超高壓電網500kV斷路器3D仿真模型的研制設計

劉況?李龍?呂婷婷?曹衛兵

摘要：超高壓電網500kV斷路器的技術工藝、檢修方式不斷進步，但受限于目前的仿真平臺，相關3D模型一直未能得到設計研發，對培訓、檢修、學習等各方面都帶來了諸多不便，建立模型成為當務之急。通過對500kV斷路器3D模型的設計、研制、改進、功能延伸等方面進行詳細論述，將斷路器的整體結構以及各個關鍵部件，如滅弧室、操動機構的結構、工作原理和裝配過程等各方面進行全方位展示。

關鍵詞：斷路器；3D模型；仿真

作者簡介：劉況（1986-），男，山東濟南人，國網山東省電力公司檢修公司，助理工程師；李龍（1964-），男，山東淄博人，國網山東省電力公司檢修公司，高級工程師。（山東 濟南 250000）

中圖分類號：TM56 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0257-02

對于電力系統尤其是目前大力發展的智能電網、智能化變電站而言，斷路器是開斷故障電流、切除故障的核心設備，因此，對其開展3D仿真模型的研制工作十分必要。而在目前的電力系統設備3D模型中，對500kV斷路器的設計開發工作一直都是空白，從而給相關檢修和培訓工作帶來了較大困難。針對這種狀況，本文從500kV斷路器3D模型的設計研制出發，系統闡述了模型研究工作的各個方面，創新了模型構建方式，將各個組成部件、工作原理、裝配展示加上教學考核有機整合在一起，實現了500kV斷路器模型的3D全方位展現。

一、斷路器模型總體設計思路

斷路器3D模型的初始設計是源于現場斷路器設備的真實比例、真實外觀等，通過計算機3D技術，將模型栩栩如生的展示出來。對于斷路器模型整體的設計，本文將其合理的分解為三個部分，分別是斷路器本體模型設計、斷路器機構箱模型設計、斷路器滅弧室模型設計。在此基礎上，輔以設備支架模型、斷口電容模型等配件模型共同組成了整個斷路器模型。

1.斷路器本體模型設計

在有了斷路器整體設計思路之后，接下來便是對整個斷路器模型的每一個細節進行認真制作和雕琢。斷路器本體模型為仿照真實斷路器設計，棕紅色的瓷瓶、兩節瓷瓶法蘭對接，下部連于設備支架，模型上配有壓力表、充氣閥門等更為精致的設計，整個斷路器本體模型便以3D模型的形式展示在電腦屏幕上。

2.斷路器機構箱模型設計

通過Maya、3dsMax、MultiGen Creator等程序建立的3D模型，能準確反映出現實世界真實般存在的事物，包括斷路器內部的基本結構和組成部件，如斷路器機構箱模型的設計就是采用了這一點，先利用實物正確制作出諸如分合閘摯子、凸輪盤、操動拐臂、拉桿、分合閘彈簧、分合閘線圈等細小而重要的部件模型，再將各種部件拼接起來形成統一的機構箱模型，在需要拆分時依然可以按部件進行拆分，方便快捷、易于查看，把復雜的斷路器機構箱如抽絲剝繭般的將每個部件及其位置闡述出來。這樣使受訓員工深入了解每個部分，學到現實中無法接觸的東西。虛擬現實技術為受訓員工創造出一種“真實”的學習和工作環境，既增加了受訓員工的學習興趣與效率，也避免了新手的操作失誤，同時大大降低了培訓成本。

3.斷路器滅弧室模型設計

斷路器滅弧室模型主要分為外部的瓷瓶，以及內部的動觸頭、靜觸頭等部件。由于需要對滅弧室的模擬設計進行更形象、更深層次的渲染，所以該模型運用了3D動態技術將3D模型進行動態處理，將分合閘狀態下動、靜觸頭、電弧、六氟化硫氣體等每一時刻發生的變化展示在計算機屏幕上，讓所有學員都能更加順利和從容的認知滅弧室的滅弧原理與設計構造。

3D仿真實訓平臺中的教學環節是按照電力公司規范的操作手冊設計出來的，可以創建一個完全標準化的虛擬教學系統，在這個虛擬教學系統里，無論是對設備結構、工作原理的學習，還是進行虛擬拆解、組裝和故障診斷、檢修，對于所有參訓學員而言，其培訓內容都是統一的、標準化的。

4.斷路器裝配模型設計

在3D仿真實訓平臺中還設計了3D裝配模型，裝配模型是按照真實的斷路器設備拆裝過程，在計算機中機型模擬，實現模型的拆裝功能。該設計旨在提高學員對斷路器設備的組裝、拆解能力。這些創造性的設計都能大幅度提高培訓效果，從而提高學員的實際工作技能。

二、斷路器3D仿真模型的具體實現

1.3D斷路器模型的選擇

本文設計的《500kV變斷路器設備3D仿真實訓平臺》，是根據變電站實際情況，結合設備動態，讓學員充分了解電氣設備的仿真平臺。該平臺設計了一所變電站實景，視覺效果采用計算機成像，可以生成高質量的三維立體的斷路器設備的實際樣貌，并能將設備拆解成各部件，包括外部構成和內部構建，以盡量真實的設備及配件樣貌展現出來。模擬范圍可實現從設備360度的全方位自由觀察。斷路器的選擇為在500kV變電站中常見的HPL550B2/4000-63型斷路器。

在模型中，斷路器相關的3D模型的尺寸都十分精確，外觀大致相同。相關的3D模型組件間的連接精細，表現出實際的各組件間的連接原理。另外，斷路器模型需滿足以下條件：一是該系統設計為單機版，可適用集中培訓，也可異地分散培訓；二是可以進行設備的3D展示，同時可讓學員虛擬操作；三是軟件系統本地加載，運行效率高，運行速度不低于30幀/秒；四是設計提示系統對員工訓練進行導引，使學習訓練易于上手，無須配備講師；五是設計評價系統（考核系統），對參訓員工每個實訓環節進行成績評定。

2.斷路器3D仿真設計

為了使斷路器3D仿真平臺可以流暢、無誤的運行，就需要按照仿真的功能和實訓的目標搭建合理的架構。對于功能方面而言，不僅包括斷路器的外觀展示、各部件的樣貌展示、滅弧室工作原理教學，還包括知識考核功能；對于培訓涉及的廣度而言，不僅包括斷路器的內部結構認識、各部件的作用及其構成，還包括斷路器的安裝和滅弧的動態展示。而這些所有的展示及功能都構建了一個系統性的整體架構。

3D仿真的關鍵不僅在于搭建了一個合理的架構體系，更體現在其規范性。由于真實的斷路器設備非常復雜，為保證3D仿真的規范性，就必須填充大量的資料和數據，從設備的比例、各部件的具體形態到模仿設備動作的準確性、設備安裝的步驟，都需要精雕細琢，從而達到在3D平臺準確反映出設備的外形、內部結構、工作原理等功能的目的。

（1）斷路器設備的3D設計。本文設計的斷路器以HPL550B2/4000-63型斷路器為藍本，著重設計、描述了其三大部分的具體樣貌，分別是斷路器本體外觀、機構箱內部結構及滅弧室內的構造。

在斷路器本體外觀中，以斷路器本體各部件連接入手，將機構箱、瓷瓶、斷口電容、六氟化硫壓力表、充氣閥門及滅弧室等部件反映于仿真平臺上；斷路器機構箱內部結構則充分展示箱內各部件的組成以及各部件的具體樣貌，包括操作盤、分合閘摯子、分合閘線圈、凸輪盤、操動拐臂、分合閘彈簧等，并將這些部件一一連接入機構箱，使之成為一個整體；滅弧室的內部結構的復雜程度與機構箱類似，有很多部件，包括靜觸頭、動觸頭、靜弧觸頭、動弧觸頭、動觸頭氣壓倉等。[1]

（2）斷路器裝配的3D設計。本文設計的3D仿真系統將設備吊裝的位置、組裝的方法、裝配的流程、環節及操作程序清晰直觀的輔以3D動畫展示出來，且通過3D技術實現多角度觀看組裝動畫的演示，從而實現學習和提高斷路器的裝配技能的目標。

（3）斷路器工作原理的3D設計。由于斷路器的運行和工作原理在實際工作中很難直觀了解，本文設計的3D仿真系統將通過3D畫面的優勢，模擬出實際的設備及部件，多角度、全視角動態展現出斷路器的運行原理，包括機構箱內分閘、合閘工作原理以及滅弧室滅弧原理，并配有運行原理的詳細解說，能夠全面清晰地展示出斷路器的運行和工作原理。

（4）斷路器巡檢的3D設計。斷路器的巡檢在實際工作中非常重要，是保障電力系統正常運行的關鍵。[2]本文實際的3D仿真系統將斷路器的巡檢方法和流程通過3D畫面展現出來，并對檢查瓷瓶破損等巡視要點加以說明和分析。

（5）斷路器的3D考核系統設計。本文設計的3D仿真平臺不僅針對開放性的培訓與學習，還設計了考核系統，分別包括理論考核、部件認知考核以及裝配考核，其中理論考核是對斷路器平時應知應會的理論知識進行考核，系統設有海量題庫，每次考核都會從題庫中隨機選擇定量考題，以考量學習人員知識掌握的全面性；部件認知考核是將斷路器的主要部件通過3D模型在系統中用動畫展示出來，讓學習人員進行辨認，并正確作答，從而考核學員對設備部件的辨識能力；裝配考核是要求學習人員自行按規程裝配，考察學員裝配的順序是否出錯，從而考查學員的設備組裝的理論能力。

三、斷路器3D仿真的技術特點

斷路器3D仿真的功能強大，具體包括以下幾個方面：

第一，在仿真3D場景和設備中，用戶如身臨其境，立體感強。系統通過3D建模，將變電站相關場景和設備完全仿真搭建出來，學員在學習和訓練時，就像在現實工作環境中一樣，立體感強，具有強烈的視覺沖擊，如身臨其境，體驗真實。

第二，突破傳統教學模式，將3D仿真與實際工作相結合，提高了培訓效率。傳統培訓模式大都是單向灌輸式的，而且往往通過教材或講座的形式進行教學，形式單調，學員興趣低，遺忘率高，效果一般。該系統將3D仿真與培訓完美結合起來，讓學員在仿真環境中對相關設備和部件認知、操作、拆裝、維護，通過動畫學習工作原理，形式新穎，內容豐富，學員興趣高，明顯提高了培訓效率。

第三，一次性投資，可多人反復使用，顯著降低了培訓成本。系統安裝簡單，操作方便，可安裝到任意一臺電腦上供員工操作訓練，無需將員工集中起來培訓，可以節約大筆培訓經費。系統實現了電力設備仿真模型，員工培訓時無需將實際的貴重設備用于訓練，可以節約大筆設備采購經費。

第四，設有考核功能，可以評價員工的成績，便于檢驗培訓效果。系統中的考核功能可以將員工的考評成績匯總，人事部門可以根據每個員工的考評成績評估培訓效果。

第五，系統預留升級端口，升級方便。系統預留升級端口和空間，可以較為方便的進行系統更新和新功能板塊的拓展，今后可隨時添加相關設備進行進一步的完善。

四、結束語

本文詳細闡述了500kV斷路器模型研究工作的各個方面，從3D模型的互動教學和互動考核環節兩個方面，對斷路器的各個組成部件、工作原理及裝配展示進行全方位展現。不僅讓學員全面清晰地學習、了解了斷路器的運行和工作原理，而且提高了他們的斷路器裝配技能。隨著檢修培訓工作的逐步深化，3D模型還要做到與之同步完善，不斷適應發展的要求。

參考文獻：

[1]電力行業職業技能鑒定指導中心.變電檢修[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]山東電力集團公司超高壓公司.變電運行與檢修[M].北京：中國電力出版社，2011.

（責任編輯：孫晴）