虛擬現實技術在高壓斷路器仿真培訓中的應用

文/車玉秋 郭丹蕊 趙東輝 時存 王云霞

在現代高壓輸配電領域，SF6高壓斷路器是常用的主要設備。其具有控制正常負荷電流及短路電流開斷的作用，能夠通過快速滅弧來保證電網的安全、穩定運行，因此對電網的可靠運行起重要作用。與傳統斷路器相比，SF6斷路器具有滅弧功能強、工作氣壓低、循環能力好的優點，綜合能力及環境適應能力好，使其在運作功能上具有明顯的優勢。若SF6斷路器在電網運行過程中發生故障，會對電力系統的正常運行產生嚴重影響。

培訓是提高電力系統檢修人員素質及保證電力系統安全、穩定運行的重要手段之一。由于電力系統的特殊性，檢修人員很難使用實際運行的設備進行培訓，因此為保證檢修人員及設備的安全，提高檢修效率，開發與實際SF6斷路器結構相同的虛擬系統供檢修人員開展培訓具有重要的現實意義。

現階段，電力系統非實物檢修培訓方式普遍采用二維可視化技術。由于SF6斷路器結構復雜，圖片缺乏立體感與動態感，會降低檢修人員對設備結構的認識和理解。

檢修仿真系統是虛擬現實技術在教育培訓中的具體應用。與實物檢修系統相比，虛擬仿真系統具有以下特點：

（1）充分運用三維模型、圖片、文字、聲音等多媒體形式調動檢修培訓人員的積極性和主動性，提高培訓效果。

（2）降低硬件投入的同時豐富設備資源庫，便于設備升級換代。

（3）更為安全可靠。

（4）節省測試時間和試驗場地，提高檢修效率。

因此應用前景十分廣闊。

本文對基于3dmax建立的斷路器進行三維模型優化和算法分析，開發了基于VR（虛擬現實）技術的SF6斷路器檢修仿真培訓系統（以下簡稱“系統”）。該系統的開發實現了SF6斷路器的三維可視化展示，并包含設備結構拆解、工作原理展示、模擬檢修流程三個模塊供檢修人員學習。該系統運用在電力技能培訓中可減少因不熟悉設備結構導致的設備返廠檢修次數，節約檢修時間和成本，提高生產效率。也可降低對培訓設備場地的要求，同時提高檢修人員對設備的理解，提高業務水平。

1 系統構架

本系統通過虛擬現實（VR）技術實現，具有較強的沉浸感，配合使用HTC vive設備及立體音響，可以給檢修培訓人員身臨其境的實地操作體驗。本系統基于Unity3D軟件搭建虛擬平臺環境，使用C#及JavaScript語言進行程序編寫，并在Windows操作系統環境下運行。通過直接運行可執行程序，檢修培訓人員可以實現在不同設備上學習，不受場地和時間的制約。

本系統中的SF6斷路器采用河南平高集團生產的自能式LW35-252型號高壓斷路器，用于額定電壓252KV的電力系統中。由于SF6氣體的絕緣和滅弧特性，使其具有絕緣水平高、機械可靠性高、電氣壽命長的特點，被廣泛應用高電壓等級電力系統中。根據實物設備進行測繪，在3dmax中建立各零部件的1:1模型，并完成所有機構動畫、材質和燈光的渲染，導入Unity3D中進行交互設計。

本系統為實現較為真實的虛擬交互體驗，對硬件設備有較高要求，計算機需要具有較高的圖形處理能力，基于Windows系統運行增強了其通用性，便于設備升級換代。配合專用VR設備及立體音響，沉浸感強、體驗性好，可加深檢修培訓人員對設備的理解。如圖1所示為系統組成。

2 系統功能介紹

電力技能培訓是電力專業學生以及電力企業一線員工踏上工作崗位前的關鍵環節。本系統是專門針對電力系統關鍵設備-SF6斷路器開發的，在虛擬場景下對設備進行三維可視化展示，實現斷路器結構拆解、工作原理展示并模擬檢修流程。是一套基于虛擬現實(VR)技術的仿真培訓系統。

3 三維可視化展示及結構拆解

根據LW35-252型號高壓斷路器實際結構，建立三維仿真模型，并通過Unity3D交互語言，模擬檢修仿真人員在檢修設備之前對設備的環視觀察情況，通過操作手柄可自由選擇在虛擬場景中相對于斷路器的位置，并通過VR頭盔轉換視角，以調整至最合適的觀察位置。

圖1：SF6斷路器檢修仿真培訓系統

圖2：斷路器仿真系統界面

通過操作手柄可以實現斷路器整體設備的透明化，并對設備外殼和主要部件拆解演示，檢修培訓人員可以清楚地看到斷路器滅弧室中靜觸頭和動觸頭部分結構，操作機構的結構組成。斷路器內部結構如圖2所示。

結構拆解過程伴隨文字及語音提示，介紹SF6斷路器的結構特點及其在電力系統中的作用，并運用圖片的形式提醒檢修人員在進入設備現場進行檢修時的安全要求，包括服裝要求及操作注意事項。

4 工作原理展示

系統在三維模型展示的基礎上，通過3dmax中設置的交互動畫，可以模擬斷路器的實際運行情況，包括：

（1）分閘過程、合閘過程、自能式滅弧室的動作原理；

（2）彈簧操動機構儲能機構、電磁系統、機械系統之間的配合動作；

（3）液壓操作機構中控制模塊、儲能模塊、充壓模塊、檢測模塊的動作原理。

配合文字及語音講解，展示各機構的特點，加深檢修仿真人員對結構原理的理解。并學習當機構操作出現故障時，能正確對異常現象進行分析判斷，分析故障原因并選擇合適的處理方法。

5 模擬檢修流程

由于斷路器在實際運行中會發生拒不分斷、閉合后拒動現象，需要在坐車相對應處理及提出解決辦法前，了解拒動產生的原因，包括二次回路發生短路、彈簧儲能故障或機械部分安裝不正確等問題。

本系統針對常見的二次回路故障、電路連接錯誤、SF6氣壓不足設置檢修流程。通過對照虛擬斷路器中發生故障的部分，配合文字、語音、圖片及視頻的運用，講述每項檢修流程的具體步驟，包含：

（1）前期準備工作（工具材料、人員配備、環境要求）；

（2）辦理相關工作票；

（3）檢查故障部件。

同時對SF6氣體泄露、二次回路及機械故障的注意事項予以強調。通過交互動作設計，令檢修培訓人員必須按照正確的操作步驟才能完成全部檢修流程，使其在日常操作和設備維護中高度重視薄弱環節，同時提高了整個設備的檢修質量。

本系統具有如下特點：

（1）主觀沉浸性：使用者能任意探索整個環境，不受時間限制，不受觀察角度限制，操作簡單、快捷。

（2）交互性：通過虛擬現實環境實現沉浸感交互體驗，有針對性的啟發和解決使用者在實物設備操作中所遇到的問題。

（3）可替換性：通過升級替換模型，可以增加不同型號的斷路器供檢修培訓使用，極大的降低了培訓成本和開發時間。

6 結語

隨著電力技術的不斷發展，SF6斷路器在電力系統中已經得到廣泛的使用，針對運行維護中所出現的問題，需要在崗位培訓中不斷訓練。本文對常用的LW35-252型號高壓斷路器進行三維建模，基于VR技術建立仿真檢修培訓系統，為檢修培訓人員提供一個與真實場景相同的虛擬環境，增強學習的樂趣，提高學習的積極性。通過交互式體驗，學習斷路器中各操作機構的動作原理，并通過流程式學習方式，完成對斷路器檢修流程的訓練，以提高技術人員的檢修水平，提升檢修效率。

該系統的開發應用，將優化高壓斷路器檢修方面的培訓方式，使理論實踐內容與多媒體新技術相結合，為電力培訓提供新的解決方案，提升電力從業人員的職業能力及素養。