基于多级冲击高压发生装置的虚拟仿真实验平台_刘志恒.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 029基于多级冲击高压发生装置的虚拟仿真实验平台刘志恒1，2，张照彦1，郝雷1(1 河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002;2 天津大学 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072)摘要:针对冲击高压试验存在高危险性、高耗能和高成本等问题，依托国家级虚拟仿真教学实验中心，开发了多级冲击高压发生装置的虚拟仿真教学资源。基于HTML5 技术设计了 3 级冲击电压发生器模型，明确了冲击高压的获取及测量方法;根据多级测量法和升降测量法，分析不同工况下 U50%击穿特性;设计了棒-板间隙极性效应测试模型，展示了自持和非自持放电阶段空间电荷发展过程。解决了冲击高压实验平台建设成本高、破坏性实验不可重复、实验现象非可视化的问题，增强学生对冲击高压实验现象的直观认知，提升冲击高压实验教学效率，有利于推动实践型人才的培养。关键词:冲击高压;虚拟仿真;极性效应;50%冲击放电电压;实验平台中图分类号:TM 743文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0149 06Virtual Simulation Experiment Platform Based onMulti-stage Shock High Voltage GeneratorLIU Zhiheng1，2，ZHANG Zhaoyan1，HAO Lei1(1 College of Electronic Information Engineering，Hebei University，Baoding 071002，Hebei，China;2 Key Laboratory of Opto-electronic Information Technology，Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)Abstract:In view of the high risk，high energy consumption and high cost of shock high voltage test，relying on thenational virtual simulation teaching experiment center，virtual simulation experiment teaching resources of the multi-stageshock high voltage generating device have been developed A three-stage impulse voltage generator model is designedbased on HTML5 technology，and the acquisition and measurement methods of impulse high voltage are clarified TheU50%breakdown characteristics under different working conditions are analyzed according to the multi-level measurementmethod and the lift measurement method A test model of the pole-plate gap polarity effect is designed to show the spacecharge development process in the self-sustained and non-self-sustained discharge stages It solves the problems of highconstruction cost of the real shock high-voltage experimental platform，unrepeatable destructive experiments，and non-visualization of experimental phenomena It enhances studentsintuitive cognition of the phenomenon of shock highpressure experiment，and improves the teaching efficiency of shock high pressure experiment The cultivation of practicaltalents is actively promotedKeywords:impulsehighvoltage;virtualsimulation;polarityeffect;50%impulsedischargevoltage;experiment platform收稿日期:2021-11-26基金项目:中央引导地方科技发展资金项目(216Z2103G);河北省高层次人才资助项目(B2020005004);河北大学精品实验项目(2021-BZ-JPSY25);河北大学校长基金项目(XZJJ201908)作者简介:刘志恒(1984 )，男，河北保定人，博士，讲师，主要从事电气工程及其自动化专业的教学和科研工作。Tel:15131282282;E-mail:liuzhiheng17126 com第 41 卷0引言电力能源是国家发展的大动脉，特高压建设能干网的基础上建立全国智能电网，加大绿色电大大提升我国电网的输送能力，未来将在特高压电力能源投入，以碳中和为目标，实现能源资源优化配置。随着输电电压等级的不断提高和电缆等大电容量电气设备的广泛应用，为验证高压电气设备在过电压作用下的绝缘性能和保护性能，要求试验电压比设备绝缘正常运行时承受的电压高，使得冲击电压发生器的输出电压和能量也不断提高。冲击高压实验研究作为特高压输电技术应用中的实践环节，在高电压技术的发展过程中起到了核心的作用。由于冲击高压实验危险性大，所需设备价格昂贵，且多为破坏性试验，占地面积大，限制了高电压实验的建设与教学。为解决冲击高压发生器建设成本高、实验安全性要求高、实验能耗大、实验过程不可重复、物理现象复杂等问题，开展冲击高压的虚拟仿真教学具有重要的现实意义。高校实验室建设正在向技术、知识和设备密集的综合型教学科研基地发展1-2。随着大数据、虚拟仿真和人工智能技术的极速发展，促进了仿真实验代替实体实验教学。基于“研究者+实践者”创新应用型人才培养目标，建设具有地方特色的虚拟仿真教学项目3-4，可深化实验教学改革与创新5-7。基于虚拟现实技术的电气工程专业实验平台得到迅速发展8，尤其聚焦于功能调试和故障排除方面9。其次，通过搭建火力发电机组10-11、电力电子电路12、电力变压器13、高压开关柜14、矿用电气设备15、光伏并网系统16 等虚拟仿真模型，深化了其在实验教学中的应用。开发冲击高压虚拟仿真教学系统，可培养学生将来从事特高压输变电技术开发、工程/产品设计、系统运行、试验、测试分析、科学研究等方面的工作能力和提高学生的专业创新能力和解决复杂实际工程问题的能力。依托“国家级光伏技术虚拟仿真实验教学中心”，开发冲击高压虚拟仿真教学系统，仿真模拟电介质击穿过程及不同绝缘结构下的击穿特性，包含冲击高压耐压实验、50%冲击电压的测量、棒-板间隙放电极性效应等一系列操作过程。达到“理论掌握与工程应用相结合，实验进程与评价考查相结合，线上操作与线下分析相结合”的建设目标。1冲击高压虚拟仿真平台通过安全认知学习、开放实验操作、项目方案设计等方式培养高电压技术应用型人才。在冲击高压虚拟仿真实验认知的基础上，获得避雷器、电力电抗器、电力电容器等试品的耐压等级，理解绝缘纸、空气和棒-板间隙等介质的击穿特性。让学生多视角、多角度和多时空认识冲击高压实验，充分了解冲击高压耐受电压与介质击穿的时间、尺度关系;基于结果分析可指导高压设备高效、安全运行，积极应对和实时处理高压放电、介质击穿等具有挑战性的各类实验问题。冲击高压虚拟仿真实验平台具体实施过程如图 1 所示。图 1冲击高压虚拟仿真实施过程学生自主登录高电压虚拟仿真平台，预习模块中的实验目的、工作原理、操作步骤、注意事项等。实验操作前，对预习内容进行考核，合格后再开始实验。演示模块可展示冲击高压系统的设备搭建及接线。学习模块基于文字、声音和高亮形式进行人机交互，指导学生完成实验。答疑模块实现学生与指导教师之间的交流沟通，以互动、研讨等模式复现高压发生装置及参数。考核模块对所选实验进行操作、检验及评价，包括设备选择、模型搭建、电路接线、实验步骤和结果分析等，最终给出考核成绩。要求学生撰写实验报告，在报告中包括明确实验目的、工作原理分析、实验数据整理及结果分析、得出实验结论，提出对该实验设计的评价和改进建议。2冲击电压虚拟仿真教学案例2.1冲击高压发生器工作原理多级冲击电压发生电路原理如图 2 所示(以级数n=3 为例)。试验前，调整各级球隙 G1 G4的击穿电压大于 U(充电完成后球隙 G1 G4的电压为 U，保证不会击穿放电)。直流充电回路由变压器 T、保护电阻 b(一般比充电电阻大一个数量级)和整流元件 VD 构成。其中保护电阻 b除了可以保护整流元件 VD，还有使各级电容器充电均匀的作用。达到稳态时，点 1、3、5 的051第 12 期刘志恒，等:基于多级冲击高压发生装置的虚拟仿真实验平台图 2冲击电压发生器电路原理T 试验变压器;VD 整流元件;b 保护电阻;ch 充电电阻;f 外加的波前电阻;t 波尾电阻;g 阻尼电阻;C 各级主电容;Cf 另加的波前电容;G1 点火球隙;G2 G3 中间球隙;G4 输出球隙;C1、C2 弱阻尼电容分压器的高、低压臂电容;C3 串接电容元件(C3=C2);r 分压器高压臂的弱阻尼电阻;Z 测量电缆的波阻抗;匹配电阻(=Z 的实部);CO 高压脉冲示波器;V1 交流电压表;V2 静电电压表电位为 0，点 2、4、6 的电位为 U，即实现了 3 个电容器的并联充电。电路中:充电电阻 ch t;波尾电阻 t g(阻尼电阻用于消除振荡)。G1击穿之后，点 2 的电位突然由 U 上升为 0，开始经 G1及其回路中的 ch放电，并且几乎全部电压都降落在 ch上，使点 1 的对地电位升到+U。点1 的电位升到+U 之后，点4 的电位仍接近于 0，所以间隙 G2上的电位差就接近达 2U，使G2击穿。G2击穿后，点 4 的电位几乎瞬间上升为+U，而点 3 的电位几乎瞬间上升为+2U;点 6 的电位仍维持在原电位 U，间隙 G3上的电位差就接近 3U，促使 G3击穿。同理，间隙 G4上的电压差接近 3U，也被击穿。此时被试品 T O 上的输出电压就为 3 个主电容电压的和，即3U。主放电回路串联放电过程结束。实现这种变化的关键装置是球隙，在点火球隙 G1不被击穿放电时，所有球隙都不被击穿放电，一旦 G1被点火击穿，则 G2、G3、G4几乎在瞬间依次击穿放电。多级冲击电压发生器的工作原理可总结为多个电容器并联充电，串联放电的过程，放电的等效电路如图 3 所示。其中 C0=C/n，Cf=Cf+CT O，f=f+g。(a)多级冲击电压发生器(b)等效电路图 3高效率冲击电压发生器放电等效电路2.2多级雷电冲击电压标准波形发生试验基于 HTML5 技术和开发工具 Unity3D，3D StudioMax，Maya，Visual Studio，设计了 3 级单边高效率冲击电压发生器模型，冲击高压演示实验虚拟仿真模型如