論變壓器三維仿真軟件的原理與用途

陳玥玫

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443000）

0 引言

人類已經進入三維化科技時代，以往的二維視圖和軟件已經不能滿足大眾的視覺需求。三維的軟件以其清晰、一目了然、逼真的特點贏得了當今技術領域廣泛的市場。仿真軟件則模擬了現場的工作環境，三維仿真技術也以操作簡單越來越收到許多企業與科研單位的歡迎。

1995年，國家調度中心要求現有35kV-110kV變電站在條件具備時逐步實現無人值班變電站，新建變電站可根據調度和管理需要以及規劃要求，按無人值班設計。欲實現無人值班變電站，其中變電站的綜合自動化程度很重要。[1]

以往變壓器只有平面圖，二維圖，CAD圖，電廠需要更加清晰的控制軟件來模擬工作環境，更直觀地反映變壓器的工作狀態，以便及時有效的對其狀況作出反應,提高自動化程度。我們設計的變壓器三維仿真軟件過程中所運用的幾個軟件包括fortran語言，VRP和3D MAX。

通過構建三維虛擬實驗室場景，包括實驗工作臺，變壓器設備，儀器儀表等,開發出一套可在計算機上運行的3D虛擬現實變壓器實驗場景，在場景中可進行空載、短路、負載實驗，并在虛擬儀表盤上顯示出實驗數據。

本課題是基于變壓器試驗的可視化仿真平臺，為保證項目能夠順利進行，試驗人員必須具備較高素質，并進行相關方面的仿真培訓。

1 變壓器工作原理及其數學模型

1.1 變壓器基本原理

現有最常見的變壓器是油浸式變壓器。當變壓器初級接入交流電源以后,在初級繞組中就有交流電流通過,于是在鐵芯中產生交變磁通,它隨著電源頻率而變化,主磁通集中在鐵芯內。變壓器通過初、次級繞組的磁耦合，把電源的能量傳給負載。再根據選擇初、次級繞組的不同匝數比，就能實現升降壓的目的。[2]

1.2 變壓器試驗數學模型

1.2.1 變壓器空載實驗

變壓器的全部勵磁特性是有空載試驗確定的，進行空載試驗的目的測量產品的空載損耗和空載電流，看其是否符合產品有關標準和技術條件要求；通過測最產品的空載損耗和空載電流發現鐵心磁路中的局部或整體缺陷；根據高壓絕緣試驗前后測量的空載損耗比較，判斷繞組是否有匝間短路情況。

測取空載特性 U0=f(I0)，P0=f(U0)，cosΦ0=f(U0)

圖1

1.2.2 變壓器短路實驗

變壓器的短路試驗就是將變壓器的一組線圈短路，在另一線圈加上額定頻率的交流電壓使變壓器線圈內的電流為額定值，此時所測得的損耗為短路損耗，所加的電壓為短路電壓。短路試驗的目的是通過測量短路電流，短路電壓及短路功率來計算變壓器的短路電壓百分數，銅損和短路阻抗。短路阻抗決定一臺變壓器在系統短路時短路電流大小，和短路時變壓器內部電動力的大小。短路阻抗還決定變壓器載負載時的電壓變化，及對電網運行時電壓波動的影響。短路阻抗也決定變壓器并列運行的必要條件之一。

測取短路特性 UK=f(IK)，PK=f(IK)，cosΦK=f(IK)。

圖2

1.2.3 變壓器負載實驗

負載試驗的目的是：計算和確定變壓器有無可能與其它變壓器并聯運行；計算和試驗變壓器短路時的熱穩定和動穩定；計算變壓器的效率；計算變壓器二次側電壓由于負載改變而產生的變化。

（1）純電阻負載

保持 U1=UN，cosΦ2=1 的條件下，測取 U2=f(I2)。

（2）阻感性負載

保持 U1=UN，cosΦ2=0.8 的條件下，測取 U2=f(I2)。

圖3

1.3 變壓器仿真實現

服務器端的軟件運行環境為windows xp及以上操作系統，.net3.5,directx 8以上，數據庫oracle10.0以上，硬件配置cpu pIII800，內存1G。

該程序以fortran95為運行基準，設計了三繞組變壓器在短路，空載，負載三種情況下的程序。當輸入變壓器參數時，通過程序運行可以得到輸出結果。

VRP圖形編輯器，用于把fortran程序實現的動態鏈接庫與3DMAX三維仿真模型結合，達到用數學模型控制三維模型的效果。

2 三維場景構建原理及設備要求

2.1 三維制作軟件簡介

3DsMAX是一款創建三維模型，再現三維場景的制圖軟件。和AutoCAD相比，其三維制作方面更加成熟，效果更逼真，簡單易懂，并具有豐富的色彩度。

通過與fortran程序語言的結合，讓fortran程序控制三維模型的運行。視覺效果比二維平面圖更加清晰，仿真過程再現變壓器運行真實場景，提高了運行人員的工作效率，安全性也得到很大保障。

2.2 三維設備

三維場景中使用到的設備包括：操作臺，變壓器，實驗器材，座椅，隔板，室內裝飾，窗戶，壁紙等。三維仿真的主控制臺，包含顯示器。如下圖所示，旋鈕用于控制各個變壓器參數的輸入，顯示器和表盤顯示輸出結果。與現場觀摩的真實實驗臺效果相差不大，效果非常逼真。

圖4

實驗儀器，用來存儲箱可用于存放一些必須的實驗儀表等。

控制臺背面裝設有輸入輸出的接線柱，用于與變壓器的連接。

控制臺操作按鈕，控制變壓器輸入參數特性，在表盤上可以觀察到輸出特性，方便操作，安全系數高。

變壓器，結構包括：（1）導磁材料，工頻變壓器使用硅鋼片，高頻變壓器使用磁芯；（2）導電材料，漆包線，銅皮，和銅管{使用水降溫結構}；（3）絕緣材料，包括骨架，絕緣紙，塑料薄膜等；（4）技術參數，這一條自始至終貫穿從選擇材料的規格到加工工藝和結構設計，最后落實在成品的技術性能和工作特性。變壓器是有幾大部分組成的，器身，矽鋼片加繞組，是變壓器的主體。外殼，放置器身，保護器身，裝絕緣油用。油枕，變壓器油面因溫度升高，多余的油流入油枕。儲油作用。絕緣套管，引出線加保護。腳輪，安裝移動用。

3 結束語

變壓器三維仿真技術的實現不僅提高了工作人員的工作效率，也提高了運行的安全性和可靠性，提升了精度，降低成本，自動化程度得到提高。在遇到突發的事故和故障情況下能夠快速準確一目了然地判斷出事的方位所在。變壓器的實際運行操過過程中使用三維仿真技術，能夠使系統得到更好的優化。

［1］喻吉府.變電所綜合自動化系統探討[J].科技致富向導,2012(35)：252.

［2］王謙磊,黃小民.煤礦變電所變壓器常見事故分析和處理[J].科技信息,2011(35)：98.

［3］陳珩.電力系統穩態分析[M].3 版.北京：中國電力出版社,2010：12,20-25.