着超/特高压电网的发展，其对绝缘水平的影响日益突出，甚至成为决定系统绝缘配合的关键因素。本节内容承接气体、液体、固体电介质的绝缘特性以及线路与绕组中的波过程理论，为后续理解电力系统绝缘配合、电气设备选型及电网安全运行提供直接的理论依据，【非常重要】在整个课程体系中处于核心应用层面。

（三）教学内容重构与优化

基于OBE（成果导向教育）理念和对标工程实际问题，本节内容不再局限于对各类过电压的孤立介绍，而是重构为以“机理-特性-防护-案例”为主线的四个逻辑递进的知识模块，深度融合基本原理与工程应用。

1.内部过电压基础概念与分类：明晰定义、能量来源、影响因素及其对电力系统绝缘的危害。

2.主要内部过电压产生机理与关键特性：此为【核心】【难点】，重点剖析暂态过电压（工频过电压、谐振过电压）和操作过电压（空载线路合闸、切空变、切空线、弧光接地等）的物理本质、数学描述及关键影响因素。

3.内部过电压防护措施与设备：此为【高频考点】【重点】，系统讲解避雷器（特别是金属氧化物避雷器MOA）的工作原理、电气参数及应用，以及断路器合闸电阻、并联电抗器、中性点接地方式等系统级防护措施-5-7。

4.工程案例与综合应用：引入典型电网事故案例，引导学生运用所学知识分析过电压成因，并提出综合防护策略，培养复杂工程问题解决能力。

二、学情分析

（一）知识储备

授课对象为电气工程及其自动化专业大学三年级本科生。学生已系统学习高等数学、电路、电磁场理论、电力系统分析等先修课程-1-2。在前期高电压技术课程中，已掌握气体放电理论、电介质的绝缘特性以及行波过程的基本概念，对过电压有初步的感性认识。但对于内部过电压这种涉及分布参数电路、电磁暂态过程和系统非线性特性的复杂物理现象，多数学生尚缺乏将其耦合分析的能力，特别是对操作过电压的时域变化过程理解不够深入。

（二）能力水平

学生具备一定的数学推导和电路分析能力，能够进行简单的暂态计算。然而，面对实际电力系统（如长距离输电线路、含非线性电感的变压器）时，建立正确的物理模型并进行定性分析的能力普遍偏弱。学生对高电压技术的工程背景认识不足，习惯于理想化电路的分析，对实际运行中如断路器重燃、电感饱和、非线性谐振等现象的复杂性和随机性理解有限。

（三）认知特点与学习心理

大三学生具备较强的逻辑思维能力和求知欲，对与工程实际紧密结合的知识点兴趣浓厚。他们对电网事故、停电等新闻事件较为关注，这为引入案例教学提供了良好的心理基础。但内部过电压理论抽象、公式推导复杂，容易使学生产生畏难情绪。因此，教学过程中需强化物理概念的阐释，采用动画、仿真等手段将抽象过程可视化，并紧密联系工程实例，激发学生的探究热情。

三、教学目标设计

依据布鲁姆教育目标分类法，结合课程标准与学情，制定以下三维教学目标：

（一）知识与技能目标（【基础】）

1.准确复述内部过电压的定义、分类（暂态过电压、操作过电压、谐振过电压），并能列举各类过电压的典型表现形式，如工频电压升高、空载线路合闸过电压、切除空载变压器过电压、铁磁谐振过电压等-5-10。

2.深刻理解并能够推导空载线路合闸过电压、切断感性电流过电压等典型操作过电压的等效电路与解析表达式，掌握影响其幅值和波形的主要因素，如系统参数、合闸相位、断路器灭弧性能等。

3.系统掌握金属氧化物避雷器（MOA）的非线性伏安特性、主要技术参数（持续运行电压、额定电压、残压）及其在限制内部过电压中的作用与选型原则-5。

4.归纳总结限制内部过电压的系统措施（如改善断路器结构、装设合闸电阻）和设备措施（如避雷器配置、并联电抗器安装）-5。

（二）过程与方法目标

1.通过电磁暂态仿真软件（如ATP-EMTP）对典型操作过电压进行建模与仿真，经历“参数设定-现象观察-数据分析-结论归纳”的研究过程，初步掌握利用数字化工具分析复杂电磁暂态问题的方法。

2.通过对典型电网事故案例的研讨，学会运用演绎与归纳的思维方式，从事故现象反推过电压类型及发展过程，培养分析复杂工程问题和科学逻辑推理的能力。

3.通过小组协作学习，围绕特定过电压防护课题（如某风电场汇集线系统过电压防护）进行资料查阅、方案设计与汇报答辩，提升团队协作与沟通表达能力。

（三）情感态度与价值观目标

1.在剖析电网过电压事故案例及其造成的巨大经济损失和社会影响时，深刻感悟电力工程“安全第一”的核心理念，树立严谨求实、精益求精的工匠精神和高度责任心。

2.在学习内部过电压理论与防护技术的发展历程中，体会科技进步对电网安全稳定运行的巨大推动作用，激发学生投身电力科技创新的使命感与家国情怀。

3.通过对内部过电压这一复杂电磁现象的探索，培养尊重自然规律、勇于探索真理的科学精神和辩证唯物主义世界观。

四、教学重点与难点

（一）教学重点

1.典型操作过电压（空载线路合闸、切除空载变压器、切断空载线路）的产生机理与物理过程【非常重要】【高频考点】。

2.金属氧化物避雷器（MOA）限制过电压的原理、参数及选型应用【重要】【热点】。

3.限制内部过电压的系统级防护措施及其作用原理。

（二）教学难点

1.切断空载线路过电压中，断路器电弧重燃的物理过程及其对过电压幅值的决定性影响【难点】。

2.铁磁谐振过电压的产生条件（非线性电感与电容的匹配）及其复杂多变的特性【难点】。

3.将实际的电力系统操作抽象为等效电路模型，并运用暂态分析理论进行定量或半定量分析的能力培养。

五、教学实施过程（核心环节，详案）

本专题计划学时为4学时（180分钟），采用“理论讲授+仿真演示+案例研讨”相结合的教学模式。

（一）导入与概念构建（15分钟）

1.情境创设：展示一段因操作过电压导致变电站设备绝缘闪络的新闻视频或仿真动画，提出问题：“为何一次普通的断路器分合闸操作，会引发如此剧烈的电磁暂态过程，甚至损坏设备？”由此引出内部过电压的课题。

2.概念解析与分类：教师系统讲解内部过电压的定义（由于系统内部能量转化或操作引起的、持续时间通常在毫秒至秒级的电压升高），并与雷电过电压进行对比，强调其根源在于系统内部电磁能的振荡和积累-6。随后，依据IEC和国家标准，给出完整的分类体系树状图（思维导图形式板书）：

1.3.按产生原因：操作过电压、暂态过电压（含工频过电压、谐振过电压）。

2.4.按持续时间：暂时过电压、瞬态过电压。

并简要说明各类过电压在电力系统规划设计、运行维护中的关注度差异，为后续学习做好铺垫。【基础】

（二）核心机理深度剖析（90分钟）

此环节采用启发式讲授与动态仿真演示相结合，逐个击破重点难点。

1.工频过电压与谐振过电压（30分钟）

1.2.工频电压升高：从简单电路模型入手，讲解空载长线的电容效应（费兰梯效应），推导沿线电压分布公式，指出其与线路长度、电源阻抗的关系。【重要】结合不对称短路（如单相接地）分析，讲解中性点位移引起的健全相电压升高原理-2。指出工频过电压虽幅值不高，但持续时间长，是决定避雷器额定电压和系统绝缘水平的【基础】依据。

2.3.谐振过电压：此为【难点】。首先区分线性谐振、铁磁谐振与参数谐振。重点讲解铁磁谐振，以串联铁磁谐振电路为例，通过非线性电感的磁化曲线（展示Ψ-i曲线），引导学生分析电路可能出现的基频、分频、高频谐振的物理条件。利用MATLAB/Simulink搭建简单的铁磁谐振仿真电路，动态展示当电容值变化跨越谐振区域时，电压、电流波形从正弦波畸变为含有丰富谐波的非正弦波，甚至发生基波翻转变变的过程。强调谐振过电压的严重性在于其幅值高、波形复杂且可能持续存在，对设备绝缘造成热和绝缘的双重破坏。

4.操作过电压（60分钟）【非常重要】【高频考点】

本部分将复杂过程分解为三个阶段，并辅以行波过程理论进行讲解。

1.5.空载线路合闸过电压：

1.2.6.机理阐述：将实际三相系统简化为单相集中参数等效电路，讲解电源通过电感（系统等值电感）给电容（线路对地电容）充电的暂态过程。推导最大过电压倍数理论上接近2倍（不考虑阻尼），实际受合闸相位、线路残压、系统损耗等因素影响。

2.3.7.重点突破自动重合闸过电压：强调自动重合闸时，线路上可能存在残余电荷（与电源电压极性可能相反），导致合闸瞬间冲击更大，过电压倍数更高，对绝缘考验更严峻。

3.4.8.仿真演示：利用ATP-EMTP搭建一个简单的空载线路合闸模型，分别设置电源电压峰值、过零时刻合闸，以及重合闸（捕捉不同极性残余电荷工况）场景，实时显示合闸点及线路末端的过电压波形，让学生直观感受不同因素对过电压幅值的影响。

5.9.切断空载线路过电压：

1.6.10.核心难点——电弧重燃：这是本专题的【难点】。首先讲解断路器开断小电流（空载线路充电电流）时，由于灭弧能力较强，电流可能在过零前被强制截断（截流），导致电感（电源侧）和电容（线路侧）上储存能量。随后分析断路器触头间恢复电压与介质强度恢复速度的竞赛，当恢复电压超过介质强度时，触头间隙发生重燃。每一次重燃都相当于一次高频振荡的合闸过程，使得过电压逐级叠加。

2.7.11.动态图解：通过板书手绘电压波形图，一步步展示截流、重燃、高频熄弧、再次重燃的完整过程，使学生清晰理解过电压发展的“台阶式”上升规律。强调现代SF6断路器优良的灭弧性能显著降低了重燃概率，从而有效限制了此类过电压。

8.12.切除空载变压器过电压：

1.9.13.机理阐述：讲解切断空载变压器（励磁电流）时，同样存在截流现象。电感（变压器励磁电感）中储存的磁场能量（1/2*L*i²）无处释放，转而向变压器的等值对地电容充电，形成振荡，产生过电压。推导过电压幅值近似等于截流电流乘以波阻抗（L/C）^0.5。

2.10.14.强调危害：此类过电压幅值高，频率也较高，直接作用于变压器纵绝缘（匝间、层间绝缘），威胁极大。

3.11.15.防护引出：自然引出为何要在变压器附近（或其出口）装设避雷器，为后续防护措施做铺垫。

（三）防护技术与设备详解（45分钟）【重点】【高频考点】

1.系统级防护措施（15分钟）

1.2.断路器加装合闸电阻：动画演示合闸电阻及其辅助触头的工作原理。合闸时，辅助触头先合，电阻串入回路阻尼振荡，经短暂延时（约8-15ms）主触头闭合，短接电阻。讲解电阻值的选择原则（通常与线路波阻抗相当）及对合闸过电压和重合闸过电压的抑制效果。

2.3.改善断路器结构：介绍现代SF6断路器采用压气式、自能式等灭弧技术，提高开断能力，特别是开断小电感电流的能力，从根本上降低截流值和重燃概率。

3.4.并联电抗器与中性点小电抗：讲解并联电抗器在补偿线路电容效应、限制工频过电压的同时，其与线路电容构成的回路参数若配合不当，可能引发谐振。引出中性点小电抗的作用——破坏谐振条件，有效阻尼和消除潜供电流和某些谐振过电压。

4.5.系统中性点接地方式：简述不同电压等级系统中性点接地方式（有效接地、非有效接地）对内部过电压水平的影响。例如，低电阻接地系统可有效抑制弧光接地过电压。

6.设备级防护——避雷器（30分钟）【核心】【热点】

1.7.MOA工作原理深度剖析：回顾理想的过电压防护设备应具备的特性（正常运行时对地高阻，过电压来临时低阻泄放能量，之后迅速恢复高阻）。对比传统的碳化硅（SiC）阀式避雷器与金属氧化物（ZnO）避雷器，重点分析MOA优异的非线性伏安特性曲线（展示曲线图），解释其为何可以无间隙运行。

2.8.MOA关键技术参数及其工程意义【高频考点】：

1.3.9.持续运行电压（Uc）：MOA允许长期承受的工频电压有效值，必须大于系统最高相电压。

2.4.10.额定电压（Ur）：MOA能短暂耐受并随即恢复正常特性的工频电压有效值，是选择MOA耐受暂时过电压能力的关键参数，需结合系统工频过电压水平选取。

3.5.11.残压（Ures）：MOA通过标称放电电流时两端的最大电压峰值，是表征其保护性能的核心指标，残压越低，对被保护设备的绝缘要求越有利。

4.6.12.能量吸收能力：MOA能吸收而不损坏的雷电流或操作冲击能量，对于限制操作过电压，这一参数至关重要。

7.13.MOA配置原则：结合变电站和线路的实际需求，讲解MOA的典型安装位置（如母线、变压器出线、架空线路进线保护段等）。强调在限制操作过电压时，MOA应尽量靠近被保护设备-5。

（四）工程案例研讨与综合应用（30分钟）

1.案例呈现：选取一个经典的电力系统内部过电压事故案例，例如“某500kV变电站投运空载线路引发断路器爆炸事故”或“某地区配电网铁磁谐振导致电压互感器（PT）批量烧毁事故”。

2.小组讨论（15分钟）：将班级分为4-5个小组，围绕以下问题进行研讨：

1.3.事故中出现了何种类型的内部过电压？请结合现象描述阐述判断依据。

2.4.利用本节课所学理论，分析该过电压产生的具体物理过程和关键诱因（如操作方式、系统参数、设备缺陷等）。

3.5.如果你是现场工程师，可以采取哪些事前预防和事中控制措施来避免此类事故？请列出至少三条具体方案，并说明其防护原理。

4.6.针对现有系统，应如何配置或调整保护设备（如避雷器参数、合闸电阻等）以降低此类风险？

7.小组汇报与教师点评（15分钟）：各小组选派代表发言，分享讨论成果。教师进行总结性点评，对各小组的分析深度、方案合理性进行评价，并补充可能遗漏的要点，如雷电过电压与内部过电压的叠加作用、运行方式的特殊性等。通过案例研讨，实现从理论知识到解决实际复杂工程问题的能力跃迁。

六、学习评价与考核设计

本专题采用形成性评价与终结性评价相结合的方式，全面衡量学生学习效果。

（一）形成性评价（占专题成绩的40%）

1.课堂互动表现（10%）：通过课堂提问、讨论发言的积极性和质量进行评估，特别关注学生在案例研讨环节的表现。

2.课后思考题与小作业（15%）：每次课后布置1-2道思考题，如“请解释为什么空载线路合闸过电压在自动重合闸时可能更高？”“查阅资料，比较不同电压等级系统限制操作过电压的主要