CN104217621B - 一种冲击高压试验的培训模拟平台以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲击高压试验的培训模拟平台以及方法，包括硬件和虚拟软件模块两个部分：硬件包括冲击高压试验中所有操作按钮,类同于真实的冲击电压发生器操作平台。该平台通过USB接口连接存有虚拟软件的PC上。虚拟软件模块基于Visual C++编写，分两个部分，其一是界面，显示冲击电压发生器本体和被试品；第二部分是计算和控制模块。优点如下：1、解决冲击高压发生器价格昂贵，不能满足众多实习者现场操作的缺憾，完成所有实验培训过程所需费用远小于现场实验。2、模拟平台可模拟冲击电压发生器实验的各种操作过程，仿真测量各种不同电压等级的被试品的50%冲击击穿电压。3、完成所有实验培训过程的安全性远高于现场实验。

Description

一种冲击高压试验的培训模拟平台以及方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种冲击高压实验的培训平台。具体涉及在冲击高压实验过程中，一种冲击高压试验的培训模拟平台的设计。

背景技术

目前一台冲击电压发生器的售价在几十万元至上百万元，一些超大型的发生器甚至需要上千万元，而且为了设备的安全，操作人员必须要经过严格的培训才能操作，因此能上操作台亲自操作实验的人员少之又少。

另外，国内的高压实验由于安全性能的需要，要求同一实验同一时间必须有两位实验人员，这是为了防止实验人员误入高压实验区以及由于误动作损坏实验设备。

为满足广大的电力行业的技术人员和电气工程及其相关专业的学生掌握冲击电压发生器的实际操作和冲击电压试验的实施步骤，发明了该培训模拟平台。

发明内容

本发明主要是解决现有高压实验方法不能满足所有学习者实际操作的问题；提供了一种可模拟冲击电压发生器实验的所有操作过程的模拟培训实验装置，实验过程包括实验前球间隙的调整过程，电容充电过程，触发过程，被试品击穿与不击穿时的冲击电压峰值的显示以及被试品击穿瞬间的电弧模拟。

本发明还有一目的是培训学习者通过实验获得各种不同电压等级的被试品的50％冲击击穿电压的实验步骤。

本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种安全性远高于现场实验，能满足学员实验时实际操作平台，触摸各种按钮目的的一种冲击高压试验的培训模拟平台。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种冲击高压试验的培训模拟平台，其特征在于，包括硬件和虚拟软件模块两个部分；其中，

硬件部分为类同于真实冲击电压发生器的操作平台，包括冲击高压试验中所有操作按钮,即有：

球隙调整控制键：用于控制球隙同步击穿同步试验的启动和停止；

接地控制键：用于控制试验电路部分中电容组件接地的开合；

警铃呼叫控制键：用于发出警铃，提醒人们即将进行触发放电操作；

电容充电控制键：用于控制对试验电路部分中电容组进行充电的开合；

触发放电控制键：用于触发试验电路部分点火线圈进行击穿点火间隙，并串联所有电容；

试验计数控制键：用于对实验次数进行计数，即每次有效实验结束后，控制实验计数器加一。

虚拟软件模块基于Visual C++编写，分两个部分：含有冲击电压发生器本体及被试品的界面，以及计算和控制模块；

冲击高压发生器本体及被试品界面,包括冲击发生器电路中的电容，电阻，放电间隙以及为满足这些元件的绝缘强度要求而设置的支撑构架；用于测量的电容分压器；可人工设置的被试品(包括变压器，绝缘支柱，电压互感器，电流互感器等)；显示冲击实验时被试品击穿后的电弧状态。

计算和控制模块包括：

球隙同步击穿试验单元：用于在调整间隙距离后，保证在电容充电电压与点火间隙共同作用下，所有间隙能同步击穿。

电容值比较单元：该单元链接一个包含被试品击穿电压值和正态分布系数值的文件，实验师可以根据被试品的电压等级，实验前预先在该文件中设置这两个参数。实验过程中，这两个值将通过正态分布计算，使相邻两次实验即便是电容充电电压值完全相同，得出的击穿电压值也不完全相同，造成是否击穿的结果不同。该计算是为模拟现场实验中的真实现象，这种现象产生的原因主要是因为环境中带电质点的作用。按下触发放电控制键击穿点火间隙后，串联所有之前并联充电的电容，电容值比较单元根据即时计算所得的击穿电压值，与试验电路中的串联电容的总充电电压值比较，若该击穿电压值小于串联电容的总电压值，则被试品击穿，反之则不击穿。

本发明是为了使更多的电力行业技术人员和电气工程及其相关专业的学生能快速并扎实掌握冲击电压发生器的操作过程及其50％冲击击穿电压测量实验中注意的事项，开发了一种冲击高压实验的培训模拟平台。

一种采用冲击高压试验的培训模拟平台的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、试验前，由实验师根据本次试验要求，在后台更改击穿电压缺省值，以及正态分布系数值。

步骤2、学习者连接试验平台到计算机上。

步骤3、试验计数器清零。

步骤4、不连接被试品，按下接地按钮，断开冲击电压发生器本体电容组的接地引下线。使发生器本体处于实验前准备状态。

步骤5、根据标准规定的某电压等级的某种被试品的50％击穿电压值对电容充电，操作平台上的间隙双边调整按钮调整间隙的大小以保证在该电压上所有间隙能同时击穿。具体包括以下子步骤：

步骤5.1、按照被试品的额定电压值,参照GB/T 16927.1-1997《高电压试验技术》中国家标准对不同电压等级设备的冲击耐压值，估计出被试品首次实验所需的电压值，其中，被试品实验所需的电压值＝冲击耐压值±ΔU₁。ΔU₁＝(5％-10％)×冲击耐压值(假设被试品为35kV变压器，查阅标准规定，该被试品的冲击耐压值幅值为200kV，则可预设首次实验所需电压值为190kV。)在现有间隙下上升到该电压估计值上，触发点火线圈。

步骤5.2、如果触发点火线圈后所有球隙能同时击穿，则满足球隙同步击穿要求，可以进行被试品冲击耐压实验。

步骤5.3、如果触发点火线圈后所有球隙不能同时击穿，说明球隙距离过大，下一次加压前调整双向球距调节按钮减小球隙距离，重复实验步骤1。

步骤5.4、如果在没有升高到实验所需电压之前球隙自动击穿，说明球隙距离过小，下一次加压前调整双向球距调节按钮增加球隙距离，重复实验步骤1。

步骤6、连接上被试品，根据标准规定的升降法或多级法的要求试验测量被试品的50％击穿电压值。升降法和多级法的实验操作步骤：

选择步骤一，升降法：

步骤6.11、按平台上的充电按钮对电容并联充电至一定的电压，首次实验电压值按步骤5.1方式选取。

步骤6.12、按响警铃，然后按平台上的触发按钮触发点火线圈击穿点火间隙，冲击电压发生器的多级电容由并联充电形式转为串联放电。此时，软件根据电容值比较单元的程序执行。如果根据实验师设置的击穿电压值和正态分布系数值进行的正态分布计算得出的随机击穿电压值小于串联电容的总电压值，则模拟界面中的被试品显示击穿，反之则显示不击穿。

步骤6.13、重复操作6.11至6.12，如果上一次击穿，则根据标准规定，此次电压要为上次电压的1-ΔU₂，其中ΔU₂取值范围为1.5％-3％；如果上一次不击穿，则此次电压要为上次电压的1+ΔU₂，ΔU₂取值同上；

步骤6.14、根据标准，重复次数为20次以上，根据击穿与不击穿时的电压算术平均值，可计算出该被试品的50％击穿电压值。

选择步骤二，多级法。

步骤6.21、根据被试品类型和电压等级查阅标准得出该被试品的标准耐受电压值Ub，以此值为基准，得出数级实验电压值Ua＝Ub(1±n*ΔU₃),根据标准n≥2，ΔU₃取值范围为1.5％-3％。

步骤6.22、按照升降法实验步骤6.11至步骤6.12，每级电压值的实验次数必须大于或等于10次。

步骤6.23、如若某一级试验电压值下的击穿次数和未击穿次数相等或接近相等，则该电压为50％冲击击穿电压。

步骤7、每次有效试验结束后，试验计数器加一。如果试验次数达到试验要求，停止试验。

步骤8、按下接地按钮使电容组与接地引下线相连，试验过程结束。

因此，本发明具有如下优点：1、解决冲击高压发生器价格昂贵，不能满足众多实习者现场操作的缺憾，完成所有实验培训过程所需费用远小于现场实验。2、模拟平台可模拟冲击电压发生器实验的各种操作过程，仿真测量各种不同电压等级的被试品的50％冲击击穿电压。3、完成所有实验培训过程的安全性远高于现场实验。

附图说明

图1是本发明的总体框架示意图。

图2是实验硬件平台与计算机物理连接示意图。

图3是实验平台平面示意图。

图4是模拟实验平台实验步骤流程示意图。

图5是球隙调整流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

1、总体设计

包括硬件和虚拟软件模块两个部分；其中，

硬件部分为类同于真实冲击电压发生器的操作平台，包括冲击高压试验中所有操作按钮,计有：

球隙调整控制键：用于控制球隙同步击穿同步试验的启动和停止；

接地控制键：用于控制试验电路部分中电容组件接地的开合；

警铃呼叫控制键：用于发出警铃，提醒人们即将进行触发放电操作；

电充充电控制键：用于控制对试验电路部分中电容组进行充电的开合；

触发放电控制键：用于触发试验电路部分点火线圈进行击穿点火间隙，并串联所有电容；

试验计数控制键：用于对实验次数进行计数，即每次有效实验结束后，控制实验计数器加一。

虚拟软件模块基于Visual C++编写，分两个部分：冲击电压发生器本体及被试品界面、以及计算和控制模块；

冲击电压发生器本体和被试品界面：包括冲击高压发生器本体,包括冲击发生器电路中的电容，电阻，放电间隙以及为满足这些元件的绝缘强度要求而设置的支撑构架；用于测量的电容分压器；可人工设置的被试品(包括变压器，绝缘支柱，电压互感器，电流互感器等)；显示冲击实验时被试品击穿后的电弧状态；

计算和控制模块：

球隙同步击穿试验单元：用于在调整间隙距离后，保证在电容充电电压与点火间隙共同作用下，所有间隙能同步击穿。

电容值比较单元：该单元链接一个包含被试品击穿电压值和正态分布系数值的文件，实验师可以根据被试品的电压等级，实验前预先在该文件中设置这两个参数。实验过程中，这两个值将通过正态分布计算，使相邻两次实验即便是电容充电电压值完全相同，得出的击穿电压值也不完全相同，造成是否击穿的结果不同。该计算是为模拟现场实验中的真实现象，这种现象产生的原因主要因为环境中带电质点的作用。按下触发放电控制键击穿点火间隙后，串联所有之前并联充电的电容，电容值比较单元根据即时计算所得的击穿电压值，与试验电路部分中的串联电容的总充电电压值比较，若该击穿电压值小于串联电容的总电压值，则被试品击穿，反之则不击穿。

总体框架图如图1所示。

2、实验硬件平台与装载有虚拟软件的计算机虚拟平台通过USB接口连接。如图2。

3、实验硬件平台供学习者亲自操作所用，实验硬件平台上计有充电按钮，触发按钮，液晶显示的单台电容器的充电电压值，实验次数计数器，警铃按钮，接地按钮，球距调节双向按钮。如图3所示。

充电按钮为一绿色按钮开关，用来对虚拟对冲击电压发生器电容充电；

触发开关为一红色按钮开关，用来虚拟触发间隙击穿，使电容器串联放电，获得冲击电压；

液晶显示器显示单台电容器的即时充电电压值，供学习者参考。

实验次数计算器为重复实验提供实验次数。

警铃按钮为一黄色按钮开关，供实验者在放电前按响提醒放电即将开始。

接地按钮为一蓝色按钮开关，供学习者在实验前分离充电电容与接地装置进行实验前准备以及完成所有实验后让接地装置与电容相连，保护人身安全；

球距调节开关为一双向按钮，用来在实验前调节球距以满足在实验电压时能同步击穿。

4、按照培训要求，培训师可以设定不同电压等级的被试品的50％冲击击穿电压为参考值。

现场实验中由于各种不同的实验外部环境因素如温度，湿度，大气压，空间电荷电离与去电离速度等影响，相同实验装置的布置和相同的电压等级的被试品的前后两次实验的击穿电压值可能不同，为此，软件中引入随机分量与正态分布方式，使模拟实验能符合现场实验的状态。

实验步骤如下：

1)、实验前，由实验师根据本次实验要求，在后台更改击穿电压缺省值，以及正态分布系数值。

2)、学习者连接实验平台到计算机上。

3)、实验计数器清零。

4)、不连接被试品，按下接地按钮断开电容组的接地引下线。

5)、根据标准规定的某电压等级被试品的50％击穿电压值对电容充电，操作平台上的间隙双边调整按钮调整间隙的大小以保证在该电压上所有间隙能同时击穿。具体步骤见第5点和图5。

6)、连接上被试品，根据标准规定的升降法或多级法的要求试验获得被试品的50％击穿电压值。随机选择升降法和多级法为例描述该冲击高压实验的培训平台的实验操作步骤：

选择步骤一，升降法：

(1)、按平台上的充电按钮对电容并联充电至一定的电压，首次实验电压值按步骤5.1方式选取。

(2)、按响警铃，然后按平台上的触发按钮触发点火线圈击穿点火间隙，冲击电压发生器的多级(本发明中的级数为八级)电容由并联充电形式转为串联放电。此时，软件根据电容值比较单元的程序执行。如果根据实验师设置的击穿电压值和正态分布系数值进行的正态分布计算得出的随机击穿电压值小于串联电容的总电压值，则模拟界面中的被试品显示击穿电弧,并提醒被试品已击穿，反之则显示不击穿。

(3)、重复操作(1)，(2)，如果上一次击穿，则根据标准规定，此次电压要为上次电压的1-ΔU₂，其中ΔU₂取值范围为1.5％-3％(根据学员自己的要求在该比例内选取)；如果上一次不击穿，则此次电压要为上次电压的(1+ΔU₂)，ΔU₂取值同上。

(4)、根据标准，重复次数为20次以上，根据击穿与不击穿时的电压代数平均值，可计算出该被试品的50％击穿电压值。

选择步骤二，多级法

(1)、根据被试品类型和电压等级查阅标准得出该被试品的标准耐受电压值Ub，以此值为基准，得出数级实验电压值Ua＝Ub(1±n*ΔU₃),根据标准n≥2，ΔU₃取值范围为1.5％-3％(根据学员自己的要求在该比例内选取)。

(2)、按照升降法实验步骤(1),(2)，每级电压值的实验次数必须大于或等于10次。

(3)、如某一级试验电压值下的击穿次数和未击穿次数相等或接近相等，该电压为50％冲击击穿电压。

7)、每次有效试验结束后，试验计数器加一。如果试验次数达到试验要求，停止试验。

8)、按下接地按钮使电容组与接地引下线相连，试验过程结束。

5、球隙调整是冲击电压发生器实验操作过程中的重要组成部分，在每次冲击实验之前，都需要有这一过程。它是调整球隙的距离，使在后续的实验过程中，在达到要求的电压作用下，所有球隙(在本发明中有8组球隙)能同步击穿，保证所有电容能同时串联，从而得到所需的冲击电压波形。

具体试验步骤见图5：

1)、按照被试品的额定电压值,参照GB/T 16927.1-1997《高电压试验技术》中国家标准对不同电压等级设备的冲击耐压值，估计出被试品实验所需的电压值，其中，被试品实验所需的电压值＝冲击耐压值±ΔU。ΔU＝(5％-10％)×冲击耐压值。(假设被试品为35kV变压器，查阅标准规定，该被试品的冲击耐压值幅值为200kV，则可预设首次实验所需电压值为190kV。)。

2)、如果触发点火线圈后所有球隙能同时击穿，则满足球隙同步击穿要求，可以进行被试品的冲击耐压实验。

3)、如果触发点火线圈后所有球隙不能同时击穿，说明球隙距离过大，下一次加压前调整双向球距调节按钮减小球隙距离，重复实验步骤1。

4)如果在没有升高到实验所需电压之前球隙自动击穿，说明球隙距离过小，下一次加压前调整双向球距调节按钮增加球隙距离，重复实验步骤1。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种冲击高压试验的培训模拟平台，其特征在于，包括硬件和虚拟软件模块两个部分；其中，

硬件部分为类同于真实冲击电压发生器的操作平台，包括冲击高压试验中所有操作按钮,即有：

球隙调整控制键：用于控制球隙同步击穿同步试验的启动和停止；

接地控制键：用于控制试验电路部分中电容组件接地的开合；

警铃呼叫控制键：用于发出警铃，提醒人们即将进行触发放电操作；

电容充电控制键：用于控制对试验电路部分中电容组进行充电的开合；

触发放电控制键：用于触发试验电路部分点火线圈进行击穿点火间隙，并串联所有电容；

试验计数控制键：用于对实验次数进行计数，即每次有效实验结束后，控制实验计数器加一；

虚拟软件模块分两个部分：含有冲击电压发生器本体及被试品的界面、以及计算和控制模块；

冲击高压发生器本体及被试品界面,包括冲击发生器电路中的电容，电阻，放电间隙以及为满足这些元件的绝缘强度要求而设置的支撑构架；用于测量的电容分压器；可人工设置的被试品；显示冲击实验时被试品击穿后的电弧状态；

计算和控制模块包括：

球隙同步击穿试验单元：用于在调整间隙距离后，保证在电容充电电压与点火间隙共同作用下，所有间隙能同步击穿；

电容值比较单元：该单元链接一个包含被试品击穿电压值和正态分布系数值的文件，实验师可以根据被试品的电压等级，实验前预先在该文件中设置这两个参数；实验过程中，这两个值将通过正态分布计算，使相邻两次实验即便是电容充电电压值完全相同，得出的击穿电压值也不完全相同，造成是否击穿的结果不同；该计算是为模拟现场实验中的真实现象，这种现象产生的原因主要是因为环境中带电质点作用的结果；按下触发放电控制键击穿点火间隙后，串联所有之前并联充电的电容，电容值比较单元根据即时计算所得的击穿电压值，与试验电路中的串联电容的总充电电压值比较，若该击穿电压值小于串联电容的总电压值，则被试品击穿，反之则不击穿。

2.一种采用冲击高压试验的培训模拟平台的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、试验前，由实验师根据本次试验要求，在后台更改击穿电压缺省值，以及正态分布系数值；

步骤2、学习者连接试验平台到计算机上；

步骤3、试验计数器清零；

步骤4、不连接被试品，按下接地按钮，断开冲击电压发生器本体电容组的接地引下线；使发生器本体处于实验前准备状态；

步骤5、根据标准规定的某电压等级的某种被试品的50％击穿电压值对电容充电，操作平台上的间隙双边调整按钮调整间隙的大小以保证在该电压上所有间隙能同时击穿；具体包括以下子步骤：

步骤5.1、按照被试品的额定电压值,基于对不同电压等级设备的冲击耐压值，估计出被试品首次实验所需的电压值，其中，被试品实验所需的电压值＝冲击耐压值±ΔU₁，ΔU₁＝(5％-10％)×冲击耐压值；在现有间隙下上升到该电压估计值上，触发点火线圈；

步骤5.2、如果触发点火线圈后所有球隙能同时击穿，则满足球隙同步击穿要求，可以进行被试品冲击耐压实验；

步骤5.3、如果触发点火线圈后所有球隙不能同时击穿，说明球隙距离过大，下一次加压前调整双向球距调节按钮减小球隙距离，重复实验步骤1；

步骤5.4、如果在没有升高到实验所需电压之前球隙自动击穿，说明球隙距离过小，下一次加压前调整双向球距调节按钮增加球隙距离，重复实验步骤1；

步骤6、连接上被试品，根据标准规定的升降法或多级法的要求试验测量被试品的50％击穿电压值；升降法和多级法的实验操作步骤，其中，

升降法：

步骤6.11、按平台上的充电按钮对电容并联充电至一定的电压，首次实验电压值按步骤5.1方式选取；

步骤6.12、按响警铃，然后按平台上的触发按钮触发点火线圈击穿点火间隙，冲击电压发生器的多级电容由并联充电形式转为串联放电；此时，软件根据电容值比较单元的程序执行；如果根据实验师设置的击穿电压值和正态分布系数值进行的正态分布计算得出的随机击穿电压值小于串联电容的总电压值，则模拟界面中的被试品显示击穿，反之则显示不击穿；

步骤6.13、重复操作6.11至6.12，如果上一次击穿，则根据标准规定，此次电压要为上次电压的1-ΔU₂，其中ΔU₂取值范围为1.5％-3％；如果上一次不击穿，则此次电压要为上次电压的1+ΔU₂，ΔU₂取值同上；

步骤6.14、根据标准，重复次数为20次以上，根据击穿与不击穿时的电压算术平均值，可计算出该被试品的50％击穿电压值；

多级法:

步骤6.21、根据被试品类型和电压等级查阅标准得出该被试品的标准耐受电压值Ub，以此值为基准，得出数级实验电压值Ua＝Ub(1±n*ΔU₃),根据标准n≥2，ΔU₃取值范围为1.5％-3％；

步骤6.22、按照升降法实验步骤6.11至步骤6.12，每级电压值的实验次数必须大于或等于10次；

步骤6.23、如若某一级试验电压值下的击穿次数和未击穿次数相等或接近相等，则该电压为50％冲击击穿电压；

步骤7、每次有效试验结束后，试验计数器加一；如果试验次数达到试验要求，停止试验；

步骤8、按下接地按钮使电容组与接地引下线相连，试验过程结束。