“电力系统继电保护原理”教学改革探讨

刘晓军，肖 白，崔 杨

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

“电力系统继电保护原理”课程是电气工程及其自动化专业一门重要的专业课程。由于讲授内容多，涉及基础知识宽，再加上课程理论难度大、专业性强及实践性强等特点，教学效果不佳［1-3]。

如何针对不同的教学内容探讨使用不同的教学方法，增强教学效果，是值得我们认真思考的问题。

1 函数关系定性分析法

对函数概念的现代解释，通常有四种不同的定义方法。其中一种方法定义是:函数是一种对应关系。函数关系式是采用数学表达式描述量与量之间对应关系的直观表达形式。因此，应用函数关系对相关概念进行定性分析是帮助学生理清变量之间关系的有效手段。“电力系统继电保护原理”课程理论性强，其中很多问题都需要定性分析，如电流速断保护灵敏性分析、阻抗继电接线方式的选择和变压器纵差动保护中，如何减小电流互感器传变误差产生的不平衡电流的影响等。以下就列举的两个问题，介绍如何利用函数关系进行定性分析。

1.1 电流速断保护灵敏性分析

在电流速断保护灵敏性分析时，一般教材都借助短路电流曲线与保护定值之间的坐标关系来描述:当线路较短时，可能没有最小保护范围。用传统讲授法(即用语言直接向受教育者传授知识技能的教学方法)告知学生，可能会出现两个问题:①学生不清楚到底线路多短就没有保护范围;②造成最小保护范围只受线路长度影响的认识误区。

而如果在短路电流曲线与保护定值的坐标关系基础上利用解析法列出最小保护范围与各相关量之间的函数关系，就可以帮助学生轻松地解决这两个问题。在如图1所示系统中，列出保护1的最小保护范围的函数关系式如下式所示。

图1 函数关系定性分析法举例

其中，Zs.max和Zs.min分别是等值电源的最大和最小等值电抗，z1是线路单位等值电抗是电流一段的可靠系数，lAB表示保护1所保护线路的线路长度。由于一般取1.2，故有

而Zs.max＞Zs.min，则上式计算结果为负数，这才导致最小保护范围lmin有为零和负数的可能。基于函数关系式(1)，可以得出以下结论:

(1)线路长度一定时，系统等值电源电抗差别越大，则最小保护范围越小;

(2)当等值电源电抗一定时，线路越短则最小保护范围越小，并可能没有最小保护范围。

若令式(1)中lmin=0，则可以得出当线路长度为下式时，则没有保护范围:

1.2 阻抗继电接线方式的选择

在图2系统中分析阻抗继电器接线方式时，利用对称分量法计算k点短路后母线M处三相电压表达式为

k点至保护安装处的距离。

图2 阻抗继电接线方式的选择

这种依据函数关系结合实际故障类型分析，相比针对故障类型逐一分析，讲授更简单明了，学生也更容易理解。这种函数关系进行定性分析的教学方法，不仅仅是能把问题讲授透彻，更重要的则是引导学生学习一种从数学模型角度分析问题的方法，进而培养学生研究问题的能力。

2 案例分析法

利用案例对理论知识加以分析巩固，可以让枯燥的理论教学生动形象，还可以将教学、研究和工程实际紧密串接起来，提升学生综合分析的能力。

“电力系统继电保护原理”课程中很多知识点的讲授都可以应用如下案例教学法。

2.1 保护配置方案的案例设计

元件如何配置保护的理论依据包括系统对保护的四个性质要求、元件对应的故障特点和元件在系统运行中的作用。

保护配置方案的案例设计包括不同电压等级电网的保护配置案例、不同容量的发电机和变压器的保护配置案例及不同结构的母线保护的配置案例。

例如，在220kV线路保护配置案例教学中，学生需要思考220kV电压等级线路保护的配置要求，220kV线路可能有的故障类型，对应学习了有哪些相关保护原理，各保护原理有何特点以及是否适合220kV线路保护配置的要求等。在学生综合思考给出答案后，教师再给出实际系统220kV线路的保护配置方案组织大家讨论，达到交互式双向信息的传递效果。

通过该类案例设计可达到以下教学效果。

(1)加深对保护四个性质要求和保护配置原则的理解;

(2)深化对相关保护原理特点的认识;

(3)培养学生综合运用相关知识解决实际系统设备及元件保护配置的能力。

2.2 实际故障保护动作情况的案例设计

在系统运行中，再完善的保护配置方案也仍然存在不能正确动作的问题。保护的不正确动作对电力系统的安全和稳定运行危害很大。尤其是超高压系统中，往往使事故扩大、造成电网稳定破坏、大面积停电及设备损坏等问题［4]。因此，“电力系统继电保护原理”课程中设计实际故障后保护跳闸情况的案例分析十分必要。这可借助国家电力调度通信中心给出的相关事故案例来进行教学。

该类案例设计过程如下:先由教师描述事故经过，给出事故主要数据;再由学生进行事故分析，讨论保护应有的动作情况，最后总结未能正确动作的原因。该类案例教学可使课堂教学生动形象，可以从保护原理、保护接线、通信技术和影响保护正确动作等相关因素以及调度运行等多个知识层面和角度来综合分析，可以充分提升学生的综合分析能力。

2.3 设备故障现场实际图片的案例设计

发电机和变压器主设备保护是继电保护原理中的一个重要部分。由于发电机和变压器设备结构复杂，在介绍其常见故障和不正常运行状态时，应该引入典型设备的实际故障图片进行案例教学，学生能够直观地了解故障发生的位置以及产生的原因。这种现场实际图片的案例教学加深了学生对实际设备故障的认识，也更易于对后续主设备保护原理的掌握。

3 对比教学法

对比教学法属于启发式教学法的一种。在每章节中引入新内容及章节内容总结时都可以运用对比教学法。对“电力系统继电保护原理”课程各章节使用对比教学法的内容如表1所示。

列表中的教学内容采用对比教学法后可以启发学生思考相关原理存在的问题，我们串联和总结各章节内容之间的关系，从而明确知识体系和知识脉络。在对比教学过程中如果再采用列表和框图进行对比，可进一步提升对比教学的效果，加深学生对同类相关问题的深刻认识。

表1 采用对比教学法的教学内容列表

4 结语

根据“电力系统继电保护原理”课程的教学特点，本文探讨了如何通过教学方法改革来提高课程的教学质量。详细介绍了课程中实用有效的三种教学方法:函数关系定性分析法、案例分析法和对比教学法。函数关系定性分析法使理论教学更加直观透彻，培养学生从数学模型角度研究分析问题的能力;案例教学法使理论密切联系实际，学生与教师共同参与思考、总结。这些教学方法丰富活跃了课堂教学氛围，使学生更加清晰深刻地掌握知识体系。

［1] 戴志辉，焦彦军，徐岩，等.基于解耦思想的继电保护教学方法研究与实现［J] .南京，电气电子教学学报，2011，32(S1):115-117

［2] 何瑞文，陈少华，关于现代电力系统的继电保护课程教学改革与建设［J] .南京，电气电子教学学报，2004，26(3):20-25

［3] 唐国雄.关于“电力系统继电保护”课程教学改革的思考［J] .北京，中国电力教育，2011，119(12):175-176

［4] 国家电力调度通信中心.电力系统继电保护典型故障分析［M] .北京:中国电力出版社，2001