一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，包括虚拟调压器、虚拟电场模块和击穿过程展现模块；虚拟调压器用于模拟均匀电场击穿实验所需的高电压，虚拟电场模块用于展示均匀电场随着电压升高的变化情况、击穿过程展现模块用于实现电场击穿展示和高电压切除保护功能；虚拟电场模块包括两个导电面板和场强显示模块；场强显示模块包括电场线显示模块和声音显示模块；虚拟调压器将电压输入到两个导电面板的两端，两个导电面板平行放置。本发明专利技术不需要投入物理高压及其配套设备，具有经济性；能保证实验进行的安全性；可以实现远程实验，摆脱了实验场所限制；灵活性好，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。

A virtual experiment system for simulating breakdown voltage of uniform electric field

【技术实现步骤摘要】
一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统
本专利技术属于电力系统自动化领域，具体涉及一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统。
技术介绍
作为当前高电压重要的实验之一，均匀电场击穿电压实验已在工程试验、培训和教育广泛进行。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。基于实际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。因此，提出一种虚拟均匀电场击穿电压实验方法和系统，基于均匀电场击穿电压原理，构建能直观展现均匀电场击穿电压的虚拟实验系统。尤其在工程试验、培训和教育等对成本敏感的领域，构建一个高效灵活、低成本的虚拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，通过在虚拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，输入电压参数建立虚拟电压，形成一个虚拟电压，并在虚拟电场中展现击穿的具体过程。该系统既能保证实验的正确性和稳定性，又能保证实验的安全性和降低成本。一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，包括虚拟调压器、虚拟电场模块和击穿过程展现模块，所述虚拟调压器、虚拟电场模块和击穿过程展现模块依次连接；其中，虚拟调压器用于模拟均匀电场击穿实验所需的高电压，虚拟电场模块用于展示均匀电场随着电压升高的变化情况、击穿过程展现模块用于实现电场击穿展示和高电压切除保护功能；所述虚拟调压器通过输出虚拟电压显示模块，直观显示调压器输出的虚拟电压；虚拟电场模块包括两个导电面板和场强显示模块；场强显示模块包括电场线显示模块和声音显示模块；虚拟调压器将虚拟电压输入到两个导电面板的两端，两个导电面板平行放置，两个导电面板距离表征均匀电场击穿距离，该距离通过调整模块进行调节。进一步地，所述输出虚拟电压显示模块以电压表的形式，在虚拟实验系统中直观显示当前虚拟实验系统的调压器输出虚拟电压。进一步地，所述调整模块是通过键盘输入所需的距离调整值对两个导电面板的距离进行调节。进一步地，虚拟调压器分为手动虚拟调压器和自动虚拟调压器。进一步地，所述手动虚拟调压器是实验人员通过键盘或鼠标改变虚拟电压，键盘的UP键操作电压升高，键盘的DOWN键操作电压降低，或者直接拉动鼠标实现电压的升高和降低，每次操作一次键盘或鼠标，虚拟调压器的输出虚拟电压将作相应的变化；手动虚拟调压器的电压输出初始值默认为0，每次操作增减电压值默认为1kV，电压输出初始值和每次操作增减电压值的默认值，根据实验需要在虚拟实验系统中灵活设置。进一步地，所述自动虚拟调压器是实验人员根据实验需要，在虚拟实验系统中设置电压输出初始值和每次操作增减电压值的默认值，若实验人员事先没有设置，虚拟实验系统将自动设置电压输出初始值默认为0，每次操作增减电压值默认为1kV；自动虚拟调压器方式中，虚拟实验系统根据电压输出初始值V0和每次操作增减电压值d，基于公式Vt＝V0+dt，自动生成调压器输出虚拟电压。Vt为调压器输出虚拟电压值，dt为增减电压值。进一步地，电场线显示模块是通过虚拟电场线的疏密来表现电压的大小，虚拟电场线的表现是由接正极导电面板指向接地端导电面板的单向箭头，虚拟电场线的数量变化用以下公式表达：amount＝inputvoltage*coefficient+base，inputvoltage其中amount是电场线显示模块，inputvoltage是当前虚拟电压值，coefficient是初始化虚拟实验系统时设定好的常数—递增系数，base是初始化虚拟实验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，随着虚拟电压值增大，虚拟电场线数量变得越多、越密集。进一步地，声音显示模块是利用声音的强弱来表现电压的大小，声音的强弱变化用该公式表达：volume＝inputvoltage*coefficient+base其中volume是声音显示模块，inputvoltage是当前虚拟电压值，coefficient是初始化虚拟实验系统时设定好的常数—递增系数，base是初始化虚拟实验系统时设定好的声音强弱的初始值，递增系数和初始值是任意合适值，随着虚拟电压值增大，通过电脑设备输出的声音变得越强。进一步地，击穿过程展现模块实现电场击穿展示和高电压切除保护功能包括以下步骤：1)将自动把击穿电压实验值换算成标准条件下的击穿电压值，换算时湿度修正指数取w＝0，空气密度校正指数取m＝n＝1，空气密度校正系数：空气密度校正系数Kh＝1；平均击穿场强Em＝U0/d(kV/cm)；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)；标准大气状态大气压P0＝0.1013MPa；温度t0＝20℃；绝对湿度h＝11g/m3，Ub表示当前环境下击穿电压数值，d表示导电板之间的距离；Kd表示空气密度修正系数，P表示当前环境大气压，t表示当前环境温度；2)在均匀电场击穿电压虚拟实验中，击穿电压值的公式如下：式中，d表示导电板之间的距离，单位为cm；δ表示空气相对密度；当虚拟电压的数值达到击穿电压值的时候，虚拟实验系统会弹出一个红色的警告窗口显示在当前实验参数下的击穿电压并提示电场已被击穿，并且与该系统连接的蜂鸣器会持续发出声音提醒实验人员，与此同时将虚拟电压值置零，终止均匀电场击穿电压虚拟实验。本专利技术用于摆脱实际高压设备的击穿电压实验对设备要求的束缚，而且用虚拟仿真的方式替代实现的高压，具有安全性。与现有的技术相比，本专利技术的益效如下：1)基于均匀电场击穿电压原理，构建的虚拟实验系统能直观展现均匀电场击穿电压；2)该系统可以在工程试验、培训和教育等对成本敏感的领域，构建一个高效灵活、低成本的虚拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统。附图说明图1为本实施例一种模拟均匀电场击穿电压虚拟系统示意图；图2为本实施例一种模拟均匀电场击穿电压虚拟系统的连接示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步说明。如图1所示的一种模拟均匀电场击穿电压虚拟系统，包括虚拟调压器、虚拟电场模块和击穿过程展现模块，所述虚拟调压器、虚拟电场模块和击穿过程展现模块依次连接；其中，虚拟调压器用于模拟均匀电场击穿实验所需的高电压，虚拟电场模块用于展示均匀电场随着电压升高的变化情况、击穿过程展现模块用于实现电场击穿展示和高电压切除保护功能。所述虚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于：包括虚拟调压器、虚拟电场模块和击穿过程展现模块，所述虚拟调压器、虚拟电场模块和击穿过程展现模块依次连接；其中，虚拟调压器用于模拟均匀电场击穿实验所需的高电压，虚拟电场模块用于展示均匀电场随着电压升高的变化情况、击穿过程展现模块用于实现电场击穿展示和高电压切除保护功能；/n所述虚拟调压器通过输出虚拟电压显示模块，直观显示调压器输出的虚拟电压；/n虚拟电场模块包括两个导电面板和场强显示模块；场强显示模块包括电场线显示模块和声音显示模块；/n虚拟调压器与两个导电面板连接，将虚拟电压输入到两个导电面板的两端；两个导电面板平行放置，两个导电面板距离表征均匀电场击穿距离，该距离通过调整模块进行调节。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于：包括虚拟调压器、虚拟电场模块和击穿过程展现模块，所述虚拟调压器、虚拟电场模块和击穿过程展现模块依次连接；其中，虚拟调压器用于模拟均匀电场击穿实验所需的高电压，虚拟电场模块用于展示均匀电场随着电压升高的变化情况、击穿过程展现模块用于实现电场击穿展示和高电压切除保护功能；
所述虚拟调压器通过输出虚拟电压显示模块，直观显示调压器输出的虚拟电压；
虚拟电场模块包括两个导电面板和场强显示模块；场强显示模块包括电场线显示模块和声音显示模块；
虚拟调压器与两个导电面板连接，将虚拟电压输入到两个导电面板的两端；两个导电面板平行放置，两个导电面板距离表征均匀电场击穿距离，该距离通过调整模块进行调节。


2.根据权利要求1所述的一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于：所述输出虚拟电压显示模块以电压表的形式，在虚拟实验系统中直观显示当前虚拟实验系统的调压器输出虚拟电压。


3.根据权利要求1所述的一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于：所述调整模块是通过键盘输入所需的距离调整值对两个导电面板的距离进行调节。


4.根据权利要求1所述的一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于：虚拟调压器分为手动虚拟调压器和自动虚拟调压器。


5.根据权利要求4所述的一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于：所述手动虚拟调压器是实验人员通过键盘或鼠标改变虚拟电压，键盘的UP键操作电压升高，键盘的DOWN键操作电压降低，或者直接拉动鼠标实现电压的升高和降低，每次操作一次键盘或鼠标，虚拟调压器的输出虚拟电压将作相应的变化；手动虚拟调压器的电压输出初始值默认为0，每次操作增减电压值默认为1kV，电压输出初始值和每次操作增减电压值的默认值，根据实验需要在虚拟实验系统中灵活设置。


6.根据权利要求4所述的一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于：所述自动虚拟调压器是实验人员根据实验需要，在虚拟实验系统中设置电压输出初始值和每次操作增减电压值的默认值，若实验人员事先没有设置，虚拟实验系统将自动设置电压输出初始值默认为0，每次操作增减电压值默认为1kV；自动虚拟调压器方式中，虚拟实验系统根据电压输出初始值V0和每次操作增减电压值d，基于公式Vt＝V0+dt，自动生成调压器输出虚拟电压，Vt为调压器输出虚拟电压值，dt为增减电压值。


7.根据权利要求1所述的一种模拟均匀电场击穿电压虚拟实验...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玲，王智东，陈瑞源，刘祎峰，邓丰强，梁梅，刘子何，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44