隔離開關仿真模型在電氣設備檢修類實訓課程中的應用研究

劉翼 鄒靜 洪雯 嚴斐 劉紫儀

（武漢電力職業技術學院）

0 引言

電力類專業的高職學生步入工作崗位后，大多從事電氣設備運行、維護與檢修工作。隔離開關作為電力系統廣泛使用的開關電器，主要作用是將被檢修的設備與帶電部分可靠隔離，以保證工作人員的人身安全和檢修的設備安全。高壓隔離開關在電力系統中的運行數量最多，其質量優劣、運行維護好壞將直接影響到電力系統的安全運行。隔離開關的檢修與故障處理是電力系統檢修人員的必備技能，也是電力類技能比武的一項重要賽項。隔離開關檢修時，檢修人員應掌握隔離開關的結構及相關的技術參數，必須嚴格遵守現場作業指導書進行規范操作，以確保檢修質量[1]。

因此，在電氣設備檢修類實訓課程中引入仿真模型，通過模型演示與現場設備檢修實操相結合，增強學生專業學習興趣，提高教學質量，使學生掌握高壓開關設備的檢修作業規范具有重要意義。

1 課程現狀分析

電氣設備檢修類實訓課程是發電廠及電力系統、供用電技術等高職電力類專業的一門專業核心課程，課程內容包含電力安全工作規程、高壓斷路器檢修、高壓隔離開關檢修、高壓開關柜檢修等內容。基于電力系統電氣設備檢修相關的最新發展趨勢，許多高職院校將高壓隔離開關的拆卸與組裝、單極調整與試驗、三極調整與試驗作為實訓內容的核心模塊，通過課程學習，使學生掌握常見電氣設備的檢修作業流程，具備能勝任設備運行維護檢修崗位的職業能力。

學生在實訓前缺乏現場工作經驗，對高壓開關設備的結構、動作原理缺少感性認識，在檢修過程中，對各個部件的作用不甚了解，容易出現螺絲、底座、連桿等安裝錯誤，發生觸頭彈簧、止釘、閉鎖連板漏裝等問題，使實訓效果大打折扣。基于實訓設施、場地條件限制與學生操作安全考慮，實訓教學中難以在檢修平臺上完成高壓開關設備檢修的全流程，同時開關設備在檢修過程中頻繁的分、合閘操作對設備本身損壞較大。基于上述分析，學生僅通過現場操作訓練，難以全面掌握高壓開關設備的調試與檢修作業規范。

本文建立某型號高壓隔離開關仿真模型，以期通過模型各部件展示及其分合閘動作演示，加深學生對高壓開關設備的結構和動作原理的認知，進一步提升電氣設備檢修類實訓課程教學效果[2]。

2 仿真模型開發

結合電氣設備檢修類實訓課程內容，本文選取我國電力系統中應用數量較多的GW4型隔離開關為建模對象，采用三維設計軟件 Solid Works建立某GW4型雙柱水平旋轉式高壓隔離開關的三維模型。

由于GW4型隔離開關是由大量零件（包含多種桿件、軸銷、軸承、主從動支柱絕緣子、導電臂、觸頭、觸指等）交叉組合構成的多體機械系統，其建模過程較為復雜。首先，根據某廠家提供的GW4隔離開關安裝圖紙，按照實際尺寸1：1比例對各零部件單獨建模，其典型零部件軸銷、操作桿拐臂、連接頭、軸承如圖1所示。

圖1 隔離開關典型零部件模型圖

其次，將已建立的零部件根據其動作關系通過不同類型的配合（如重合、平行、同心及距離配合等）進行裝配[3]，分別組建隔離開關的操作部分、支柱絕緣子以及導電部分等局部結構，建立的各裝配體如圖2所示。

圖2 隔離開關各部件模型圖

最后，根據GW4型隔離開關動作原理，將各局部結構的裝配體進行整體模型的組裝。由于GW4型隔離開關A、B、C三相結構類似，建模時先組裝A相單極模型，經調試無誤后再通過重復導入，形成B、C兩相模型。再加入相間連桿，通過配合定義約束，對三個單極模型進行連接，完成三相隔離開關的整體模型建模，以實現三極隔離開關模型主、從動極的聯動操作，最終建立的GW4型三極隔離開關整體裝配模型如圖3所示。

圖3 隔離開關整體模型裝配圖

3 模型應用

“電氣設備檢修實訓”是某校發電廠及電力系統專業的一門專項實訓課程，學生通過課程學習能掌握常見型號高壓隔離開關的動作原理；能準確闡述隔離開關檢修周期、檢修項目及檢修作業的流程；能分析隔離開關典型機械故障現象并進行基本的檢修調試操作。本文以該課程為例，將上述隔離開關仿真模型應用于“電氣設備檢修實訓”課程教學，并從以下方面開展教學實踐。

（1）隔離開關分、合閘動作過程教學

GW4型隔離開關本體為雙柱水平旋轉式結構。其動作過程涉及部件較多，分合閘運行時，由操作桿轉動驅動底部傳動機構動作，帶動各相支柱絕緣子轉動，進而使上部主、從動導電臂在水平方向內轉動，直至觸頭觸指嚙合，以實現分合閘運行。

現場實踐教學環節中，由于學生普遍缺乏現場工作經歷，未曾接觸過高壓隔離開關設備的分合閘動作過程，僅根據教師的語言描述難以準確掌握隔離開關的動作原理。教學中引入可動作的隔離開關三維模型，通過對模型進行分合閘操作演示，使學生對高壓開關設備的動作原理認識由抽象轉換為具象。同時，學生將隔離開關仿真模型的分合閘模擬演示與實訓現場隔離開關設備的分合閘操作相結合，通過對比分析以深刻體會設備運行的理論動作與實踐操作間的區別。

（2） 隔離開關狀態調試模擬演示

高壓隔離開關在解體檢修后，需要按照相應型號的安裝作業書進行規范整體調整作業，以確保各部件參數指標滿足技術要求。若調試不得當，可能引發導電回路過熱，燒蝕觸頭等不良影響，威脅隔離開關安全穩定運行[4]。因此，掌握隔離開關狀態調試方法是電力類專業學生的一項必備技能。“電氣設備檢修實訓”課程教學中，教師對上述隔離開關仿真模型中交叉連桿、操作拐臂等桿件的機械尺寸進行調整，以模擬演示隔離開關的多種調試不當狀態。引導學生結合演示結果自主分析調試不當對隔離開關分合閘運行產生的影響，并總結各桿件伸長及縮短的作用影響規律。學生將作用規律應用至現場實操環節，加深其對電氣設備運檢工作重要性的認識。

4 結束語

電氣設備檢修類實訓課程作為高職電力類專業學生的一門專業核心課程，其教學效果對學生從事電力設備檢修、電力安全生產管理等相關專業工作具有重要意義。本文以目前廣泛應用的高壓開關設備GW4型隔離開關為對象，建立其三維仿真模型，在電氣設備檢修類實訓課程中應用該模型進行隔離開關分、合閘動作與狀態調試的模擬演示。通過仿真與實操相結合，增強學生對專業學習的興趣，豐富實訓教學內涵，進一步提升實訓教學效果。

將仿真模型應用至相關專業課程的實踐教學環節，不僅能提高課程教學效果，又能對《電氣設備檢修實訓》課程的教學提供新的教學理念，是檢修類實訓課程教學改革的發展方向。同時，隔離開關檢修是電網企業、發電企業電氣設備檢修、技能培訓、技能鑒定主要項目，本文建立的隔離開關三維模型的開發對現場標準化作業的開展、員工培訓及技能鑒定有良好的促進作用，具有廣泛的應用前景。