基于多級沖擊高壓發(fā)生裝置的虛擬仿真實驗平臺

劉志恒， 張照彥， 郝 雷

（1.河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.天津大學(xué)光電信息技術(shù)教育部重點實驗室，天津 300072）

0 引 言

電力能源是國家發(fā)展的大動脈，特高壓建設(shè)能干網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立全國智能電網(wǎng)，加大綠色電大大提升我國電網(wǎng)的輸送能力，未來將在特高壓電力能源投入，以碳中和為目標，實現(xiàn)能源資源優(yōu)化配置。隨著輸電電壓等級的不斷提高和電纜等大電容量電氣設(shè)備的廣泛應(yīng)用，為驗證高壓電氣設(shè)備在過電壓作用下的絕緣性能和保護性能，要求試驗電壓比設(shè)備絕緣正常運行時承受的電壓高，使得沖擊電壓發(fā)生器的輸出電壓和能量也不斷提高。沖擊高壓實驗研究作為特高壓輸電技術(shù)應(yīng)用中的實踐環(huán)節(jié)，在高電壓技術(shù)的發(fā)展過程中起到了核心的作用。由于沖擊高壓實驗危險性大，所需設(shè)備價格昂貴，且多為破壞性試驗，占地面積大，限制了高電壓實驗的建設(shè)與教學(xué)。為解決沖擊高壓發(fā)生器建設(shè)成本高、實驗安全性要求高、實驗?zāi)芎拇蟆嶒炦^程不可重復(fù)、物理現(xiàn)象復(fù)雜等問題，開展沖擊高壓的虛擬仿真教學(xué)具有重要的現(xiàn)實意義。

高校實驗室建設(shè)正在向技術(shù)、知識和設(shè)備密集的綜合型教學(xué)科研基地發(fā)展［1-2］。隨著大數(shù)據(jù)、虛擬仿真和人工智能技術(shù)的極速發(fā)展，促進了仿真實驗代替實體實驗教學(xué)。基于“研究者＋實踐者”創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標，建設(shè)具有地方特色的虛擬仿真教學(xué)項目［3-4］，可深化實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新［5-7］。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的電氣工程專業(yè)實驗平臺得到迅速發(fā)展［8］，尤其聚焦于功能調(diào)試和故障排除方面［9］。其次，通過搭建火力發(fā)電機組［10-11］、電力電子電路［12］、電力變壓器［13］、高壓開關(guān)柜［14］、礦用電氣設(shè)備［15］、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)［16］等虛擬仿真模型，深化了其在實驗教學(xué)中的應(yīng)用。開發(fā)沖擊高壓虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，可培養(yǎng)學(xué)生將來從事特高壓輸變電技術(shù)開發(fā)、工程／產(chǎn)品設(shè)計、系統(tǒng)運行、試驗、測試分析、科學(xué)研究等方面的工作能力和提高學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜實際工程問題的能力。

依托“國家級光伏技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”，開發(fā)沖擊高壓虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，仿真模擬電介質(zhì)擊穿過程及不同絕緣結(jié)構(gòu)下的擊穿特性，包含沖擊高壓耐壓實驗、50%沖擊電壓的測量、棒-板間隙放電極性效應(yīng)等一系列操作過程。達到“理論掌握與工程應(yīng)用相結(jié)合，實驗進程與評價考查相結(jié)合，線上操作與線下分析相結(jié)合”的建設(shè)目標。

1 沖擊高壓虛擬仿真平臺

通過安全認知學(xué)習(xí)、開放實驗操作、項目方案設(shè)計等方式培養(yǎng)高電壓技術(shù)應(yīng)用型人才。在沖擊高壓虛擬仿真實驗認知的基礎(chǔ)上，獲得避雷器、電力電抗器、電力電容器等試品的耐壓等級，理解絕緣紙、空氣和棒-板間隙等介質(zhì)的擊穿特性。讓學(xué)生多視角、多角度和多時空認識沖擊高壓實驗，充分了解沖擊高壓耐受電壓與介質(zhì)擊穿的時間、尺度關(guān)系；基于結(jié)果分析可指導(dǎo)高壓設(shè)備高效、安全運行，積極應(yīng)對和實時處理高壓放電、介質(zhì)擊穿等具有挑戰(zhàn)性的各類實驗問題。沖擊高壓虛擬仿真實驗平臺具體實施過程如圖1 所示。

圖1 沖擊高壓虛擬仿真實施過程

學(xué)生自主登錄高電壓虛擬仿真平臺，預(yù)習(xí)模塊中的實驗?zāi)康摹⒐ぷ髟怼⒉僮鞑襟E、注意事項等。實驗操作前，對預(yù)習(xí)內(nèi)容進行考核，合格后再開始實驗。演示模塊可展示沖擊高壓系統(tǒng)的設(shè)備搭建及接線。學(xué)習(xí)模塊基于文字、聲音和高亮形式進行人機交互，指導(dǎo)學(xué)生完成實驗。答疑模塊實現(xiàn)學(xué)生與指導(dǎo)教師之間的交流溝通，以互動、研討等模式復(fù)現(xiàn)高壓發(fā)生裝置及參數(shù)。考核模塊對所選實驗進行操作、檢驗及評價，包括設(shè)備選擇、模型搭建、電路接線、實驗步驟和結(jié)果分析等，最終給出考核成績。要求學(xué)生撰寫實驗報告，在報告中包括明確實驗?zāi)康摹⒐ぷ髟矸治觥嶒灁?shù)據(jù)整理及結(jié)果分析、得出實驗結(jié)論，提出對該實驗設(shè)計的評價和改進建議。

2 沖擊電壓虛擬仿真教學(xué)案例

2.1 沖擊高壓發(fā)生器工作原理

多級沖擊電壓發(fā)生電路原理如圖2 所示（以級數(shù)n ＝3 為例）。

圖2 沖擊電壓發(fā)生器電路原理

試驗前，調(diào)整各級球隙G1～G4的擊穿電壓大于U（充電完成后球隙G1～G4的電壓為U，保證不會擊穿放電）。直流充電回路由變壓器T、保護電阻Rb（一般比充電電阻大一個數(shù)量級）和整流元件VD 構(gòu)成。其中保護電阻Rb除了可以保護整流元件VD，還有使各級電容器充電均勻的作用。達到穩(wěn)態(tài)時，點1、3、5 的電位為0，點2、4、6 的電位為－U，即實現(xiàn)了3 個電容器的并聯(lián)充電。

電路中：充電電阻Rch＞＞Rt；波尾電阻Rt＞＞Rg（阻尼電阻用于消除振蕩）。G1擊穿之后，點2 的電位突然由－U 上升為0，開始經(jīng)G1及其回路中的Rch放電，并且?guī)缀跞侩妷憾冀德湓赗ch上，使點1 的對地電位升到＋U。點1 的電位升到＋U之后，點4 的電位仍接近于0，所以間隙G2上的電位差就接近達2U，使G2擊穿。G2擊穿后，點4 的電位幾乎瞬間上升為＋U，而點3 的電位幾乎瞬間上升為＋2U；點6 的電位仍維持在原電位－U，間隙G3上的電位差就接近3U，促使G3擊穿。同理，間隙G4上的電壓差接近3U，也被擊穿。此時被試品T.O.上的輸出電壓就為3個主電容電壓的和，即3U。主放電回路串聯(lián)放電過程結(jié)束。

實現(xiàn)這種變化的關(guān)鍵裝置是球隙，在點火球隙G1不被擊穿放電時，所有球隙都不被擊穿放電，一旦G1被點火擊穿，則G2、G3、G4幾乎在瞬間依次擊穿放電。多級沖擊電壓發(fā)生器的工作原理可總結(jié)為多個電容器并聯(lián)充電，串聯(lián)放電的過程，放電的等效電路如圖3 所示。其中C0＝C／n，Cf＝C′f＋CT.O.，Rf＝R′f＋∑Rg。

圖3 高效率沖擊電壓發(fā)生器放電等效電路

2.2 多級雷電沖擊電壓標準波形發(fā)生試驗

基于HTML5 技術(shù)和開發(fā)工具Unity3D，3D Studio Max，Maya，Visual Studio，設(shè)計了3 級單邊高效率沖擊電壓發(fā)生器模型，沖擊高壓演示實驗虛擬仿真模型如圖4 所示，每一級電容器的最高充電電壓為150 kV，最高輸出電壓為450 kV。

圖4 沖擊高壓演示實驗虛擬仿真模型

從設(shè)備庫和試品庫選擇試驗變壓器、試驗控制臺、保護電阻R1（電壓發(fā)生器和分壓器之間）、電容分壓器、保護電阻R2（發(fā)生器和變壓器之間）、截斷球隙、被試品和沖擊電壓發(fā)生器，并放置到試驗場景中，按試驗要求進行連線。在試驗臺操作界面，點擊“本體設(shè)置”設(shè)置相關(guān)參數(shù)并確定，如圖5 所示。所得雷電沖擊高壓標準波形如圖6 所示。

圖5 試驗操作臺界面

圖6 多級雷電沖擊高壓標準波形

通過模擬雷電放電引起的過電壓，獲得了多級雷電沖擊電壓波形，為高壓設(shè)備在沖擊高壓條件下的絕緣檢測提供試驗條件。

2.3 50%沖擊放電電壓測試試驗

（1）多級法50%沖擊放電電壓測試。先固定球隙距離（5 cm），由小到大逐級調(diào)整所施加的電壓值。相鄰兩級間級差不大于預(yù)期放電電壓的1%。每級施加電壓至少10 次，各次放電間的時間間隔不小于30 s，共進行5 級電壓測試。根據(jù)每級的放電概率及相應(yīng)的電壓值，在正態(tài)概率分布表格中展示所得50%放電電壓值。國家標準GB／T311.6-2005 規(guī)定，除了確定50%放電電壓之外，還應(yīng)檢驗放電的慣用偏差z（即標準偏差σ 的相對值）。對雷電沖擊全波電壓，z應(yīng)不大于1%；對操作沖擊電壓，z應(yīng)不大于1.5%。

從設(shè)備庫和試品庫選擇試驗變壓器、交流控制臺、保護電阻R1、電容分壓器、保護電阻R2、被試品（棒-板間隙）和沖擊電壓發(fā)生器，置于試驗場景并進行連線如圖7 所示。

圖7 狀態(tài)2時端電壓仿真結(jié)果分析

圖7 多級法50%放電電壓測試界面

選擇本次試驗所用沖擊電壓的類型和預(yù)估的50%放電電壓值，如圖8 所示。設(shè)置60 s 耐壓計時，觀察棒-板間隙是否被擊穿。完成“實驗記錄”，觀察有效點分布如圖9 所示。間隔30 s 后進行下一次測試，并記錄有效點分布。

圖8 選擇預(yù)估的50%放電電壓

圖9 50%放電電壓值有效點分布

（2）升降法50%沖擊放電電壓測試。預(yù)先估計棒-板間隙的50%放電電壓，以該電壓值的3%作為級差，選m 級（一般不小于4 ～5 級）。從最高一級電壓值開始對棒-板間隙進行測試，若擊穿，則要降低實施電壓值直至棒-板間隙不擊穿，記錄該點電壓，該點即為第1 個有效點，再升高實施電壓值，若擊穿，則再降低電壓，反之，再次升高電壓，依次類推，一般測量30到40 個有效點，記錄下每一個有效點的電壓值和放電狀態(tài)（放電擊穿或未發(fā)生放電）。統(tǒng)計每一級電壓Ui下的有效點數(shù)ni，50%放電電壓為

一次沖擊電壓測試結(jié)束后，間隔30 s后再進行下一次測試。在每次沖擊電壓試驗時，所選取的第1 次電壓值與預(yù)估的50%沖擊放電電壓之間的差值應(yīng)小于等于兩倍的電壓級差。具體試驗步驟與多級法類似，其有效點分布界面如圖10 所示。

圖10 升降法有效點分布界面

50%沖擊電壓的測量實驗中，通過球隙擊穿特性曲線，可分析氣隙擊穿電壓的分散性特征。對于工程中用作絕緣的氣隙，得出外加電壓所對應(yīng)的氣體耐受電壓概率和擊穿概率，有助于對高壓設(shè)備進行有效的絕緣設(shè)計，提高設(shè)備間的絕緣配合可靠性。

2.4 棒-板間隙極性效應(yīng)測試試驗

將沖擊電壓發(fā)生器的高壓引線與棒-板間隙連接。調(diào)節(jié)棒-板間隙的距離到5 ～7 cm。從小到大（5 cm和7 cm）調(diào)節(jié)沖擊電壓發(fā)生器的球隙距離，對棒-板間隙施加電壓，直到間隙放電為止，如圖11 所示。

圖11 棒-板間隙擊穿放電

當(dāng)棒為正極性時，電子崩是迎向棒極發(fā)展的（由場強小的區(qū)域向場強較大的區(qū)域發(fā)展），有利于電子崩的擴展，如圖12 所示（崩頭部的電子到達流柱通道，經(jīng)過混合質(zhì)區(qū)進入陽極）。由于電子立即進入陽極（正棒端），棒極前方空間留下正離子，加強了板極方向的電場，形成發(fā)展正流柱的有利條件。2 次崩與初崩匯合后通道充滿混合質(zhì)，頭部留下大量的正空間電荷，加強了頭部前方的電場強度，推進流柱進一步向陰極發(fā)展。

圖12 正棒-負板間隙中非自持放電階段空間電荷的發(fā)展過程

由于正流柱所造成的空間電荷總是加強流柱通道頭部前方的電場，所以正流柱的發(fā)展速度很快，并且為連續(xù)的，其先導(dǎo)放電過程如圖13 所示。

圖13 棒-板間隙極性效應(yīng)正棒負板先導(dǎo)放電

棒-板間隙的極性效應(yīng)實驗?zāi)芊浅Ｔ敿毜卣故径涕g隙條件下電子蹦在兩極性之間的發(fā)展過程，電荷與電場的變化規(guī)律，帶電質(zhì)點的運動軌跡，直至氣隙被擊穿的先導(dǎo)放電過程。在長間隙條件下，能清晰展現(xiàn)正先導(dǎo)、負先導(dǎo)、迎面先導(dǎo)和主放電的物理過程。

3 結(jié) 語

結(jié)合沖擊高壓實驗特點與特高壓輸變電技術(shù)對人才專業(yè)能力的需求，本文以“虛實結(jié)合、互相促進、由虛促實”，在沖擊高壓虛擬仿真實驗教學(xué)方面進行了有益探索。設(shè)計了基于HTML5 技術(shù)3 級沖擊電壓發(fā)生器模型的虛擬仿真實驗平臺，開展實驗教學(xué)具有以下幾個方面的優(yōu)勢。

（1）沖擊高壓虛擬仿真實驗不受場地、實驗裝置的限制，大幅降低了實驗建設(shè)成本，操作方式靈活。

（2）使學(xué)生直接參與高危、極端工況以及全系統(tǒng)沖擊高壓實驗，直觀觀察實驗現(xiàn)象，使抽象的知識點具體化，有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解相關(guān)知識點。

（3）沖擊高壓虛擬仿真實驗現(xiàn)象具有可重復(fù)、可視化特點，學(xué)生可以反復(fù)觀察實驗結(jié)果并分析原因，可有效提高對高壓電力設(shè)備的絕緣設(shè)計能力。

（4）利用信息科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)發(fā)展的成果，有效地將傳統(tǒng)教學(xué)與新興學(xué)科結(jié)合，建設(shè)一批具有特色的虛擬仿真實驗教學(xué)資源，滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標，符合新工科教學(xué)發(fā)展的方向。