干式空心电抗器匝间过电压绝缘检测实验虚拟仿真教学系统设计与开发

彭 芳， 王 旭， 姜杏辉， 张桂炉， 雷 鸣， 苏梓豪

（苏州城市学院a.实验室建设与管理中心、b.光学与电子信息学院、c.智能制造与智慧交通学院，江苏苏州 215000）

0 引 言

电能的传输和再分配依托大容量、远距离的能源输送通道。高压、特高压输电线路长，相间电容大，正常运行时电压高、容性电流大，如不采取相应的补偿措施，每100 km线路容性电流可达70 A，该电流消耗了输电线路的供电容量，增加了输电线路的有功损耗，导致电网传输效率低下。同时，较大的空载容性电流导致电力设备无功负荷增加，电网的安全运行系数大为降低。干式空心电抗器（以下简称“干抗”）是输配电系统运行中最为重要的无功补偿装置之一，可减少系统无功容量，使电网输电效率提高，助力国家“双碳”战略。干抗运行最主要的缺陷为匝间短路，对电网运行带来巨大安全隐患。干抗过电压绝缘检测实验，是检测其匝间绝缘是否破坏的最主要的手段。由于实验所需设备尺寸较大，重量较重，价格较为昂贵，实验过程危险性大，每次移位均需重复拆卸、搬运、组装、接线，效率低下。同时，在高校实验室或前往变电站现场开展实验操作训练均存在很大困难［1］。

鉴于此，结合实验虚拟仿真技术，依托某特高压智能试验设备工程技术研究中心、学院华电电力技术研究所教学科研平台以及《专业综合实践》《电气工程专业课程设计》《过程检测与仪表》等多门课程的实验需求，利用智能信息处理、3D仿真建模、互联网＋云平台技术，通过视景建模与仿真运行，高度还原变电站营运环境，模拟干抗正常或故障状态，设计和开发了干抗匝间过电压绝缘检测实验虚拟仿真教学系统［2］。学生通过该教学系统，能完成整个实验内容，弥补了高电压实验教学资源的空缺，提升学生的工程实践能力，培养学生的创新精神，为学生从事变电站高压实验、运维等工作奠定基础。

1 实验虚拟仿真开发的必要性及思路

1.1 实验虚拟仿真开发的必要性

理论与工程应用的结合，“干抗”在高压、特高压电网中应用广泛，开展匝间过电压绝缘缺陷实验，综合了电气、电子、测量与控制、电力电子等专业理论，实现理论与实践相结合的综合应用。对于电气、电子、测控等专业的学生而言，能将所学、所思进行综合实践，使所学知识快速升华，锻炼实际工程应用能力。该实验的危险系数极高，教学资源匮乏，实验过程不允许出现如接线错误、升压超过实验要求等操作失误，对于触电伤人的情况更是定义为事故，是绝对不允许出现的，大部分高校均难以开展这样的高电压实验。采用虚实结合、以虚补实的实验方式，增加了综合性实验交互性环节，增强了实验教学信息化、数字化程度，提高学生工程实践应用能力。设计和开发干抗匝间过电压绝缘检测实验虚拟仿真教学，弥补了高电压实验教学资源的空缺［3-4］。

1.2 虚拟仿真实验开发的思路

根据实验流程和虚拟仿真开发的重点、难点，干抗匝间过电压绝缘检测实验分为实验认知、实验平台设计和测试、实验平台技术应用等环节。实验认知环节主要是通过实验背景、实验目的、实验流程、实验原理以及部件构造及缺陷认知，让学生掌握基本知识构建认知体系。实验平台设计和测试主要目的是掌握实验操作过程，分析发生放电异响的原因及处理方法，引导学生探索参数间的耦合关系，进而归纳总结经验。实验平台技术应用环节是应用理论知识解决实际问题的关键环节，需要运用理论知识自主选择仪器设备，科学制定实验方案，探究实验过程，分析实验数据，得出实验结论，提高创新能力和实践动手能力。通过3 个不同侧重的环节，采用任务驱动式、交互体验式、容错探究式的教学方法，观察法、对比法、控制变量法等实验方法，由浅入深地引导学生掌握实验的原理、操作流程和工程应用［5］。实验设计和开发的思路图如图1所示。

图1 实验设计和开发思路

2 干抗匝间过电压绝缘检测实验设备及原理

2.1 干抗匝间过电压绝缘检测实验设备

实验所用检测设备主要有直流高压电源、倍压筒、控制箱、高压电子开关、充电电阻、充电电容和电容分压器等实验设备以及被试电抗。干抗是空心结构，由一组经过紧密烧制后固化形成包封的电磁铝材或铜材绕组组成（见图2），常用的型号及对应的实验电压见表1。一般常用的是10 kV干抗绝缘检测实验电压须达到52.8 kV，35 kV 干抗绝缘检测实验电压需达到128 kV，才能保证绝缘检测结果的有效性。

表1 干式空心电抗器规格（标称电压）及实验电压

图2 干抗实物图

2.2 干抗匝间过电压绝缘检测实验原理

实验检测电路如图3 所示。当高压电子开关K断开时，直流高压电源HVDC、充电电阻R、充电电容C和被试电抗器L形成回路。直流高压电源HVDC产生高电压，通过R对C进行充电；当充电电压达到实验电压时，高压电子开关K受控闭合，此时C、L形成LC振荡电路。在LC振荡回路中，C所存储的能量与L在振荡过程中反复交换，由于L有直流电阻，会消耗能量，最终L（含直流电阻）和C形成一个阻尼衰减振荡电路。

图3 实验检测电路

由LC振荡的基本特性可知：

由（1）、（2）可推导出振荡频率

式中：L为干抗的电感值，H；C为电容器的容量，F。

由式（3）可得，当电容器容量C一定时，振荡频率f仅与干抗的电感值L有关（C1、C2影响不大，可以忽略）。干抗线圈如果出现绝缘破坏，必定会影响它的电感量，产生不同的振荡频率f。通过测定实验电压（过电压）下产生的振荡频率与标称电压下的振荡频率，两者的差值

来判断试品匝间绝缘是否良好，具体判断结果见表2。

表2 振荡频率差值表

3 实验虚拟仿真教学系统设计与开发

3.1 系统开发技术架构

本实验系统基于B／S 架构设计，运用Unity3D、3D Studio Max、Maya和Matlab等开发工具开发的实验虚拟仿真教学系统。系统包含实验报告、实验内容、数据统计、实验指南、协同服务、收费系统、安全中心、学问系统、帮助中心、考试系统、资源中心和知识角等功能模块［6］。

3.2 实验虚拟仿真3 个环节的交互设计

交互设计是实验虚拟仿真的关键内容，也是虚拟仿真设计最重要的环节。本实验有3 个学时的实验教学任务，整个实验过程包括3 个环节，共21 个操作步骤。

（1）实验认知。该环节主要是实验背景、设备、原理、目的和操作规范的学习，提醒学生高压实验的安全注意事项。重点学习当干抗绝缘出现破坏（轻度、中度、重度）时检测系统输出的波形（见图4）。学习实验过程中如出现一些误操作，会产生什么样的后果和危害（见表3），以提升学生熟练处理意外情况的能力。

表3 实验误操作的分类和危害

图4 绝缘破坏波形图

（2）实验平台设计与测试。点击菜单栏“实验平台设计与测试”，进入实验室仿真内场景，该场景及设备参照实验室1∶1建模设计。实验室内场景、直流高压发生器面板、未接地线触电图、模拟电抗器升压波形图、电路内部电流走向图、升压过程周围电场显示图等（见图5）。具体实验步骤为：

图5 实验平台的设计与测试过程图

步骤1 选择模拟被测电抗器等级。

步骤2 从设备库拖动直流高压发生器和倍压筒至实验室场景相应的位置，并连接相应的控制电缆和地线。

步骤3 点击高压发生器控制开关，进行空升实验。

步骤4 关闭高压电源开关，按照不小于1 kV／cm绝缘要求，从左至右的顺序进行其他实验设备的连接。

步骤5 点击控制箱开关，弹出绝缘检测系统界面，进行模拟被试电抗器升压测试。

步骤6 更换不同模拟电抗器，进行反复实验，观察振荡波形，进行结果的分析，思考产生的原因和内部机理。

（3）实验平台技术应用。理论知识是解决实际问题的关键环节，为增加实验的趣味性和锻炼学生综合应用能力，特在此环节设置了变电站的故事情节，学生转换成电力工程师身份，沉浸式地深入到变电站执行任务。实验前学生需回顾前面环节实验认知所学到的知识，进行实验设备型号的选择。由控制箱内示波器的量程可知，需保证振荡频率在10 ～100 kHz 范围之内才能有效显示［7-9］。系统随机给出干抗的一组参数（见表4）。

表4 随机一组干抗参数表

进行充电电容器电容量范围计算，根据表4 的电抗器参数以及干抗等效电阻和电感量的关系，

由式（2）、（3）、（5）可得充电电容器电容的最大值和最小值为：

一般使用的充电电容器由6 个电容器组成，电容值分别由1 ～3 nF 3 种。选择一种电容器容量满足

根据电容器容量和充电时间，选择充电电阻值。由前文实验原理可知，一个周期内包括充电电容器充电过程和LC振荡过程。由充电时间常数

可得充电电阻的最大值：

选择满足条件的充电电阻。

选择直流高压发生器、电子开关、电容分压器等，其对应关系见表5。

表5 干抗与检测设备的对应关系

选择好设备后，点击“进入探究”，画面切至模拟变电站场景，实验车进入变电站，进行实地测试。变电站场景是根据实际情况，三维建模1∶1呈现的逼真场景（见图6）。学生根据实验需要，设计实验步骤和合理的实验方案，依据实验方案，做出多次反复测试。如检测出电抗器已经绝缘破坏，会出现震撼的着火场景。完成实验后，应使用专用的大功率放电电阻器装置或试样进行自放电至实验电压的20%以下，通过匹配的放电棒放电。待试样完全放电并挂好接地线后，方可拆除和更换高压引线。最后，关闭设备电源，拆除所有测试电线和接地线，收集测试仪器和其他工具，拆除临时围栏和警示标志，恢复变压器室外的工作场所，实验车撤离现场。任务执行完毕。

图6 变电站虚拟场景图

3.3 实验评价与考核

实验设置的智能赋分模式包括每步实验结果与最优结果符合度的评分模式及学生实践能力与实验技能养成的评分模式，两者合计赋分［10］。教师可根据学生账户对比实验报告和平台系统自动生成的计算结果，以主、客观评估相结合的方式，进行在线评估学生实验结果。这大大减少了验证计算结果和实验数据正确性的工作量。平台还有一定的统计功能：比如使用数量、完成度、得分比例，还能把实验中常犯的错误进行大数据分析处理，用于实验教学质量的提高、实验教学内容的完善。

4 实验系统的应用成效

干抗匝间过电压绝缘检测实验虚拟仿真教学实现了“网上做实验”“虚拟做实验”，解决了实验条件高危、高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等实验问题。目前该系统已经在我校开展了面向相关本科专业《专业综合实践》《电气工程专业课程设计》《过程检测与仪表》等课程的4 个教学周期的实验虚拟仿真教学，得到了我校师生的一致好评。采用实验虚拟仿真与现场实践协同运行的模式，实现了实验教学效率和质量的显著提高，实施成效明显［11］。

（1）节约了教学实验条件的建设资金。干抗匝间过电压绝缘检测实验是成本高、安全性差、时空受限的典型实验类代表。将虚拟仿真技术使用到实验教学系统，可让学生在学校体验配电站的高压实验操作，非常适合“以虚补实”的建设设置原则，大大降低了该类实验室的建设成本，有利于实验教学条件建设资金的高效使用。

（2）提高了实验教学的效率。教师使用三维模型进行教学，而不是使用二维简化图形来显示电力系统组件或设备。通过结构件拆装、多角度展示、现场修复、测试接线等一系列对三维模型的操作，学生可以快速掌握实验过程和实验原理。新颖的实验环境和教学模式也能够有效激发学生的自学热情。

（3）提升应用型本科人才的培养质量。该实验教学系统集成了大量变电站现场注意事项及实际操作规程，促进学生理论与实践的深入结合，使学生在学校获得与实际领域相似的工程经验，切实提高其动手实践能力和专业素养［12-13］。

5 结 语

实验虚拟仿真课程是教育部打造的五大“金课”之一，在建设过程中，实现教育教学信息化的推进、高校实验教学改革的促进、高等教育质量的提高［14］。本实验教学系统设计以基础理论为支撑，以目标任务为导向，使学生对所学理论有更深刻的感性认识，激发学生学习的自主性。采用虚拟仿真技术，让学生敢于试错，把实验主动权交给学生，使之具备综合运用知识解决复杂实际工程问题的能力，为将来进行电子电路设计、测控技术研发与应用、电气工程实验与实践等领域工作奠定扎实的专业实践创新基础，完成高质量应用型人才培养目标［15-16］。