浅谈电气工程专业课学习的电磁场知识准备

陈兆权 胡业林 杨岸 郑晓亮

安徽理工大学电气与信息学院电气工程系，淮南 232001

浅谈电气工程专业课学习的电磁场知识准备

陈兆权 胡业林 杨岸 郑晓亮

安徽理工大学电气与信息学院电气工程系，淮南 232001

《工程电磁场》是在大学物理电磁学的基础上，进一步培养学生用场的观点分析计算电磁工程问题的能力。由于最近几年电气工程及其自动化专业的调整和随之进行的教学体系的改革，《电力系统分析》、《高电压技术》等专业课的教学课时大大减少，这使得这些相对较难课程的教学环节变得更加难以处理。特别是电磁场知识的遗忘和欠缺，教学效果大打折扣。根据教学实践，详细分析在电气工程专业课程中涉及的电磁场部分的概念和理论，可以帮助学生抓住电磁场知识学习的关键，获得分析和解决工程问题的能力。

工程电磁场；电气工程；电力系统

1 《工程电磁场》是一门重要的专业基础课

工程电磁场是一门研究各类电磁现象内在规律工程基本理论的课程。表现为电磁形式的能量和信息，具有便于产生、传递、测量、存储、加工处理、控制及转化为其他能量和信息的特点，因此得到了广泛的应用。例如，电气工程的电机、电器制造、电力系统、高电压工程等，则要运用电磁能量的转换、传输和控制；无线电工程的通讯、广播、电视、雷达、遥感遥测等都离不开电磁波的产生、发射、传播和接收；电子信息工程的电子器件研制，则要遵循电子在电磁场下的运动规律。所有这些应用领域，无不以电磁场理论为基础，尤其在电力工程方面，如电力的产生、输运、分配、使用、通讯、控制及经济性优化等，其应用更加广泛和深入。因此，在我国各高等院校及世界先进工业国的理工科大学中，均把它作为电类专业的必修课。[1-3]

工程电磁场理论是电类专业的共同基础和共同的生长点。不仅如此，它过去、现在和将来都是前沿科学、交叉科学的孕育点。它是在大学物理电磁学的基础上，进一步阐述宏观电磁场的基本性质、基本规律和基本分析计算方法，培养学生具有运用“场”的观点定性分析和定量计算工程电磁场问题的能力。

科学发展史表明，自1865年麦克斯韦奠定经典电磁理论以来，电磁场工程技术不仅在以电磁能量和信息的传输、转换过程为核心的强电和弱电领域中，充分展示了其重要作用，而且发展至今，在旁及军事、经济、生态、医疗、天文、地质等众多领域，与多种应用技术相结合，生成了许多新技术。对于电类专业学习者来说，掌握工程电磁场理论知识，是学习后续专业课程的必备基础，也是将来把电磁场知识应用到工程实践中应该掌握的基础理论知识。[2]本文以电气工程及其自动化专业为例，根据教学实践，将分析在《电力系统分析》和《高电压技术》两门专业实践基础课中涉及的电磁场部分的概念和理论，以便帮助学生抓住电磁场知识学习的关键，获得分析和解决工程实践问题的能力。

2 两门专业课教学实践中涉及的电磁场问题

电力系统中，各元件都是通过导线连接成一个整体，是一个由复杂的三相电路组成的系统。虽然在电力工程分析计算中，很少直接用系统中各元器件的电磁场变化、耦合规律来处理，但是宏观上的集中参数（电流，电压等）实际上均由微观上的分布参数（电场、磁场等）积分获得的。可以说，电力系统之所以能够把电能从发电厂送给负荷使用，实际的过程就是电能以电磁场的形式沿着系统元件输运给电器的。因此，在《电力系统分析》、《高电压技术》等课程的理论分析中，必须经常借助电磁场的理论，主要是电力元件（如线路、变压器等）的参数和等效电路模型的建立、同步发电机的基本方程得出、同步电机突然三相短路的物理分析、高电压绝缘及放电特性分析和线路及绕组中的波过程，等等。这些知识点的掌握，学生必须熟悉电磁场的基本概念、电磁感应定律，导体周围的电磁场分布特性和传输线中的导行波传播规律等工程电磁场理论知识。[4-7]

2.1 同步发电机的数学模型建立

在电力系统暂态过程中，同步电机定子和转子各绕组的电压、电流和磁链都是随时间变化的。这些变化对机组的机械运动、外部系统的行为和发电机本身励磁系统的暂态过程都会产生影响。对电力系统进行暂态过程分析，必须首先建立同步电机各个绕组电压、电流和磁链之间的方程，即同步电机的数学模型。

目前广泛使用的同步电机数学模型是在理想同步电机假设条件下建立起来的，符合以下条件的电机称作理想同步电机：1) 线性磁路假设：忽略同步电机的磁路饱和效应，认为电机铁芯的磁导率为常数；2) 转子对称假设：同步电机转子对自身的纵向d轴和横向q轴结构对称；3) 定子对称假设：同步电机定子a、b、c三相绕组结构对称，它们的磁轴在空间位置上依次相差2π/3(rad)电角度；4) 气隙磁动势正弦分布假定：同步电机定子电流产生的磁动势在其气隙中按正弦分布。反之，同步电机空载，转子恒速旋转时，转子绕组的磁动势在定子绕组感应产生的空载电动势是时间的正弦函数；5) 定子及转子光滑表面假设：该假设相当于认为定子及转子的槽和通风沟不影响定子及转子绕组的电感。由上述分析可见，要建立同步电机的数学模型，需要掌握工程电磁场部分的磁路、磁材料、磁动势等知识。

2.2 同步发电机短路物理过程分析

同步电机由多个有磁耦合关系的绕组构成，定子绕组同转子绕组之间还有相对运动，同步电机突然短路的冲击电流可能达到其额定电流的十几倍。这样大的冲击电流有可能造成同步电机本身和有关电气设备的损坏。同步发电机稳态对称运行（包括稳态对称短路）时，三相定子电流产生的电枢磁动势的最大值不随时间变化，而在空间以同步速度旋转，同转子没有相对运动，因此不会在转子绕组中感应电流。突然短路时，定子电流在数值上发生急剧的变化，电枢反应磁通也随着变化，并在转子绕组中感应出电流，这种电流反过来又影响定子电流的变化。定子和转子绕组电流的互相作用是同步电机突然短路的主要特点。

对同步电机突然短路暂态过程进行物理分析的理论基础是磁链守恒原理。根据Lenz定律，任何电感线圈在换路的瞬间，都能维持磁链不变，这就是磁链守恒原理。在同步电机里存在着多个彼此间存在强电磁耦合关系的绕组，这些绕组的电阻相对于其电抗来说是很小的，因而在进行分析时，我们假定在短路后的小段时间内，各绕组电流几乎没有衰减，然后对每一个绕组应用磁链守恒原理，确定每一个绕组在同步电机突然短路后将出现哪些电流分量，分清哪些是自由电流，哪些是强制电流，然后确定每一个自由电流将按什么规律衰减。可见，要理解同步发电机短路的物理过程，就必须熟练的理解工程电磁场知识的电磁感应部分知识。

2.3 电力网元件的等值参数计算

在电力系统的电气计算中，常用等值电路来描述系统元件的特性。在电力系统三相对称运行的状态下，可用单相等值电路来研究。电力系统各元件的三相，有星形接法和三角形接法，相应地三相等值电路也有星形电路和三角形电路。一般为了便于用单相等值电路来分析计算，常把三角形电路化为星形电路。等值电路中各元件的参数是计及其余两相影响的一相等值参数。等值参数的计算原理均是依据电磁能量在器件中的分布和传输的情况。在电力系统不对称故障下，需要计算短路电流以检验系统的机械稳定性，同时还要计算短路电流的周期分量以检验设备的热稳定性。此时，处理方法基于两条基本假设：1）除了发生不对称故障的局部以外，系统其余部分各元件的三相参数是对称的，因而对故障点可作三相电力网络的单相等值序网络。2）故障计算中的电力网络是参数恒定的线性系统，因而分析中可以应用叠加原理。可见，不管是三相对称情况下，还是不对称故障的计算，都要做各序网络的等值电路和参数计算，这就要求学习者清楚电磁场在电力元件中的运行规律。

2.4 线路及绕组中的波过程

在电力系统正常工作下，输电线路、母线、电缆以及变压器和电机的绕组等元件，由于气尺寸源小于50Hz交流电的波长，故可以按集中参数元件处理。 在过电压作用下，由于电压的等效频率很高，其波长小于或与系统元件长度相当，此时就必须按分布参数元件处理。

对于导线上突然过电压，大量电荷在导线周围空间建立起电场，形成电压。靠近电源的电容立即充电，并向相邻的电容放电，由于线路电感的作用，较远处的电容要间隔一段时间才能充上一定数量的电荷，并向更远处的电容放电。这样沿线路逐渐建立起电场，将电场能储存于线路对地电容中，也就是说电压波以一定的速度沿线路方向传播。随着线路的充放电将有电流流过导线的电感，即在导线周围空间建立起磁场，因此与电压波相对应，还有电流波以同样的速度沿相同方向流动。综上所述，电压波和电流波沿线路的传播过程实质上就是电磁波沿线路的传播过程，电压波和电流波是在线路中传播的伴随而行的统一体。在波过程的分析计算中，学习者需理解波的传播特性、波速、波阻抗、波的反射及折射等概念，而这些知识的掌握，均依赖于学习者电磁场知识的理论功底。

此外，电磁场中和电力系统学习关系比较大的概念还包括电流密度、磁势、磁通，磁通密度、磁场强度，磁链、电感、磁阻，磁导，电通密度、电场强度、电势，电容，自感，互感，集肤效应和邻近效应等。

3 电气工程专业需加强工程电磁场知识准备

综上所述，工程电磁场是电气工程及其自动化专业的一门重要的理论基础课程，它是学习者学习后续专业课应该必备的知识基础。例如研究高电压、强电场下各种电气物理问题的《高电压技术》，其主要内容包括：电介质的电气强度、电气绝缘与高压电气试验和过电压防护与绝缘配合，在电气工程及自动化工程中具有较强的理论性、实践性的应用价值。再如研究电力系统在正常以及故障下的运行状态的《电力系统分析》，它既是专业课，也是专业基础课，是学习和研究该领域的重要课程。这两门课程的知识学习，均要求学习者熟练掌握相关电磁场知识点。

为了培养高质量的工程技术人才，教育部从拓宽口径角度大幅度调整了电气工程及其自动化专业结构及培养目标，在课程设置方面做出重大调整，加强基础课，压缩专业课，以适应人才培养。如《高电压技术》原为60学时，经调整后为36学时；[8]《电力系统分析》原为98学时，经调整后为56学时。在这些专业课教学时数减少的同时，要保证教学质量，应该考虑在基础课教学中，加强工程电磁场的知识准备。

[1]李绪益. 电磁场与微波技术[M]. 第2版.华南理工大学出版社. 2000；1-8

[2]倪光正, 杨仕友, 邱捷, 等. 工程电磁场数值计算[M]. 第2版. 机械工业出版社. 2010；1-5

[3]孙敏, 孙亲锡, 叶齐政. 工程电磁场基础[M]. 科学出版社. 2001；35-71

[4]房大中, 贾宏杰. 电力系统分析[M]. 科学出版社. 2009；46-99

[5]吴广宁, 张冠军, 刘刚, 等. 高电压技术[M]. 机械工业出版社. 2007；155-175

[6]王敏. 电力系统分析学习的知识准备(一)：电路和电磁场部分[J]. 中国电力教育. 2008; S2:293-3

[7]林建军. 《高电压技术》课程教学改革探讨[J]. 中国电力教育. 2008; 125(11): 81-2

[8]郭小清, 李日隆, 毛晓明. 浅谈高电压技术课程教学改革[J]. 广州工业大学学报(社会科学版). 2003; 3(6):113-2

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.125

本文系安徽省教育厅教学研究项目(Grant No. 20100427)的研究成果

陈兆权（1981-），男，工学博士，讲师，主要研究方向：电磁场数值计算、脉冲功率及放电技术应用、电力系统故障分析及仿真等。