油浸變壓器可視化教學(xué)課件開發(fā)

王大虎 孫存遠(yuǎn) 張孟軍 白帆 杜猛

摘? 要： 針對電力系統(tǒng)中油浸變壓器理論教學(xué)過于抽象、圖片演示缺乏對設(shè)備工作過程的清晰認(rèn)識、學(xué)生很難進(jìn)入變電站學(xué)習(xí)的問題，制作了油浸變壓器可視化教學(xué)課件。使用3DSMAX建立變壓器模型，PS編輯變壓器的材質(zhì)，Premiere制作變壓器教學(xué)視頻，After Effects為視頻添加特效，最終導(dǎo)入PowerPoint 完成教學(xué)課件。課件包括變壓器結(jié)構(gòu)展示、三維動畫教學(xué)和理論計(jì)算三部分。將課件應(yīng)用到課堂后，采用調(diào)查問卷和筆試，對學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評估。結(jié)果表明，本課件激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞： 變壓器; 可視化; 教學(xué); 課件

中圖分類號：G434? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2018）12-49-05

Abstract： Aiming at the problems of too abstract oil-immersed transformer theory teaching in power system， lack of clear understanding of equipment working process and difficulty for students to study in substation， the oil-immersed transformer visual teaching courseware is made. 3DSMAX is used to build the transformer model， PS to edit the transformer's material， Premiere to make the transformer teaching video and After Effects to add special effects for video， and finally the result is imported to PowerPoint to complete the teaching courseware. Courseware includes three parts： transformer structure display， 3d animation teaching and theoretical calculation. After the courseware is applied to the classroom， questionnaires and written tests are used to evaluate the students' performance. The result shows that this courseware inspires the enthusiasm of learning and the teaching effect is good.

Key words： transformer; visualization; teaching; courseware

0 引言

油浸變壓器廣泛用于發(fā)電廠和變電站，是供配電系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備。變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，以電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)升壓降壓的功能。電壓的升高可以減少線路的損耗，電壓的降低可以滿足用戶的需求。變壓器如果出現(xiàn)問題，會產(chǎn)生一級或者二級負(fù)荷，造成人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，油浸變壓器的教學(xué)被列為電氣工程專業(yè)中的重要內(nèi)容。

目前，高校對變壓器的教學(xué)多采用理論教學(xué)，以PPT配圖作為輔助。變壓器的知識點(diǎn)多且復(fù)雜，課堂教學(xué)枯燥難懂，導(dǎo)致學(xué)生課堂效率低。實(shí)地講解是解決問題的最好方法，學(xué)生可以看到變壓器的細(xì)節(jié)，弄懂變壓器的運(yùn)行方式及部件的具體作用。但是往往不可行，有以下原因：①需要大量人員保證學(xué)生的安全;②需要不斷與變電站協(xié)商;③訪問次數(shù)和時間難以滿足學(xué)生需求;④實(shí)驗(yàn)室無法大量購買變壓器設(shè)備[1]。

文獻(xiàn)[1]使用MATLAB軟件對變壓器縱差保護(hù)進(jìn)行仿真教學(xué)，演示了保護(hù)動作過程，提高了教學(xué)質(zhì)量;文獻(xiàn)[2]使用PSCAD/EMTDC軟件建立了變壓器模型，演示了空載合閘和短路現(xiàn)象，啟發(fā)了學(xué)生的思維;文獻(xiàn)[3]使用分層流水線的建模方法，提高了故障診斷效率。但是以上教學(xué)研究都采用圖形符號的教學(xué)方法，缺乏對設(shè)備組成的講解，不利于學(xué)生理解[5]。

使用可視化教學(xué)有以下優(yōu)點(diǎn)：①技術(shù)新穎，容易吸引學(xué)生注意力;②能更加清晰描述設(shè)備的特性;③電子課件方便攜帶，學(xué)生能以自己的節(jié)奏學(xué)習(xí)課程;④允許學(xué)生講課，鼓勵學(xué)生積極參與[6]。可視化的教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)更加直觀，容易激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生更好的掌握知識[7]。

1 課件總體設(shè)計(jì)

1.1 課程目標(biāo)

按照電力系統(tǒng)教學(xué)要求，課程有四個要求：①能分辨變壓器的主要部件，包括內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu);②將變壓器設(shè)備與理論知識聯(lián)系起來;③了解變壓器在電力系統(tǒng)中的作用;④熟悉變壓器的分接開關(guān)。

1.2 功能需求分析

油浸變壓器可視化教學(xué)課件應(yīng)用于高校電氣工程專業(yè)的教學(xué)，利用可視化降低學(xué)習(xí)理論知識的難度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高課堂效率。為了達(dá)到課程目標(biāo)，課件要實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)外部的仿真教學(xué)功能，建模的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 開發(fā)路線（圖2）

依照現(xiàn)場照片，使用3DSMAX建立變壓器、斷路器、隔離開關(guān)和場景模型，模型在達(dá)到一定精度之后，優(yōu)化模型的面數(shù)以釋放電腦資源。同時，在PS中處理設(shè)備的貼圖，補(bǔ)充模型的細(xì)節(jié)，以及處理照片模糊和高光部分，避免影響效果。將渲染后的序列圖導(dǎo)入到Premiere中，為視頻配音和添加字幕，輸出視頻。接著將視頻導(dǎo)入After Effects軟件中進(jìn)行特效制作和后期合成，以提升視頻的觀看體驗(yàn)[8]。

2 課件關(guān)鍵組成部分

2.1 變壓器理論部分

教師需要從高中電磁感應(yīng)原理中進(jìn)行擴(kuò)展，引出變壓器的工作原理，將變壓器的結(jié)構(gòu)分為各個小部件，逐個講解，推導(dǎo)重要關(guān)系式。

電能轉(zhuǎn)換最重要的部件是鐵芯和繞組。多層硅鋼片構(gòu)成了鐵芯，鐵芯為磁路的形成提供了條件。繞組是由銅線纏繞而成，以電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電壓等級的改變。低壓繞組在高壓繞組的內(nèi)部，低壓套管與初級繞組相連，使電能輸入，高壓套管與次級繞組相連，使電能輸出。

變壓器有五個重要參數(shù)：電阻RT、電抗XT、電導(dǎo)GT、電納BT以及變比kT，可從變壓器銘牌上的數(shù)據(jù)得出。電氣特性是指短路損耗ΔPS、短路電壓VS%、空載損耗ΔP0和空載電流I0%[9]。在短路試驗(yàn)中，鐵損較小可以忽略，此時的損耗主要的銅損，有：

2.2 仿真關(guān)鍵部分

2.2.1 模型建立

油浸變壓器分為器身和油箱兩部分，模型的制作主要使用3DSMAX中標(biāo)準(zhǔn)幾何體面板上三維圖形的創(chuàng)建、轉(zhuǎn)變成可編輯多邊形、布爾運(yùn)算，以及NUMBS轉(zhuǎn)換命令。比如，在變壓器油箱的制作過程中，創(chuàng)建一個圓柱體后，通過轉(zhuǎn)變成可編輯多邊形，確定圓柱的比例進(jìn)行縮放，對于油箱頂部的管道可以用樣條線做出，然后選中點(diǎn)執(zhí)行圓角命令，選中重合的點(diǎn)進(jìn)行焊接，勾選在渲染中啟用并在視口中啟用框后，樣條線就具有管道的效果。再如，在高壓套管的制作過程中，對圓柱使用擠出命令，再對面進(jìn)行操作。對于復(fù)雜的細(xì)節(jié)部分，可用另一個模型附加得到，不必做成一體。制作完畢后，需要反復(fù)檢查模型的細(xì)節(jié)，修改模型的比例，盡量做到與實(shí)物相同[10]。

2.2.2 模型貼圖

貼圖是能夠反映物體表面材質(zhì)的紋理。對模型進(jìn)行貼圖可以很容易表現(xiàn)模型的特征和細(xì)節(jié)，省下了大量的時間。使用貼圖的前提是圖片足夠清晰，有時在現(xiàn)場拍攝的照片質(zhì)量會因光照、拍攝角度等因素受到影響，這部分照片需要經(jīng)過PS修復(fù)才能使用，完成后的模型如圖3所示。

3 可視化教學(xué)實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過V-Ray渲染后，將序列圖導(dǎo)入Premiere中，并制作配音和字幕。教學(xué)動畫包括片頭介紹動畫、工作原理動畫、部件介紹動畫等，如圖4所示。

⑴ 變壓器簡介動畫。動畫主要介紹變壓器的作用以及如何與隔離開關(guān)和斷路器相互配合完成輸電任務(wù)。通過改變不同攝像機(jī)的視口和運(yùn)動方向，將變電站的設(shè)備表現(xiàn)出來，動畫一共350幀，在不同關(guān)鍵幀切換攝像機(jī)鏡頭。

⑵ 變壓器部件介紹。將不同的部件進(jìn)行拆分，分別講解該部件在變壓器中的作用。動畫一共300幀，對變壓器周圍設(shè)計(jì)攝像機(jī)軌跡，在不同的關(guān)鍵幀設(shè)置攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。

⑶ 變壓器原理講解。利用剖面圖直觀的特點(diǎn)，介紹變壓器電磁感應(yīng)原理。攝像機(jī)隨切面移動而移動，動畫一共150幀。

4 合成課件

將文字、圖片及視頻導(dǎo)入PPT中，完成課件。展示效果如圖5所示。

5 課件效果測試

將本課件應(yīng)用到教學(xué)后，采用調(diào)查問卷、書面反饋和測試成績評價學(xué)習(xí)效果，本次選擇電氣學(xué)院4班30人作為測試對象，電氣5班30人則進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)。

在課程結(jié)束后，收集4班學(xué)生的評價、課件的優(yōu)缺點(diǎn)以及改進(jìn)的建議，如表1所示。

調(diào)查問卷表明，將可視化應(yīng)用到變壓器的教學(xué)有利于學(xué)習(xí)，模型的真實(shí)感被大多數(shù)學(xué)生所認(rèn)同，學(xué)生也愿意繼續(xù)進(jìn)行可視化學(xué)習(xí)。

在30份評價中，21名學(xué)生認(rèn)為該課件促進(jìn)了學(xué)習(xí)，3名學(xué)生認(rèn)為本課件課程太難，2名學(xué)生不太滿意，原因是擔(dān)心占用課后時間，4名學(xué)生希望視頻能夠設(shè)計(jì)更多設(shè)備內(nèi)部細(xì)節(jié)。

課程結(jié)束后，比較4班與5班的測試成績，如圖6。電氣4班的平均分為88分，電氣5班的平均分為75分。通過本課件的學(xué)習(xí)，很多學(xué)生取得了優(yōu)異成績，不及格的學(xué)生明顯減少了。

6 結(jié)束語

將可視化融入到教育，使學(xué)習(xí)更加易懂、主動和有趣。本文論證了可視化在變壓器教學(xué)方面的應(yīng)用，取得的成果有：解決了變壓器教學(xué)理論抽象的問題;展示實(shí)際設(shè)備的工作過程;設(shè)計(jì)了一種快速、簡便的學(xué)習(xí)方法。通過調(diào)查問卷、書面反饋以及考試成績來測試課件的有效性。測試結(jié)果表明，將可視化與傳統(tǒng)課程相結(jié)合，設(shè)備直觀可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，幫助學(xué)生更好地將理論與實(shí)際結(jié)合在一起。今后對該課件的改進(jìn)包括：增加變壓器內(nèi)部的細(xì)節(jié)，模擬變壓器設(shè)備故障。

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