陳玥玫

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443000）

0 引言

人類已經(jīng)進(jìn)入三維化科技時(shí)代，以往的二維視圖和軟件已經(jīng)不能滿足大眾的視覺(jué)需求。三維的軟件以其清晰、一目了然、逼真的特點(diǎn)贏得了當(dāng)今技術(shù)領(lǐng)域廣泛的市場(chǎng)。仿真軟件則模擬了現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，三維仿真技術(shù)也以操作簡(jiǎn)單越來(lái)越收到許多企業(yè)與科研單位的歡迎。

1995年，國(guó)家調(diào)度中心要求現(xiàn)有35kV-110kV變電站在條件具備時(shí)逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班變電站，新建變電站可根據(jù)調(diào)度和管理需要以及規(guī)劃要求，按無(wú)人值班設(shè)計(jì)。欲實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班變電站，其中變電站的綜合自動(dòng)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(lái)模擬工作環(huán)境，更直觀地反映變壓器的工作狀態(tài)，以便及時(shí)有效的對(duì)其狀況作出反應(yīng),提高自動(dòng)化程度。我們?cè)O(shè)計(jì)的變壓器三維仿真軟件過(guò)程中所運(yùn)用的幾個(gè)軟件包括fortran語(yǔ)言，VRP和3D MAX。

通過(guò)構(gòu)建三維虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，包括實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，變壓器設(shè)備，儀器儀表等,開(kāi)發(fā)出一套可在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的3D虛擬現(xiàn)實(shí)變壓器實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，在場(chǎng)景中可進(jìn)行空載、短路、負(fù)載實(shí)驗(yàn)，并在虛擬儀表盤上顯示出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本課題是基于變壓器試驗(yàn)的可視化仿真平臺(tái)，為保證項(xiàng)目能夠順利進(jìn)行，試驗(yàn)人員必須具備較高素質(zhì)，并進(jìn)行相關(guān)方面的仿真培訓(xùn)。

1 變壓器工作原理及其數(shù)學(xué)模型

1.1 變壓器基本原理

現(xiàn)有最常見(jiàn)的變壓器是油浸式變壓器。當(dāng)變壓器初級(jí)接入交流電源以后,在初級(jí)繞組中就有交流電流通過(guò),于是在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通,它隨著電源頻率而變化,主磁通集中在鐵芯內(nèi)。變壓器通過(guò)初、次級(jí)繞組的磁耦合，把電源的能量傳給負(fù)載。再根據(jù)選擇初、次級(jí)繞組的不同匝數(shù)比，就能實(shí)現(xiàn)升降壓的目的。[2]

1.2 變壓器試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

1.2.1 變壓器空載實(shí)驗(yàn)

變壓器的全部勵(lì)磁特性是有空載試驗(yàn)確定的，進(jìn)行空載試驗(yàn)的目的測(cè)量產(chǎn)品的空載損耗和空載電流，看其是否符合產(chǎn)品有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件要求；通過(guò)測(cè)最產(chǎn)品的空載損耗和空載電流發(fā)現(xiàn)鐵心磁路中的局部或整體缺陷；根據(jù)高壓絕緣試驗(yàn)前后測(cè)量的空載損耗比較，判斷繞組是否有匝間短路情況。

測(cè)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(shí)驗(yàn)

變壓器的短路試驗(yàn)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(nèi)的電流為額定值，此時(shí)所測(cè)得的損耗為短路損耗，所加的電壓為短路電壓。短路試驗(yàn)的目的是通過(guò)測(cè)量短路電流，短路電壓及短路功率來(lái)計(jì)算變壓器的短路電壓百分?jǐn)?shù)，銅損和短路阻抗。短路阻抗決定一臺(tái)變壓器在系統(tǒng)短路時(shí)短路電流大小，和短路時(shí)變壓器內(nèi)部電動(dòng)力的大小。短路阻抗還決定變壓器載負(fù)載時(shí)的電壓變化，及對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電壓波動(dòng)的影響。短路阻抗也決定變壓器并列運(yùn)行的必要條件之一。

測(cè)取短路特性 UK=f(IK)，PK=f(IK)，cosΦK=f(IK)。

圖2

1.2.3 變壓器負(fù)載實(shí)驗(yàn)

負(fù)載試驗(yàn)的目的是：計(jì)算和確定變壓器有無(wú)可能與其它變壓器并聯(lián)運(yùn)行；計(jì)算和試驗(yàn)變壓器短路時(shí)的熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定；計(jì)算變壓器的效率；計(jì)算變壓器二次側(cè)電壓由于負(fù)載改變而產(chǎn)生的變化。

（1）純電阻負(fù)載

保持 U1=UN，cosΦ2=1 的條件下，測(cè)取 U2=f(I2)。

（2）阻感性負(fù)載

保持 U1=UN，cosΦ2=0.8 的條件下，測(cè)取 U2=f(I2)。

圖3

1.3 變壓器仿真實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器端的軟件運(yùn)行環(huán)境為windows xp及以上操作系統(tǒng)，.net3.5,directx 8以上，數(shù)據(jù)庫(kù)oracle10.0以上，硬件配置cpu pIII800，內(nèi)存1G。

該程序以fortran95為運(yùn)行基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了三繞組變壓器在短路，空載，負(fù)載三種情況下的程序。當(dāng)輸入變壓器參數(shù)時(shí)，通過(guò)程序運(yùn)行可以得到輸出結(jié)果。

VRP圖形編輯器，用于把fortran程序?qū)崿F(xiàn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)與3DMAX三維仿真模型結(jié)合，達(dá)到用數(shù)學(xué)模型控制三維模型的效果。

2 三維場(chǎng)景構(gòu)建原理及設(shè)備要求

2.1 三維制作軟件簡(jiǎn)介

3DsMAX是一款創(chuàng)建三維模型，再現(xiàn)三維場(chǎng)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(jiǎn)單易懂，并具有豐富的色彩度。

通過(guò)與fortran程序語(yǔ)言的結(jié)合，讓fortran程序控制三維模型的運(yùn)行。視覺(jué)效果比二維平面圖更加清晰，仿真過(guò)程再現(xiàn)變壓器運(yùn)行真實(shí)場(chǎng)景，提高了運(yùn)行人員的工作效率，安全性也得到很大保障。

2.2 三維設(shè)備

三維場(chǎng)景中使用到的設(shè)備包括：操作臺(tái)，變壓器，實(shí)驗(yàn)器材，座椅，隔板，室內(nèi)裝飾，窗戶，壁紙等。三維仿真的主控制臺(tái)，包含顯示器。如下圖所示，旋鈕用于控制各個(gè)變壓器參數(shù)的輸入，顯示器和表盤顯示輸出結(jié)果。與現(xiàn)場(chǎng)觀摩的真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)效果相差不大，效果非常逼真。

圖4

實(shí)驗(yàn)儀器，用來(lái)存儲(chǔ)箱可用于存放一些必須的實(shí)驗(yàn)儀表等。

控制臺(tái)背面裝設(shè)有輸入輸出的接線柱，用于與變壓器的連接。

控制臺(tái)操作按鈕，控制變壓器輸入?yún)?shù)特性，在表盤上可以觀察到輸出特性，方便操作，安全系數(shù)高。

變壓器，結(jié)構(gòu)包括：（1）導(dǎo)磁材料，工頻變壓器使用硅鋼片，高頻變壓器使用磁芯；（2）導(dǎo)電材料，漆包線，銅皮，和銅管{使用水降溫結(jié)構(gòu)}；（3）絕緣材料，包括骨架，絕緣紙，塑料薄膜等；（4）技術(shù)參數(shù)，這一條自始至終貫穿從選擇材料的規(guī)格到加工工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后落實(shí)在成品的技術(shù)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(hù)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(chǔ)油作用。絕緣套管，引出線加保護(hù)。腳輪，安裝移動(dòng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

變壓器三維仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不僅提高了工作人員的工作效率，也提高了運(yùn)行的安全性和可靠性，提升了精度，降低成本，自動(dòng)化程度得到提高。在遇到突發(fā)的事故和故障情況下能夠快速準(zhǔn)確一目了然地判斷出事的方位所在。變壓器的實(shí)際運(yùn)行操過(guò)過(guò)程中使用三維仿真技術(shù)，能夠使系統(tǒng)得到更好的優(yōu)化。

［1］喻吉府.變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)探討[J].科技致富向?qū)?2012(35)：252.

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

［3］陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].3 版.北京：中國(guó)電力出版社,2010：12,20-25.