電力變壓器高壓試驗虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

張良力，代林剛，柴 琳

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

電力變壓器是支撐變電站持續(xù)穩(wěn)定供電的關(guān)鍵設(shè)備，為確保其始終運行在良好狀態(tài)，必須定期或在故障修復(fù)后對其進(jìn)行高壓試驗，測試其是否具備繼續(xù)投入運行的能力[1-2]。電力變壓器高壓試驗涉及的實驗設(shè)備價格昂貴，實驗過程具有一定的危險性。現(xiàn)階段在高校實驗室內(nèi)建立相關(guān)課程實驗教學(xué)系統(tǒng)，或讓師生前往變電站現(xiàn)場開展實際操作訓(xùn)練，均存在較大困難。

虛擬仿真實驗技術(shù)能夠解決高校電氣類專業(yè)高電壓技術(shù)相關(guān)課程實驗手段缺失的問題[3]，通過視景建模與仿真運行，高度還原變電站營運環(huán)境，模擬電力變壓器正常或故障狀態(tài)，能夠使學(xué)生在校內(nèi)即可安全地、“身臨其境”地完成各項認(rèn)知和操作任務(wù)[4]。利用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)+云平臺服務(wù)，能夠使學(xué)生不受時間場地限制，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端完成實驗操作、提交報告、與教師互動等[5]。我校信息科學(xué)與工程學(xué)院利用“國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目”申報和建設(shè)契機(jī)，結(jié)合教師在高電壓技術(shù)科研方向的最新成果，研制出電力變壓器高壓試驗虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以絕緣電阻值的測量計算為主線，設(shè)置了電力變壓器結(jié)構(gòu)認(rèn)知、流程化安全操作、測量儀表連接、數(shù)據(jù)記錄分析等知識考評點，全方位模擬并考評電力變壓器高壓試驗操作及其效果，達(dá)到“理論學(xué)習(xí)與工程實踐相結(jié)合，實驗操作與評分考核相結(jié)合，線上交互與線下討論相結(jié)合”的建設(shè)目標(biāo)。

1 實驗原理

絕緣電阻是反映電力變壓器內(nèi)部絕緣介質(zhì)狀態(tài)的指標(biāo)參數(shù)[6]。高壓絕緣介質(zhì)等效電路如圖 1所示。當(dāng)合上開關(guān)K時，因等效電容C1、C2處于充電狀態(tài)，電流表示數(shù)iA較大；隨著電容充電持續(xù)，iA逐步減小，最后穩(wěn)定于常數(shù)Ig。iA稱為吸收電流，隨時間t變化趨勢稱為吸收曲線，如圖2所示。

圖1 電力變壓器高壓絕緣介質(zhì)等效電路

圖2 吸收電流和吸收曲線

當(dāng)絕緣介質(zhì)受潮或有缺陷時，iA隨時間下降較緩慢，此情形可作為絕緣狀態(tài)初步判定依據(jù)。定義吸收比KA為

式中，I15和R15分別表示合上開關(guān)K后15 min測得的iA值和計算得到的絕緣電阻值，I60和R60分別表示60 min時測得的iA值和計算得到的絕緣電阻值[7]。除吸收比外，還可通過極化指數(shù)Kp判斷絕緣狀態(tài)，

式中，I1和I10分別表示合上開關(guān)K后1 min和10 min測得的iA值。考慮到溫度對絕緣電阻測量計算的影響，在計算吸收比和極化指數(shù)前，利用式（3）對電阻值進(jìn)行校正，

式中，R1為溫度條件為T1時測得的絕緣電阻值，R2為溫度條件為T2時測得的絕緣電阻值。

在指定測試環(huán)境下，根據(jù)絕緣電阻值、吸收比和極化指數(shù)三者之間的條件關(guān)系組合，可判斷電力變壓器絕緣狀態(tài)，進(jìn)而推知電力變壓器能否繼續(xù)投入使用。

2 虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電力變壓器高壓試驗虛擬仿真實驗系統(tǒng)依托開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺運行，平臺利用計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集視景仿真、人機(jī)交互、智能批改、教學(xué)管理于一體，具有良好的自主性、互動性和擴(kuò)展性。用戶的網(wǎng)絡(luò)操作與管理平臺之間通過數(shù)據(jù)接口連接和交互，使用戶能隨時隨地通過計算機(jī)瀏覽器訪問虛擬仿真實驗環(huán)境及其管理界面，完成電力變壓器高壓試驗實驗教學(xué)相關(guān)操作和管理工作[8]。電力變壓器高壓試驗虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖 3所示，5層架構(gòu)中的每一層都為其上層提供服務(wù)，直至完成虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。

圖3 實驗教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 實驗考評點設(shè)計

本實驗教學(xué)系統(tǒng)考評知識點涵蓋變電站及其主變壓器認(rèn)知、高壓試驗準(zhǔn)備與操作、試驗數(shù)據(jù)分析與報告等方面。具體包括：①變電站巡檢漫游。了解變電站工作區(qū)域以及一次主設(shè)備布局。②變電站電力變壓器認(rèn)知。了解電力變壓器、斷路器等一次主設(shè)備的結(jié)構(gòu)和組成。③高壓試驗設(shè)備選型與認(rèn)知。了解絕緣電阻測試儀等儀器的規(guī)格、功能及使用方法。④高壓試驗原理和接線。了解現(xiàn)場作業(yè)安全規(guī)范；掌握設(shè)備檢修/投運的開關(guān)操作方法；掌握絕緣介質(zhì)的老化現(xiàn)象；掌握絕緣介質(zhì)的吸收現(xiàn)象；掌握絕緣電阻和吸收比的測量原理；掌握使用絕緣電阻測試儀測量絕緣電阻的原理和接線。⑤高壓試驗數(shù)據(jù)記錄。掌握絕緣電阻關(guān)鍵數(shù)據(jù)的讀數(shù)、計算和溫度折算方法；繪制試驗數(shù)據(jù)曲線。⑥試驗報告填寫及上傳。分析試驗數(shù)據(jù)，了解影響試驗測量結(jié)果的因素；填寫規(guī)范式試驗報告，要求內(nèi)容完整、數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確；判別設(shè)備絕緣狀態(tài)，要求結(jié)論與系統(tǒng)預(yù)設(shè)相符。

2.3 高壓試驗操作流程

進(jìn)入軟件后，學(xué)生通過點選“知識學(xué)習(xí)”“設(shè)備認(rèn)知”等按鈕，進(jìn)入對應(yīng)場景，完成相應(yīng)學(xué)習(xí)與認(rèn)知；選擇“實驗選擇”“模式選擇”相關(guān)選項，進(jìn)入變壓器高壓試驗操作場景。

2.3.1 主變壓器斷電

在室內(nèi)控制屏柜上點擊開關(guān)按鈕，遠(yuǎn)程斷開室外變壓器高、低壓端子與電網(wǎng)的連接，操作順序為：①斷開高壓側(cè)斷路器；②斷開母線隔離開關(guān)；③斷開低壓側(cè)斷路器；④斷開低壓側(cè)隔離開關(guān)；⑤確保變壓器已斷電后，合上接地刀閘；⑥用驗電棒確保變壓器高低壓側(cè)各端子已斷電；⑦拆開高壓三相接線，拆線后做好標(biāo)記；⑧拆開中、低壓三相接線，拆線后做好標(biāo)記；⑨拆開中性點端子接地線，拆線后做好標(biāo)記。

2.3.2 測試前準(zhǔn)備

在變壓器與測試儀表之間放置臨時圍欄，圍欄上朝向檢修工作地點懸掛“止步，高壓危險!”警示牌。準(zhǔn)備高壓試驗用各種工器具，包括：絕緣電阻測試儀、溫濕度計、常用工具箱、裸銅線、試驗用連接導(dǎo)線、線夾等。測試儀表開始加電壓前，通知人員撤離至安全區(qū)域，加壓過程中防止無關(guān)人員進(jìn)入工作現(xiàn)場；試驗時，操作人員與變壓器套管之間應(yīng)保持足夠的安全距離[9]。

2.3.3 絕緣電阻測量

變壓器高壓端對低壓端及接地端的絕緣電阻測量操作步驟為：①將低壓、中壓及中性點端子短路并接地；②將高壓繞組三相以及高壓中性點短路并接地，釋放殘余電荷；③使用驗電棒查看高壓端子是否有殘余電荷；④若無，則拆去高壓三相端子的接地裸銅線；⑤連接測試線和接地線；⑥選擇絕緣電阻測試儀輸出電壓2 500 V；⑦開始測量，每隔5 s讀取并記錄測量數(shù)據(jù)；⑧測量完畢后，將被試端子短路放電并接地，直至無殘余電荷[10]。

低壓端對高壓端及接地端的絕緣電阻以及高、低壓端對接地端的絕緣電阻測量操作步驟與上述流程類同。根據(jù)各時刻記錄的測試數(shù)據(jù)及以下判據(jù)，推斷電力變壓器絕緣狀態(tài)：①當(dāng)絕緣電阻大于104MΩ時，吸收比和極化指數(shù)將作為參考，當(dāng)吸收比不低于 1.1或極化指數(shù)不低于1.3時，表明電力變壓器絕緣狀態(tài)合格。②絕緣電阻換算至同一溫度下（一般為 20 ℃）的電阻值，與上次測試結(jié)果相比應(yīng)無顯著變化（一般不低于上次值的70%），表明電力變壓器絕緣狀態(tài)合格[11]。

2.3.4 測試后整理恢復(fù)

測試工作完畢后，拆下所有測試線、接地線，整理測試儀表等工器具，拆除警示牌和臨時圍欄，恢復(fù)室外變壓器工作現(xiàn)場，返回室內(nèi)控制屏柜，點擊開關(guān)按鈕，恢復(fù)室外變壓器高、低壓端子與電網(wǎng)的連接。

3 實施效果

目前，利用該系統(tǒng)在我校開展了面向電氣工程及其自動化本科專業(yè)“高電壓技術(shù)”“發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)”等課程的虛擬仿真實驗教學(xué)，實施效果顯著。

（1）節(jié)約電氣類學(xué)科建設(shè)資金。電力變壓器高壓試驗是“安全性差、成本高昂、時空受限”類實驗中的典型代表。利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的實驗教學(xué)系統(tǒng)，能使學(xué)生在校內(nèi)體驗變電站巡檢和電力變壓器高壓試驗操作，高度契合“以虛補(bǔ)實”的建設(shè)原則，大幅降低專業(yè)實驗室建設(shè)成本，有利于學(xué)科建設(shè)經(jīng)費高效利用[12]。

（2）提升課堂和實驗教學(xué)效率。虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)不僅應(yīng)用于實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，還可通過網(wǎng)絡(luò)延伸至課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中。教師不再使用二維簡化圖形展示電力系統(tǒng)元件或設(shè)備，而是使用可視化實體三維模型進(jìn)行授課。通過三維模型多角度展示、結(jié)構(gòu)件拆解組裝、測試接線、現(xiàn)場復(fù)原等系列操作，學(xué)生能夠快速理解電力變壓器高壓試驗原理及其過程，從而減輕了抽象化理解負(fù)擔(dān)。另外，新穎的教學(xué)模式和實驗環(huán)境，能調(diào)動起學(xué)生自學(xué)積極性。上述積極因素均能達(dá)到提升電氣專業(yè)教學(xué)效率的目的。

（3）提高實踐型人才培養(yǎng)質(zhì)量。本文設(shè)計的電力變壓器虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)中，融入了大量變電站現(xiàn)場安全操作規(guī)范和注意事項，要求學(xué)生在實驗過程中注重理論與實際結(jié)合，學(xué)習(xí)與技能并重，使學(xué)生在校內(nèi)獲得與真實現(xiàn)場類似的工程經(jīng)驗，切實提高自身實踐能力與專業(yè)綜合素養(yǎng)。

4 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)課程作為“雙萬計劃”中的重要一環(huán)，已逐漸成為新工科背景下“一流本科課程建設(shè)”的突破口。在全面考察電力變壓器高壓試驗操作規(guī)范以及完成真實變電站全景拍攝的基礎(chǔ)上設(shè)計的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，展示了變電站內(nèi)各類高壓設(shè)備、測試儀表、室內(nèi)外環(huán)境，通過操作互動復(fù)現(xiàn)了高壓試驗操作的全過程。在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可反復(fù)進(jìn)行實驗操作，利用軟件中的糾錯和提示功能進(jìn)行實驗過程反芻，增進(jìn)對高壓設(shè)備及試驗技術(shù)相關(guān)課程知識的理解和消化，練就規(guī)范化高壓試驗操作技能，增加電力工程實踐經(jīng)驗，達(dá)到提升學(xué)習(xí)效果和強(qiáng)化專業(yè)能力的目標(biāo)。該虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)訪問使用，不僅可服務(wù)校內(nèi)相關(guān)專業(yè)師生，未來將面向校外公眾開放。此舉能對全社會共享、共用精品實驗教學(xué)資源，關(guān)注新時代電氣專業(yè)建設(shè)和課程改革，起到積極的推動作用。