高电压工程

本课程在专业培养目标中的定位与课程目标

按照清华大学电机系教育改革对不同层次课程的定位，专业基础课定位于掌握二级学科主要基础。“高电压工程”作为“电气工程及其自动化”大专业的主要专业基础课之一，也是电气工程一级学科下面五个二级学科之一的高电压与绝缘技术学科的唯一一门公共基础课，是学生掌握“高电压与绝缘技术”二级学科基础知识的主要渠道，是强电类课程中最典型的强电课程，是电机系学生知识结构中十分重要、而且非常有特色的一门课。

结合清华大学研究型大学的具体情况，本课程一方面着力于培养学生坚实的“高电压工程与绝缘技术”这一二级学科的基本知识和能力，另一方面注意在课堂和研究实践的环节将学科的学术前沿和研究动态结合进来，并给学生提供基本的科研训练，力求能使学生具备学科的扎实基础和基本科研素养。

在教学实践中，力求兼顾基本概念和实际应用两部分，在介绍清楚基本物理概念和物理过程的基础上，加入实际应用和前沿课题的介绍，并依托清华大学高电压实验室开设教学实验加深学生感性认识和理解，提高学生动手能力。在教学中特别突出了学生主动探索知识的教学方式。

知识模块顺序及对应的学时

本课程采用多元化的组织形式。

（1）以课堂教学为主体。

共36学时。作为一门电气工程学科最重要的专业基础课，重点抓课堂教学是必须的环节。在课堂上，采用三位主讲教师轮流授课的方式，每位教师讲授固定的章节。教师将学科的最新科研成果、学术前沿和基础知识传授结合起来，采用PPT讲稿、教学模具、现场图片、实验录像等多种方式，充分利用清华大学较好的多媒体教学环境，力争在课堂上做到集传授知识，又使学生了解学科概貌和前沿。并针对高电压工程这一学科的特殊性，使学生对高压工程实验和运行的现场情况也有一定的了解。对于电压工程课程的知识，采用基础理论（气体放电过程、空气绝缘特性、高压外绝缘及沿面放电、液体和固体电介质）——高电压工程设备及诊断（绝缘监测和诊断、高压实验设备、传输线波过程）——实际应用（雷电过电压、操作过电压的防护）这样的知识模块顺序来安排课程。

（2）开设丰富的高电压实验。

共8学时。高电压工程学科和实验是紧密联系在一起的。本课程结合课程教师自行设计的拥有专利权的四合一教学实验系统以及其他在实际科研中应用的实验系统，开设了八个实验，每个实验都有拥有博士学位的青年教师进行指导，并采取一位教师指导一个2-4人小组的方法，使学生能最大限度地学习实验技能，培养科研素质。其中学生在学习环节中必做实验一个，必选实验一个，并鼓励学生完成更多的实验或在教师的指导下自主设计和进行实验。

（3）组织学生进行项目训练报告。

共16学时。在教学当中，结合电力工业的迅速发展，结合新技术的应用，设置了大量的项目训练内容。目前项目训练的题库中已有200多道专题题目供选择，项目训练涉及的专题，在教科书上并无现成答案，需要学生大量查阅资料，通过

自己的理解和探索，给出一篇论文来回答。通过项目训练这个环节，大大拓宽了课程范围，使学生接触前沿知识，启发和培养了学生的探索和求知兴趣，培养了学生利用所学知识综合进行分析和解决问题的能力，同时培养了学生的科技论文的总结和写作能力。

（4）组织现场实践。

共4学时。结合高电压工程的学科和工程背景，教师会在每届学生上课期间组织学生参观实际的高压变电站、高压实验现场。高压设备生产现场等，使学生能在现场学习和印证知识，了解学科的工程背景。

本课程除了每周3学时的教师授课时间外，还每周设立了教师答疑时间，在固定的时间段，给学生进行课程答疑和进行学术讨论。另外，结合项目训练报告，每双周设立项目训练报告交流课堂，鼓励学生将项目训练报告的内容采用电子课件的方式进行口头报告，并展开课堂讨论和教师点评，这也很好地锻炼了学生的口头表达能力，培养了本课程的研究型学习的氛围。

课程的重点、难点及解决办法

1．课程的重点、难点

1）气体放电过程的分析

重点：低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论和巴申定律，高气压下均匀电场自持放电的流注理论，高气压下不均匀电场气体击穿的发展过程。

难点：汤逊理论，空间电荷对电场的畸变，流注的形成，均匀电场中的自持放电条件。

2）不同电压形式下空气的绝缘特性

重点：持续作用电压下空气的绝缘特性，雷电冲击电压下空气的绝缘特性，操作冲击下空气的绝缘特性。

难点：稍不均匀场的概念，50%放电电压，冲击系数与伏秒特性，雷电和操作放电电压波形的特点和区别。

3）高压外绝缘及沿面放电

重点：大气条件绝对空气间隙放电的影响，绝缘子的沿面放电，绝缘子污秽的影响。

难点：大气条件的校正，海拔高度对放电电压的影响，强垂直分量条件下的沿面放电，绝缘子。

4）液体、固体电介质的电气性能

重点：液体、固体电介质的极化、电导与损耗，液体电介质的击穿，固体电介质的击穿。

难点：电介质的极化原理、液体电介质的击穿理论、小桥理论、固体电介质的击穿过程。

5）绝缘监测和诊断

重点：绝缘电阻和泄露电流的测量，介质损耗角正切的测量，局部放电的测量。难点：三电极法，西林电桥，局部放电的校正原理和方法。

6）冲击高电压及大电流的产生

重点：冲击电压发生器放电回路的分析，冲击大电流的产生。

难点：冲击电压发生器的基本原理。

7）冲击高电压的测量

重点：球隙放电法测量冲击电压，测量冲击电压的分压器。

难点：球隙放电法。

8）传输线的波过程

重点：波阻抗，波的折射、反射与衰减、变形。

难点：波阻抗的概念和相关理论，线路中波的折反射分析与计算。

9）雷电过电压及其防护

重点：雷电参数，防雷保护的基本措施，架空输电线路的雷电过电压。

难点：架空输电线路感应过电压的原理，雷击跳闸过程。

10）操作过电压及其防护

重点：空载线路合闸过电压，切除空载电流过电压，切除空载变压器过电压，绝缘配合的基本概念和方法。

难点：线路过电压基本理论和分析，绝缘配合方法。

2．解决方法

1）对于高电压工程中的基本放电理论、基本物理过程进行“从无到有”的讲述过程，从面对的问题出发，引导学生思维，沿着学科理论发展的历史过程进行讲授和分析，和学生一起面对问题，一起解决，由浅入深，培养学生学习兴趣。2）注意理论联系实际，结合现场图片、视频以及实测的科学数据、实际生产中应用的电力设备等，如线路、杆塔的图片、雷电放电波形的视频和测量数据、高压绝缘子设备等，给学生以实际的感受，增加教学效果。

2）设立课程实验教学网站，在网站上建立和完善教学媒体库，给学生提供课后的多媒体教学资料。

4）针对本课程较深的实践背景，设计紧密结合生产时间的练习题目或练习项目，使学生在实际解决工程问题的过程中进行课程必要的计算和分析过程，而不是简单重复地进行习题训练，加深了学生对知识的理解，增加了学生的应用和实践能力，取得了良好的效果。

5）结合电力工业的迅速发展，结合新技术的应用，设置了大量的项目训练内容。目前项目训练的题库中已有200多道专题题目供选择，项目训练涉及的专题，在教科书上并无现成答案，需要学生大量查阅资料，通过自己的理解和探索，给出一篇报告论文。通过项目训练，培养了学生利用所学知识综合进行分析和解决问题的能力，同时培养了学生的科技论文的总结和写作能力。

6）每双周设立“项目训练报告课堂”，让学生对完成的项目训练报告进行发表，教师和其他学生听取报告、提出问题，进行讨论。通过这种方式，培养了课堂上的科学交流和研究气氛，锻炼了学生的表达能力，并使学生和老师之间有更好的沟通和互动。

7）在课堂讲授之外，安排多个必做和选做实验作为学生自己直接动手的实践环节。学生可以根据自己的兴趣在提供选做实验中进行选择，提高了实验效果。

8）课程教师在学术方面都是科研骨干，在课堂传授知识的过程中，将一定的学术前沿内容引进教学，增加了课堂的容量和科学趣味，使得课程具有良好的前沿性和时代性，广受学生欢迎。

实践教学的设计思想与效果

高电压工程这一课程是和实际的生产、科研紧密结合在一起的。要使学生在学习好理论知识的同时，对高电压生产环节、应用环节有较强的概念和动手能力。