高职电气工程三年级《变压器油系统继电保护与安全防护》教案

高职电气工程三年级《变压器油系统继电保护与安全防护》教案

一、教学背景与设计理念

（一）课程定位与教材处理

本课选自高职电气自动化技术/电力系统继电保护技术专业三年级核心课程《电力变压器运行与维护》模块四“变压器油循环系统故障诊断与防护”。在完整学习变压器本体结构、绝缘油理化性质及继电保护基本原理后，本单元聚焦于油系统这一特定子系统，将油务监督、热工信号与电气量保护进行跨界整合。教材原章节以油泵控制回路为主，本设计依据“岗课赛证”融通理念，重构为“物理特征量监测—保护逻辑整定—防爆泄压联动”三位一体的安全防护体系，突出系统化思维与故障预判能力。

（二）学情精准画像

授课对象为高职三年级学生，已完成《电机学》《高电压技术》《继电保护自动装置》的学习，具备以下特征：1.优势：能识读变压器油循环冷却系统图，掌握瓦斯继电器、压力释放阀的安装位置，会用万用表测量油泵电机绝缘电阻；2.缺口：对油流静电、油中电弧等暂态过程缺乏物理图像认知，对不同保护（电气量/非电气量）的动作时限配合存在逻辑盲区，极少将油色谱在线监测数据与继电保护出口矩阵关联思考；3.风格：偏好短时、强交互、可即时验证的理实一体任务，对抽象的保护定值计算有畏难情绪，但乐于接受基于AR仿真的事故反演。

二、教学目标与思政浸润

依据高等职业教育专科电气类专业教学标准、变配电运维“1+X”证书技能点及电力行业油务员职业技能鉴定要求，确定以下三维目标：

（一）知识目标

1.精准复述变压器油系统三种典型故障模式——过热性故障、放电性故障、机械性故障对应的油特征气体组分及产气速率阈值【重要】【高频考点】；

2.绘制油浸式变压器非电量保护（瓦斯、油温、油位、压力释放）与电量保护（差动、零序、过负荷）的动作逻辑时序图【非常重要】；

3.阐释油流继电器、油泵热耦继电器与变压器后备过流保护之间的级差配合原则。

（二）能力目标

1.能依据DL/T572—2021《电力变压器运行规程》对油温越限、油位异常发出告警信号并执行减载操作【难点】；

2.能在仿真平台上整定油泵启动次数及油流继电器动作值，避免油流带电诱发匝间短路；

3.通过油中溶解气体分析（DGA）三比值法判断故障性质，并提出针对性的防护策略【高频考点】【热点】。

（三）素质目标

1.树立“预防为主、纵深防御”的电力安全理念，理解单一保护失效下的多重冗余机制；

2.养成在油系统检修中严格执行防爆、防毒、防火的职业习惯；

3.通过分析国内外特大变压器火灾事故，强化精益求精的工匠精神与守护电网安全的责任担当。

三、教学重点与难点标识

【非常重要】【高频考点】重点：瓦斯保护与差动保护在油箱内外故障时的灵敏度配合；压力释放阀动作信号应仅作用于报警而非直接跳闸（防止误动）的工程逻辑。

【难点】【热点】难点：油流带电现象的产生机理——油流与固体绝缘摩擦产生静电，电荷积聚达一定电位引发沿面放电，该过程难以用常规电气量捕捉，需综合油流速度、油温、微水含量进行风险预判。

【一般】【认知基础】变压器油的基本功能：绝缘、冷却、熄弧、信息载体（溶解气体）。

四、教学策略与资源矩阵

（一）教法创新

采用“事故驱动—仿真验证—实物拆解—标准对照”四阶递进模式。核心教学法为：1.故障树分析法——以“变压器起火”为顶事件，倒推油系统各环节失效路径；2.增强现实（AR）叠加教学——将虚拟保护逻辑压板投射至实体油风冷却控制柜；3.定值辩论赛——分组分别扮演运行人员与检修人员，就“重瓦斯保护是否应投跳闸”展开技术辩论。

（二）媒介与资源

1.实体资源：SZ-11型油浸式变压器透明教学模型（可观察潜油泵、油流继电器、蝶阀）、气体继电器仿真测试仪、压力释放阀动作示教板；

2.数字资源：自主研发“油系统安全防护VR实训系统”，内置18类油务故障案例库；国家职业教育智慧教育平台《变压器油色谱分析虚拟仿真》模块；

3.标准化文件：GB/T7252—2021《变压器油中溶解气体分析和判断导则》、国家电网公司《防止变压器油流静电反事故措施》。

五、教学实施过程（95分钟理实一体课）

（一）课前预学：隐性知识显性化（15分钟线上）

教师通过学习通发布三维预学包：1.微课《瓦斯继电器里到底有没有气？》——要求学生在评论区画出浮子式与挡板式瓦斯继电器的结构简图；2.阅读材料：某500kV变电站因油泵轴承磨损引发低能放电的调查报告，提取关键时间轴；3.诊断性测验：油色谱分析中，乙炔大于5μL/L预示何种故障？学生提交答案后系统自动推送对应讲解视频。教师根据正确率锁定课堂重点——约63%学生混淆了过热与放电的特征气体。

（二）课中实施：九环节闭环推进

1.情境导入：从“跑油”事故到系统思维（5分钟）

【教师】展示某水电厂主变压器喷油起火新闻截图，隐去事故原因，播放15秒现场视频。提问：“为什么压力释放阀已动作喷油，变压器电源仍未切除？”

【学生】观察喷油口火焰颜色，推测是否继电保护拒动。

【设计意图】利用真实事故冲击力制造认知冲突——学生通常认为“喷油了肯定跳闸”，但事实是压力释放阀仅提供机械泄压，若无电气联动或人为干预，变压器仍带电。自然引出本课核心：油系统安全防护是机械结构、控制回路与保护定值的协同设计。

2.核心概念建构：油系统故障模式谱系（10分钟）【非常重要】

【教师】在白板动态生成油系统故障树，主干分为：1.绝缘油劣化（进水、老化、颗粒污染）；2.冷却系统失效（油泵堵转、散热器堵塞、风扇停转）；3.油流异常（渗漏、油位异常、油流静电）。每类故障旁标注可监测的物理量和对应的保护元件。

【学生】在学案上补全“故障特征—传感器—保护出口”映射表。重点辨析：油流继电器动作（停油泵）与重瓦斯保护动作（跳闸）的根本区别——前者保护油泵电机，后者保护变压器绝缘。

【嵌入标记】【高频考点】此处强调油中溶解气体分析的三比值法编码规则：编码组合“0、2、2”对应电弧放电，涉及乙炔和氢气急剧增长，必须立即停运；编码“0、1、0”对应低温过热，可安排计划检修。

3.逻辑攻坚：非电量保护与电量保护的时序配合（15分钟）【难点】【热点】

【教师】以220kV变压器后备保护为例，在黑板上绘制时间阶梯图。第一级：油温升高至75℃启动辅助冷却器，85℃发告警信号；第二级：绕组热点温度或顶层油温达105℃且持续攀升，应强切部分负荷；第三级：若温度仍失控至115℃，温度继电器触点闭合，启动本体跳闸回路。此时，学生容易误认为“跳闸越早越好”，教师引入“抗过载能力”概念——变压器在短时过负荷下允许油温适度升高，过度灵敏的跳闸会降低供电可靠性。

【学生活动】分组操作油温模拟实验台，通过加热器改变油温，观察不同设定值下温控器触点的通断时延，并使用秒表记录从触点闭合到断路器跳闸的全过程。实测发现：温度继电器本身具有热惯性，其动作时间与油温上升速率成反比。小组代表汇报数据并解释。

【教师深化】引申至压力释放阀与差动保护的逻辑关系——油箱内部严重短路时，电弧使油急速气化，压力骤增，压力释放阀在2毫秒内开启喷油，同时压力开关触点闭合；但此触点通常仅发信，不直接跳闸，原因有二：其一，防止雨水或外力误碰导致误动；其二，差动保护动作速度更快（20-40毫秒），应先由差动切除故障。只有差动保护退出或油箱顶部死区故障时，才通过“压力启动差动”辅助回路实现跳闸。此环节必须让学生理解：保护配置不是堆砌功能，而是冗余且互备。

4.虚拟仿真实训：油流静电诱发沿面放电反演（18分钟）【非常重要】【高频考点】

【教师】指导学生登录VR实训系统，进入“油流静电危害”专项模块。任务情景：一台额定电流1200A的主变压器，夏季满负荷运行，潜油泵转速1450r/min，油流速度1.2m/s。连续监测48小时发现油中静电电流从50pA跃升至450pA，同时局部放电量从20pC增至300pC。

【学生任务】1.调节VR中油流速度滑块，观察静电电位随流速的变化曲线，记录临界流速值；2.调出油色谱在线监测数据，判断故障性质；3.从保护库中选择应发出的信号——是仅报警，还是闭锁调压，还是直接跳闸？

【小组协作】三个小组分别模拟：A组采用“降低油泵转速”方案，B组尝试“投入静电消除器”，C组坚持“立即切除变压器”。教师组织三方陈述理由。

【结论】基于IEEEStdC57.106标准，当静电放电能量足以使油中产气速率超过规程注意值时，应将变压器退出运行。但现实运行中，往往通过加装导电环、改善接地、控制油流速度来治本。此环节学生不仅学到保护逻辑，更体会到技术决策往往需要在安全性与经济性之间权衡。

5.实物拆解与原理验证：气体继电器的“气动—电气”转换（12分钟）

【教师】分发废旧瓦斯继电器（已解体），每组一套浮子、挡板、磁簧开关、干簧触点。要求学生用万用表测量常开/常闭触点状态，并用吹风机模拟气体聚集，观察浮子上升至何角度时触点翻转。

【深度追问】为什么重瓦斯保护采用挡板式结构，而轻瓦斯保护采用浮子式？学生通过观察发现：挡板正对油流冲击方向，流速越大推力越强，适用于短路故障时油流高速喷射；浮子则仅对气体体积敏感，动作缓慢。此处自然引出【重要】概念：重瓦斯保护本质是“流速继电器”，而非“气体继电器”，其整定值以m/s为单位，而非气体容积。

【拓展】结合近期某直流换流站换流变压器重瓦斯误动案例，分析因地震晃动导致油流涌动、挡板瞬时闭合的误动机制，引出解决方案——在跳闸回路并联0.1秒～0.3秒延时或增设振动闭锁元件。

6.定值整定专项演练：油泵电机热继与变压器过流的级差配合（10分钟）

【背景】油泵电机额定功率7.5kW，启动电流倍数6.5，变压器后备过流保护电流定值1200A，时间定值2.1s。

【学生活动】在继电保护测试仪上，分别对油泵回路热继电器和变压器低压侧后备保护施加故障电流。1.将热继电器整定为1.1倍额定电流、10a特性；2.施加三相短路电流，记录热继电器动作时间；3.逐渐增大短路电流直至变压器过流保护动作。

【发现】当故障点位于油泵电缆处，热继电器应在0.5秒内切断油泵，而变压器过流保护因需躲过最大负荷电流，动作时间长达2.1秒。此时学生理解：下级的速动性优于上级，以最小范围切除故障。

【标记】【难点】讨论极端情况：若油泵电机内部短路，热继电器因热记忆效应无法瞬时动作，此时希望变压器过流保护加速段在0.5秒内切除——这需要引入“过流保护经油泵启动闭锁”或“设置独立的小开关速断保护”。

7.事故案例分析：从DGA数据反推保护逻辑缺陷（12分钟）

【材料】提供某110kV变压器真实事故报告摘要：投运第3年，油中乙炔从0.1μL/L逐渐升至8μL/L，微水15mg/L，油温正常；第5天乙炔突增至45μL/L，差动保护动作，变压器本体已鼓包。

【小组任务】1.绘制乙炔浓度时间曲线，划分潜伏期与爆发期；2.复盘保护动作行为：为何在乙炔持续增长阶段没有预警？3.提出整改措施。

【教师点评】该案例暴露出非电量保护与在线监测系统割裂——油色谱告警阈值设为10μL/L，且仅发信至后台，未与保护装置联动。整改方案：降低告警阈值至3μL/L，并将“乙炔急增”信号经GOOSE网络传输至非电量保护扩展屏，启用重跳闸。学生深刻认知：安全防护不是单一装置性能多强，而是信息能否贯通。

8.课堂竞赛：保护逻辑压板投退攻防战（8分钟）

【形式】红蓝两队。红队（运行方）：坚持变压器全保护全投，强调绝对安全；蓝队（检修方）：主张若瓦斯保护曾因震动误动，可临时退出跳闸只投信号。

【辩论焦点】当瓦斯继电器防雨罩损坏、雨天可能进水时，是否应退出重瓦斯跳闸？双方引用规程条文，并考虑供电可靠性。最终共识：任何保护退投必须有书面申请和领导批准，且退重瓦斯时必须补上差动保护灵敏性校验。

【标记】【热点】此环节紧扣近期电力行业“防继电保护三误”专项整治行动，将职业规范深植于心。

9.总结升华与思政点金（5分钟）

【教师】以变压器油作为隐喻：绝缘油平时隐身在钢铁躯壳中，默默承担冷却、绝缘之责，从不张扬；一旦电弧贯穿，它迅速分解产生气体，以自身劣化发出最后的故障警报。这正是电力人“功成不必在我，功成必定有我”的精神写照。

【学生】齐读DL/T572规程总则第一条：“变压器应配置完善的保护装置，防止因单一故障引发设备损坏和电网事故。”在朗朗书声中强化职业信念。

（三）课后延学：迁移创新任务

1.必做：登录VR系统，完成“油系统冷却器全停”事故处理仿真，要求在规定时间内恢复油循环，否则温度越限跳闸。

2.选做：查阅厂矿企业电炉变压器油水冷却器的防爆设计，对比与油浸式电力变压器的异同，撰写300字技术微报告。

3.拓展：针对新能源汇集站大型油浸式变压器散热需求激增的新工况，提出一种基于负荷预测的油泵变频控制策略，绘制控制逻辑图。

六、板书逻辑架构（全程电子白板手写流）

左侧固定区：油系统故障树（三层展开）

中部主板书：时序配合阶梯轴——纵向为保护装置，横向为动作时间，箭头标注联跳关系

右侧浮动区：实时截取学生仿真操作的异常波形，手写纠偏批注

板尾预留区：当日事故案例的产气速率计算公式及注意值

七、教学评价设计

采用“双核四维”评价体系：过程性评价（60%）聚焦仿真任务完成度、定值计算准确性、小组辩论贡献度；终结性评价（40%）为闭卷案例分析——提供一组油色谱数据及保护动作报文，要求撰写200字故障诊断报告并给出防护改进建议。所有评价量规开课前发布，体现标准透明。

八、教学反