油浸變壓器可視化教學課件開發

王大虎 孫存遠 張孟軍 白帆 杜猛

摘? 要： 針對電力系統中油浸變壓器理論教學過于抽象、圖片演示缺乏對設備工作過程的清晰認識、學生很難進入變電站學習的問題，制作了油浸變壓器可視化教學課件。使用3DSMAX建立變壓器模型，PS編輯變壓器的材質，Premiere制作變壓器教學視頻，After Effects為視頻添加特效，最終導入PowerPoint 完成教學課件。課件包括變壓器結構展示、三維動畫教學和理論計算三部分。將課件應用到課堂后，采用調查問卷和筆試，對學生的表現進行評估。結果表明，本課件激發了學生的學習熱情，教學效果良好。

關鍵詞： 變壓器; 可視化; 教學; 課件

中圖分類號：G434? ? ? ? ? 文獻標志碼：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電廠和變電站，是供配電系統中必不可少的設備。變壓器是一種靜止的電氣設備，以電磁感應原理實現升壓降壓的功能。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。變壓器如果出現問題，會產生一級或者二級負荷，造成人身傷亡和經濟損失。因此，油浸變壓器的教學被列為電氣工程專業中的重要內容。

目前，高校對變壓器的教學多采用理論教學，以PPT配圖作為輔助。變壓器的知識點多且復雜，課堂教學枯燥難懂，導致學生課堂效率低。實地講解是解決問題的最好方法，學生可以看到變壓器的細節，弄懂變壓器的運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生的安全;②需要不斷與變電站協商;③訪問次數和時間難以滿足學生需求;④實驗室無法大量購買變壓器設備[1]。

文獻[1]使用MATLAB軟件對變壓器縱差保護進行仿真教學，演示了保護動作過程，提高了教學質量;文獻[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象，啟發了學生的思維;文獻[3]使用分層流水線的建模方法，提高了故障診斷效率。但是以上教學研究都采用圖形符號的教學方法，缺乏對設備組成的講解，不利于學生理解[5]。

使用可視化教學有以下優點：①技術新穎，容易吸引學生注意力;②能更加清晰描述設備的特性;③電子課件方便攜帶，學生能以自己的節奏學習課程;④允許學生講課，鼓勵學生積極參與[6]。可視化的教學比傳統教學更加直觀，容易激發學習熱情，使學生更好的掌握知識[7]。

1 課件總體設計

1.1 課程目標

按照電力系統教學要求，課程有四個要求：①能分辨變壓器的主要部件，包括內部和外部結構;②將變壓器設備與理論知識聯系起來;③了解變壓器在電力系統中的作用;④熟悉變壓器的分接開關。

1.2 功能需求分析

油浸變壓器可視化教學課件應用于高校電氣工程專業的教學，利用可視化降低學習理論知識的難度，激發學生的學習熱情，提高課堂效率。為了達到課程目標，課件要實現變壓器內外部的仿真教學功能，建模的主要結構如圖1所示。

1.3 開發路線（圖2）

依照現場照片，使用3DSMAX建立變壓器、斷路器、隔離開關和場景模型，模型在達到一定精度之后，優化模型的面數以釋放電腦資源。同時，在PS中處理設備的貼圖，補充模型的細節，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入到Premiere中，為視頻配音和添加字幕，輸出視頻。接著將視頻導入After Effects軟件中進行特效制作和后期合成，以提升視頻的觀看體驗[8]。

2 課件關鍵組成部分

2.1 變壓器理論部分

教師需要從高中電磁感應原理中進行擴展，引出變壓器的工作原理，將變壓器的結構分為各個小部件，逐個講解，推導重要關系式。

電能轉換最重要的部件是鐵芯和繞組。多層硅鋼片構成了鐵芯，鐵芯為磁路的形成提供了條件。繞組是由銅線纏繞而成，以電磁感應原理實現電壓等級的改變。低壓繞組在高壓繞組的內部，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：電阻RT、電抗XT、電導GT、電納BT以及變比kT，可從變壓器銘牌上的數據得出。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中標準幾何體面板上三維圖形的創建、轉變成可編輯多邊形、布爾運算，以及NUMBS轉換命令。比如，在變壓器油箱的制作過程中，創建一個圓柱體后，通過轉變成可編輯多邊形，確定圓柱的比例進行縮放，對于油箱頂部的管道可以用樣條線做出，然后選中點執行圓角命令，選中重合的點進行焊接，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，再對面進行操作。對于復雜的細節部分，可用另一個模型附加得到，不必做成一體。制作完畢后，需要反復檢查模型的細節，修改模型的比例，盡量做到與實物相同[10]。

2.2.2 模型貼圖

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

3 可視化教學實現

經過V-Ray渲染后，將序列圖導入Premiere中，并制作配音和字幕。教學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和斷路器相互配合完成輸電任務。通過改變不同攝像機的視口和運動方向，將變電站的設備表現出來，動畫一共350幀，在不同關鍵幀切換攝像機鏡頭。

⑵ 變壓器部件介紹。將不同的部件進行拆分，分別講解該部件在變壓器中的作用。動畫一共300幀，對變壓器周圍設計攝像機軌跡，在不同的關鍵幀設置攝像機的旋轉角度。

⑶ 變壓器原理講解。利用剖面圖直觀的特點，介紹變壓器電磁感應原理。攝像機隨切面移動而移動，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

將本課件應用到教學后，采用調查問卷、書面反饋和測試成績評價學習效果，本次選擇電氣學院4班30人作為測試對象，電氣5班30人則進行傳統教學。

在課程結束后，收集4班學生的評價、課件的優缺點以及改進的建議，如表1所示。

調查問卷表明，將可視化應用到變壓器的教學有利于學習，模型的真實感被大多數學生所認同，學生也愿意繼續進行可視化學習。

在30份評價中，21名學生認為該課件促進了學習，3名學生認為本課件課程太難，2名學生不太滿意，原因是擔心占用課后時間，4名學生希望視頻能夠設計更多設備內部細節。

課程結束后，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。通過本課件的學習，很多學生取得了優異成績，不及格的學生明顯減少了。

6 結束語

將可視化融入到教育，使學習更加易懂、主動和有趣。本文論證了可視化在變壓器教學方面的應用，取得的成果有：解決了變壓器教學理論抽象的問題;展示實際設備的工作過程;設計了一種快速、簡便的學習方法。通過調查問卷、書面反饋以及考試成績來測試課件的有效性。測試結果表明，將可視化與傳統課程相結合，設備直觀可激發學生的學習熱情，幫助學生更好地將理論與實際結合在一起。今后對該課件的改進包括：增加變壓器內部的細節，模擬變壓器設備故障。

參考文獻（References）：

[1] Barata， Pebertli Nils Alho， Manoel Ribeiro Filho， and Marcus V. Alves Nunes.Consolidating learning in power systems： virtual reality applied to the study of the operation of electric power transformers[J].IEEE Transactions on Education 58.4 （2015）：255-261

[2] 黃力，王身麗.MATLAB在電力變壓器縱差動保護原理教學中的應用[J].中國電力教育，2011.36：198-199

[3] 王琦.變壓器空載合閘和短路對比仿真教學[J].電氣電子教學學報，2015.37（2）：73-75，102

[4] 路光輝，姬波，龔東武.變壓器故障診斷的可視化模型[J].計算機工程與設計，2013.34（05）：1841-1845.

[5] 王大虎，盧正帥，賈倩.電磁流量計的三維可視化研究[J].實驗室研究與探索，2017.36（1）：104-107

[6] García， Andrés Ayala， et al. Virtual reality training system for maintenance and operation of high-voltage overhead power lines[J]. Virtual Reality 20.1 （2016）：27-40

[7] 耿建民.基于課堂教學的多媒體課件設計研究[J].中國電化教育，2011.6：85-88

[8] 王大虎，史艷楠，陳文博.基于3DMAX和Premiere的煤礦安全培訓系統[J].煤礦安全，2014.45（12）：230-232

[9] 劉天琪，邱曉燕.電力系統分析理論（第2版）[M].科學出版社，2011.

[10] 王大虎，高會爭，陳俠.精密壓力表標準裝置檢定仿真教學系統開發[J].實驗室研究與探索，2016.35（10）：85-89