基于多级冲击高压发生装置的虚拟仿真实验平台

刘志恒， 张照彦， 郝 雷

（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）

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）。

图2 冲击电压发生器电路原理

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Rb（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Rb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Rch＞＞Rt；波尾电阻Rt＞＞Rg（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Rch放电，并且几乎全部电压都降落在Rch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＝C′f＋CT.O.，Rf＝R′f＋∑Rg。

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 Studio Max，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图4 所示，每一级电容器的最高充电电压为150 kV，最高输出电压为450 kV。

图4 冲击高压演示实验虚拟仿真模型

从设备库和试品库选择试验变压器、试验控制台、保护电阻R1（电压发生器和分压器之间）、电容分压器、保护电阻R2（发生器和变压器之间）、截断球隙、被试品和冲击电压发生器，并放置到试验场景中，按试验要求进行连线。在试验台操作界面，点击“本体设置”设置相关参数并确定，如图5 所示。所得雷电冲击高压标准波形如图6 所示。

图5 试验操作台界面

图6 多级雷电冲击高压标准波形

通过模拟雷电放电引起的过电压，获得了多级雷电冲击电压波形，为高压设备在冲击高压条件下的绝缘检测提供试验条件。

2.3 50%冲击放电电压测试试验

（1）多级法50%冲击放电电压测试。先固定球隙距离（5 cm），由小到大逐级调整所施加的电压值。相邻两级间级差不大于预期放电电压的1%。每级施加电压至少10 次，各次放电间的时间间隔不小于30 s，共进行5 级电压测试。根据每级的放电概率及相应的电压值，在正态概率分布表格中展示所得50%放电电压值。国家标准GB／T311.6-2005 规定，除了确定50%放电电压之外，还应检验放电的惯用偏差z（即标准偏差σ 的相对值）。对雷电冲击全波电压，z应不大于1%；对操作冲击电压，z应不大于1.5%。

从设备库和试品库选择试验变压器、交流控制台、保护电阻R1、电容分压器、保护电阻R2、被试品（棒-板间隙）和冲击电压发生器，置于试验场景并进行连线如图7 所示。

图7 状态2时端电压仿真结果分析

图7 多级法50%放电电压测试界面

选择本次试验所用冲击电压的类型和预估的50%放电电压值，如图8 所示。设置60 s 耐压计时，观察棒-板间隙是否被击穿。完成“实验记录”，观察有效点分布如图9 所示。间隔30 s 后进行下一次测试，并记录有效点分布。

图8 选择预估的50%放电电压

图9 50%放电电压值有效点分布

（2）升降法50%冲击放电电压测试。预先估计棒-板间隙的50%放电电压，以该电压值的3%作为级差，选m 级（一般不小于4 ～5 级）。从最高一级电压值开始对棒-板间隙进行测试，若击穿，则要降低实施电压值直至棒-板间隙不击穿，记录该点电压，该点即为第1 个有效点，再升高实施电压值，若击穿，则再降低电压，反之，再次升高电压，依次类推，一般测量30到40 个有效点，记录下每一个有效点的电压值和放电状态（放电击穿或未发生放电）。统计每一级电压Ui下的有效点数ni，50%放电电压为

一次冲击电压测试结束后，间隔30 s后再进行下一次测试。在每次冲击电压试验时，所选取的第1 次电压值与预估的50%冲击放电电压之间的差值应小于等于两倍的电压级差。具体试验步骤与多级法类似，其有效点分布界面如图10 所示。

图10 升降法有效点分布界面

50%冲击电压的测量实验中，通过球隙击穿特性曲线，可分析气隙击穿电压的分散性特征。对于工程中用作绝缘的气隙，得出外加电压所对应的气体耐受电压概率和击穿概率，有助于对高压设备进行有效的绝缘设计，提高设备间的绝缘配合可靠性。

2.4 棒-板间隙极性效应测试试验

将冲击电压发生器的高压引线与棒-板间隙连接。调节棒-板间隙的距离到5 ～7 cm。从小到大（5 cm和7 cm）调节冲击电压发生器的球隙距离，对棒-板间隙施加电压，直到间隙放电为止，如图11 所示。

图11 棒-板间隙击穿放电

当棒为正极性时，电子崩是迎向棒极发展的（由场强小的区域向场强较大的区域发展），有利于电子崩的扩展，如图12 所示（崩头部的电子到达流柱通道，经过混合质区进入阳极）。由于电子立即进入阳极（正棒端），棒极前方空间留下正离子，加强了板极方向的电场，形成发展正流柱的有利条件。2 次崩与初崩汇合后通道充满混合质，头部留下大量的正空间电荷，加强了头部前方的电场强度，推进流柱进一步向阴极发展。

图12 正棒-负板间隙中非自持放电阶段空间电荷的发展过程

由于正流柱所造成的空间电荷总是加强流柱通道头部前方的电场，所以正流柱的发展速度很快，并且为连续的，其先导放电过程如图13 所示。

图13 棒-板间隙极性效应正棒负板先导放电

棒-板间隙的极性效应实验能非常详细地展示短间隙条件下电子蹦在两极性之间的发展过程，电荷与电场的变化规律，带电质点的运动轨迹，直至气隙被击穿的先导放电过程。在长间隙条件下，能清晰展现正先导、负先导、迎面先导和主放电的物理过程。

3 结 语

结合冲击高压实验特点与特高压输变电技术对人才专业能力的需求，本文以“虚实结合、互相促进、由虚促实”，在冲击高压虚拟仿真实验教学方面进行了有益探索。设计了基于HTML5 技术3 级冲击电压发生器模型的虚拟仿真实验平台，开展实验教学具有以下几个方面的优势。

（1）冲击高压虚拟仿真实验不受场地、实验装置的限制，大幅降低了实验建设成本，操作方式灵活。

（2）使学生直接参与高危、极端工况以及全系统冲击高压实验，直观观察实验现象，使抽象的知识点具体化，有助于学生深入学习和理解相关知识点。

（3）冲击高压虚拟仿真实验现象具有可重复、可视化特点，学生可以反复观察实验结果并分析原因，可有效提高对高压电力设备的绝缘设计能力。

（4）利用信息科学和网络科学发展的成果，有效地将传统教学与新兴学科结合，建设一批具有特色的虚拟仿真实验教学资源，满足创新型人才培养目标，符合新工科教学发展的方向。