——实验特点——

典型特高压输电设备电场虚拟仿真实验：

典型特高压输电设备电场虚拟仿真实验坚持以“学生为中心、问题牵引、自主探索”的实验教学理念，通过虚拟仿真技术构建了一个特高压输电设备电场虚拟仿真实验环境。在认知环节，学生可学习整个输变电过程中的主要设备及其作用，感性认知整个输变电系统。

本项目将需求牵引基于问题的互动式、设计式、探究式等教学方法相融合，并在实验教学中实施。

A：需求牵引基于问题的互动式教学方法

以国家重大需求特高压直流电缆和1000kV线路绝缘子、分裂导线为实验对象，实验以问题引出，如若均匀介质电缆被击穿，则先从介质内侧还是外穿击穿？均压环的最佳安装位置？让学生明确问题，通过仿真分析，验证理论结果，鼓励学生深入思考，主动参与，培养学生工程素养和工程意识，并初步掌握电力电缆和绝缘子绝缘结构的特点。

B：设计式教学方法

以电力电缆实验为例，在进行多层绝缘介质电缆电场分布的任务中， “请学生根据已学知识，设计一个双层绝缘介质电缆，使得两层介质内的最大场强相等，总结多层绝缘的优势”。针对这个问题，学生会思考如何利用已学理论知识设计一个两层绝缘介质电缆，通过设计和仿真计算验证的过程，使学生掌握分析-虚拟验证的实验方法，提高了学生分析问题、解决问题的能力，锻炼自主学习能力。

C：探究式教学方法

在绝缘子实验中，学生可探究均压环安装位置不同时，绝缘子上的电压曲线，从而判断出均压环的最佳安装位置，加深对均压环均压作用的理解，引导学生自主思考，提升实验教学效果。

——实验原理——

“电磁场与波”是电气信息类学生的一门非常重要的专业基础课程，它不仅起到联系大学物理电磁学与电气工程专业课直接桥梁的作用，而且为学生提供了解决工程问题的电磁场观点和方法。但是，电磁场课程公式多和概念抽象，学生普遍反映难学、难懂、难用。电、磁场是一种特殊形式的物质，无法直接观察到。

本虚拟仿真实验以电力电缆、特高压输电系统中的绝缘子和分裂导线为研究对象，借助虚拟仿真技术，采用与通用电磁场仿真软件ANSYS相兼容的建模方法，引导学生自行建模分析，以等位线和电场强度云图等形象直观地表示电力电缆内及特高压输电线路分裂导线和绝缘子周围的电场分布情况，使抽象的电场形象化。

整个项目包含3个实验模块，在电力电缆实验中，学生先学习（电磁场基本理论）高斯定理，应用高斯定理分析电缆绝缘介质中的电场分布，以电缆击穿现象为开始（提出问题），引导学生建模（自主设计），查看电缆内电场分布情况和最大场强的位置，进而研究多层绝缘介质电缆（自主探索），根据仿真结果得出多层绝缘的优势，最后研究缺陷电缆，总结电缆绝缘介质中存在缺陷时的危害。

——实验步骤——

本实验共分为三个子实验，分别是电力电缆、特高压输电线路绝缘子和分裂导线实验。在实验过程中，学生需要学习相关理论知识，自行建立模型，并设置材料参数、添加激励条件等，建模过程中，设置有提示，实验完成后，设置有测试题，检验学生对实验的理解，完成测试题后，可进入下一子实验项目，实验结束后，系统自动给出实验成绩。

step1认知学习

指导学生进入实验首页，点击主界面上的火电厂、光伏电站、风力电站按钮可进行认知学习。

Step2电力电缆实验

在实验主界面单击“电力电缆”蓝色按钮，进入电力电缆实验项目。先进行实验原理学习。建立电缆二维模型。

1）建立电缆芯线模型。单击屏幕右侧圆形图标，可在坐标原点生成一个圆，作为电缆芯线。

2）设置芯线尺寸及材料类型，并添加激励。在屏幕右侧的图形属性栏可修改芯线的材料类型及尺寸并添加激励。

3）建立电缆绝缘层模型，设置其材料类型及尺寸。

4）建立电缆外屏蔽层模型，设置其材料类型、尺寸并添加激励电压0V。

5）仿真计算，查看结果。单击界面右下角的“仿真计算”、“查看结果”按钮，然后单击界面左侧的 “等位线云图”、“电场强度云图”及“径向的电场强度曲线”，可查看仿真计算结果。

6）请根据已学知识，设计一个双层绝缘介质电缆，使得两层绝缘介质上的最大电场强度相等，记录轴线上的电场强度曲线，及最大场强所在位置。

7）研究步骤3所建立单层绝缘介质电缆中存在缺陷（缺陷部分用一个直径2mm的圆表示）时，对绝缘介质内部电场强度的影响，分析缺陷对电缆的危害。

8）完成电缆实验测试

Step3绝缘子实验

在主界面单击“绝缘子实验”进入绝缘子实验界面，从右侧模型库中依次拖放铁帽、瓷件和钢脚，单击生成模型，生成双伞形瓷绝缘子三维模型。

1）将生成的绝缘子复制54片，形成特高压输电线路绝缘子串。

2）选择无均压环情况，查看绝缘子串上的电场和电压分布。

3）单击“查看电压值”按钮，分别双击第1片、第2片……等绝缘子，查看每片绝缘子上所承担的电压值，软件自动将其描绘成曲线。

4）选择有均压环的情况，均压环的位置不同时，重复步骤11。对比绝缘子串上的电压分布曲线，深入理解加装均压环均压的原理，分析均压环的最佳安装位置。

5）完成绝缘子实验测试。

Step4分裂导线实验

在主界面单击“分裂导线实验”进入绝缘子实验界面，建立特高压输电线路分裂导线模型。

1）根据给定特高压输电线路分裂导线参数和提示，建立分裂导线二维模型，添加激励并设置材料参数。

2）进行仿真计算，查看结果。依次单击界面右下角的“仿真计算”、“查看结果”按钮，然后单击界面左侧的 “等位线云图”、“电场强度云图”及“各相导线场强放大图”等，可查看仿真结果。

3）选择不同的分裂导线“导线半径”、“分裂数”和“分裂间距”，记录最大场强、线下距地1.5米处场强及线路走廊宽度，并进行对比分析。

4）完成分裂导线实验测试。

5）撰写实验报告并提交。

——运行配置——

最低配置

CPU：酷睿i5 8代以上 主频：2.4GHz及以上

内存：16G 以上

网卡：千兆网卡

显卡：英伟达系列显卡，GTX1060以上

系统：win7 64位及以上。

显示：要求分辨率为1920x1080。

硬盘：30GB硬盘空间

推荐配置

CPU：酷睿i7 9代以上 主频：2.4GHz及以上

内存：32G 以上

网卡：千兆网卡

显卡：英伟达系列显卡，GTX2060以上

系统：win10 64位及以上。

显示：要求分辨率为1920x1080。

硬盘：30GB硬盘空间