基于500kV變壓器的3D仿真設計研究

摘要：依托500kV變壓器，采用當前主流的3D模型搭建技術，將當前電力系統500kV變壓器進行高精度的3D還原，并對其模型設計、部件構建、巡視應用以及考核模塊等各項功能進行了直觀展現，為超高壓電網500kV變壓器的檢修、培訓工作提供可靠的3D仿真平臺。

關鍵詞：500kV變壓器；3D仿真；模型；培訓

中圖分類號：TM402 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0243-02

電力系統是國民經濟穩步發展的基石。在電力系統中，變壓器是電能輸送與電壓變換的核心部件，尤其是在構成整個國家電力網絡主網架的500kV電網中，500kV變壓器更是起到樞紐作用，具有重要意義。同時，隨著社會電力需求逐年遞增、超高壓主網架不斷加快發展的步伐，電力行業對500kV變壓器的檢修、培訓工作也是一直作為重點突破口，不斷進行探索創新。但由于變壓器結構的復雜性、內部構件的隱蔽性，在實際工作中變壓器的相關環節目前仍以圖片描述、現場教授、零件拆解為主要手段，這些方式或浮于表面，或浪費人力、財力，不夠全面、準確，沒有進行由內到外的通透分析，深入不下去。

為解決此問題，本文將詳細闡述500kV變壓器3D仿真的構建設計和具體實現，將現場設備高精度重建，實現500kV變壓器的3D仿真。

一、3D仿真設計的背景

3D仿真或者說三維數字化技術是基于電腦、網絡及數字化平臺的現代工具性基礎共用技術，隨著近些年來科學技術尤其是電腦技術的快速發展，3D技術的成熟度、完善度、易用性、人性化、經濟性等都已經取得了巨大的突破，利用3D技術建立直觀化的專業模型逐漸成為信息化社會的主流應用。

目前的電力系統中，基于變電站500kV變壓器實物的3D模型還未曾得到開發應用。這就導致在生產實際中針對500kV變壓器的檢修、培訓、教學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、實物拆解上，耗時耗力，且是長時間持續性的投入，用實物備品進行拆解培訓的經濟代價還較高，得到的效果與經濟性往往不盡如人意。同時，在設備現場的電力培訓雖然直觀形象，但由于電力行業特有的觸電危險性，特別是500kV電網要求的安全距離更為嚴格，在變電站內現場培訓往往有較高風險，且設備是帶電運行，只能看到表面而看不到內部，無法動手操作，培訓成效通常是差強人意。

采用3D仿真技術，以變電站設備區內的實物為基準，等比例搭建變壓器仿真模型，將變壓器的本體、結構件、附件、內部鐵芯、繞組等一一還原，拓展進行原理解惑、巡視檢修、實時考核，實現500kV變壓器的360度全方位無死角觀測，為電力行業的檢修、培訓及相關應用能夠帶來極大的方便。

二、仿真模型的設計實現

1.3D場景及設備模型基本框架的構建

3D模型質量的好壞直接關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、設備四大類。其中設備是最復雜的，因為設備的組成部件都是不規則的。本文設計的變壓器就屬于設備一類，結構復雜，需要的空間多，構造零部件多，需要海量的數據支撐。

三維模型的搭建遵循規范性、真實性和簡化性原則。規范性主要體現在骨架、節點、紋理貼圖等方面。真實性要求模型來源于實物，不能為簡化工作量而導致失真走形。可視化建模的簡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較豐富的場景內容。本文研究設計的500kV變壓器復雜程度較高，對這三項特別是規范性的要求較高。

2.本體、主要結構件、內部結構全方位的3D設計

本文設計的變壓器以目前超高壓電網500kV變電站普遍應用的ODFS-250000/500 型變壓器為實物樣本，主要結構件包括500kV高壓套管、220kV中壓套管、35kV低壓套管、中性點套管、儲油柜、冷卻器、無載調壓開關、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，然后將主要結構件及外部附件以本體箱蓋為基礎骨架一一添加。在高、中、低以及中性點套管的3D仿真中，注重把握瓷裙的形狀，套管的底部要加上末屏，套管內部導電桿要在變壓器本體內延伸出一部分，以便與繞組線圈抽頭相連。在本模型儲油柜的設計中，內部采用膠囊式結構，要與外延的呼吸器連通，外部設計有指針式油位表。本型號變壓器冷卻器安裝在本體兩側，冷卻器底部裝有風扇，由于冷卻器內部需要導通變壓器油進行冷卻，在3D模型制作中要考慮到內部連通性。由于無載調壓開關在變壓器的內外部均占據一定空間，所以在建模中要特別注重內外兩部分的聯動統一，且內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，仿真設計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均填充變壓器油，由于變壓器油為無色液體，在設計中可采用保證模型效果的特效顏色，但需在標注中點明。變壓器內部鐵芯、鐵軛、繞組采用單相三柱式，繞組各電壓等級引線抽頭與各套管底部導電桿相連。

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

3.原理部分的設計

原理部分主要設計兩個模塊，一個是變壓器工作原理，一個是變壓器冷卻原理。兩部分的表現形式均為3D動畫模型。

變壓器是利用電磁感應原理從一個電路向另一個電路傳遞電能或傳輸信號的電器。[2]本文中設計的是降壓變壓器，且是單相自耦式，原理展示是在3D仿真模型的基礎上，所以需將500kV單相交流電通過高壓套管進入變壓器，鐵芯、繞組上動態顯示“電磁感應原理”，在中、低壓套管中引出中、低壓交流電，在字幕區內配上相關文字說明，同時語音說明要與整個動畫展示過程同步進行。

變壓器冷卻原理的展示主要集中在變壓器油的流動和冷卻器底部風扇的動作上。模型設計中，原理展示以變壓器油的動作為路線，變壓器油從上部油路連接管進入散熱片，從上到下流過散熱片進行散熱，然后變壓器油通過下部油路連接管進入本體，冷卻鐵芯和繞組，再加上底部風扇的轉動，把這個過程進行動畫循環演示，在字幕區內配上相關文字說明，同時語音說明要與整個動畫展示過程同步進行。

4.設備巡視要點展示設計

此項設計的要點集中在將變壓器3D仿真模型還原到生產實際中，把現場工作中進行巡視的重點環節提煉出來，巡視到哪一部分就在仿真模型上單獨顯現出哪一部分，將巡視要點進行一一剖析。

本文中主要設計以下幾項：檢查高、中、低、中性點套管瓷質部分是否清潔，有無破損裂紋和放電現象及放電痕跡；儲油柜油位是否正常；主變油路連接管、外殼各閥門有無滲油、漏油現象；主變油溫、繞組溫度應指示正常；壓力釋放閥完好無損；風扇運轉正常，無電機燒壞和震動過大現象；瓦斯繼電器看窗清潔，內部無氣體并充滿油，油色透明；呼吸器中的硅膠顆粒無變色受潮現象；主變無載調壓裝置電氣元件及機械傳動部件無異常，現場調壓分頭指示位置正確等。

5.3D模型考核版塊設計

3D仿真平臺設計中還包涵3D考核系統，在模型考核的系統環境中設有兩個版塊：一個是變壓器部件認知考核，在該版塊下以變壓器3D模型為主體，包括本體、主要結構件、附件、內部結構在內，模型中設計的所有部件均在考核范圍內，且以3D方式呈現，全面檢驗學習人員對所學部件的認知掌握能力；另一個版塊是理論知識考核，題庫內容涵蓋變壓器基礎理論、部件檢修、運行維護等方面，系統考查學習效果。所有的考核均實現電子閱卷打分，考后還可以查詢自己的得分點與失分點，便于查找錯誤，補足短板。

三、變壓器3D仿真設計的創新點

1.3D模型仿真，實現高精度還原，方式獨特新穎，效果好

以實物構建的3D模型能夠使人感覺就是在現實的工作環境中，變壓器各部件觸手可及，立體感強，具有強烈的視覺效果，同時改變傳統的單向灌輸式培訓，創建互動體驗式。在3D模型中，變壓器不再是平面抽象的，而是立體的、具象的、互動的、可360度全方位觀測的、可從內到外全結構觀察學習的。變壓器的全部構造在模型中一覽無余，這極大地加深了學員在腦海中對變壓器組成結構的印象，強化了學習效果。同時，在3D仿真模型的基礎上延伸設計了工作原理、巡視要點、認知考核這三個版塊，以3D動畫方式展現原理，以3D視角開展檢修巡視工作，以3D模型進行考核，拓展了仿真的應用，提高了學習和培訓效率。

2.利用電腦進行虛擬仿真，節省人、財、物，成本降低，安全性得到提高

利用虛擬現實技術設計出變壓器仿真系統，只需要在電腦上安裝變壓器仿真平臺，簡單方便，場地無須限制在大型教室，方式不再局限于課堂培訓，原理分析不再停留在枯燥的書本，考核不再需要印刷監考，并可對高成本、結構復雜的零部件進行不斷拆解、反復演練，可在保證培訓效果的前提下節省場地、人員、設備、備品等硬件投資，兼顧低成本與高效率。

同時，學習人員通過在電腦上操作就可以進行學習、訓練、拆解和考核，將學員從變電站現場解放出來，既遠離帶電場所又避免了操作實際設備的事故發生，降低了危險度，保證了培訓工作的安全穩定。

3.設計出一套標準化、系統化、規范化的變壓器3D培訓系統

當前，企業技能培訓的幾種方式上都存在較大的弊端。“師帶徒”局限性較大，效果因人而異，且不能形成標準化；短期培訓班形式受場地、人力因素影響較大，不能形成規模化；廠家指導式較多的以產品使用手冊或安裝過程中的技術人員指導為主，形式隨意不規范。

變壓器3D仿真模型的設計嚴格按照實物標準、產品說明書、施工圖紙以及相關的規范守則進行，創建出一個標準、系統、規范的仿真培訓平臺，不會出現前后不一、自相矛盾的狀況，提高了培訓的一致性和系統化。

四、結論

該課題結合當前最先進的3D技術，與電力技能實訓相結合，設計和開發了超高壓主干網500kV變壓器的3D仿真平臺，分別就設計背景、具體實現、功能特點和設計創新點進行了卓有成效的探討，創造性設計出500kV變壓器三維仿真平臺，很好地克服了平面圖、原理圖、現場講授等現有簡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，最終形成了標準化3D培訓系統，做到經濟性和安全性統一。

該項目的成果不僅可以作為500kV變壓器檢修培訓的應用，而且可以為其他電壓等級相關設備的檢修消缺工作提供重要的參考，可有效提高員工對變壓器各方面知識的掌握能力，具有廣闊的應用前景。該模型經過新學員培訓、檢修巡視要點分析、故障應急搶修等實際測試，實踐證明該500kV變壓器3D仿真從技術上和實際應用上都是成功的。

參考文獻：

[1]電力行業職業技能鑒定指導中心.變壓器檢修[M].第二版.北京：中國電力出版社，2009.

[2]邱關源.電路[M].4版.北京：高等教育出版社，1999.

（責任編輯：王祝萍）