干式空心電抗器匝間過電壓絕緣檢測實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

彭 芳， 王 旭， 姜杏輝， 張桂爐， 雷 鳴， 蘇梓豪

（蘇州城市學(xué)院a.實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理中心、b.光學(xué)與電子信息學(xué)院、c.智能制造與智慧交通學(xué)院，江蘇蘇州 215000）

0 引 言

電能的傳輸和再分配依托大容量、遠(yuǎn)距離的能源輸送通道。高壓、特高壓輸電線路長，相間電容大，正常運(yùn)行時(shí)電壓高、容性電流大，如不采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，每100 km線路容性電流可達(dá)70 A，該電流消耗了輸電線路的供電容量，增加了輸電線路的有功損耗，導(dǎo)致電網(wǎng)傳輸效率低下。同時(shí)，較大的空載容性電流導(dǎo)致電力設(shè)備無功負(fù)荷增加，電網(wǎng)的安全運(yùn)行系數(shù)大為降低。干式空心電抗器（以下簡稱“干抗”）是輸配電系統(tǒng)運(yùn)行中最為重要的無功補(bǔ)償裝置之一，可減少系統(tǒng)無功容量，使電網(wǎng)輸電效率提高，助力國家“雙碳”戰(zhàn)略。干抗運(yùn)行最主要的缺陷為匝間短路，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來巨大安全隱患。干抗過電壓絕緣檢測實(shí)驗(yàn)，是檢測其匝間絕緣是否破壞的最主要的手段。由于實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備尺寸較大，重量較重，價(jià)格較為昂貴，實(shí)驗(yàn)過程危險(xiǎn)性大，每次移位均需重復(fù)拆卸、搬運(yùn)、組裝、接線，效率低下。同時(shí)，在高校實(shí)驗(yàn)室或前往變電站現(xiàn)場開展實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練均存在很大困難［1］。

鑒于此，結(jié)合實(shí)驗(yàn)虛擬仿真技術(shù)，依托某特高壓智能試驗(yàn)設(shè)備工程技術(shù)研究中心、學(xué)院華電電力技術(shù)研究所教學(xué)科研平臺(tái)以及《專業(yè)綜合實(shí)踐》《電氣工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)》《過程檢測與儀表》等多門課程的實(shí)驗(yàn)需求，利用智能信息處理、3D仿真建模、互聯(lián)網(wǎng)＋云平臺(tái)技術(shù)，通過視景建模與仿真運(yùn)行，高度還原變電站營運(yùn)環(huán)境，模擬干抗正?；蚬收蠣顟B(tài)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了干抗匝間過電壓絕緣檢測實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)［2］。學(xué)生通過該教學(xué)系統(tǒng)，能完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，彌補(bǔ)了高電壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的空缺，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，為學(xué)生從事變電站高壓實(shí)驗(yàn)、運(yùn)維等工作奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)虛擬仿真開發(fā)的必要性及思路

1.1 實(shí)驗(yàn)虛擬仿真開發(fā)的必要性

理論與工程應(yīng)用的結(jié)合，“干抗”在高壓、特高壓電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛，開展匝間過電壓絕緣缺陷實(shí)驗(yàn)，綜合了電氣、電子、測量與控制、電力電子等專業(yè)理論，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合應(yīng)用。對(duì)于電氣、電子、測控等專業(yè)的學(xué)生而言，能將所學(xué)、所思進(jìn)行綜合實(shí)踐，使所學(xué)知識(shí)快速升華，鍛煉實(shí)際工程應(yīng)用能力。該實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)系數(shù)極高，教學(xué)資源匱乏，實(shí)驗(yàn)過程不允許出現(xiàn)如接線錯(cuò)誤、升壓超過實(shí)驗(yàn)要求等操作失誤，對(duì)于觸電傷人的情況更是定義為事故，是絕對(duì)不允許出現(xiàn)的，大部分高校均難以開展這樣的高電壓實(shí)驗(yàn)。采用虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)的實(shí)驗(yàn)方式，增加了綜合性實(shí)驗(yàn)交互性環(huán)節(jié)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化、數(shù)字化程度，提高學(xué)生工程實(shí)踐應(yīng)用能力。設(shè)計(jì)和開發(fā)干抗匝間過電壓絕緣檢測實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)，彌補(bǔ)了高電壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的空缺［3-4］。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)的思路

根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程和虛擬仿真開發(fā)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，干抗匝間過電壓絕緣檢測實(shí)驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)和測試、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用等環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)認(rèn)知環(huán)節(jié)主要是通過實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)原理以及部件構(gòu)造及缺陷認(rèn)知，讓學(xué)生掌握基本知識(shí)構(gòu)建認(rèn)知體系。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)和測試主要目的是掌握實(shí)驗(yàn)操作過程，分析發(fā)生放電異響的原因及處理方法，引導(dǎo)學(xué)生探索參數(shù)間的耦合關(guān)系，進(jìn)而歸納總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)是應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要運(yùn)用理論知識(shí)自主選擇儀器設(shè)備，科學(xué)制定實(shí)驗(yàn)方案，探究實(shí)驗(yàn)過程，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提高創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。通過3 個(gè)不同側(cè)重的環(huán)節(jié)，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式、交互體驗(yàn)式、容錯(cuò)探究式的教學(xué)方法，觀察法、對(duì)比法、控制變量法等實(shí)驗(yàn)方法，由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的原理、操作流程和工程應(yīng)用［5］。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和開發(fā)的思路圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和開發(fā)思路

2 干抗匝間過電壓絕緣檢測實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理

2.1 干抗匝間過電壓絕緣檢測實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用檢測設(shè)備主要有直流高壓電源、倍壓筒、控制箱、高壓電子開關(guān)、充電電阻、充電電容和電容分壓器等實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及被試電抗。干抗是空心結(jié)構(gòu)，由一組經(jīng)過緊密燒制后固化形成包封的電磁鋁材或銅材繞組組成（見圖2），常用的型號(hào)及對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電壓見表1。一般常用的是10 kV干抗絕緣檢測實(shí)驗(yàn)電壓須達(dá)到52.8 kV，35 kV 干抗絕緣檢測實(shí)驗(yàn)電壓需達(dá)到128 kV，才能保證絕緣檢測結(jié)果的有效性。

表1 干式空心電抗器規(guī)格（標(biāo)稱電壓）及實(shí)驗(yàn)電壓

圖2 干抗實(shí)物圖

2.2 干抗匝間過電壓絕緣檢測實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)檢測電路如圖3 所示。當(dāng)高壓電子開關(guān)K斷開時(shí)，直流高壓電源HVDC、充電電阻R、充電電容C和被試電抗器L形成回路。直流高壓電源HVDC產(chǎn)生高電壓，通過R對(duì)C進(jìn)行充電；當(dāng)充電電壓達(dá)到實(shí)驗(yàn)電壓時(shí)，高壓電子開關(guān)K受控閉合，此時(shí)C、L形成LC振蕩電路。在LC振蕩回路中，C所存儲(chǔ)的能量與L在振蕩過程中反復(fù)交換，由于L有直流電阻，會(huì)消耗能量，最終L（含直流電阻）和C形成一個(gè)阻尼衰減振蕩電路。

圖3 實(shí)驗(yàn)檢測電路

由LC振蕩的基本特性可知：

由（1）、（2）可推導(dǎo)出振蕩頻率

式中：L為干抗的電感值，H；C為電容器的容量，F(xiàn)。

由式（3）可得，當(dāng)電容器容量C一定時(shí)，振蕩頻率f僅與干抗的電感值L有關(guān)（C1、C2影響不大，可以忽略）。干抗線圈如果出現(xiàn)絕緣破壞，必定會(huì)影響它的電感量，產(chǎn)生不同的振蕩頻率f。通過測定實(shí)驗(yàn)電壓（過電壓）下產(chǎn)生的振蕩頻率與標(biāo)稱電壓下的振蕩頻率，兩者的差值

來判斷試品匝間絕緣是否良好，具體判斷結(jié)果見表2。

表2 振蕩頻率差值表

3 實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)架構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于B／S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用Unity3D、3D Studio Max、Maya和Matlab等開發(fā)工具開發(fā)的實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)包含實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)指南、協(xié)同服務(wù)、收費(fèi)系統(tǒng)、安全中心、學(xué)問系統(tǒng)、幫助中心、考試系統(tǒng)、資源中心和知識(shí)角等功能模塊［6］。

3.2 實(shí)驗(yàn)虛擬仿真3 個(gè)環(huán)節(jié)的交互設(shè)計(jì)

交互設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)虛擬仿真的關(guān)鍵內(nèi)容，也是虛擬仿真設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)有3 個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程包括3 個(gè)環(huán)節(jié)，共21 個(gè)操作步驟。

（1）實(shí)驗(yàn)認(rèn)知。該環(huán)節(jié)主要是實(shí)驗(yàn)背景、設(shè)備、原理、目的和操作規(guī)范的學(xué)習(xí)，提醒學(xué)生高壓實(shí)驗(yàn)的安全注意事項(xiàng)。重點(diǎn)學(xué)習(xí)當(dāng)干抗絕緣出現(xiàn)破壞（輕度、中度、重度）時(shí)檢測系統(tǒng)輸出的波形（見圖4）。學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程中如出現(xiàn)一些誤操作，會(huì)產(chǎn)生什么樣的后果和危害（見表3），以提升學(xué)生熟練處理意外情況的能力。

表3 實(shí)驗(yàn)誤操作的分類和危害

圖4 絕緣破壞波形圖

（2）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與測試。點(diǎn)擊菜單欄“實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與測試”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室仿真內(nèi)場景，該場景及設(shè)備參照實(shí)驗(yàn)室1∶1建模設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)場景、直流高壓發(fā)生器面板、未接地線觸電圖、模擬電抗器升壓波形圖、電路內(nèi)部電流走向圖、升壓過程周圍電場顯示圖等（見圖5）。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與測試過程圖

步驟1 選擇模擬被測電抗器等級(jí)。

步驟2 從設(shè)備庫拖動(dòng)直流高壓發(fā)生器和倍壓筒至實(shí)驗(yàn)室場景相應(yīng)的位置，并連接相應(yīng)的控制電纜和地線。

步驟3 點(diǎn)擊高壓發(fā)生器控制開關(guān)，進(jìn)行空升實(shí)驗(yàn)。

步驟4 關(guān)閉高壓電源開關(guān)，按照不小于1 kV／cm絕緣要求，從左至右的順序進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備的連接。

步驟5 點(diǎn)擊控制箱開關(guān)，彈出絕緣檢測系統(tǒng)界面，進(jìn)行模擬被試電抗器升壓測試。

步驟6 更換不同模擬電抗器，進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察振蕩波形，進(jìn)行結(jié)果的分析，思考產(chǎn)生的原因和內(nèi)部機(jī)理。

（3）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用。理論知識(shí)是解決實(shí)際問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為增加實(shí)驗(yàn)的趣味性和鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用能力，特在此環(huán)節(jié)設(shè)置了變電站的故事情節(jié)，學(xué)生轉(zhuǎn)換成電力工程師身份，沉浸式地深入到變電站執(zhí)行任務(wù)。實(shí)驗(yàn)前學(xué)生需回顧前面環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)認(rèn)知所學(xué)到的知識(shí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)的選擇。由控制箱內(nèi)示波器的量程可知，需保證振蕩頻率在10 ～100 kHz 范圍之內(nèi)才能有效顯示［7-9］。系統(tǒng)隨機(jī)給出干抗的一組參數(shù)（見表4）。

表4 隨機(jī)一組干抗參數(shù)表

進(jìn)行充電電容器電容量范圍計(jì)算，根據(jù)表4 的電抗器參數(shù)以及干抗等效電阻和電感量的關(guān)系，

由式（2）、（3）、（5）可得充電電容器電容的最大值和最小值為：

一般使用的充電電容器由6 個(gè)電容器組成，電容值分別由1 ～3 nF 3 種。選擇一種電容器容量滿足

根據(jù)電容器容量和充電時(shí)間，選擇充電電阻值。由前文實(shí)驗(yàn)原理可知，一個(gè)周期內(nèi)包括充電電容器充電過程和LC振蕩過程。由充電時(shí)間常數(shù)

可得充電電阻的最大值：

選擇滿足條件的充電電阻。

選擇直流高壓發(fā)生器、電子開關(guān)、電容分壓器等，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表5。

表5 干抗與檢測設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系

選擇好設(shè)備后，點(diǎn)擊“進(jìn)入探究”，畫面切至模擬變電站場景，實(shí)驗(yàn)車進(jìn)入變電站，進(jìn)行實(shí)地測試。變電站場景是根據(jù)實(shí)際情況，三維建模1∶1呈現(xiàn)的逼真場景（見圖6）。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟和合理的實(shí)驗(yàn)方案，依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，做出多次反復(fù)測試。如檢測出電抗器已經(jīng)絕緣破壞，會(huì)出現(xiàn)震撼的著火場景。完成實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)使用專用的大功率放電電阻器裝置或試樣進(jìn)行自放電至實(shí)驗(yàn)電壓的20%以下，通過匹配的放電棒放電。待試樣完全放電并掛好接地線后，方可拆除和更換高壓引線。最后，關(guān)閉設(shè)備電源，拆除所有測試電線和接地線，收集測試儀器和其他工具，拆除臨時(shí)圍欄和警示標(biāo)志，恢復(fù)變壓器室外的工作場所，實(shí)驗(yàn)車撤離現(xiàn)場。任務(wù)執(zhí)行完畢。

圖6 變電站虛擬場景圖

3.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)與考核

實(shí)驗(yàn)設(shè)置的智能賦分模式包括每步實(shí)驗(yàn)結(jié)果與最優(yōu)結(jié)果符合度的評(píng)分模式及學(xué)生實(shí)踐能力與實(shí)驗(yàn)技能養(yǎng)成的評(píng)分模式，兩者合計(jì)賦分［10］。教師可根據(jù)學(xué)生賬戶對(duì)比實(shí)驗(yàn)報(bào)告和平臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)生成的計(jì)算結(jié)果，以主、客觀評(píng)估相結(jié)合的方式，進(jìn)行在線評(píng)估學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這大大減少了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性的工作量。平臺(tái)還有一定的統(tǒng)計(jì)功能：比如使用數(shù)量、完成度、得分比例，還能把實(shí)驗(yàn)中常犯的錯(cuò)誤進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的完善。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用成效

干抗匝間過電壓絕緣檢測實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)實(shí)現(xiàn)了“網(wǎng)上做實(shí)驗(yàn)”“虛擬做實(shí)驗(yàn)”，解決了實(shí)驗(yàn)條件高危、高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等實(shí)驗(yàn)問題。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在我校開展了面向相關(guān)本科專業(yè)《專業(yè)綜合實(shí)踐》《電氣工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)》《過程檢測與儀表》等課程的4 個(gè)教學(xué)周期的實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)，得到了我校師生的一致好評(píng)。采用實(shí)驗(yàn)虛擬仿真與現(xiàn)場實(shí)踐協(xié)同運(yùn)行的模式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量的顯著提高，實(shí)施成效明顯［11］。

（1）節(jié)約了教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的建設(shè)資金。干抗匝間過電壓絕緣檢測實(shí)驗(yàn)是成本高、安全性差、時(shí)空受限的典型實(shí)驗(yàn)類代表。將虛擬仿真技術(shù)使用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可讓學(xué)生在學(xué)校體驗(yàn)配電站的高壓實(shí)驗(yàn)操作，非常適合“以虛補(bǔ)實(shí)”的建設(shè)設(shè)置原則，大大降低了該類實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件建設(shè)資金的高效使用。

（2）提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。教師使用三維模型進(jìn)行教學(xué)，而不是使用二維簡化圖形來顯示電力系統(tǒng)組件或設(shè)備。通過結(jié)構(gòu)件拆裝、多角度展示、現(xiàn)場修復(fù)、測試接線等一系列對(duì)三維模型的操作，學(xué)生可以快速掌握實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)原理。新穎的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和教學(xué)模式也能夠有效激發(fā)學(xué)生的自學(xué)熱情。

（3）提升應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)質(zhì)量。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)集成了大量變電站現(xiàn)場注意事項(xiàng)及實(shí)際操作規(guī)程，促進(jìn)學(xué)生理論與實(shí)踐的深入結(jié)合，使學(xué)生在學(xué)校獲得與實(shí)際領(lǐng)域相似的工程經(jīng)驗(yàn)，切實(shí)提高其動(dòng)手實(shí)踐能力和專業(yè)素養(yǎng)［12-13］。

5 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)虛擬仿真課程是教育部打造的五大“金課”之一，在建設(shè)過程中，實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)信息化的推進(jìn)、高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的促進(jìn)、高等教育質(zhì)量的提高［14］。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以基礎(chǔ)理論為支撐，以目標(biāo)任務(wù)為導(dǎo)向，使學(xué)生對(duì)所學(xué)理論有更深刻的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。采用虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生敢于試錯(cuò)，把實(shí)驗(yàn)主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，使之具備綜合運(yùn)用知識(shí)解決復(fù)雜實(shí)際工程問題的能力，為將來進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)、測控技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用、電氣工程實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐等領(lǐng)域工作奠定扎實(shí)的專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新基礎(chǔ)，完成高質(zhì)量應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)［15-16］。