干式空心電抗器匝間過電壓絕緣檢測實驗虛擬仿真教學系統設計與開發

彭 芳， 王 旭， 姜杏輝， 張桂爐， 雷 鳴， 蘇梓豪

（蘇州城市學院a.實驗室建設與管理中心、b.光學與電子信息學院、c.智能制造與智慧交通學院，江蘇蘇州 215000）

0 引 言

電能的傳輸和再分配依托大容量、遠距離的能源輸送通道。高壓、特高壓輸電線路長，相間電容大，正常運行時電壓高、容性電流大，如不采取相應的補償措施，每100 km線路容性電流可達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，導致電網傳輸效率低下。同時，較大的空載容性電流導致電力設備無功負荷增加，電網的安全運行系數大為降低。干式空心電抗器（以下簡稱“干抗”）是輸配電系統運行中最為重要的無功補償裝置之一，可減少系統無功容量，使電網輸電效率提高，助力國家“雙碳”戰略。干抗運行最主要的缺陷為匝間短路，對電網運行帶來巨大安全隱患。干抗過電壓絕緣檢測實驗，是檢測其匝間絕緣是否破壞的最主要的手段。由于實驗所需設備尺寸較大，重量較重，價格較為昂貴，實驗過程危險性大，每次移位均需重復拆卸、搬運、組裝、接線，效率低下。同時，在高校實驗室或前往變電站現場開展實驗操作訓練均存在很大困難［1］。

鑒于此，結合實驗虛擬仿真技術，依托某特高壓智能試驗設備工程技術研究中心、學院華電電力技術研究所教學科研平臺以及《專業綜合實踐》《電氣工程專業課程設計》《過程檢測與儀表》等多門課程的實驗需求，利用智能信息處理、3D仿真建模、互聯網＋云平臺技術，通過視景建模與仿真運行，高度還原變電站營運環境，模擬干抗正?；蚬收蠣顟B，設計和開發了干抗匝間過電壓絕緣檢測實驗虛擬仿真教學系統［2］。學生通過該教學系統，能完成整個實驗內容，彌補了高電壓實驗教學資源的空缺，提升學生的工程實踐能力，培養學生的創新精神，為學生從事變電站高壓實驗、運維等工作奠定基礎。

1 實驗虛擬仿真開發的必要性及思路

1.1 實驗虛擬仿真開發的必要性

理論與工程應用的結合，“干抗”在高壓、特高壓電網中應用廣泛，開展匝間過電壓絕緣缺陷實驗，綜合了電氣、電子、測量與控制、電力電子等專業理論，實現理論與實踐相結合的綜合應用。對于電氣、電子、測控等專業的學生而言，能將所學、所思進行綜合實踐，使所學知識快速升華，鍛煉實際工程應用能力。該實驗的危險系數極高，教學資源匱乏，實驗過程不允許出現如接線錯誤、升壓超過實驗要求等操作失誤，對于觸電傷人的情況更是定義為事故，是絕對不允許出現的，大部分高校均難以開展這樣的高電壓實驗。采用虛實結合、以虛補實的實驗方式，增加了綜合性實驗交互性環節，增強了實驗教學信息化、數字化程度，提高學生工程實踐應用能力。設計和開發干抗匝間過電壓絕緣檢測實驗虛擬仿真教學，彌補了高電壓實驗教學資源的空缺［3-4］。

1.2 虛擬仿真實驗開發的思路

根據實驗流程和虛擬仿真開發的重點、難點，干抗匝間過電壓絕緣檢測實驗分為實驗認知、實驗平臺設計和測試、實驗平臺技術應用等環節。實驗認知環節主要是通過實驗背景、實驗目的、實驗流程、實驗原理以及部件構造及缺陷認知，讓學生掌握基本知識構建認知體系。實驗平臺設計和測試主要目的是掌握實驗操作過程，分析發生放電異響的原因及處理方法，引導學生探索參數間的耦合關系，進而歸納總結經驗。實驗平臺技術應用環節是應用理論知識解決實際問題的關鍵環節，需要運用理論知識自主選擇儀器設備，科學制定實驗方案，探究實驗過程，分析實驗數據，得出實驗結論，提高創新能力和實踐動手能力。通過3 個不同側重的環節，采用任務驅動式、交互體驗式、容錯探究式的教學方法，觀察法、對比法、控制變量法等實驗方法，由淺入深地引導學生掌握實驗的原理、操作流程和工程應用［5］。實驗設計和開發的思路圖如圖1所示。

圖1 實驗設計和開發思路

2 干抗匝間過電壓絕緣檢測實驗設備及原理

2.1 干抗匝間過電壓絕緣檢測實驗設備

實驗所用檢測設備主要有直流高壓電源、倍壓筒、控制箱、高壓電子開關、充電電阻、充電電容和電容分壓器等實驗設備以及被試電抗。干抗是空心結構，由一組經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），常用的型號及對應的實驗電壓見表1。一般常用的是10 kV干抗絕緣檢測實驗電壓須達到52.8 kV，35 kV 干抗絕緣檢測實驗電壓需達到128 kV，才能保證絕緣檢測結果的有效性。

表1 干式空心電抗器規格（標稱電壓）及實驗電壓

圖2 干抗實物圖

2.2 干抗匝間過電壓絕緣檢測實驗原理

實驗檢測電路如圖3 所示。當高壓電子開關K斷開時，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產生高電壓，通過R對C進行充電；當充電電壓達到實驗電壓時，高壓電子開關K受控閉合，此時C、L形成LC振蕩電路。在LC振蕩回路中，C所存儲的能量與L在振蕩過程中反復交換，由于L有直流電阻，會消耗能量，最終L（含直流電阻）和C形成一個阻尼衰減振蕩電路。

圖3 實驗檢測電路

由LC振蕩的基本特性可知：

由（1）、（2）可推導出振蕩頻率

式中：L為干抗的電感值，H；C為電容器的容量，F。

由式（3）可得，當電容器容量C一定時，振蕩頻率f僅與干抗的電感值L有關（C1、C2影響不大，可以忽略）。干抗線圈如果出現絕緣破壞，必定會影響它的電感量，產生不同的振蕩頻率f。通過測定實驗電壓（過電壓）下產生的振蕩頻率與標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，具體判斷結果見表2。

表2 振蕩頻率差值表

3 實驗虛擬仿真教學系統設計與開發

3.1 系統開發技術架構

本實驗系統基于B／S 架構設計，運用Unity3D、3D Studio Max、Maya和Matlab等開發工具開發的實驗虛擬仿真教學系統。系統包含實驗報告、實驗內容、數據統計、實驗指南、協同服務、收費系統、安全中心、學問系統、幫助中心、考試系統、資源中心和知識角等功能模塊［6］。

3.2 實驗虛擬仿真3 個環節的交互設計

交互設計是實驗虛擬仿真的關鍵內容，也是虛擬仿真設計最重要的環節。本實驗有3 個學時的實驗教學任務，整個實驗過程包括3 個環節，共21 個操作步驟。

（1）實驗認知。該環節主要是實驗背景、設備、原理、目的和操作規范的學習，提醒學生高壓實驗的安全注意事項。重點學習當干抗絕緣出現破壞（輕度、中度、重度）時檢測系統輸出的波形（見圖4）。學習實驗過程中如出現一些誤操作，會產生什么樣的后果和危害（見表3），以提升學生熟練處理意外情況的能力。

表3 實驗誤操作的分類和危害

圖4 絕緣破壞波形圖

（2）實驗平臺設計與測試。點擊菜單欄“實驗平臺設計與測試”，進入實驗室仿真內場景，該場景及設備參照實驗室1∶1建模設計。實驗室內場景、直流高壓發生器面板、未接地線觸電圖、模擬電抗器升壓波形圖、電路內部電流走向圖、升壓過程周圍電場顯示圖等（見圖5）。具體實驗步驟為：

圖5 實驗平臺的設計與測試過程圖

步驟1 選擇模擬被測電抗器等級。

步驟2 從設備庫拖動直流高壓發生器和倍壓筒至實驗室場景相應的位置，并連接相應的控制電纜和地線。

步驟3 點擊高壓發生器控制開關，進行空升實驗。

步驟4 關閉高壓電源開關，按照不小于1 kV／cm絕緣要求，從左至右的順序進行其他實驗設備的連接。

步驟5 點擊控制箱開關，彈出絕緣檢測系統界面，進行模擬被試電抗器升壓測試。

步驟6 更換不同模擬電抗器，進行反復實驗，觀察振蕩波形，進行結果的分析，思考產生的原因和內部機理。

（3）實驗平臺技術應用。理論知識是解決實際問題的關鍵環節，為增加實驗的趣味性和鍛煉學生綜合應用能力，特在此環節設置了變電站的故事情節，學生轉換成電力工程師身份，沉浸式地深入到變電站執行任務。實驗前學生需回顧前面環節實驗認知所學到的知識，進行實驗設備型號的選擇。由控制箱內示波器的量程可知，需保證振蕩頻率在10 ～100 kHz 范圍之內才能有效顯示［7-9］。系統隨機給出干抗的一組參數（見表4）。

表4 隨機一組干抗參數表

進行充電電容器電容量范圍計算，根據表4 的電抗器參數以及干抗等效電阻和電感量的關系，

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

根據電容器容量和充電時間，選擇充電電阻值。由前文實驗原理可知，一個周期內包括充電電容器充電過程和LC振蕩過程。由充電時間常數

可得充電電阻的最大值：

選擇滿足條件的充電電阻。

選擇直流高壓發生器、電子開關、電容分壓器等，其對應關系見表5。

表5 干抗與檢測設備的對應關系

選擇好設備后，點擊“進入探究”，畫面切至模擬變電站場景，實驗車進入變電站，進行實地測試。變電站場景是根據實際情況，三維建模1∶1呈現的逼真場景（見圖6）。學生根據實驗需要，設計實驗步驟和合理的實驗方案，依據實驗方案，做出多次反復測試。如檢測出電抗器已經絕緣破壞，會出現震撼的著火場景。完成實驗后，應使用專用的大功率放電電阻器裝置或試樣進行自放電至實驗電壓的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，關閉設備電源，拆除所有測試電線和接地線，收集測試儀器和其他工具，拆除臨時圍欄和警示標志，恢復變壓器室外的工作場所，實驗車撤離現場。任務執行完畢。

圖6 變電站虛擬場景圖

3.3 實驗評價與考核

實驗設置的智能賦分模式包括每步實驗結果與最優結果符合度的評分模式及學生實踐能力與實驗技能養成的評分模式，兩者合計賦分［10］。教師可根據學生賬戶對比實驗報告和平臺系統自動生成的計算結果，以主、客觀評估相結合的方式，進行在線評估學生實驗結果。這大大減少了驗證計算結果和實驗數據正確性的工作量。平臺還有一定的統計功能：比如使用數量、完成度、得分比例，還能把實驗中常犯的錯誤進行大數據分析處理，用于實驗教學質量的提高、實驗教學內容的完善。

4 實驗系統的應用成效

干抗匝間過電壓絕緣檢測實驗虛擬仿真教學實現了“網上做實驗”“虛擬做實驗”，解決了實驗條件高危、高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等實驗問題。目前該系統已經在我校開展了面向相關本科專業《專業綜合實踐》《電氣工程專業課程設計》《過程檢測與儀表》等課程的4 個教學周期的實驗虛擬仿真教學，得到了我校師生的一致好評。采用實驗虛擬仿真與現場實踐協同運行的模式，實現了實驗教學效率和質量的顯著提高，實施成效明顯［11］。

（1）節約了教學實驗條件的建設資金。干抗匝間過電壓絕緣檢測實驗是成本高、安全性差、時空受限的典型實驗類代表。將虛擬仿真技術使用到實驗教學系統，可讓學生在學校體驗配電站的高壓實驗操作，非常適合“以虛補實”的建設設置原則，大大降低了該類實驗室的建設成本，有利于實驗教學條件建設資金的高效使用。

（2）提高了實驗教學的效率。教師使用三維模型進行教學，而不是使用二維簡化圖形來顯示電力系統組件或設備。通過結構件拆裝、多角度展示、現場修復、測試接線等一系列對三維模型的操作，學生可以快速掌握實驗過程和實驗原理。新穎的實驗環境和教學模式也能夠有效激發學生的自學熱情。

（3）提升應用型本科人才的培養質量。該實驗教學系統集成了大量變電站現場注意事項及實際操作規程，促進學生理論與實踐的深入結合，使學生在學校獲得與實際領域相似的工程經驗，切實提高其動手實踐能力和專業素養［12-13］。

5 結 語

實驗虛擬仿真課程是教育部打造的五大“金課”之一，在建設過程中，實現教育教學信息化的推進、高校實驗教學改革的促進、高等教育質量的提高［14］。本實驗教學系統設計以基礎理論為支撐，以目標任務為導向，使學生對所學理論有更深刻的感性認識，激發學生學習的自主性。采用虛擬仿真技術，讓學生敢于試錯，把實驗主動權交給學生，使之具備綜合運用知識解決復雜實際工程問題的能力，為將來進行電子電路設計、測控技術研發與應用、電氣工程實驗與實踐等領域工作奠定扎實的專業實踐創新基礎，完成高質量應用型人才培養目標［15-16］。