论变压器三维仿真软件的原理与用途

2013-08-22陈玥玫

科技视界 2013年22期

关键词：短路变电站变压器

陈玥玫

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443000）

0 引言

人类已经进入三维化科技时代，以往的二维视图和软件已经不能满足大众的视觉需求。三维的软件以其清晰、一目了然、逼真的特点赢得了当今技术领域广泛的市场。仿真软件则模拟了现场的工作环境，三维仿真技术也以操作简单越来越收到许多企业与科研单位的欢迎。

1995年，国家调度中心要求现有35kV-110kV变电站在条件具备时逐步实现无人值班变电站，新建变电站可根据调度和管理需要以及规划要求，按无人值班设计。欲实现无人值班变电站，其中变电站的综合自动化程度很重要。[1]

以往变压器只有平面图，二维图，CAD图，电厂需要更加清晰的控制软件来模拟工作环境，更直观地反映变压器的工作状态，以便及时有效的对其状况作出反应,提高自动化程度。我们设计的变压器三维仿真软件过程中所运用的几个软件包括fortran语言，VRP和3D MAX。

通过构建三维虚拟实验室场景，包括实验工作台，变压器设备，仪器仪表等,开发出一套可在计算机上运行的3D虚拟现实变压器实验场景，在场景中可进行空载、短路、负载实验，并在虚拟仪表盘上显示出实验数据。

本课题是基于变压器试验的可视化仿真平台，为保证项目能够顺利进行，试验人员必须具备较高素质，并进行相关方面的仿真培训。

1 变压器工作原理及其数学模型

1.1 变压器基本原理

现有最常见的变压器是油浸式变压器。当变压器初级接入交流电源以后,在初级绕组中就有交流电流通过,于是在铁芯中产生交变磁通,它随着电源频率而变化,主磁通集中在铁芯内。变压器通过初、次级绕组的磁耦合，把电源的能量传给负载。再根据选择初、次级绕组的不同匝数比，就能实现升降压的目的。[2]

1.2 变压器试验数学模型

1.2.1 变压器空载实验

变压器的全部励磁特性是有空载试验确定的，进行空载试验的目的测量产品的空载损耗和空载电流，看其是否符合产品有关标准和技术条件要求；通过测最产品的空载损耗和空载电流发现铁心磁路中的局部或整体缺陷；根据高压绝缘试验前后测量的空载损耗比较，判断绕组是否有匝间短路情况。

测取空载特性 U0=f(I0)，P0=f(U0)，cosΦ0=f(U0)

图1

1.2.2 变压器短路实验

变压器的短路试验就是将变压器的一组线圈短路，在另一线圈加上额定频率的交流电压使变压器线圈内的电流为额定值，此时所测得的损耗为短路损耗，所加的电压为短路电压。短路试验的目的是通过测量短路电流，短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数，铜损和短路阻抗。短路阻抗决定一台变压器在系统短路时短路电流大小，和短路时变压器内部电动力的大小。短路阻抗还决定变压器载负载时的电压变化，及对电网运行时电压波动的影响。短路阻抗也决定变压器并列运行的必要条件之一。

测取短路特性 UK=f(IK)，PK=f(IK)，cosΦK=f(IK)。

图2

1.2.3 变压器负载实验

负载试验的目的是：计算和确定变压器有无可能与其它变压器并联运行；计算和试验变压器短路时的热稳定和动稳定；计算变压器的效率；计算变压器二次侧电压由于负载改变而产生的变化。

（1）纯电阻负载

保持 U1=UN，cosΦ2=1 的条件下，测取 U2=f(I2)。

（2）阻感性负载

保持 U1=UN，cosΦ2=0.8 的条件下，测取 U2=f(I2)。

图3

1.3 变压器仿真实现

服务器端的软件运行环境为windows xp及以上操作系统，.net3.5,directx 8以上，数据库oracle10.0以上，硬件配置cpu pIII800，内存1G。

该程序以fortran95为运行基准，设计了三绕组变压器在短路，空载，负载三种情况下的程序。当输入变压器参数时，通过程序运行可以得到输出结果。

VRP图形编辑器，用于把fortran程序实现的动态链接库与3DMAX三维仿真模型结合，达到用数学模型控制三维模型的效果。

2 三维场景构建原理及设备要求

2.1 三维制作软件简介

3DsMAX是一款创建三维模型，再现三维场景的制图软件。和AutoCAD相比，其三维制作方面更加成熟，效果更逼真，简单易懂，并具有丰富的色彩度。

通过与fortran程序语言的结合，让fortran程序控制三维模型的运行。视觉效果比二维平面图更加清晰，仿真过程再现变压器运行真实场景，提高了运行人员的工作效率，安全性也得到很大保障。

2.2 三维设备

三维场景中使用到的设备包括：操作台，变压器，实验器材，座椅，隔板，室内装饰，窗户，壁纸等。三维仿真的主控制台，包含显示器。如下图所示，旋钮用于控制各个变压器参数的输入，显示器和表盘显示输出结果。与现场观摩的真实实验台效果相差不大，效果非常逼真。

图4

实验仪器，用来存储箱可用于存放一些必须的实验仪表等。

控制台背面装设有输入输出的接线柱，用于与变压器的连接。

控制台操作按钮，控制变压器输入参数特性，在表盘上可以观察到输出特性，方便操作，安全系数高。

变压器，结构包括：（1）导磁材料，工频变压器使用硅钢片，高频变压器使用磁芯；（2）导电材料，漆包线，铜皮，和铜管{使用水降温结构}；（3）绝缘材料，包括骨架，绝缘纸，塑料薄膜等；（4）技术参数，这一条自始至终贯穿从选择材料的规格到加工工艺和结构设计，最后落实在成品的技术性能和工作特性。变压器是有几大部分组成的，器身，矽钢片加绕组，是变压器的主体。外壳，放置器身，保护器身，装绝缘油用。油枕，变压器油面因温度升高，多余的油流入油枕。储油作用。绝缘套管，引出线加保护。脚轮，安装移动用。