电力变压器高压试验虚拟仿真实验教学系统设计

张良力，代林刚，柴 琳

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081）

电力变压器是支撑变电站持续稳定供电的关键设备，为确保其始终运行在良好状态，必须定期或在故障修复后对其进行高压试验，测试其是否具备继续投入运行的能力[1-2]。电力变压器高压试验涉及的实验设备价格昂贵，实验过程具有一定的危险性。现阶段在高校实验室内建立相关课程实验教学系统，或让师生前往变电站现场开展实际操作训练，均存在较大困难。

虚拟仿真实验技术能够解决高校电气类专业高电压技术相关课程实验手段缺失的问题[3]，通过视景建模与仿真运行，高度还原变电站营运环境，模拟电力变压器正常或故障状态，能够使学生在校内即可安全地、“身临其境”地完成各项认知和操作任务[4]。利用先进的互联网+云平台服务，能够使学生不受时间场地限制，在计算机网络终端完成实验操作、提交报告、与教师互动等[5]。我校信息科学与工程学院利用“国家级虚拟仿真实验教学项目”申报和建设契机，结合教师在高电压技术科研方向的最新成果，研制出电力变压器高压试验虚拟仿真实验教学系统。该系统以绝缘电阻值的测量计算为主线，设置了电力变压器结构认知、流程化安全操作、测量仪表连接、数据记录分析等知识考评点，全方位模拟并考评电力变压器高压试验操作及其效果，达到“理论学习与工程实践相结合，实验操作与评分考核相结合，线上交互与线下讨论相结合”的建设目标。

1 实验原理

绝缘电阻是反映电力变压器内部绝缘介质状态的指标参数[6]。高压绝缘介质等效电路如图 1所示。当合上开关K时，因等效电容C1、C2处于充电状态，电流表示数iA较大；随着电容充电持续，iA逐步减小，最后稳定于常数Ig。iA称为吸收电流，随时间t变化趋势称为吸收曲线，如图2所示。

图1 电力变压器高压绝缘介质等效电路

图2 吸收电流和吸收曲线

当绝缘介质受潮或有缺陷时，iA随时间下降较缓慢，此情形可作为绝缘状态初步判定依据。定义吸收比KA为

式中，I15和R15分别表示合上开关K后15 min测得的iA值和计算得到的绝缘电阻值，I60和R60分别表示60 min时测得的iA值和计算得到的绝缘电阻值[7]。除吸收比外，还可通过极化指数Kp判断绝缘状态，

式中，I1和I10分别表示合上开关K后1 min和10 min测得的iA值。考虑到温度对绝缘电阻测量计算的影响，在计算吸收比和极化指数前，利用式（3）对电阻值进行校正，

式中，R1为温度条件为T1时测得的绝缘电阻值，R2为温度条件为T2时测得的绝缘电阻值。

在指定测试环境下，根据绝缘电阻值、吸收比和极化指数三者之间的条件关系组合，可判断电力变压器绝缘状态，进而推知电力变压器能否继续投入使用。

2 虚拟仿真实验系统设计

2.1 系统架构

电力变压器高压试验虚拟仿真实验系统依托开放式虚拟仿真实验教学管理平台运行，平台利用计算机虚拟仿真技术、多媒体技术和网络技术，采用面向服务的软件架构开发，集视景仿真、人机交互、智能批改、教学管理于一体，具有良好的自主性、互动性和扩展性。用户的网络操作与管理平台之间通过数据接口连接和交互，使用户能随时随地通过计算机浏览器访问虚拟仿真实验环境及其管理界面，完成电力变压器高压试验实验教学相关操作和管理工作[8]。电力变压器高压试验虚拟仿真实验教学系统的系统架构如图 3所示，5层架构中的每一层都为其上层提供服务，直至完成虚拟实验教学环境的构建。

图3 实验教学系统架构图

2.2 实验考评点设计

本实验教学系统考评知识点涵盖变电站及其主变压器认知、高压试验准备与操作、试验数据分析与报告等方面。具体包括：①变电站巡检漫游。了解变电站工作区域以及一次主设备布局。②变电站电力变压器认知。了解电力变压器、断路器等一次主设备的结构和组成。③高压试验设备选型与认知。了解绝缘电阻测试仪等仪器的规格、功能及使用方法。④高压试验原理和接线。了解现场作业安全规范；掌握设备检修/投运的开关操作方法；掌握绝缘介质的老化现象；掌握绝缘介质的吸收现象；掌握绝缘电阻和吸收比的测量原理；掌握使用绝缘电阻测试仪测量绝缘电阻的原理和接线。⑤高压试验数据记录。掌握绝缘电阻关键数据的读数、计算和温度折算方法；绘制试验数据曲线。⑥试验报告填写及上传。分析试验数据，了解影响试验测量结果的因素；填写规范式试验报告，要求内容完整、数据记录准确；判别设备绝缘状态，要求结论与系统预设相符。

2.3 高压试验操作流程

进入软件后，学生通过点选“知识学习”“设备认知”等按钮，进入对应场景，完成相应学习与认知；选择“实验选择”“模式选择”相关选项，进入变压器高压试验操作场景。

2.3.1 主变压器断电

在室内控制屏柜上点击开关按钮，远程断开室外变压器高、低压端子与电网的连接，操作顺序为：①断开高压侧断路器；②断开母线隔离开关；③断开低压侧断路器；④断开低压侧隔离开关；⑤确保变压器已断电后，合上接地刀闸；⑥用验电棒确保变压器高低压侧各端子已断电；⑦拆开高压三相接线，拆线后做好标记；⑧拆开中、低压三相接线，拆线后做好标记；⑨拆开中性点端子接地线，拆线后做好标记。

2.3.2 测试前准备

在变压器与测试仪表之间放置临时围栏，围栏上朝向检修工作地点悬挂“止步，高压危险!”警示牌。准备高压试验用各种工器具，包括：绝缘电阻测试仪、温湿度计、常用工具箱、裸铜线、试验用连接导线、线夹等。测试仪表开始加电压前，通知人员撤离至安全区域，加压过程中防止无关人员进入工作现场；试验时，操作人员与变压器套管之间应保持足够的安全距离[9]。

2.3.3 绝缘电阻测量

变压器高压端对低压端及接地端的绝缘电阻测量操作步骤为：①将低压、中压及中性点端子短路并接地；②将高压绕组三相以及高压中性点短路并接地，释放残余电荷；③使用验电棒查看高压端子是否有残余电荷；④若无，则拆去高压三相端子的接地裸铜线；⑤连接测试线和接地线；⑥选择绝缘电阻测试仪输出电压2 500 V；⑦开始测量，每隔5 s读取并记录测量数据；⑧测量完毕后，将被试端子短路放电并接地，直至无残余电荷[10]。

低压端对高压端及接地端的绝缘电阻以及高、低压端对接地端的绝缘电阻测量操作步骤与上述流程类同。根据各时刻记录的测试数据及以下判据，推断电力变压器绝缘状态：①当绝缘电阻大于104MΩ时，吸收比和极化指数将作为参考，当吸收比不低于 1.1或极化指数不低于1.3时，表明电力变压器绝缘状态合格。②绝缘电阻换算至同一温度下（一般为 20 ℃）的电阻值，与上次测试结果相比应无显著变化（一般不低于上次值的70%），表明电力变压器绝缘状态合格[11]。

2.3.4 测试后整理恢复

测试工作完毕后，拆下所有测试线、接地线，整理测试仪表等工器具，拆除警示牌和临时围栏，恢复室外变压器工作现场，返回室内控制屏柜，点击开关按钮，恢复室外变压器高、低压端子与电网的连接。

3 实施效果

目前，利用该系统在我校开展了面向电气工程及其自动化本科专业“高电压技术”“发电厂电气主系统”等课程的虚拟仿真实验教学，实施效果显著。

（1）节约电气类学科建设资金。电力变压器高压试验是“安全性差、成本高昂、时空受限”类实验中的典型代表。利用虚拟仿真技术开发的实验教学系统，能使学生在校内体验变电站巡检和电力变压器高压试验操作，高度契合“以虚补实”的建设原则，大幅降低专业实验室建设成本，有利于学科建设经费高效利用[12]。

（2）提升课堂和实验教学效率。虚拟仿真实验教学系统不仅应用于实验教学环节，还可通过网络延伸至课堂教学环节中。教师不再使用二维简化图形展示电力系统元件或设备，而是使用可视化实体三维模型进行授课。通过三维模型多角度展示、结构件拆解组装、测试接线、现场复原等系列操作，学生能够快速理解电力变压器高压试验原理及其过程，从而减轻了抽象化理解负担。另外，新颖的教学模式和实验环境，能调动起学生自学积极性。上述积极因素均能达到提升电气专业教学效率的目的。

（3）提高实践型人才培养质量。本文设计的电力变压器虚拟仿真实验教学系统中，融入了大量变电站现场安全操作规范和注意事项，要求学生在实验过程中注重理论与实际结合，学习与技能并重，使学生在校内获得与真实现场类似的工程经验，切实提高自身实践能力与专业综合素养。

4 结语

虚拟仿真实验教学课程作为“双万计划”中的重要一环，已逐渐成为新工科背景下“一流本科课程建设”的突破口。在全面考察电力变压器高压试验操作规范以及完成真实变电站全景拍摄的基础上设计的虚拟仿真实验教学系统，展示了变电站内各类高压设备、测试仪表、室内外环境，通过操作互动复现了高压试验操作的全过程。在虚拟环境中，学生可反复进行实验操作，利用软件中的纠错和提示功能进行实验过程反刍，增进对高压设备及试验技术相关课程知识的理解和消化，练就规范化高压试验操作技能，增加电力工程实践经验，达到提升学习效果和强化专业能力的目标。该虚拟仿真实验教学系统通过互联网访问使用，不仅可服务校内相关专业师生，未来将面向校外公众开放。此举能对全社会共享、共用精品实验教学资源，关注新时代电气专业建设和课程改革，起到积极的推动作用。