1.实验方法与步骤

（1）实验方法描述：

城市电气化交通系统高效用能虚拟仿真实验按照设备认知、仿真搭建、数据交互验证和科教前沿4个环节，进行模块化、难度适宜的实验教学：

1）设备认知环节：

通过虚拟仿真系统对内置的各个现场设备的实物图、电气符号、铭牌参数、基本工作原理进行认知学习，实现城市电气化交通系统高效用能的关键设备认知。按照“先整体后局部”的顺序，首先整体认知“城市电气化交通系统高效用能组成部分”，即配电网、轨道交通、充电站3部分，然后对局部模块到细节的设备分别进行认知：配电网部分，认知变电站、母线、变压器、线路、负荷等；轨道交通部分，认知地铁车组、地铁站、地铁轨道、能量回馈系统等；电动汽车部分，认知充电桩、电动汽车等。

2）仿真搭建环节：根据两个层次递进的实验模块设计，使得学生对城市电气化交通系统高效用能系统的结构和运行特点可以由浅入深、分块、分步骤地进行关键技术及工作原理的学习与理解。学生在仿真搭建模块中，针对系统的整体设计，搭建城市电气化交通系统高效用能系统。

3）数据交互验证环节：根据地铁的运营规划，所设计的列车应急储能需要验证其合理性。在设定地铁列车日运行列表时的列车运行时间、运行间隔、列车数量的数据都将输入到轨道交通计算模块中，同时由此计算模块获得的列车在有无启动能馈系统条件下的不同运行成本，此实验的目的是验证能量反馈系统的经济节能作用。

4）科教前沿环节：科研能力作为工科人才培养的重要内容，以创新为核心，发现问题、分析问题、解决问题，让学生以问题为驱动，逆向思维，在虚拟仿真实验的工程实践中加深理论知识的理解和掌握，同时了解学术前沿理论。例如电动汽车实验模块，学生可根据不同电动汽车数量、类型验证电动汽车有序充电。

（2）学生交互性操作步骤说明：

如图2.8.1所示为本实验操作步骤，如图2.8.2所示为本实验项目初始界面，主要包括四个实验模块(如图2.8.3),模块之间具有知识的相关性，由浅入深，互相关联，从认知到搭建，再到具体的运行场景进行分析。

图2.8.1城市电气化交通系统高效用能虚拟仿真实验操作步骤

 

图2.8.2城市电气化交通系统高效用能虚拟仿真实验主界面

图2.8.3城市电气化交通系统高效用能虚拟仿真实验模块界面

根据学生知识掌握的不同程度与实验层次，确定实验操作先后顺序，本项目包含以下14个实验步骤：

1）认知模块

步骤1: 系统结构及基本原理认知

学生通过动画显示和语音解说了解城市电气化交通系统高效用能的主要组成部分，即配电网、轨道交通和电动汽车3个部分，明确3个主要部分的基本工作原理。

步骤2:配电网主要组成元件认知

学生通过鼠标点击各设备的虚拟场景，对配电网的关键设备进行认知，如图2.8.4为配电网中的柴油发电机相关知识介绍。学生通过学习各元件电气参数与工作特性，掌握配电网的架构与连接方式。

 

图2.8.4认知模块配电网柴油发电机介绍

步骤3:轨道交通设备认知

学生使用鼠标点击轨道交通设备，使地铁车组运行可视化，了解车组的启动、加速、制动过程以及地铁制动过程中的能量回馈过程，对地铁轨道交通的各设备与地铁运行原理进行学习认知，如图2.8.5所示。

 

图2.8.5认知模块城市轨道交通介绍

步骤4:电动汽车场景设备认知

学生通过鼠标操作，对电动汽车的参数、充电桩性能等进行认知，如图2.8.6所示。掌握实物、电气符号的对应关系，并对电动汽车充放电场景进行模拟。

 

图2.8.6认知模块电动汽车介绍

步骤5:认知测试

学生经过上述多个步骤之后对城市电气化交通系统高效用能基本组成元件和电气参数、特性等有所了解，通过选择题、判断题对学生的知识掌握程度进行测试。

思考：

1.配电网关键设备之间的连接需要注意什么，需要满足什么条件

2.轨道交通设备及充电桩接入配电网的电压等级是多少

2）仿真搭建模块

 

图2.8.7仿真搭建模块拓扑搭建完成效果

步骤6：充电桩搭建

在充电站场景中，对充电桩内部结构进行搭建，调整确定充电桩内部组成的每一个元件和顺序，确定参数，对于明显不符合工程设计的，系统将直接提示学生搭建错误。

步骤7：轨道交通系统搭建

在轨道交通系统中，对轨道交通供电系统结构进行搭建，调整确定牵引供电、能馈系统等主要组成部分的顺序，确定系统参数，对于明显不符合工程设计的，系统将直接提示学生搭建错误。

步骤8：潮流计算

学生点击潮流计算按钮，软件后台将对学生所搭建的仿真模型进行校验，校验无误后软件将远程进行潮流计算（如图2.8.8），得到整个网络的电压、电流、功率、功率流向等系统运行数据。

 

图2.8.8远程计算

思考：

1.充电桩搭建过程中需要考虑什么因素，如何避免系统报错

2.轨道交通供电系统与传统供电系统的区别

3） 轨道交通实验模块

该模块练习的主要目的是通过能量回馈实验，引导学生掌握列车制动过程中的能量回收再分配原理，帮助学生了解降低轨道交通运营成本、实现节能的措施。

步骤9：地铁列车参数设定

界面出现轨道交通场景，提示学生使用鼠标点击右下方“创建轨道交通列车”按钮，设置当前轨道交通系统中列车类型(如图2.8.9所示)。提示学生使用鼠标双击列车，设置列车日运行时间。

 

图2.8.9轨道交通示意图

步骤10：无能馈系统实验

引导学生点击各地铁站能馈系统并全部选择关闭，点击轨道交通模拟运行按钮，显示列车一日内运行动画，点击“日运行情况”按钮查看轨道交通日运营成本及能耗。

 

图2.8.10轨道交通制动能量回馈功率流动

步骤11：能馈系统实验

引导学生点击各地铁站能馈系统并选择开启，点击轨道交通模拟运行按钮，显示列车一日内运行动画（如图2.8.10），点击“日运行情况”按钮查看轨道交通日运营成本及能耗。

思考：

1.轨道交通系统启动能馈系统前后运营成本及能耗对比情况如何

2.能量回馈系统的组成及工作原理

4）电动汽车实验

电动汽车实验在实际现场中几乎难以实现，通过模拟仿真，可以让学生了解电动汽车充电过程对于电网的影响，特别是可以直观体会电动汽车在有序充电和无引导充电下配电网的状态。

步骤12：电动汽车添加与参数设定

界面出现智能配电网总拓扑结构图，引导学生点击任一充电站进入充电站场景，其充电站场景示意图如图2.8.11所示。进入该场景后，需要进行电动汽车的添加和参数设定，包括当日在该充电站需要充电的电动汽车数量、电池容量、到站时间、到站时SOC、预计离站时间等。并根据用户需求选择电动汽车的充电方式。

 

图2.8.11充电站场景示意图

步骤13：无引导充电及潮流计算

在设定完电动汽车相关参数之后，选择“无引导充电”，直接点击“运行”按钮，此时3个充电站均采用无引导充电方式，其运行示意动画图如图2.8.12所示。点击“负荷曲线”按钮可以展示无引导充电方式下的负荷功率波动曲线（24小时之内的功率曲线）和“峰谷差”并展示电网的耗电成本，学生记录下此时的负荷曲线并观察其特点。在一种充电场景下（比如多辆电动汽车同时集中充电），点击“潮流计算”按钮系统会进行该场景下的潮流计算，得到配电网电压、电流、功率流向（自上而下）等系统运行数据，学生可以对比出此时的电压偏移以及功率变化等，看是否出现电压偏移过大、功率越限等问题。

 

图2.8.12充电站无引导充电功率流动图

步骤14：有序充电及潮流计算

学生进行完无引导充电实验之后，点击“有序充电”按钮，后台根据电动汽车的充电方式、到站时间以及预计离站时间等信息，同时考虑电网稳定可靠运行，制定合理的充电策略。同样点击“运行”按钮，此时3个充电站均采用有序充电方式。同理得到24小时负荷功率波动曲线、“峰谷差”、耗电成本以及特定场景的潮流计算结果。学生记录结果之后需要与无引导充电结果对比，总结有序充电方式对配电网运行有哪些有利的影响。

思考：

1.无引导充电情况下给配电网带来的问题

2.有序充电策略制定需要考虑的因素

2. 安全教育知识

一、电气安全知识常见问题

（1）什么是安全电压？

安全电压是为了防止触电事故，而采用由特定电源供电的电压系列，根据环境，人员和使用方式，我国规定安全电压是42伏，36伏，24伏，12伏，和6伏5种，常用安全电压是36伏，12伏。截面积为2.5平方毫米的铜芯导线，允许通过的长期电流为16-25A。

（2）高压与低压是怎么划分的？

高压：凡对地电压在250伏及以上为高压，在交流系统中，1千伏，3千伏，6千伏，10千伏，35千伏等都属于高压，在直流系统中500伏既为高压。

低压：凡对地电压在250伏及以下为低压，交流系统中的220V，110V和三相四线制的380/220伏及220/110伏中性点接地系统均为低压。

检修高压电动机时应该注意：先实施停电安全措施，再在高压电动机 及其附属装置的回路上进行检修工作；检修工作终结，需通电实验高压电动机及其启动装置时，先让全部工作人员撤离现场，再送电试运转。

（3）什么是对地电压？

电气设备发生接地短路，其接地部分如接地体，接地线，设备外壳等，与大地电位等于零处的电位差称做接地时的对地电压。

（4）什么是绝缘？绝缘通常分为几类？

利用不导电的物质将带电体隔离或包屏起来，防止人体触电的措施，称为绝缘。绝缘通常分为；气体绝缘，液体绝缘和固体绝缘。

（5）静电是怎么产生的？它有什么危害？

在工作生产和生活中的大多数静电是由于不同物质的接触和分离或互相摩擦而产生的。

静电的危害大体上是有使人体受电击，影响产品质量和引起燃烧爆炸三个方面，其中以引起燃烧爆炸最为严重，可以导致人员伤亡和财产损失。对容易产生静电的场所，要保持空气潮湿；工作人员要穿防静电的衣服和鞋靴。

（6）电工安全用具有哪些？

电工安全用具包括；绝缘安全用具(基本安全用具，辅助安全绝缘用具)，登高作业安全用具，携带式电压，电流指示器，检修用的接地线，遮栏标志牌，以及带电用的等电位屏蔽分流均压服等。

（7）为什么是基本安全绝缘用具？用于高低压电的基本安全绝缘用具有哪些？

其绝缘强度足以承受电气设备运行电压的安全用具称为基本安全绝缘用具。高压基本安全绝缘用具有；高压绝缘棒，绝缘夹钳，高压验电器等。低压基本安全绝缘用具有；绝缘的长手套及短手套，装有绝缘柄的手持工具，试电笔等。

（8）什么是辅助安全绝缘用具？高压辅助安全绝缘用具有哪些？

其绝缘强度不足以保证安全而反起辅助作用的安全用具称为辅助安全绝缘用具。高压辅助安全绝缘用具有；绝缘的长手套及短手套，绝缘橡皮靴，橡胶绝缘垫，绝缘台等。

（9）电气安全警告牌有几种？如何使用？

警告牌有警告类，禁止类，准许类，提醒类四种。警告类是警告人们不得接近或触及有电部分；禁止类是禁止操作某开关，防止在停电的线路或设备上工作的人员触电；准许类是允许工作人员在某处工作；提醒类是提醒工作人员在送电时拆除临时接地线。

（10）哪些电动工具必须安装漏电保护器？

凡超过安全电压42伏的一类手持式，移动式电动工具必须全部安装漏电保护器，并由保管部门每季度检查一次。

（11）对安装使用安全变压气有哪些要求？

二次侧电压在36伏及以下的降压变压器，应用双圈变压气供电，严禁使用自耦降压变压器。其变压器的铁芯，金属外壳要有可靠接地或接零。使用安全隔离变压器，既原，副边两个线圈间有隔离层时，其二次侧线路应与大地绝缘。安全变压器的电源两侧均须接装保险，并使用橡胶绝缘软线连接，一次侧线长不得超过2米。

二、电气火灾的灭火措施

（1）切断电源以防触电

发生电气火灾时，首先设法切断着火部分的电源，切断电源时应注意下列事项：

1）切断电源时应使用绝缘工具。发生火灾后，开关设备可能受潮或被烟熏，其绝缘强度大大降低，因此拉闸时应使用可靠的绝缘工具，防止操作中发生触电事故。

2）切断电源的地点要选择得当，防止切断电源后影响灭火工作。

3）要注意拉闸的顺序。对于高压设备，应先断开断路器，然后拉开隔离开关；对于低压设备，应先断开磁力启动器，然后拉闸，以免引起弧光短路。

4）当剪断低压电源导线时，剪断位置应注意避免断线线头下落造成触电伤人或发生接地短路。剪断同一线路的不同相导线时，应错开部位剪断，以免造成人为短路。

5）如果线路带有负荷，应尽可能先切断负荷，再切断现场电源。

2、带电灭火安全要求

有时为了争取灭火时间，来不及断电，或因实验需要以及其他原因，不允许断电，则需带电灭火。带电灭火需注意以下几点：

1）选择适当的灭火器。二氧化碳、四氧化碳、二氟一氯一溴甲烷、二氟二溴甲烷或干粉灭火器的灭火剂都是不导电的，可用于带电灭火。泡沫灭火器的灭火剂(水溶液)有一定的导电性，对绝缘有一定影响，不宜用于带电灭火。

2）用水枪灭火器灭火时宜采用喷雾水枪。该水枪通过水柱泄漏的电流较小，用于带电灭火较安全。

3）人体与带电体之间应保持安全距离。用水灭火时，水枪喷嘴至带电体的距离：电压在110V以下不小于3m，在220V以上应不小于5m。

4）架空线路等空中设备灭火。对架空线路等空中设备进行灭火时，人体位置与带电体之间的仰角应不超过45°，以防止导线断落危及灭火人员的安全。

5）设置警戒区。如带电导线断落的场合，需划出警戒区。

三、实验室安全用电常识

违章用电常常可能造成人身伤亡，火灾，损坏仪器设备等严重事故。物理化学实验室使用电器较多，特别要注意安全用电。

（1）防止触电

1）不用潮湿的手接触电器。

2）电源裸露部分应有绝缘装置(例如电线接头处应裹上绝缘胶布)。

3）所有电器的金属外壳都应保护接地。

4）实验时，应先连接好电路后才接通电源。实验结束时，先切断电源再拆线路。

5）修理或安装电器时，应先切断电源。

6）不能用试电笔去试高压电。使用高压电源应有专门的防护措施。

7）如有人触电，应迅速切断电源，然后进行抢救。

8）测量绝缘电阻可用兆欧表。

9）在需要带电操作的低电压电路实验时用单手比双手操作安全

10）电动工具上标有“回”表示双重绝缘。

11）实验室内的明、暗插座距地面的高度一般不低于0.3米

12）在潮湿或高温或有导电灰尘的场所，应该用超低电压供电。在工作地点相对湿度大于75%时，属于危险、易触电环境。

13）电工应该穿绝缘鞋工作。

14）含有高压变压器或电容器的电子仪器答案：对于使用者来说打开仪器盖是危险的。

15）影响电流对人体伤害程度的主要因素有:电流的大小；电流经人体的途径；电流的频率、人体电阻。漏电保护器既可用来保护人身安全，还可用来对低压系统或设备的对地绝缘状况起到监督作用。

16）低压电笔一般适用于多少500V以下的交流电压，安全电压是指保证不会对人体产生致命危险的电压值，工业中使用的安全电压是36V以下。

17）实验前先检查用电设备，再接通电源；实验结束后，先关仪器设备，再关闭电源;工作人员离开实验室或遇突然断电，应关闭电源，尤其要关闭加热电器的电源开关;不得将供电线任意放在通道上，以免因绝缘破损造成短路。

（2）防止引起火灾

1）使用的保险丝要与实验室允许的用电量相符。

2）电线的安全通电量应大于用电功率。

3）室内若有氢气、煤气等易燃易爆气体，应避免产生电火花。继电器工作和开关电闸时，易产生电火花，要特别小心。电器接触点(如电插头)接触不良时，应及时修理或更换。

4）如遇电线起火，立即切断电源，用沙或二氧化碳、四氯化碳灭火器灭火，禁止用水或泡沫灭火器等导电液体灭火。

5）交、直流回路不可以合用一条电缆。

6）动力配电线五线制U、V、W、零线、地线的色标分别为:黄、绿、红、蓝、双色线。

7）单相三芯线电缆中的红线代表火线。

（3）防止短路

1）线路中各接点应牢固，电路元件两端接头不要互相结触，以防短路。

2）电线、电器不要被水淋湿或浸在导电液体中，例如实验室加热用的灯泡接口不要浸在水中。

3）三相电闸闭合后或三相空气开关闭合后，由于缺相会导致三相电机嗡嗡响、不转或转速很慢。

4）实验时，电源变压器付边输出被短路，会出现电源变压器有异味；电源变压器冒烟；电源变压器发热现象，直至烧毁。

5）交流电路断电后，内部的电容可能会有高电压用仪表测量电容值时会损坏仪表。

四、触电后应急措施

如果遇到触电情况，要沉着冷静、迅速果断地采取应急措施。针对不同的伤情，采取相应的急救方法，争分夺秒地抢救，直到医护人员到来。  触电急救的要点是动作迅速，救护得法。发现有人触电，首先要使触电者尽快脱离电源，然后根据具体情况，进行相应的救治。

（1）脱离电源

1）如开关箱在附近，可立即拉下闸刀或拔掉插头，断开电源。

2）如距离闸刀较远，应迅速用绝缘良好的电工钳或有干燥木柄的利器(刀、斧、锹等)砍断电线，或用干燥的木棒、竹竿、硬塑料管等物迅速将电线拨离触电者。

3）若现场无任何合适的绝缘物可利用，救护人员亦可用几层干燥的衣服将手包裹好，站在干燥的木板上，拉触电者的衣服，使其脱离电源。

4）对高压触电，应立即通知有关部门停电，或迅速拉下开关，或由有经验的人采取特殊措施切断电源。

（2）对症救治

1）对于触电者，可按以下三种情况分别处理：对触电后神志清醒者，要有专人照顾、观察，情况稳定后，方可正常活动；对轻度昏迷或呼吸微弱者，可针刺或掐人中、十宣、涌泉等穴位，并送医院救治。

2）对触电后无呼吸但心脏有跳动者，应立即采用口对口人工呼吸；对有呼吸但心脏停止跳动者，则应立刻进行胸外心脏挤压法进行抢救。

3）如触电者心跳和呼吸都已停止，则须同时采取人工呼吸和俯卧压背法、仰卧压胸法、心脏挤压法等措施交替进行抢救。

俯卧压背法：被救者俯卧，头偏向一侧，一臂弯曲垫于头下。救护者两腿分开，跪跨于病人大腿两侧，两臂伸直，两手掌心放在病人背部。拇指靠近脊柱，四指向外紧贴肋骨，以身体重量压迫病人背部，然后身体向后，两手放松，使病人胸部自然扩张，空气进入肺部。按照上述方法重复操作，每分钟16～20次。

仰卧压胸法：被救者仰卧，背后放上一个枕垫，使胸部突出，两手伸直，头侧向一边。救护者两腿分开，跪跨在病人大腿上部两侧，面对病人头部，两手掌心压放在病人的胸部，大拇指向上，四指伸开，自然压迫病人胸部，肺中的空气被压出。然后把手放松，病人胸部依其弹性自然扩张，空气进入肺内。这样反复进行，每分钟16～20次。

心脏挤压法：触电者心跳停止时，必须立即用心脏挤压法进行抢救，具体方法如下。

五、变压器发生火灾的原因及防范措施

变压器大多是油浸自然冷却式。这种油是石油的一种产品，闪点约为140℃，并易蒸发燃烧，同空气混合能构成爆炸混合物。

（1）发生火灾危险的主要原因

1）变压器的油箱内有“吱、吱”的放电声，变压器内部有“吱、吱”的放电声则是由于绕组或引出线外壳闪络放电，或是铁心接地线断，造成铁心对外壳感应而产生的高电压发生放电引起的，放电的电弧可能会烧坏变压器的绝缘并引起火灾。

2）线圈绝缘损坏发生短路。相邻几个线圈匝间的绝缘损坏，将形成一个闭合的短路环路，同时，使一相的绕组减少匝数，在短路环路内流着交变磁通感应出的短路电流而产生高温。匝间短路在变压器故障中所占比重较大。引起匝间短路的原因很多，如线圈导线有毛刺或制造过程中绝缘机械损伤；绝缘老化或油中杂物堵塞油道产生高温损坏绝缘；穿越性短路故障；线匝轴向、辐向位移磨损绝缘等。因较严重的匝间短路发热过大，使油温急剧上升，油质变坏，因此很容易被发现；同时，绝缘油因热分解，产生可燃性气体，与空气混合达到一定比例，形成爆炸混合物，一遇火花会发生燃烧和爆炸。但轻微的匝间短路则较难发现，需通过测量直流电阻或变比试验来判断。

3）变压器油枕或防爆管喷油。油枕喷油或防爆管薄膜破裂喷油，说明变压器的内部已有严重损伤。喷油使油面降低到油位计的最低限度时，有可能引起瓦斯保护动作，使变压器两侧断路器自动跳闸。如瓦斯保护因故没有动作而使油面低于顶盖时，则引出线绝缘降低，造成变压器内部有“吱、吱”的放电声，且在变压器顶盖下形成空气层，造成油质劣化，易发生火灾，此时，应切断变压器电源，以防止事故扩大。

4）变压器在正常负荷和正常冷却方式下，油箱内有强烈而不均匀的噪声或油温不断升高，则说明变压器内部有故障。如铁心着火或绕组匝间短路等

铁心着火是由涡流引起或夹紧铁心用的穿心螺丝绝缘损坏造成的。因为涡流会使铁心长期过热而引起硅钢片层间绝缘破坏，此时铁损增大，油温升高，使油的老化速度加快，减少了气体的排出量，所以在进行油的分析时，可以发现油中有大量的油泥沉淀，油色变暗，闪点降低等。而穿心螺丝绝缘破坏后，会使穿心螺丝短接硅钢片，这时便有很大的电流通过穿心螺丝，使螺丝过热，并引起绝缘油的分解，使油失去绝缘性能。铁心着火若逐渐发展，会使油的温度逐渐达到着火点，造成故障范围内的铁心过热、熔化，甚至熔焊在一起。在这种情况下，若不及时断开变压器，就可能发生火灾或爆炸事故。自耦电源变压器的输出端指示电压为零时，表示未必是安全的。但是如果输入端火线和零线未按要求接，变压器付边会有高压。

5）分接开关过热。分接开关接触不良，接触电阻过大，造成局部过热最为常见。倒换分接头或变压器过负荷运行时应特别注意分接开关局部发热问题。分接开关接触不良的原因有触点的压力不够；动、静触点间有油泥膜；接触面有烧伤；定位指示与开关接触位置不对应；DW型鼓形分接开关几个接触环与接触柱不同时接触等。分接开关接触不良最容易在大修或切换分接头后发生，穿越性故障后可能烧伤接触面，可通过测三相分接头的直流电阻判断。另外，分接开关过热使油闪点迅速下降，对变压器运行极为不利。

6）油色变化过甚。在取油样进行分析时，如油中含有杂质，酸价过高，闪点降低，绝缘强度降低，则说明油质急剧下降，这时很容易引起绕组与外壳间发生击穿事故，在油中发生火花和电弧，导致火灾。

（2）防止变压器发生火灾的措施

1）变压器上部油层温度达到或超过85℃时，表明变压器过负荷，应适当减负荷。若温度持续不断上升，则变压器内部可能有故障，应切断电源，结合色谱分析、运行状况、异常现象等进行综合分析，必要时，需吊心检查。

2）装设合格的继电保护装置。

3）变压器设计安装要符合国家标准。如变压器应安装在1、2级耐火的建筑物内，并有良好的通风，变压器装在室内应有挡油设施或蓄油坑；装在室外其油量在600 kg以上时，应有卵石层作为贮油池。两台变压器之间的蓄油坑应有防火隔墙，不能连通。

4）要备齐合格的消防器材并有合乎标准的砂池。

5）加强变压器的运行管理和检修工作。