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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引 言

電力能源是國(guó)家發(fā)展的大動(dòng)脈，特高壓建設(shè)能干網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立全國(guó)智能電網(wǎng)，加大綠色電大大提升我國(guó)電網(wǎng)的輸送能力，未來(lái)將在特高壓電力能源投入，以碳中和為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)能源資源優(yōu)化配置。隨著輸電電壓等級(jí)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(yàn)證高壓電氣設(shè)備在過(guò)電壓作用下的絕緣性能和保護(hù)性能，要求試驗(yàn)電壓比設(shè)備絕緣正常運(yùn)行時(shí)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(shí)驗(yàn)研究作為特高壓輸電技術(shù)應(yīng)用中的實(shí)踐環(huán)節(jié)，在高電壓技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中起到了核心的作用。由于沖擊高壓實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性大，所需設(shè)備價(jià)格昂貴，且多為破壞性試驗(yàn)，占地面積大，限制了高電壓實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)安全性要求高、實(shí)驗(yàn)?zāi)芎拇?、?shí)驗(yàn)過(guò)程不可重復(fù)、物理現(xiàn)象復(fù)雜等問(wèn)題，開(kāi)展沖擊高壓的虛擬仿真教學(xué)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)正在向技術(shù)、知識(shí)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(jìn)了仿真實(shí)驗(yàn)代替實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)?；凇把芯空撸珜?shí)踐者”創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，建設(shè)具有地方特色的虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目［3-4］，可深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新［5-7］。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(guò)搭建火力發(fā)電機(jī)組［10-11］、電力電子電路［12］、電力變壓器［13］、高壓開(kāi)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。開(kāi)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(lái)從事特高壓輸變電技術(shù)開(kāi)發(fā)、工程／產(chǎn)品設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行、試驗(yàn)、測(cè)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(shí)際工程問(wèn)題的能力。

依托“國(guó)家級(jí)光伏技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，開(kāi)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(guò)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(shí)驗(yàn)、50%沖擊電壓的測(cè)量、棒-板間隙放電極性效應(yīng)等一系列操作過(guò)程。達(dá)到“理論掌握與工程應(yīng)用相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)進(jìn)程與評(píng)價(jià)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(biāo)。

1 沖擊高壓虛擬仿真平臺(tái)

通過(guò)安全認(rèn)知學(xué)習(xí)、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)操作、項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)認(rèn)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(jí)，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(shí)空認(rèn)識(shí)沖擊高壓實(shí)驗(yàn)，充分了解沖擊高壓耐受電壓與介質(zhì)擊穿的時(shí)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(yùn)行，積極應(yīng)對(duì)和實(shí)時(shí)處理高壓放電、介質(zhì)擊穿等具有挑戰(zhàn)性的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。沖擊高壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具體實(shí)施過(guò)程如圖1 所示。

圖1 沖擊高壓虛擬仿真實(shí)施過(guò)程

學(xué)生自主登錄高電壓虛擬仿真平臺(tái)，預(yù)習(xí)模塊中的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒐ぷ髟?、操作步驟、注意事項(xiàng)等。實(shí)驗(yàn)操作前，對(duì)預(yù)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行考核，合格后再開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。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(jìn)行人機(jī)交互，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。答疑模塊實(shí)現(xiàn)學(xué)生與指導(dǎo)教師之間的交流溝通，以互動(dòng)、研討等模式復(fù)現(xiàn)高壓發(fā)生裝置及參數(shù)?？己四K對(duì)所選實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作、檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)，包括設(shè)備選擇、模型搭建、電路接線、實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果分析等，最終給出考核成績(jī)。要求學(xué)生撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在報(bào)告中包括明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、工作原理分析、?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及結(jié)果分析、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提出對(duì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)和改進(jìn)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(jí)沖擊電壓發(fā)生電路原理如圖2 所示（以級(jí)數(shù)n ＝3 為例）。

圖2 沖擊電壓發(fā)生器電路原理

試驗(yàn)前，調(diào)整各級(jí)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(huì)擊穿放電）。直流充電回路由變壓器T、保護(hù)電阻Rb（一般比充電電阻大一個(gè)數(shù)量級(jí)）和整流元件VD 構(gòu)成。其中保護(hù)電阻Rb除了可以保護(hù)整流元件VD，還有使各級(jí)電容器充電均勻的作用。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，點(diǎn)1、3、5 的電位為0，點(diǎn)2、4、6 的電位為－U，即實(shí)現(xiàn)了3 個(gè)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(diǎn)2 的電位突然由－U 上升為0，開(kāi)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(diǎn)1 的對(duì)地電位升到＋U。點(diǎn)1 的電位升到＋U之后，點(diǎn)4 的電位仍接近于0，所以間隙G2上的電位差就接近達(dá)2U，使G2擊穿。G2擊穿后，點(diǎn)4 的電位幾乎瞬間上升為＋U，而點(diǎn)3 的電位幾乎瞬間上升為＋2U；點(diǎn)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(shí)被試品T.O.上的輸出電壓就為3個(gè)主電容電壓的和，即3U。主放電回路串聯(lián)放電過(guò)程結(jié)束。

實(shí)現(xiàn)這種變化的關(guān)鍵裝置是球隙，在點(diǎn)火球隙G1不被擊穿放電時(shí)，所有球隙都不被擊穿放電，一旦G1被點(diǎn)火擊穿，則G2、G3、G4幾乎在瞬間依次擊穿放電。多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器的工作原理可總結(jié)為多個(gè)電容器并聯(lián)充電，串聯(lián)放電的過(guò)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(jí)雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形發(fā)生試驗(yàn)

基于HTML5 技術(shù)和開(kāi)發(fā)工具Unity3D，3D Studio Max，Maya，Visual Studio，設(shè)計(jì)了3 級(jí)單邊高效率沖擊電壓發(fā)生器模型，沖擊高壓演示實(shí)驗(yàn)虛擬仿真模型如圖4 所示，每一級(jí)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(shí)驗(yàn)虛擬仿真模型

從設(shè)備庫(kù)和試品庫(kù)選擇試驗(yàn)變壓器、試驗(yàn)控制臺(tái)、保護(hù)電阻R1（電壓發(fā)生器和分壓器之間）、電容分壓器、保護(hù)電阻R2（發(fā)生器和變壓器之間）、截?cái)嗲蛳?、被試品和沖擊電壓發(fā)生器，并放置到試驗(yàn)場(chǎng)景中，按試驗(yàn)要求進(jìn)行連線。在試驗(yàn)臺(tái)操作界面，點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)波形如圖6 所示。

圖5 試驗(yàn)操作臺(tái)界面

圖6 多級(jí)雷電沖擊高壓標(biāo)準(zhǔn)波形

通過(guò)模擬雷電放電引起的過(guò)電壓，獲得了多級(jí)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(cè)提供試驗(yàn)條件。

2.3 50%沖擊放電電壓測(cè)試試驗(yàn)

（1）多級(jí)法50%沖擊放電電壓測(cè)試。先固定球隙距離（5 cm），由小到大逐級(jí)調(diào)整所施加的電壓值。相鄰兩級(jí)間級(jí)差不大于預(yù)期放電電壓的1%。每級(jí)施加電壓至少10 次，各次放電間的時(shí)間間隔不小于30 s，共進(jìn)行5 級(jí)電壓測(cè)試。根據(jù)每級(jí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T311.6-2005 規(guī)定，除了確定50%放電電壓之外，還應(yīng)檢驗(yàn)放電的慣用偏差z（即標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 的相對(duì)值）。對(duì)雷電沖擊全波電壓，z應(yīng)不大于1%；對(duì)操作沖擊電壓，z應(yīng)不大于1.5%。

從設(shè)備庫(kù)和試品庫(kù)選擇試驗(yàn)變壓器、交流控制臺(tái)、保護(hù)電阻R1、電容分壓器、保護(hù)電阻R2、被試品（棒-板間隙）和沖擊電壓發(fā)生器，置于試驗(yàn)場(chǎng)景并進(jìn)行連線如圖7 所示。

圖7 狀態(tài)2時(shí)端電壓仿真結(jié)果分析

圖7 多級(jí)法50%放電電壓測(cè)試界面

選擇本次試驗(yàn)所用沖擊電壓的類(lèi)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(jì)時(shí)，觀察棒-板間隙是否被擊穿。完成“實(shí)驗(yàn)記錄”，觀察有效點(diǎn)分布如圖9 所示。間隔30 s 后進(jìn)行下一次測(cè)試，并記錄有效點(diǎn)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(diǎn)分布

（2）升降法50%沖擊放電電壓測(cè)試。預(yù)先估計(jì)棒-板間隙的50%放電電壓，以該電壓值的3%作為級(jí)差，選m 級(jí)（一般不小于4 ～5 級(jí)）。從最高一級(jí)電壓值開(kāi)始對(duì)棒-板間隙進(jìn)行測(cè)試，若擊穿，則要降低實(shí)施電壓值直至棒-板間隙不擊穿，記錄該點(diǎn)電壓，該點(diǎn)即為第1 個(gè)有效點(diǎn)，再升高實(shí)施電壓值，若擊穿，則再降低電壓，反之，再次升高電壓，依次類(lèi)推，一般測(cè)量30到40 個(gè)有效點(diǎn)，記錄下每一個(gè)有效點(diǎn)的電壓值和放電狀態(tài)（放電擊穿或未發(fā)生放電）。統(tǒng)計(jì)每一級(jí)電壓Ui下的有效點(diǎn)數(shù)ni，50%放電電壓為

一次沖擊電壓測(cè)試結(jié)束后，間隔30 s后再進(jìn)行下一次測(cè)試。在每次沖擊電壓試驗(yàn)時(shí)，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(jí)差。具體試驗(yàn)步驟與多級(jí)法類(lèi)似，其有效點(diǎn)分布界面如圖10 所示。

圖10 升降法有效點(diǎn)分布界面

50%沖擊電壓的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)球隙擊穿特性曲線，可分析氣隙擊穿電壓的分散性特征。對(duì)于工程中用作絕緣的氣隙，得出外加電壓所對(duì)應(yīng)的氣體耐受電壓概率和擊穿概率，有助于對(duì)高壓設(shè)備進(jìn)行有效的絕緣設(shè)計(jì)，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(cè)試試驗(yàn)

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(duì)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(shí)，電子崩是迎向棒極發(fā)展的（由場(chǎng)強(qiáng)小的區(qū)域向場(chǎng)強(qiáng)較大的區(qū)域發(fā)展），有利于電子崩的擴(kuò)展，如圖12 所示（崩頭部的電子到達(dá)流柱通道，經(jīng)過(guò)混合質(zhì)區(qū)進(jìn)入陽(yáng)極）。由于電子立即進(jìn)入陽(yáng)極（正棒端），棒極前方空間留下正離子，加強(qiáng)了板極方向的電場(chǎng)，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(qiáng)了頭部前方的電場(chǎng)強(qiáng)度，推進(jìn)流柱進(jìn)一步向陰極發(fā)展。

圖12 正棒-負(fù)板間隙中非自持放電階段空間電荷的發(fā)展過(guò)程

由于正流柱所造成的空間電荷總是加強(qiáng)流柱通道頭部前方的電場(chǎng)，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(guò)程如圖13 所示。

圖13 棒-板間隙極性效應(yīng)正棒負(fù)板先導(dǎo)放電

棒-板間隙的極性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊浅Ｔ敿?xì)地展示短間隙條件下電子蹦在兩極性之間的發(fā)展過(guò)程，電荷與電場(chǎng)的變化規(guī)律，帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，直至氣隙被擊穿的先導(dǎo)放電過(guò)程。在長(zhǎng)間隙條件下，能清晰展現(xiàn)正先導(dǎo)、負(fù)先導(dǎo)、迎面先導(dǎo)和主放電的物理過(guò)程。

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合沖擊高壓實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)與特高壓輸變電技術(shù)對(duì)人才專業(yè)能力的需求，本文以“虛實(shí)結(jié)合、互相促進(jìn)、由虛促實(shí)”，在沖擊高壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面進(jìn)行了有益探索。設(shè)計(jì)了基于HTML5 技術(shù)3 級(jí)沖擊電壓發(fā)生器模型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。

（1）沖擊高壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)裝置的限制，大幅降低了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，直觀觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使抽象的知識(shí)點(diǎn)具體化，有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

（3）沖擊高壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具有可重復(fù)、可視化特點(diǎn)，學(xué)生可以反復(fù)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析原因，可有效提高對(duì)高壓電力設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，符合新工科教學(xué)發(fā)展的方向。