一起油浸變壓器爆炸事故三維動畫教學課件開發(fā)

孫存遠 王大虎

摘 要：如今變壓器教學重在理論講解，且過于抽象，無法使學習者深刻理解相關知識點，而且由于教學設備非常昂貴，學習者僅能通過文字、圖片進行學習，因而缺乏實踐經驗，遇見爆炸事故無法迅速、正確地進行處理。針對以上問題，開發(fā)基于3DSMAX、Premiere與PowerPoint軟件的油浸式變壓器爆炸事故三維動畫課件。首先采用3DSMAX對變壓器及其周圍環(huán)境進行建模，然后利用Premiere將素材與音頻合成為教學視頻，最后通過PowerPoint軟件制作為完整課件。該課件可以使學習者直觀感受到變壓器運行情況，從而加深對變壓器的了解，激發(fā)學習者學習熱情，在實踐中也能起到一定警示作用。

關鍵詞：3DSMAX；Premiere；變壓器；三維動畫；教學課件

DOI：10. 11907/rjdk. 182179

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）005-0098-04

Abstract： Nowadays， the teaching mode of transformers focuses on theory and is too abstract. This teaching mode cannot make learners deeply understand and the teaching equipment is very expensive. As a result， learners have little experience and cannot deal with explosion accidents quickly and correctly. In order to solve the problems， the teaching courseware of explosion accident simulation of oil-immersed transformer based on 3DSMAX， Premiere and PowerPoint software was developed. This courseware uses 3DSMAX to model the transformer and its surrounding environment. Premiere combines materials and audio into teaching video and PowerPoint software into final courseware. This courseware can make learners feel the operation of transformers， deepening the understanding of transformers， kindling their ardour， and cut the expenses in manual teaching.

Key Words： 3DSMAX； Premiere；transformer；three-dimensional animation； teaching courseware

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)中不可或缺的設備。如今高校變壓器教學多采用文字或PPT形式進行講解，該教學模式不僅形式單一，且內容枯燥、難以理解，而且由于變壓器是一種十分復雜的裝置，僅采用配圖很難表現出其復雜結構。同時，學校也不會為了教學而購買大量昂貴的變壓器，所以學生對變壓器的印象通常僅停留在文字與圖片層面，難以獲得對變壓器的全方位了解，更無法掌握應對與處理變壓器爆炸這種極具危險性事故的方法。

目前，已有一些文獻對變壓器爆炸事故原因進行了分析。端木林楠等[1]對某220KV變壓站35KV站用變壓器爆炸事故進行研究，其數據計算嚴謹，對事故原因提出了可靠見解，但其研究過程多用二維圖形符號表示，不夠直觀；趙志英等[2]對變壓器內部放電引起的爆炸事故進行分析，并提出增加保護元件的對策，以降低爆炸風險，但是依舊不夠直觀；時香麗[3]介紹一起俄羅斯薩彥變壓器爆炸事故，并收集了大量資料進行分析，但對事故的分析依舊停留在文字描述層面。

目前尚無人采用三維動畫模擬變壓器爆炸事故，因此本文對三維動畫展開研究，并制作了一個易于理解、直觀性強的講解課件。教學部分包括變壓器結構原理展示及三維動畫兩部分。學生通過學習變壓器結構原理，可對變壓器有一個直觀了解，并通過三維動畫對變壓器事故產生原因及解決方法進行詳細說明。

1 課件總體設計

1.1 課件內容設計

本課件取材于6.18西安變電站爆炸事故。事故發(fā)生于2016年6月18日凌晨，在西安南部某變電站突然發(fā)生爆炸，導致西安電子工廠損失約數百億元人民幣。事故現場如圖1、圖2所示。

受到損壞的變壓器型號為SFPZ11-240000/330。事故原因為：35KV電纜中段爆炸，導致站用交流電源中斷，蓄電池直流供電發(fā)生故障，變壓器連續(xù)承受短路電流，超過變壓器熱穩(wěn)定極限，致使變壓器著火燒損。

教學視頻可對變壓器因高溫或短路而引發(fā)燃燒及爆炸的事故過程進行模擬。具體過程為：變壓器某部分溫度升高，溫度超過變壓器油著火點，產生可燃性氣體，油箱內壓力迅速上升，遇到火花即會發(fā)生燃燒或爆炸，導致變壓器外殼破裂，噴油著火。變壓器著火時，必須迅速果斷、爭分奪秒地加以處理。處理人員在確認變壓器事故后，應馬上將變壓器從系統(tǒng)中分離，即斷開變壓器輸電開關，然后使用1211泡沫滅火劑或干粉滅火劑等不導電滅火劑盡快將火撲滅。

1.2 功能需求分析

油浸式變壓器爆炸事故三維動畫課件主要應用于學校電力系統(tǒng)教學，其利用虛擬仿真直觀、形象的優(yōu)點，能夠將理論知識轉變?yōu)橹庇^的動態(tài)畫面，從而降低理論難度[4-6]。課件需要制作變壓器結構、變壓器爆炸事故過程、變壓器爆炸事故處理3部分的三維動畫講解內容。

（1）結構原理展示。課件包括整體結構展示、部件概述、參數介紹3部分。整體結構展示介紹油浸變壓器功能作用、主要參數及使用范圍；部件概述詳細說明油浸變壓器各個部件，包括鐵芯、繞組、引線、油枕、氣體繼電器、套管等，并介紹具體部件功能與參數；參數介紹詳細說明變壓器的容量比、電壓比與調壓方式等。

（2）三維視頻動畫教學。經過結構原理展示，在學生初步了解變壓器基本結構后，課件將演示變壓器持續(xù)承受短路電流，超過變壓器熱穩(wěn)極限爆炸的三維動畫，以及后續(xù)事故處理操作步驟。

1.3 技術路線

油浸變壓器爆炸事故三維動畫課件主要采用3DSMAX進行場景與變壓器設備建模工作，建模中要盡量減少模型面數，以減輕硬件負擔[7-12]；采用PS軟件對圖片進行處理，包括摳圖、修補和斜切，保存為PNG格式；精簡模型并貼圖之后，制作模型動畫視頻并加上真實音效，然后在視頻播放中配上對各過程及操作步驟的詳細講解，輸出為AVI格式；最后將視頻和圖片一起導入PPT中。課件總體設計路線如圖3所示。

2 仿真技術研究

2.1 三維建模

模型制作是本課件制作中最關鍵的步驟，根據真實變壓器照片以及一些詳細資料，采用3DSMAX制作變壓器三維模型，如散熱器、高低壓套管、疊片鐵芯等。建模時需盡量模擬真實場景，各部分位置也應與實際位置相同。制作場景模型時需盡量減少模型面數量與分段數量，以釋放電腦資源、減少卡頓情況，使運行更加流暢。

變壓器儲油柜制作方法為：首先創(chuàng)建一個厚度適中的圓柱體，右鍵點擊圓柱體轉換為可編輯的多邊形，按下數字鍵4，選中一邊的圓面，點擊擠出設置，在高度中設置為0.00m，按下R鍵，對圓面進行適當縮放，選擇縮放后的圓面，點擊擠出設置，擠出后依然選中擠出的面，按下R鍵再次縮放并擠出，對此次擠出的面選擇局部法線擠出即可（見圖4），對照效果見圖5；變壓器主體采用長方體進行制作，首先將長方體轉化成可編輯的多邊形，在合適的位置用邊命令選中，然后選擇連接命令加線得面，對面進行擠出操作（見圖6），對照效果見圖7；變壓器線圈可用樣條線中的螺旋線對其進行渲染，調整厚度并賦予金屬材質；變壓器絕緣紙可以用樣條線中的圓對其進行擠出操作，注意要取消封口的兩個選項，否則會出現實心效果。當一部分完成后，最好馬上選中面上光滑組，可使模型看起來更具有金屬感（見圖8）；高壓套管底可以采用一個圓柱進行制作，通過在底部加線進行法線擠出，低壓套管可以由高壓套管等比例縮放得到。另外變壓器有很多相同部分，只需制作一個，然后利用鏡像命令或shift+移動命令進行復制即可。

最后，貼圖也非常重要，它能使模型看起來更加真實。采用PS處理照片，利用鋼筆工具摳圖，調出標尺，選擇圖片變形對話框，右鍵選擇斜切，慢慢拉正拉直，最后保存貼圖格式為PNG。選擇模型面進行貼圖，有時貼圖無法很好地對應模型形狀，則需要對貼圖執(zhí)行UVW命令，對其進行移動、縮放以及旋轉角度等操作[13-16]。變壓器鐵芯模型為金屬材質，金屬能反射光，所以模型表面應該有高光。因此，從漫反射選擇金屬貼圖，將高光級別調高，并將光澤度適當降低，以產生更加真實的效果。圖9為制作的變壓器模型，經優(yōu)化及貼圖之后，采用3DSMAX進行渲染。變電所場景見圖10。

2.2 渲染

在長時間建模后，最后一步即是渲染。在一個場景中添加材質、燈光、特效后，在視口中并不能觀察到添加的元素效果，需要對場景進行最終渲染才能表現出燈光材質特效。渲染作為整個流程制作的最后一步，用來對場景中的各種效果進行輸出[17-18]。常用渲染器有默認掃描線渲染、Brazil巴西渲染器、mental ray渲染以及VRay渲染（見表1）。

由以上特點可以看出，VRay在保證畫面質量的前提下速度較快，所以本文選擇該方式對模型進行渲染。VRay插件安裝完畢后，在模型場景中加入一個物理攝像機，并調整好角度。由于變壓器位于室外，所以加入太陽光照，調整intensity multiplier為0.25。在渲染設置中勾選image filter 抗鋸齒選項，并使用VRay Adv產品級渲染模式進行渲染，多次渲染輸出圖片序列[19]。

2.3 動畫合成

運行Premiere軟件，創(chuàng)建一個新項目，點擊導入按鈕，選擇圖片并勾選圖像序列，直到所有圖像導入完畢；在軟件左下角選中素材文件，將素材拖入時間軸窗口視頻軌道中，在監(jiān)視器功能欄單擊播放按鈕；根據教學腳本對視頻進行配音，并根據配音內容為視頻下部加入大小適中的字幕；點擊字幕選項，在新建字幕中點擊默認靜態(tài)字幕，然后單擊文字編輯圖標，在畫面中單擊需要添加字幕的位置，再在右側字幕屬性中選擇字體，關閉字幕功能框，輸入相應字幕并保存，將字幕拖入視頻序列中；為使視頻看起來更加逼真，在軌道部分加入音頻素材，依據素材可在視頻軌道中加上合適的圖片和序列；使用視頻切換按鈕使播放畫面具備連續(xù)預演功能，可以隨時看到修改的畫面并對其進行重復修改[20]；在輸出設置中勾選導出視頻與導出音頻，選擇最高渲染質量，點擊輸出為AVI格式。視頻播放效果如圖11-圖14所示。

3 合成課件

在以上幾部分內容完成后，將圖片與視頻導入PPT中以觀看最終效果。運行PowerPoint軟件，插入圖片并調整圖片大??；然后點擊插入視頻，插入Windows video file 下的AVI格式；點擊播放按鈕即可播放，過程中可隨時暫停并控制聲音大小。課件展示如圖15所示。

3 結語

本文制作的油浸式變壓器爆炸事故三維動畫課件，與使用二維圖形符號的事故仿真模型相比，可更加真實地展示變壓器結構及變壓器事故過程，彌補了其它事故仿真僅注重理論計算，而不注重可視化仿真的空白，從而達到更好的教學效果。通過3DSMAX、Premiere和PowerPoint軟件，采用三維建模、動畫合成等技術，使原本枯燥的理論講解變成可視化教學。本課件可以隨時隨地觀看，不受時間地點限制，從而降低了教學成本，并能有效激發(fā)學生學習熱情，增強學生實踐能力，在實踐中也能起到一定警示作用。

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（責任編輯：黃 ?。?/p>