超高压电网500kV断路器3D仿真模型的研制设计

刘况?李龙?吕婷婷?曹卫兵

摘要：超高压电网500kV断路器的技术工艺、检修方式不断进步，但受限于目前的仿真平台，相关3D模型一直未能得到设计研发，对培训、检修、学习等各方面都带来了诸多不便，建立模型成为当务之急。通过对500kV断路器3D模型的设计、研制、改进、功能延伸等方面进行详细论述，将断路器的整体结构以及各个关键部件，如灭弧室、操动机构的结构、工作原理和装配过程等各方面进行全方位展示。

关键词：断路器；3D模型；仿真

作者简介：刘况（1986-），男，山东济南人，国网山东省电力公司检修公司，助理工程师；李龙（1964-），男，山东淄博人，国网山东省电力公司检修公司，高级工程师。（山东 济南 250000）

中图分类号：TM56 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0257-02

对于电力系统尤其是目前大力发展的智能电网、智能化变电站而言，断路器是开断故障电流、切除故障的核心设备，因此，对其开展3D仿真模型的研制工作十分必要。而在目前的电力系统设备3D模型中，对500kV断路器的设计开发工作一直都是空白，从而给相关检修和培训工作带来了较大困难。针对这种状况，本文从500kV断路器3D模型的设计研制出发，系统阐述了模型研究工作的各个方面，创新了模型构建方式，将各个组成部件、工作原理、装配展示加上教学考核有机整合在一起，实现了500kV断路器模型的3D全方位展现。

一、断路器模型总体设计思路

断路器3D模型的初始设计是源于现场断路器设备的真实比例、真实外观等，通过计算机3D技术，将模型栩栩如生的展示出来。对于断路器模型整体的设计，本文将其合理的分解为三个部分，分别是断路器本体模型设计、断路器机构箱模型设计、断路器灭弧室模型设计。在此基础上，辅以设备支架模型、断口电容模型等配件模型共同组成了整个断路器模型。

1.断路器本体模型设计

在有了断路器整体设计思路之后，接下来便是对整个断路器模型的每一个细节进行认真制作和雕琢。断路器本体模型为仿照真实断路器设计，棕红色的瓷瓶、两节瓷瓶法兰对接，下部连于设备支架，模型上配有压力表、充气阀门等更为精致的设计，整个断路器本体模型便以3D模型的形式展示在电脑屏幕上。

2.断路器机构箱模型设计

通过Maya、3dsMax、MultiGen Creator等程序建立的3D模型，能准确反映出现实世界真实般存在的事物，包括断路器内部的基本结构和组成部件，如断路器机构箱模型的设计就是采用了这一点，先利用实物正确制作出诸如分合闸挚子、凸轮盘、操动拐臂、拉杆、分合闸弹簧、分合闸线圈等细小而重要的部件模型，再将各种部件拼接起来形成统一的机构箱模型，在需要拆分时依然可以按部件进行拆分，方便快捷、易于查看，把复杂的断路器机构箱如抽丝剥茧般的将每个部件及其位置阐述出来。这样使受训员工深入了解每个部分，学到现实中无法接触的东西。虚拟现实技术为受训员工创造出一种“真实”的学习和工作环境，既增加了受训员工的学习兴趣与效率，也避免了新手的操作失误，同时大大降低了培训成本。

3.断路器灭弧室模型设计

断路器灭弧室模型主要分为外部的瓷瓶，以及内部的动触头、静触头等部件。由于需要对灭弧室的模拟设计进行更形象、更深层次的渲染，所以该模型运用了3D动态技术将3D模型进行动态处理，将分合闸状态下动、静触头、电弧、六氟化硫气体等每一时刻发生的变化展示在计算机屏幕上，让所有学员都能更加顺利和从容的认知灭弧室的灭弧原理与设计构造。

3D仿真实训平台中的教学环节是按照电力公司规范的操作手册设计出来的，可以创建一个完全标准化的虚拟教学系统，在这个虚拟教学系统里，无论是对设备结构、工作原理的学习，还是进行虚拟拆解、组装和故障诊断、检修，对于所有参训学员而言，其培训内容都是统一的、标准化的。

4.断路器装配模型设计

在3D仿真实训平台中还设计了3D装配模型，装配模型是按照真实的断路器设备拆装过程，在计算机中机型模拟，实现模型的拆装功能。该设计旨在提高学员对断路器设备的组装、拆解能力。这些创造性的设计都能大幅度提高培训效果，从而提高学员的实际工作技能。

二、断路器3D仿真模型的具体实现

1.3D断路器模型的选择

本文设计的《500kV变断路器设备3D仿真实训平台》，是根据变电站实际情况，结合设备动态，让学员充分了解电气设备的仿真平台。该平台设计了一所变电站实景，视觉效果采用计算机成像，可以生成高质量的三维立体的断路器设备的实际样貌，并能将设备拆解成各部件，包括外部构成和内部构建，以尽量真实的设备及配件样貌展现出来。模拟范围可实现从设备360度的全方位自由观察。断路器的选择为在500kV变电站中常见的HPL550B2/4000-63型断路器。

在模型中，断路器相关的3D模型的尺寸都十分精确，外观大致相同。相关的3D模型组件间的连接精细，表现出实际的各组件间的连接原理。另外，断路器模型需满足以下条件：一是该系统设计为单机版，可适用集中培训，也可异地分散培训；二是可以进行设备的3D展示，同时可让学员虚拟操作；三是软件系统本地加载，运行效率高，运行速度不低于30帧/秒；四是设计提示系统对员工训练进行导引，使学习训练易于上手，无须配备讲师；五是设计评价系统（考核系统），对参训员工每个实训环节进行成绩评定。

2.断路器3D仿真设计

为了使断路器3D仿真平臺可以流畅、无误的运行，就需要按照仿真的功能和实训的目标搭建合理的架构。对于功能方面而言，不仅包括断路器的外观展示、各部件的样貌展示、灭弧室工作原理教学，还包括知识考核功能；对于培训涉及的广度而言，不仅包括断路器的内部结构认识、各部件的作用及其构成，还包括断路器的安装和灭弧的动态展示。而这些所有的展示及功能都构建了一个系统性的整体架构。

3D仿真的关键不仅在于搭建了一个合理的架构体系，更体现在其规范性。由于真实的断路器设备非常复杂，为保证3D仿真的规范性，就必须填充大量的资料和数据，从设备的比例、各部件的具体形态到模仿设备动作的准确性、设备安装的步骤，都需要精雕细琢，从而达到在3D平台准确反映出设备的外形、内部结构、工作原理等功能的目的。

（1）断路器设备的3D设计。本文设计的断路器以HPL550B2/4000-63型断路器为蓝本，着重设计、描述了其三大部分的具体样貌，分别是断路器本体外观、机构箱内部结构及灭弧室内的构造。

在断路器本体外观中，以断路器本体各部件连接入手，将机构箱、瓷瓶、断口电容、六氟化硫压力表、充气阀门及灭弧室等部件反映于仿真平台上；断路器机构箱内部结构则充分展示箱内各部件的组成以及各部件的具体样貌，包括操作盘、分合闸挚子、分合闸线圈、凸轮盘、操动拐臂、分合闸弹簧等，并将这些部件一一连接入机构箱，使之成为一个整体；灭弧室的内部结构的复杂程度与机构箱类似，有很多部件，包括静触头、动触头、静弧触头、动弧触头、动触头气压仓等。[1]

（2）断路器装配的3D设计。本文设计的3D仿真系统将设备吊装的位置、组装的方法、装配的流程、环节及操作程序清晰直观的辅以3D动画展示出来，且通过3D技术实现多角度观看组装动画的演示，从而实现学习和提高断路器的装配技能的目标。

（3）断路器工作原理的3D设计。由于断路器的运行和工作原理在实际工作中很难直观了解，本文设计的3D仿真系统将通过3D画面的优势，模拟出实际的设备及部件，多角度、全视角动态展现出断路器的运行原理，包括机构箱内分闸、合闸工作原理以及灭弧室灭弧原理，并配有运行原理的详细解说，能够全面清晰地展示出断路器的运行和工作原理。

（4）断路器巡检的3D设计。断路器的巡检在实际工作中非常重要，是保障电力系统正常运行的关键。[2]本文实际的3D仿真系统将断路器的巡检方法和流程通过3D画面展现出来，并对检查瓷瓶破损等巡视要点加以说明和分析。

（5）断路器的3D考核系统设计。本文设计的3D仿真平台不仅针对开放性的培训与学习，还设计了考核系统，分别包括理论考核、部件认知考核以及装配考核，其中理论考核是对断路器平时应知应会的理论知识进行考核，系统设有海量题库，每次考核都会从题库中随机选择定量考题，以考量学习人员知识掌握的全面性；部件认知考核是将断路器的主要部件通过3D模型在系统中用动画展示出来，让学习人员进行辨认，并正确作答，从而考核学员对设备部件的辨识能力；装配考核是要求学习人员自行按规程装配，考察学员装配的顺序是否出错，从而考查学员的设备组装的理论能力。

三、断路器3D仿真的技术特点

断路器3D仿真的功能强大，具体包括以下几个方面：

第一，在仿真3D场景和设备中，用户如身临其境，立体感强。系统通过3D建模，将变电站相关场景和设备完全仿真搭建出来，学员在学习和训练时，就像在现实工作环境中一样，立体感强，具有强烈的视觉冲击，如身临其境，体验真实。

第二，突破传统教学模式，将3D仿真与实际工作相结合，提高了培训效率。传统培训模式大都是单向灌输式的，而且往往通过教材或讲座的形式进行教学，形式单调，学员兴趣低，遗忘率高，效果一般。该系统将3D仿真与培训完美结合起来，让学员在仿真环境中对相关设备和部件认知、操作、拆装、维护，通过动画学习工作原理，形式新颖，内容丰富，学员兴趣高，明显提高了培训效率。

第三，一次性投资，可多人反复使用，显著降低了培训成本。系统安装简单，操作方便，可安装到任意一台电脑上供员工操作训练，无需将员工集中起来培训，可以节约大笔培训经费。系统实现了电力设备仿真模型，员工培训时无需将实际的贵重设备用于训练，可以节约大笔设备采购经费。

第四，设有考核功能，可以评价员工的成绩，便于检验培训效果。系统中的考核功能可以将员工的考评成绩汇总，人事部门可以根据每个员工的考评成绩评估培训效果。

第五，系统预留升级端口，升级方便。系统预留升级端口和空间，可以较为方便的进行系统更新和新功能板块的拓展，今后可随时添加相关设备进行进一步的完善。

四、结束语

本文详细阐述了500kV断路器模型研究工作的各个方面，从3D模型的互动教学和互动考核环节两个方面，对断路器的各个组成部件、工作原理及装配展示进行全方位展现。不仅让学员全面清晰地学习、了解了断路器的运行和工作原理，而且提高了他们的断路器装配技能。随着检修培训工作的逐步深化，3D模型还要做到与之同步完善，不断适應发展的要求。

参考文献：

[1]电力行业职业技能鉴定指导中心.变电检修[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]山东电力集团公司超高压公司.变电运行与检修[M].北京：中国电力出版社，2011.

（责任编辑：孙晴）