融合科学前沿的液体电介质击穿教学研究

0 引言

高电压与绝缘技术是电气工程的重要二级学科之一。随着电力工业的快速发展，高电压与绝缘技术已成为特高压输电等领域的关键支撑。同时，该学科与新材料、脉冲功率、核物理、油气开采等其他多学科交叉融合，已成为高端电磁装备、国防安全与战略能源开采等重要领域发展的基础[1]。

“高电压与绝缘技术”课程的主要教学内容包括：电介质的电气特性、电气设备绝缘试验及电力系统过电压与绝缘配合，属于电气工程及其自动化专业的核心课程[1～3]。课程教学面临以下三个挑战：

(1)课程内容涉及概念多，诸多理论来自实验现象的总结与归纳，脱离实践教学环节，学生难以掌握概念与深入理解知识点。

(2)实践教学难度大，限制了该课程教学质量的进一步提升。受安全因素限制难以同时开展多人次实验。同时介质放电电气特性的研究涉及微秒，甚至纳秒级光学、电气观测过程，设备昂贵，维护难度大。

(3)虚拟仿真平台构建对训练学生安全意识、实验步骤有帮助[4]。但是介质放电特性原本就属于该学科科学研究的前沿，诸多理论仍在不断完善中，难以通过虚拟平台构建介质放电的动态过程模拟。必须坚持虚实结合的教学方式进一步提高教学质量。

学生的教学效果反馈意见表明，课程涉及多个新且抽象的概念，比如流柱、先导、介损、波过程等，缺乏对研究过程的了解以及实验现象的视觉冲击，概念理解较为困难。随着现代科研水平与仪器设备性能的提升，从事该学科研究与教学的团队业已建立了较为先进、完善的科研平台。以笔者所在的华中科技大学高电压工程系为例，长期从事高电压与绝缘技术、脉冲功率技术等领域的研究，在气、液、固电介质放电机理及其应用、强脉冲功率产生与调控等方面具有深厚的研究基础，一直瞄准学科的研究前沿。但是丰富的科研资源如何补哺高电压工程专业人才的培养一直未得到很好解决。

针对现有实践教学的不足和学校具有丰富的科学研究资源的背景，以液体电介质击穿知识点的教学为重点研究对象，探索基于科教融合的高电压课程教学模式，将最新科研成果与科研方法引进教学实践中，探讨融合科学前沿的液体电介质击穿教学。以此作为切入点，提升该课程的整体教学质量。

1 液体电介质击穿的教学问题

液体电介质击穿是电介质电气特性的重要知识点，是理解油-纸组合绝缘、提高液体电介质击穿电压措施的基础[1]。根据杂质含量，液体电介质可分为纯净液体与工程用液体。将纯净液体电介质等效为高压缩的气体电介质，基于前面学过的气体放电理论，可以用电击穿理论解释其击穿过程。而对于纯净液体与工程用液体电介质，在外电压的作用下，液体可气化产生气泡。气泡在液体介质的击穿过程中起到了重要作用，可以用气泡击穿理论(又称“小桥理论”)来解释其击穿过程。

液体电介质的击穿理论并不完善，影响击穿过程的因素较多，当前教学主要存在以下问题：

(1)教材上更多是对该过程的定性描述，涉及到较多抽象的概念，如液中气泡的产生方式、液体分子的碰撞电离、杂质极化等，常规的简单示意图讲解难以让学生理解击穿的机理与过程。

(2)击穿过程中流柱的形态多样化，放电过程迅速、难以捕捉。笔者前期研究表明，水中流柱在不同外施电场作用下呈现亚音速流柱(<1.5km/s)和超音速流柱(平均速度约30 km/s量级)形态，同时受到电压极性等因素的影响，如图1所示。教学采用的普通相机无法捕捉液体电介质的动态击穿过程。

(3)气泡对击穿过程影响大。学生难以理解焦耳热产生气泡的过程，以及对气泡形成小桥的过程缺少感性认识，学习过程中疑问较多。

(4)实验教学条件欠缺。据了解，各高校均开设了气体电介质击穿的相关实验，但由于液体电介质的实验教学设备较昂贵、影响因素多而演示效果较差，没有开设相关实验教学环节，使得学生动手锻炼机会少，容易理论脱离实际。

(5)液体电介质在击穿放电过程中可产生强大的物理效应(激波)和丰富的化学反应，是液电成形、废水处理等应用的基础。缺少应用背景的牵引，学生不能深刻理解其应用机理，难以激发学习兴趣。

针对上述问题，我们从融合科学前沿促进教学质量提升的角度出发，将最新的科研成果与平台融入到教学过程中，提升教学效果。

图1 高速相机拍摄的典型水中流柱图像[5]

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