劉況?李龍?呂婷婷?曹衛(wèi)兵

摘要：超高壓電網(wǎng)500kV斷路器的技術(shù)工藝、檢修方式不斷進(jìn)步，但受限于目前的仿真平臺(tái)，相關(guān)3D模型一直未能得到設(shè)計(jì)研發(fā)，對(duì)培訓(xùn)、檢修、學(xué)習(xí)等各方面都帶來(lái)了諸多不便，建立模型成為當(dāng)務(wù)之急。通過對(duì)500kV斷路器3D模型的設(shè)計(jì)、研制、改進(jìn)、功能延伸等方面進(jìn)行詳細(xì)論述，將斷路器的整體結(jié)構(gòu)以及各個(gè)關(guān)鍵部件，如滅弧室、操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、工作原理和裝配過程等各方面進(jìn)行全方位展示。

關(guān)鍵詞：斷路器；3D模型；仿真

作者簡(jiǎn)介：劉況（1986-），男，山東濟(jì)南人，國(guó)網(wǎng)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(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，高級(jí)工程師。（山東 濟(jì)南 250000）

中圖分類號(hào)：TM56 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）09-0257-02

對(duì)于電力系統(tǒng)尤其是目前大力發(fā)展的智能電網(wǎng)、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(shè)備，因此，對(duì)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(tǒng)設(shè)備3D模型中，對(duì)500kV斷路器的設(shè)計(jì)開發(fā)工作一直都是空白，從而給相關(guān)檢修和培訓(xùn)工作帶來(lái)了較大困難。針對(duì)這種狀況，本文從500kV斷路器3D模型的設(shè)計(jì)研制出發(fā)，系統(tǒng)闡述了模型研究工作的各個(gè)方面，創(chuàng)新了模型構(gòu)建方式，將各個(gè)組成部件、工作原理、裝配展示加上教學(xué)考核有機(jī)整合在一起，實(shí)現(xiàn)了500kV斷路器模型的3D全方位展現(xiàn)。

一、斷路器模型總體設(shè)計(jì)思路

斷路器3D模型的初始設(shè)計(jì)是源于現(xiàn)場(chǎng)斷路器設(shè)備的真實(shí)比例、真實(shí)外觀等，通過計(jì)算機(jī)3D技術(shù)，將模型栩栩如生的展示出來(lái)。對(duì)于斷路器模型整體的設(shè)計(jì)，本文將其合理的分解為三個(gè)部分，分別是斷路器本體模型設(shè)計(jì)、斷路器機(jī)構(gòu)箱模型設(shè)計(jì)、斷路器滅弧室模型設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，輔以設(shè)備支架模型、斷口電容模型等配件模型共同組成了整個(gè)斷路器模型。

1.斷路器本體模型設(shè)計(jì)

在有了斷路器整體設(shè)計(jì)思路之后，接下來(lái)便是對(duì)整個(gè)斷路器模型的每一個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真制作和雕琢。斷路器本體模型為仿照真實(shí)斷路器設(shè)計(jì)，棕紅色的瓷瓶、兩節(jié)瓷瓶法蘭對(duì)接，下部連于設(shè)備支架，模型上配有壓力表、充氣閥門等更為精致的設(shè)計(jì)，整個(gè)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(jī)構(gòu)箱模型設(shè)計(jì)

通過Maya、3dsMax、MultiGen Creator等程序建立的3D模型，能準(zhǔn)確反映出現(xiàn)實(shí)世界真實(shí)般存在的事物，包括斷路器內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)和組成部件，如斷路器機(jī)構(gòu)箱模型的設(shè)計(jì)就是采用了這一點(diǎn)，先利用實(shí)物正確制作出諸如分合閘摯子、凸輪盤、操動(dòng)拐臂、拉桿、分合閘彈簧、分合閘線圈等細(xì)小而重要的部件模型，再將各種部件拼接起來(lái)形成統(tǒng)一的機(jī)構(gòu)箱模型，在需要拆分時(shí)依然可以按部件進(jìn)行拆分，方便快捷、易于查看，把復(fù)雜的斷路器機(jī)構(gòu)箱如抽絲剝繭般的將每個(gè)部件及其位置闡述出來(lái)。這樣使受訓(xùn)員工深入了解每個(gè)部分，學(xué)到現(xiàn)實(shí)中無(wú)法接觸的東西。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為受訓(xùn)員工創(chuàng)造出一種“真實(shí)”的學(xué)習(xí)和工作環(huán)境，既增加了受訓(xùn)員工的學(xué)習(xí)興趣與效率，也避免了新手的操作失誤，同時(shí)大大降低了培訓(xùn)成本。

3.斷路器滅弧室模型設(shè)計(jì)

斷路器滅弧室模型主要分為外部的瓷瓶，以及內(nèi)部的動(dòng)觸頭、靜觸頭等部件。由于需要對(duì)滅弧室的模擬設(shè)計(jì)進(jìn)行更形象、更深層次的渲染，所以該模型運(yùn)用了3D動(dòng)態(tài)技術(shù)將3D模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理，將分合閘狀態(tài)下動(dòng)、靜觸頭、電弧、六氟化硫氣體等每一時(shí)刻發(fā)生的變化展示在計(jì)算機(jī)屏幕上，讓所有學(xué)員都能更加順利和從容的認(rèn)知滅弧室的滅弧原理與設(shè)計(jì)構(gòu)造。

3D仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中的教學(xué)環(huán)節(jié)是按照電力公司規(guī)范的操作手冊(cè)設(shè)計(jì)出來(lái)的，可以創(chuàng)建一個(gè)完全標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬教學(xué)系統(tǒng)，在這個(gè)虛擬教學(xué)系統(tǒng)里，無(wú)論是對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理的學(xué)習(xí)，還是進(jìn)行虛擬拆解、組裝和故障診斷、檢修，對(duì)于所有參訓(xùn)學(xué)員而言，其培訓(xùn)內(nèi)容都是統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的。

4.斷路器裝配模型設(shè)計(jì)

在3D仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中還設(shè)計(jì)了3D裝配模型，裝配模型是按照真實(shí)的斷路器設(shè)備拆裝過程，在計(jì)算機(jī)中機(jī)型模擬，實(shí)現(xiàn)模型的拆裝功能。該設(shè)計(jì)旨在提高學(xué)員對(duì)斷路器設(shè)備的組裝、拆解能力。這些創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)都能大幅度提高培訓(xùn)效果，從而提高學(xué)員的實(shí)際工作技能。

二、斷路器3D仿真模型的具體實(shí)現(xiàn)

1.3D斷路器模型的選擇

本文設(shè)計(jì)的《500kV變斷路器設(shè)備3D仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)》，是根據(jù)變電站實(shí)際情況，結(jié)合設(shè)備動(dòng)態(tài)，讓學(xué)員充分了解電氣設(shè)備的仿真平臺(tái)。該平臺(tái)設(shè)計(jì)了一所變電站實(shí)景，視覺效果采用計(jì)算機(jī)成像，可以生成高質(zhì)量的三維立體的斷路器設(shè)備的實(shí)際樣貌，并能將設(shè)備拆解成各部件，包括外部構(gòu)成和內(nèi)部構(gòu)建，以盡量真實(shí)的設(shè)備及配件樣貌展現(xiàn)出來(lái)。模擬范圍可實(shí)現(xiàn)從設(shè)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(guān)的3D模型的尺寸都十分精確，外觀大致相同。相關(guān)的3D模型組件間的連接精細(xì)，表現(xiàn)出實(shí)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(tǒng)設(shè)計(jì)為單機(jī)版，可適用集中培訓(xùn)，也可異地分散培訓(xùn)；二是可以進(jìn)行設(shè)備的3D展示，同時(shí)可讓學(xué)員虛擬操作；三是軟件系統(tǒng)本地加載，運(yùn)行效率高，運(yùn)行速度不低于30幀/秒；四是設(shè)計(jì)提示系統(tǒng)對(duì)員工訓(xùn)練進(jìn)行導(dǎo)引，使學(xué)習(xí)訓(xùn)練易于上手，無(wú)須配備講師；五是設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)（考核系統(tǒng)），對(duì)參訓(xùn)員工每個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。

2.斷路器3D仿真設(shè)計(jì)

為了使斷路器3D仿真平臺(tái)可以流暢、無(wú)誤的運(yùn)行，就需要按照仿真的功能和實(shí)訓(xùn)的目標(biāo)搭建合理的架構(gòu)。對(duì)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(xué)，還包括知識(shí)考核功能；對(duì)于培訓(xùn)涉及的廣度而言，不僅包括斷路器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)、各部件的作用及其構(gòu)成，還包括斷路器的安裝和滅弧的動(dòng)態(tài)展示。而這些所有的展示及功能都構(gòu)建了一個(gè)系統(tǒng)性的整體架構(gòu)。

3D仿真的關(guān)鍵不僅在于搭建了一個(gè)合理的架構(gòu)體系，更體現(xiàn)在其規(guī)范性。由于真實(shí)的斷路器設(shè)備非常復(fù)雜，為保證3D仿真的規(guī)范性，就必須填充大量的資料和數(shù)據(jù)，從設(shè)備的比例、各部件的具體形態(tài)到模仿設(shè)備動(dòng)作的準(zhǔn)確性、設(shè)備安裝的步驟，都需要精雕細(xì)琢，從而達(dá)到在3D平臺(tái)準(zhǔn)確反映出設(shè)備的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理等功能的目的。

（1）斷路器設(shè)備的3D設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的斷路器以HPL550B2/4000-63型斷路器為藍(lán)本，著重設(shè)計(jì)、描述了其三大部分的具體樣貌，分別是斷路器本體外觀、機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及滅弧室內(nèi)的構(gòu)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(jī)構(gòu)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(tái)上；斷路器機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)則充分展示箱內(nèi)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(dòng)拐臂、分合閘彈簧等，并將這些部件一一連接入機(jī)構(gòu)箱，使之成為一個(gè)整體；滅弧室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與機(jī)構(gòu)箱類似，有很多部件，包括靜觸頭、動(dòng)觸頭、靜弧觸頭、動(dòng)弧觸頭、動(dòng)觸頭氣壓倉(cāng)等。[1]

（2）斷路器裝配的3D設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的3D仿真系統(tǒng)將設(shè)備吊裝的位置、組裝的方法、裝配的流程、環(huán)節(jié)及操作程序清晰直觀的輔以3D動(dòng)畫展示出來(lái)，且通過3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)多角度觀看組裝動(dòng)畫的演示，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和提高斷路器的裝配技能的目標(biāo)。

（3）斷路器工作原理的3D設(shè)計(jì)。由于斷路器的運(yùn)行和工作原理在實(shí)際工作中很難直觀了解，本文設(shè)計(jì)的3D仿真系統(tǒng)將通過3D畫面的優(yōu)勢(shì)，模擬出實(shí)際的設(shè)備及部件，多角度、全視角動(dòng)態(tài)展現(xiàn)出斷路器的運(yùn)行原理，包括機(jī)構(gòu)箱內(nèi)分閘、合閘工作原理以及滅弧室滅弧原理，并配有運(yùn)行原理的詳細(xì)解說，能夠全面清晰地展示出斷路器的運(yùn)行和工作原理。

（4）斷路器巡檢的3D設(shè)計(jì)。斷路器的巡檢在實(shí)際工作中非常重要，是保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。[2]本文實(shí)際的3D仿真系統(tǒng)將斷路器的巡檢方法和流程通過3D畫面展現(xiàn)出來(lái)，并對(duì)檢查瓷瓶破損等巡視要點(diǎn)加以說明和分析。

（5）斷路器的3D考核系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的3D仿真平臺(tái)不僅針對(duì)開放性的培訓(xùn)與學(xué)習(xí)，還設(shè)計(jì)了考核系統(tǒng)，分別包括理論考核、部件認(rèn)知考核以及裝配考核，其中理論考核是對(duì)斷路器平時(shí)應(yīng)知應(yīng)會(huì)的理論知識(shí)進(jìn)行考核，系統(tǒng)設(shè)有海量題庫(kù)，每次考核都會(huì)從題庫(kù)中隨機(jī)選擇定量考題，以考量學(xué)習(xí)人員知識(shí)掌握的全面性；部件認(rèn)知考核是將斷路器的主要部件通過3D模型在系統(tǒng)中用動(dòng)畫展示出來(lái)，讓學(xué)習(xí)人員進(jìn)行辨認(rèn)，并正確作答，從而考核學(xué)員對(duì)設(shè)備部件的辨識(shí)能力；裝配考核是要求學(xué)習(xí)人員自行按規(guī)程裝配，考察學(xué)員裝配的順序是否出錯(cuò)，從而考查學(xué)員的設(shè)備組裝的理論能力。

三、斷路器3D仿真的技術(shù)特點(diǎn)

斷路器3D仿真的功能強(qiáng)大，具體包括以下幾個(gè)方面：

第一，在仿真3D場(chǎng)景和設(shè)備中，用戶如身臨其境，立體感強(qiáng)。系統(tǒng)通過3D建模，將變電站相關(guān)場(chǎng)景和設(shè)備完全仿真搭建出來(lái)，學(xué)員在學(xué)習(xí)和訓(xùn)練時(shí)，就像在現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境中一樣，立體感強(qiáng)，具有強(qiáng)烈的視覺沖擊，如身臨其境，體驗(yàn)真實(shí)。

第二，突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，將3D仿真與實(shí)際工作相結(jié)合，提高了培訓(xùn)效率。傳統(tǒng)培訓(xùn)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(jìn)行教學(xué)，形式單調(diào)，學(xué)員興趣低，遺忘率高，效果一般。該系統(tǒng)將3D仿真與培訓(xùn)完美結(jié)合起來(lái)，讓學(xué)員在仿真環(huán)境中對(duì)相關(guān)設(shè)備和部件認(rèn)知、操作、拆裝、維護(hù)，通過動(dòng)畫學(xué)習(xí)工作原理，形式新穎，內(nèi)容豐富，學(xué)員興趣高，明顯提高了培訓(xùn)效率。

第三，一次性投資，可多人反復(fù)使用，顯著降低了培訓(xùn)成本。系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，操作方便，可安裝到任意一臺(tái)電腦上供員工操作訓(xùn)練，無(wú)需將員工集中起來(lái)培訓(xùn)，可以節(jié)約大筆培訓(xùn)經(jīng)費(fèi)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電力設(shè)備仿真模型，員工培訓(xùn)時(shí)無(wú)需將實(shí)際的貴重設(shè)備用于訓(xùn)練，可以節(jié)約大筆設(shè)備采購(gòu)經(jīng)費(fèi)。

第四，設(shè)有考核功能，可以評(píng)價(jià)員工的成績(jī)，便于檢驗(yàn)培訓(xùn)效果。系統(tǒng)中的考核功能可以將員工的考評(píng)成績(jī)匯總，人事部門可以根據(jù)每個(gè)員工的考評(píng)成績(jī)?cè)u(píng)估培訓(xùn)效果。

第五，系統(tǒng)預(yù)留升級(jí)端口，升級(jí)方便。系統(tǒng)預(yù)留升級(jí)端口和空間，可以較為方便的進(jìn)行系統(tǒng)更新和新功能板塊的拓展，今后可隨時(shí)添加相關(guān)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了500kV斷路器模型研究工作的各個(gè)方面，從3D模型的互動(dòng)教學(xué)和互動(dòng)考核環(huán)節(jié)兩個(gè)方面，對(duì)斷路器的各個(gè)組成部件、工作原理及裝配展示進(jìn)行全方位展現(xiàn)。不僅讓學(xué)員全面清晰地學(xué)習(xí)、了解了斷路器的運(yùn)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(xùn)工作的逐步深化，3D模型還要做到與之同步完善，不斷適應(yīng)發(fā)展的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]電力行業(yè)職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心.變電檢修[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[2]山東電力集團(tuán)公司超高壓公司.變電運(yùn)行與檢修[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

（責(zé)任編輯：孫晴）