一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统和方法，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PC机模块、调压模块、判断模块及显示模块。所述方法包括以下步骤：1、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；2、初始化系统，运行极尖‑平板模块，产生虚拟电场；3、运行调压模块，逐渐增大电压；4、运行电压模块；5、运行判断模块；6、运行击穿展示模块，展示虚拟击穿过程。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；远程实验足够灵活，既能保证实验的安全性，又能摆脱实验场所、物理设备的高压等级和绝缘要求等限制。

A virtual experimental system and method for simulating the breakdown voltage of inhomogeneous electric field

【技术实现步骤摘要】
一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统和方法
本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于，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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于，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；
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。


2.根据权利要求1所述的一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于，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。


3.根据权利要求1所述的一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于，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。


4.根据权利要求1所述的一种模拟非均匀电场击穿电压虚拟实验系统，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玲，邓丰强，普正斌，刘洁铃，王智东，梁梅，邓俊文，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44