一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统和方法与流程

本发明属于电力系统自动化领域，具体涉及一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统和方法。

背景技术：

电力系统包括了许多电气设备，而有的电气设备故障会威胁到整个系统的供电安全。为此，需要对电气设备按规定开展检测试验工作，保证电力系统安全运行。电子器件都有能承受的最高耐压值，超过该允许值，器件存在失效风险，元件会报废。击穿就是绝缘物质在电压的作用下发生剧烈放电或导电的现象。

当前已有的关于高压虚拟结合的实验方法和研究的技术文献，如陶劲松，张淑娟，文习山，袁艺嘉.虚拟结合实验方法应用于高压实验教学[j].电气电子教学学报.2014(1).76-78、刘法水，梁贵媛.高压电气设备三维虚拟实验场景的建模与优化[j].中国教育技术装备.2008(12).87-88.等，大多数研究直接从高压实验的场景入手，主要对各个设备模块进行虚拟，利用动画场景的方式展现实验过程，而没有对实验过程中击穿电压与间隙距离之间的关系进一步虚拟仿真。

对于高压设备，需要对其进行击穿电压的测试，判断其工作电压范围。实际上，高压设备的击穿电压实验需要配备升压装置及配备安全措施等，这涉及大量专用电力高压和辅助设备，花费需求大，而且受实验场所、物理设备的电压等级和绝缘要求等限制。因此，为了解决上述问题，提出一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统和方法，基于非均匀电场击穿电压原理，构建能直观展现非均匀电场击穿电压的虚拟实验系统。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种虚拟非均匀电场击穿电压实验系统及方法，该系统能以系统形式生成虚拟电力设备，并模拟该虚拟电力设备所对应的实体电力设备的运行状态，并以电场线、颜色和声音等变量抽象呈现或数值变量直观呈现虚拟非均匀电场中的电压变化情况，同时模拟电场被击穿的物理现象。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统，所述系统包括极尖-平板模块、电压模块和击穿展示模块，所述的电压模块包括调压模块、判断模块及电压显示模块，所述极尖-平板模块、调压模块、电压显示模块、判断模块和击穿展示模块依次连接；以上模块主要通过pc机模块和显示器实现；

所述极尖-平板模块，用于模拟实物的极尖和平板之间的虚拟电场，并调节虚拟极尖和平板间的距离；

所述调压模块，用于调节虚拟极尖和平板之间的虚拟电场的虚拟电压值，分为手动调压模式和自动调压模式；

所述电压显示模块包括电场线显示模块、声音显示模块、颜色显示模块和数字化显示模块；其中，电场线显示模块是以电场线的疏密来显示电压的大小；声音显示模块是以声音显示电压的大小；颜色显示模块是以颜色显示电压的大小；数字化显示模块则是直接用数字显示当前电压值；

所述判断模块，有两级系统内置的判断语句，第一级判断语句决定执行运行调用模块还是插值模块，第二级判断语句则是判断该环境条件是否为标准条件下；

所述击穿展示模块，用于显示虚拟电场被击穿的画面，并且虚拟电场被击穿通过警报器提示。

进一步地，调节虚拟极尖和平板间的距离分为手动任意调节和手动精准调节；手动任意调节的实现方式是由实验人员直接拖动虚拟极尖或虚拟平板来控制两者的距离；

手动精准调节的方式有两种：第一种是直接输入实验需要的距离值；第二种的从系统初始化设定的虚拟极尖和平板间距离初始值d0开始，点击鼠标左键或者右键或按下键盘上的+/-键一次视为一个步长，在系统初始化时设定一个步长为d1，步长是任意值，假设点击鼠标键的次数或按下+/-键的次数为n，那么，虚拟极尖和平板之间的距离d用公式表达为d＝d0±n*d1。

进一步地，所述手动调压模式是从系统初始化设定的虚拟电压初始值v0开始，点击鼠标左键或者右键或按下键盘上的+/-键一次视为一个步长，在系统初始化时设定好一个步长为v1，步长是任意值，假设点击鼠标键的次数或按下+/-键的次数为n，那么虚拟极尖和平板之间的虚拟电场的虚拟电压值v用公式表达为v＝v0±n*v1。

所述自动调压模式在系统初始化之时，设定好虚拟电压初始值v0，步长v1以及每步间隔时间t，步长和时间间隔是任意合适值，那么虚拟极尖和平板间虚拟电压值v用公式表达为v＝v0+v1*t。

进一步地，电场线显示模块是利用虚拟电场线的疏密和虚拟电场线的数量变化表现电压大小，虚拟电场线在系统中的表现是由虚拟极尖指向虚拟平板的单向箭头，虚拟电压值越大，虚拟电场线数量越多、越密集；声音显示模块则是利用声音来表现电压的大小，故虚拟电压值越大，声音的音量也越大；颜色显示模块是通过颜色的深浅来表现电压的大小，在初始化系统时设定好虚拟电场线的单向箭头的颜色，当虚拟电压值越大，箭头的颜色会越深；数字化显示模块则是直接在系统中呈现具体的数字形式的虚拟电压值，在初始化系统时设定好保留小数点后的位数，以提高精确度；四种电压模块能够自由搭配或同时运行的，其中电场线显示模块，声音显示模块和颜色显示模块的电压大小公式表达式如下：

amount/volume/color＝inputvoltage*coefficient+base

其中，amount/volume/color分别指的是电场线显示模块/声音显示模块/颜色显示模块的电压，inputvoltage即当前虚拟电压值，coefficient是初始化系统时设定好的常数—递增系数，base是初始化系统时设定好的虚拟电场线数量的初始值，递增系数和初始值是任意值。

进一步地，所述判断模块有两级系统内置的判断语句，第一级判断语句决定执行运行调用模块还是插值模块，第二级判断语句则是判断该环境条件是否为标准条件下，即标准大气状态大气压p0＝0.1013mpa，温度t0＝20℃，绝对湿度h＝11g/m³，否的话要执行换算操作；

所述第一级的判断语句是判断当前虚拟极尖和平板的距离是否属于实际实验时的数据，实际实验数据通过实验平台实测得到，若属于，则执行调用模块进行第二级判断语句；若不属于，则执行插值模块；

所述第二级判断语句设置在调用模块内，第二级判断语句是判断初始化系统时的设定是否为标准条件下，标准条件包括标准大气状态大气压p0＝0.1013mpa，温度t0＝20℃，绝对湿度h＝11g/m³，若是，则执行直接从初始化系统时录入的实际实验获得的标准条件下极尖-平板距离和击穿电压对应关系的数据所构成的二维关系表中对应匹配的耐压值的操作，该操作具体指直接调用数据表中原有的实验耐压值；若不是，则执行换算操作，将标准条件下的虚拟电场耐压值实时换算为当前条件下的虚拟电场耐压值，并通过电压模块显示出来。

进一步地，所述换算操作如下：标准条件击穿电压值u0(kv)为标准大气状态下外绝缘放电电压：u0＝ub/kd(kv)，ub表示非标准条件下的耐压值，其中空气密度校正系数：

为了简化运算，空气密度校正系数kd直接取kh＝1；换算时湿度修正指数取w＝0，空气密度校正指数取m＝n＝1；平均击穿场强em＝u0/d(kv/cm)；标准大气状态大气压p0＝0.1013mpa，温度t0＝20℃，绝对湿度h＝11g/m³，p表示实验环境大气压，t表示实验环境温度。

进一步地，插值模块是调用第二级判断语句和matlab中的插值法、多项式拟合法，获得虚拟极尖-平板距离和击穿电压的拟合表达式，代入当前虚拟极尖和平板的距离，从而取得不在实际实验范围内的虚拟电场耐压值。

进一步地，当运行调压模块，虚拟电压逐渐增大，升至当前虚拟极尖和平板距离对应的耐压值的95％时，响起断续的蜂鸣声；当虚拟电压值达到耐压值时，响起连续的蜂鸣声作为击穿警报，同时调压模块自动停止，不再增大虚拟电压；在虚拟电场被击穿的一瞬间，系统画面将会出现闪电的形象动画，模拟电场被击穿的现象。

用于所述的一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统的虚拟实验方法，包括以下步骤：

步骤1、首先实际操作非均匀电场气体间隙的工频放电实验，获得标准条件下极尖-平板距离和击穿电压对应关系的数据，构成对应的二维关系表，并输入到调压模块中，供系统在运转时随时调用；

步骤2、初始化系统，运行极尖-平板模块，产生虚拟电场；

步骤3、运行调压模块，逐渐增大电压；

步骤4、运行电压模块，一直显示电压的大小；

步骤5、运行判断模块，若当前虚拟极尖和平板的距离不属于实际实验数据，运行插值模块，获得耐压值，否则，运行调用模块，从系统运行前录入的二维关系表中获得耐压值；

步骤6、运行击穿展示模块，当虚拟电压达到设定的耐压值，展示虚拟击穿过程。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明成本低：不需要投入物理高压及其配套设备。

2、本发明实现灵活度高：可以远程控制，摆脱了实验场所的限制；实验方式灵活，避免物理设备的电压等级和绝缘要求等限制。

3、本发明安全性高。

附图说明

图1为本实施例种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统的模块框图；

图2为本发明系统线图原理框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示的一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统，所述系统包括极尖-平板模块、电压模块和击穿展示模块，所述的电压模块包括调压模块、判断模块及电压显示模块，以上模块主要通过pc机模块和显示器实现；

所述极尖-平板模块、调压模块、电压显示模块、判断模块和击穿展示模块依次连接，其对应图2中的各元器件的连接关系，如图2所示，图中电源开关k、调压器at、实验变压器t、限流电阻r、尖棒—平板电极间隙g依次连接，电容分压器c与尖棒—平板电极间隙并联，v为静电电压表，系统可以真实还原实际实验，包括但不限于更换元器件或者更改设备数据。初始化系统时，可以设定各种参数，其中包括当前温度、空气湿度、大气压强等环境数据。

极尖-平板模块呈现虚拟的极尖和平板，提供虚拟电源，生成虚拟电压，于是产生虚拟电场。虚拟极尖和平板间的距离是可调的，分为手动任意调节和手动精准调节。手动任意调节的实现方式是：由实验人员直接拖动虚拟极尖或虚拟平板来控制两者的距离。手动精准调节的方式有两种，分别是：直接输入实验需要的距离值；从系统初始化设定的虚拟极尖和平板间距离初始值d0开始，点击鼠标左(右)键一次或按下键盘上的+(-)键一次视为一个步长，在系统初始化时设定好一个步长为d1，步长可以是任意合适值，假设点击鼠标左(右)键的次数或按下+(-)键的次数为n，那么，虚拟极尖和平板之间的距离d可以用公式表达，d＝d0+(-)n*d1。无论是哪种调节方式，当前虚拟极尖和平板的距离的数值都会显示在虚拟平板右侧。

调压模块分为手动调压模式和自动调压模式。手动调压模块是，从系统初始化设定的虚拟电压初始值v0开始，点击鼠标左(右)键一次或按下键盘上的+(-)键一次视为一个步长，在系统初始化时设定好一个步长为v1，步长可以是任意合适值(升压的速率一般控制在每秒升高预期击穿电压值的3％)，假设点击鼠标左(右)键的次数或按下+(-)键的次数为n，那么，虚拟极尖和平板之间的虚拟电场的虚拟电压值v可以用公式表达，v＝v0+(-)n*v1。自动调压模式是，在系统初始化之时，设定好虚拟电压初始值v0，步长v1以及每步间隔时间t，步长和时间间隔可以是任意合适值，那么虚拟极尖和平板间虚拟电压值v可以用公式表达：v＝v0+v1*t。

所述电压显示模块包括电场线显示模块、声音显示模块、颜色显示模块和数字化显示模块；

电场线显示模块是利用虚拟电场线的疏密来表现电压大小，虚拟电场线在系统中的表现是由虚拟极尖指向虚拟平板的单向箭头，虚拟电场线的数量变化用公式表达：amount＝inputvoltage*coefficient+base，inputvoltage即当前虚拟电压值，coefficient是初始化系统时设定好的常数—递增系数，base是初始化系统时设定好的虚拟电场线数量的初始值，故虚拟电压值越大，虚拟电场线数量越多、越密集，递增系数和初始值可以是任意合适值；

声音显示模块则是利用声音的高低来表现电压的大小，声音的高低变化也可以用公式表达：volume＝inputvoltage*coefficient+base，故虚拟电压值越大，声音的音量也越大；

颜色显示模块是通过颜色的深浅来表现电压的大小，颜色的深浅变化同样可以用公式表达：color＝inputvoltage*coefficient+base，可以在初始化系统时设定好一种虚拟电场线的单向箭头的颜色，当虚拟电压值越大，箭头的颜色会越深。

数字化显示模块则是直接地在系统中呈现具体的数字形式的虚拟电压值，还可以在初始化系统时设定好保留小数点后的位数，以提高精确度。四种电压模块是可以自由搭配或同时运行的。

所述判断模块，有两级系统内置的判断语句，第一级判断语句决定执行运行调用模块还是插值模块，第二级判断语句则是判断该环境条件是否为标准条件下；

第一级的判断语句是判断当前虚拟极尖和平板的距离是否属于实际实验时的数据，yes—执行调用模块，no—执行插值模块。调用模块内有内置的第二级判断语句，第二级判断语句是判断初始化系统时的设定是否为标准条件下，yes—执行直接从初始化系统时录入的实际实验获得的标准条件下极尖-平板距离和击穿电压对应关系的数据所构成的二维关系表中调用对应匹配的耐压值的操作，no—执行换算操作，将标准条件下的虚拟电场耐压值实时换算为当前条件下的虚拟电场耐压值。换算过程如下：标准条件击穿电压值u0(kv)为标准大气状态下外绝缘放电电压：u0＝ub/kd(kv)，ub表示非标准条件下耐压值，其中空气密度校正系数：

为了简化运算，空气密度校正系数kd直接取kh＝1；换算时湿度修正指数取w＝0，空气密度校正指数取m＝n＝1；平均击穿场强em＝u0/d(kv/cm)；标准大气状态大气压p0＝0.1013mpa，温度t0＝20℃，绝对湿度h＝11g/m³，p表示实验环境大气压，t表示实验环境温度。

插值模块是调用第二级判断语句和matlab系统中的插值法、多项式拟合法，获得虚拟极尖-平板距离和击穿电压的拟合表达式，代入当前虚拟极尖和平板的距离，从而可以取得不在实际实验范围内的虚拟电场耐压值。

击穿展示模块显示当模拟极尖-平板间电压达到最大值，电场被击穿的现象。当运行调压模块，虚拟电压逐渐增大，升至当前虚拟极尖和平板距离对应的耐压值的95％时，响起断续的警报器的蜂鸣声提醒实验员；当虚拟电压值达到耐压值时，响起连续的蜂鸣声作为击穿警报告知，调压模块自动停止，不再增大虚拟电压，同时在虚拟电场被击穿的一瞬间，系统画面将会出现闪电的形象动画，模拟真实电场被击穿的现象。

用于所述的一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统的虚拟实验方法，包括以下步骤：

步骤1、首先实际操作非均匀电场气体间隙的工频放电实验，获得标准条件下极尖-平板距离和击穿电压对应关系的数据，构成对应的二维关系表，并输入到系统中，供系统在运转时随时调用。本实施例的二维关系表如表1所示。

表1二维关系表

步骤2、初始化系统，运行极尖-平板模块，产生虚拟电场；

步骤3、运行调压模块，逐渐增大电压；

步骤4、运行电压模块，一直显示电压的大小；

步骤5、运行判断模块，若当前虚拟极尖和平板的距离不属于实际实验数据(即距离为2—6cm)，则运行插值模块，获得耐压值，否则，运行调用模块，从系统运行前录入的二维关系表中获得耐压值；

步骤6、运行击穿展示模块，当虚拟电压达到设定的耐压值(即表1中对应不同电极距离下的耐压值)，展示虚拟击穿过程。对系统初始化，运行极尖-平板模块，改变虚拟极尖和平板的距离，重复以上运行步骤1至步骤6，循环运行系统。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。