基于500kV變壓器的3D仿真設(shè)計(jì)研究

摘要：依托500kV變壓器，采用當(dāng)前主流的3D模型搭建技術(shù)，將當(dāng)前電力系統(tǒng)500kV變壓器進(jìn)行高精度的3D還原，并對(duì)其模型設(shè)計(jì)、部件構(gòu)建、巡視應(yīng)用以及考核模塊等各項(xiàng)功能進(jìn)行了直觀展現(xiàn)，為超高壓電網(wǎng)500kV變壓器的檢修、培訓(xùn)工作提供可靠的3D仿真平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：500kV變壓器；3D仿真；模型；培訓(xùn)

中圖分類號(hào)：TM402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）12-0243-02

電力系統(tǒng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展的基石。在電力系統(tǒng)中，變壓器是電能輸送與電壓變換的核心部件，尤其是在構(gòu)成整個(gè)國(guó)家電力網(wǎng)絡(luò)主網(wǎng)架的500kV電網(wǎng)中，500kV變壓器更是起到樞紐作用，具有重要意義。同時(shí)，隨著社會(huì)電力需求逐年遞增、超高壓主網(wǎng)架不斷加快發(fā)展的步伐，電力行業(yè)對(duì)500kV變壓器的檢修、培訓(xùn)工作也是一直作為重點(diǎn)突破口，不斷進(jìn)行探索創(chuàng)新。但由于變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、內(nèi)部構(gòu)件的隱蔽性，在實(shí)際工作中變壓器的相關(guān)環(huán)節(jié)目前仍以圖片描述、現(xiàn)場(chǎng)教授、零件拆解為主要手段，這些方式或浮于表面，或浪費(fèi)人力、財(cái)力，不夠全面、準(zhǔn)確，沒有進(jìn)行由內(nèi)到外的通透分析，深入不下去。

為解決此問題，本文將詳細(xì)闡述500kV變壓器3D仿真的構(gòu)建設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備高精度重建，實(shí)現(xiàn)500kV變壓器的3D仿真。

一、3D仿真設(shè)計(jì)的背景

3D仿真或者說三維數(shù)字化技術(shù)是基于電腦、網(wǎng)絡(luò)及數(shù)字化平臺(tái)的現(xiàn)代工具性基礎(chǔ)共用技術(shù)，隨著近些年來科學(xué)技術(shù)尤其是電腦技術(shù)的快速發(fā)展，3D技術(shù)的成熟度、完善度、易用性、人性化、經(jīng)濟(jì)性等都已經(jīng)取得了巨大的突破，利用3D技術(shù)建立直觀化的專業(yè)模型逐漸成為信息化社會(huì)的主流應(yīng)用。

目前的電力系統(tǒng)中，基于變電站500kV變壓器實(shí)物的3D模型還未曾得到開發(fā)應(yīng)用。這就導(dǎo)致在生產(chǎn)實(shí)際中針對(duì)500kV變壓器的檢修、培訓(xùn)、教學(xué)以單純的平面單向灌輸式為主，形式局限在書本講座、視頻教學(xué)、實(shí)物拆解上，耗時(shí)耗力，且是長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性的投入，用實(shí)物備品進(jìn)行拆解培訓(xùn)的經(jīng)濟(jì)代價(jià)還較高，得到的效果與經(jīng)濟(jì)性往往不盡如人意。同時(shí)，在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的電力培訓(xùn)雖然直觀形象，但由于電力行業(yè)特有的觸電危險(xiǎn)性，特別是500kV電網(wǎng)要求的安全距離更為嚴(yán)格，在變電站內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)往往有較高風(fēng)險(xiǎn)，且設(shè)備是帶電運(yùn)行，只能看到表面而看不到內(nèi)部，無法動(dòng)手操作，培訓(xùn)成效通常是差強(qiáng)人意。

采用3D仿真技術(shù)，以變電站設(shè)備區(qū)內(nèi)的實(shí)物為基準(zhǔn)，等比例搭建變壓器仿真模型，將變壓器的本體、結(jié)構(gòu)件、附件、內(nèi)部鐵芯、繞組等一一還原，拓展進(jìn)行原理解惑、巡視檢修、實(shí)時(shí)考核，實(shí)現(xiàn)500kV變壓器的360度全方位無死角觀測(cè)，為電力行業(yè)的檢修、培訓(xùn)及相關(guān)應(yīng)用能夠帶來極大的方便。

二、仿真模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1.3D場(chǎng)景及設(shè)備模型基本框架的構(gòu)建

3D模型質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到畫面的成效效果和流暢度。模型制作一般分為建筑物、地貌、路網(wǎng)、設(shè)備四大類。其中設(shè)備是最復(fù)雜的，因?yàn)樵O(shè)備的組成部件都是不規(guī)則的。本文設(shè)計(jì)的變壓器就屬于設(shè)備一類，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要的空間多，構(gòu)造零部件多，需要海量的數(shù)據(jù)支撐。

三維模型的搭建遵循規(guī)范性、真實(shí)性和簡(jiǎn)化性原則。規(guī)范性主要體現(xiàn)在骨架、節(jié)點(diǎn)、紋理貼圖等方面。真實(shí)性要求模型來源于實(shí)物，不能為簡(jiǎn)化工作量而導(dǎo)致失真走形?？梢暬５暮?jiǎn)化性要求在不影響視覺效果的前提下用盡可能少的多邊形和分辨率、盡可能低的貼圖來表達(dá)較豐富的場(chǎng)景內(nèi)容。本文研究設(shè)計(jì)的500kV變壓器復(fù)雜程度較高，對(duì)這三項(xiàng)特別是規(guī)范性的要求較高。

2.本體、主要結(jié)構(gòu)件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)全方位的3D設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的變壓器以目前超高壓電網(wǎng)500kV變電站普遍應(yīng)用的ODFS-250000/500 型變壓器為實(shí)物樣本，主要結(jié)構(gòu)件包括500kV高壓套管、220kV中壓套管、35kV低壓套管、中性點(diǎn)套管、儲(chǔ)油柜、冷卻器、無載調(diào)壓開關(guān)、油路連接管、變壓器油，鐵芯、鐵軛、繞組、瓦斯繼電器、壓力釋放閥，、呼吸器、取油閥、油溫表、繞溫表、鐵芯接地、夾件接地等。[1]

將本體箱蓋作為基本框架率先搭建，然后將主要結(jié)構(gòu)件及外部附件以本體箱蓋為基礎(chǔ)骨架一一添加。在高、中、低以及中性點(diǎn)套管的3D仿真中，注重把握瓷裙的形狀，套管的底部要加上末屏，套管內(nèi)部導(dǎo)電桿要在變壓器本體內(nèi)延伸出一部分，以便與繞組線圈抽頭相連。在本模型儲(chǔ)油柜的設(shè)計(jì)中，內(nèi)部采用膠囊式結(jié)構(gòu)，要與外延的呼吸器連通，外部設(shè)計(jì)有指針式油位表。本型號(hào)變壓器冷卻器安裝在本體兩側(cè)，冷卻器底部裝有風(fēng)扇，由于冷卻器內(nèi)部需要導(dǎo)通變壓器油進(jìn)行冷卻，在3D模型制作中要考慮到內(nèi)部連通性。由于無載調(diào)壓開關(guān)在變壓器的內(nèi)外部均占據(jù)一定空間，所以在建模中要特別注重內(nèi)外兩部分的聯(lián)動(dòng)統(tǒng)一，且內(nèi)部抽頭從繞組線圈中抽出，不能孤立出來。

油路連接管存在于變壓器本體與各附件之間，仿真設(shè)計(jì)中要形成完整的油流回路。變壓器本體、油枕、冷卻器以及油路連接管內(nèi)均填充變壓器油，由于變壓器油為無色液體，在設(shè)計(jì)中可采用保證模型效果的特效顏色，但需在標(biāo)注中點(diǎn)明。變壓器內(nèi)部鐵芯、鐵軛、繞組采用單相三柱式，繞組各電壓等級(jí)引線抽頭與各套管底部導(dǎo)電桿相連。

瓦斯繼電器的3D模型是設(shè)計(jì)在變壓器箱蓋與儲(chǔ)油柜的連管上，需要注意的是從瓦斯繼電器中伸出一根中空的導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管通到變壓器箱蓋上的導(dǎo)氣盒中。壓力釋放閥的模型中要注意壓力釋放管路內(nèi)部是中空的。呼吸器、取油閥、油溫表、繞溫表、鐵芯接地、夾件接地按照實(shí)物建立3D模型即可，需要注意的是呼吸器內(nèi)部填充藍(lán)色硅膠顆粒，油溫表有兩塊而繞溫表只需一塊。

3.原理部分的設(shè)計(jì)

原理部分主要設(shè)計(jì)兩個(gè)模塊，一個(gè)是變壓器工作原理，一個(gè)是變壓器冷卻原理。兩部分的表現(xiàn)形式均為3D動(dòng)畫模型。

變壓器是利用電磁感應(yīng)原理從一個(gè)電路向另一個(gè)電路傳遞電能或傳輸信號(hào)的電器。[2]本文中設(shè)計(jì)的是降壓變壓器，且是單相自耦式，原理展示是在3D仿真模型的基礎(chǔ)上，所以需將500kV單相交流電通過高壓套管進(jìn)入變壓器，鐵芯、繞組上動(dòng)態(tài)顯示“電磁感應(yīng)原理”，在中、低壓套管中引出中、低壓交流電，在字幕區(qū)內(nèi)配上相關(guān)文字說明，同時(shí)語音說明要與整個(gè)動(dòng)畫展示過程同步進(jìn)行。

變壓器冷卻原理的展示主要集中在變壓器油的流動(dòng)和冷卻器底部風(fēng)扇的動(dòng)作上。模型設(shè)計(jì)中，原理展示以變壓器油的動(dòng)作為路線，變壓器油從上部油路連接管進(jìn)入散熱片，從上到下流過散熱片進(jìn)行散熱，然后變壓器油通過下部油路連接管進(jìn)入本體，冷卻鐵芯和繞組，再加上底部風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，把這個(gè)過程進(jìn)行動(dòng)畫循環(huán)演示，在字幕區(qū)內(nèi)配上相關(guān)文字說明，同時(shí)語音說明要與整個(gè)動(dòng)畫展示過程同步進(jìn)行。

4.設(shè)備巡視要點(diǎn)展示設(shè)計(jì)

此項(xiàng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)集中在將變壓器3D仿真模型還原到生產(chǎn)實(shí)際中，把現(xiàn)場(chǎng)工作中進(jìn)行巡視的重點(diǎn)環(huán)節(jié)提煉出來，巡視到哪一部分就在仿真模型上單獨(dú)顯現(xiàn)出哪一部分，將巡視要點(diǎn)進(jìn)行一一剖析。

本文中主要設(shè)計(jì)以下幾項(xiàng)：檢查高、中、低、中性點(diǎn)套管瓷質(zhì)部分是否清潔，有無破損裂紋和放電現(xiàn)象及放電痕跡；儲(chǔ)油柜油位是否正常；主變油路連接管、外殼各閥門有無滲油、漏油現(xiàn)象；主變油溫、繞組溫度應(yīng)指示正常；壓力釋放閥完好無損；風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)正常，無電機(jī)燒壞和震動(dòng)過大現(xiàn)象；瓦斯繼電器看窗清潔，內(nèi)部無氣體并充滿油，油色透明；呼吸器中的硅膠顆粒無變色受潮現(xiàn)象；主變無載調(diào)壓裝置電氣元件及機(jī)械傳動(dòng)部件無異常，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)壓分頭指示位置正確等。

5.3D模型考核版塊設(shè)計(jì)

3D仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)中還包涵3D考核系統(tǒng)，在模型考核的系統(tǒng)環(huán)境中設(shè)有兩個(gè)版塊：一個(gè)是變壓器部件認(rèn)知考核，在該版塊下以變壓器3D模型為主體，包括本體、主要結(jié)構(gòu)件、附件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)在內(nèi)，模型中設(shè)計(jì)的所有部件均在考核范圍內(nèi)，且以3D方式呈現(xiàn)，全面檢驗(yàn)學(xué)習(xí)人員對(duì)所學(xué)部件的認(rèn)知掌握能力；另一個(gè)版塊是理論知識(shí)考核，題庫(kù)內(nèi)容涵蓋變壓器基礎(chǔ)理論、部件檢修、運(yùn)行維護(hù)等方面，系統(tǒng)考查學(xué)習(xí)效果。所有的考核均實(shí)現(xiàn)電子閱卷打分，考后還可以查詢自己的得分點(diǎn)與失分點(diǎn)，便于查找錯(cuò)誤，補(bǔ)足短板。

三、變壓器3D仿真設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)

1.3D模型仿真，實(shí)現(xiàn)高精度還原，方式獨(dú)特新穎，效果好

以實(shí)物構(gòu)建的3D模型能夠使人感覺就是在現(xiàn)實(shí)的工作環(huán)境中，變壓器各部件觸手可及，立體感強(qiáng)，具有強(qiáng)烈的視覺效果，同時(shí)改變傳統(tǒng)的單向灌輸式培訓(xùn)，創(chuàng)建互動(dòng)體驗(yàn)式。在3D模型中，變壓器不再是平面抽象的，而是立體的、具象的、互動(dòng)的、可360度全方位觀測(cè)的、可從內(nèi)到外全結(jié)構(gòu)觀察學(xué)習(xí)的。變壓器的全部構(gòu)造在模型中一覽無余，這極大地加深了學(xué)員在腦海中對(duì)變壓器組成結(jié)構(gòu)的印象，強(qiáng)化了學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，在3D仿真模型的基礎(chǔ)上延伸設(shè)計(jì)了工作原理、巡視要點(diǎn)、認(rèn)知考核這三個(gè)版塊，以3D動(dòng)畫方式展現(xiàn)原理，以3D視角開展檢修巡視工作，以3D模型進(jìn)行考核，拓展了仿真的應(yīng)用，提高了學(xué)習(xí)和培訓(xùn)效率。

2.利用電腦進(jìn)行虛擬仿真，節(jié)省人、財(cái)、物，成本降低，安全性得到提高

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)出變壓器仿真系統(tǒng)，只需要在電腦上安裝變壓器仿真平臺(tái)，簡(jiǎn)單方便，場(chǎng)地?zé)o須限制在大型教室，方式不再局限于課堂培訓(xùn)，原理分析不再停留在枯燥的書本，考核不再需要印刷監(jiān)考，并可對(duì)高成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件進(jìn)行不斷拆解、反復(fù)演練，可在保證培訓(xùn)效果的前提下節(jié)省場(chǎng)地、人員、設(shè)備、備品等硬件投資，兼顧低成本與高效率。

同時(shí)，學(xué)習(xí)人員通過在電腦上操作就可以進(jìn)行學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、拆解和考核，將學(xué)員從變電站現(xiàn)場(chǎng)解放出來，既遠(yuǎn)離帶電場(chǎng)所又避免了操作實(shí)際設(shè)備的事故發(fā)生，降低了危險(xiǎn)度，保證了培訓(xùn)工作的安全穩(wěn)定。

3.設(shè)計(jì)出一套標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化、規(guī)范化的變壓器3D培訓(xùn)系統(tǒng)

當(dāng)前，企業(yè)技能培訓(xùn)的幾種方式上都存在較大的弊端?！皫煄健本窒扌暂^大，效果因人而異，且不能形成標(biāo)準(zhǔn)化；短期培訓(xùn)班形式受場(chǎng)地、人力因素影響較大，不能形成規(guī)?；粡S家指導(dǎo)式較多的以產(chǎn)品使用手冊(cè)或安裝過程中的技術(shù)人員指導(dǎo)為主，形式隨意不規(guī)范。

變壓器3D仿真模型的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品說明書、施工圖紙以及相關(guān)的規(guī)范守則進(jìn)行，創(chuàng)建出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)、規(guī)范的仿真培訓(xùn)平臺(tái)，不會(huì)出現(xiàn)前后不一、自相矛盾的狀況，提高了培訓(xùn)的一致性和系統(tǒng)化。

四、結(jié)論

該課題結(jié)合當(dāng)前最先進(jìn)的3D技術(shù)，與電力技能實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)和開發(fā)了超高壓主干網(wǎng)500kV變壓器的3D仿真平臺(tái)，分別就設(shè)計(jì)背景、具體實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了卓有成效的探討，創(chuàng)造性設(shè)計(jì)出500kV變壓器三維仿真平臺(tái)，很好地克服了平面圖、原理圖、現(xiàn)場(chǎng)講授等現(xiàn)有簡(jiǎn)單粗放式手段的局限性與不足性，還原度、精確度、各部件的解析等各方面都取得了較好的效果，最終形成了標(biāo)準(zhǔn)化3D培訓(xùn)系統(tǒng)，做到經(jīng)濟(jì)性和安全性統(tǒng)一。

該項(xiàng)目的成果不僅可以作為500kV變壓器檢修培訓(xùn)的應(yīng)用，而且可以為其他電壓等級(jí)相關(guān)設(shè)備的檢修消缺工作提供重要的參考，可有效提高員工對(duì)變壓器各方面知識(shí)的掌握能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。該模型經(jīng)過新學(xué)員培訓(xùn)、檢修巡視要點(diǎn)分析、故障應(yīng)急搶修等實(shí)際測(cè)試，實(shí)踐證明該500kV變壓器3D仿真從技術(shù)上和實(shí)際應(yīng)用上都是成功的。

參考文獻(xiàn)：

[1]電力行業(yè)職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心.變壓器檢修[M].第二版.北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]邱關(guān)源.電路[M].4版.北京：高等教育出版社，1999.

（責(zé)任編輯：王祝萍）