油浸变压器可视化教学课件开发

王大虎 孙存远 张孟军 白帆 杜猛

摘  要： 针对电力系统中油浸变压器理论教学过于抽象、图片演示缺乏对设备工作过程的清晰认识、学生很难进入变电站学习的问题，制作了油浸变压器可视化教学课件。使用3DSMAX建立变压器模型，PS编辑变压器的材质，Premiere制作变压器教学视频，After Effects为视频添加特效，最终导入PowerPoint 完成教学课件。课件包括变压器结构展示、三维动画教学和理论计算三部分。将课件应用到课堂后，采用调查问卷和笔试，对学生的表现进行评估。结果表明，本课件激发了学生的学习热情，教学效果良好。

关键词： 变压器; 可视化; 教学; 课件

中图分类号：G434          文献标志码：A     文章编号：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

油浸變压器广泛用于发电厂和变电站，是供配电系统中必不可少的设备。变压器是一种静止的电气设备，以电磁感应原理实现升压降压的功能。电压的升高可以减少线路的损耗，电压的降低可以满足用户的需求。变压器如果出现问题，会产生一级或者二级负荷，造成人身伤亡和经济损失。因此，油浸变压器的教学被列为电气工程专业中的重要内容。

目前，高校对变压器的教学多采用理论教学，以PPT配图作为辅助。变压器的知识点多且复杂，课堂教学枯燥难懂，导致学生课堂效率低。实地讲解是解决问题的最好方法，学生可以看到变压器的细节，弄懂变压器的运行方式及部件的具体作用。但是往往不可行，有以下原因：①需要大量人员保证学生的安全;②需要不断与变电站协商;③访问次数和时间难以满足学生需求;④实验室无法大量购买变压器设备[1]。

文献[1]使用MATLAB软件对变压器纵差保护进行仿真教学，演示了保护动作过程，提高了教学质量;文献[2]使用PSCAD/EMTDC软件建立了变压器模型，演示了空载合闸和短路现象，启发了学生的思维;文献[3]使用分层流水线的建模方法，提高了故障诊断效率。但是以上教学研究都采用图形符号的教学方法，缺乏对设备组成的讲解，不利于学生理解[5]。

使用可视化教学有以下优点：①技术新颖，容易吸引学生注意力;②能更加清晰描述设备的特性;③电子课件方便携带，学生能以自己的节奏学习课程;④允许学生讲课，鼓励学生积极参与[6]。可视化的教学比传统教学更加直观，容易激发学习热情，使学生更好的掌握知识[7]。

1 课件总体设计

1.1 课程目标

按照电力系统教学要求，课程有四个要求：①能分辨变压器的主要部件，包括内部和外部结构;②将变压器设备与理论知识联系起来;③了解变压器在电力系统中的作用;④熟悉变压器的分接开关。

1.2 功能需求分析

油浸变压器可视化教学课件应用于高校电气工程专业的教学，利用可视化降低学习理论知识的难度，激发学生的学习热情，提高课堂效率。为了达到课程目标，课件要实现变压器内外部的仿真教学功能，建模的主要结构如图1所示。

1.3 开发路线（图2）

依照现场照片，使用3DSMAX建立变压器、断路器、隔离开关和场景模型，模型在达到一定精度之后，优化模型的面数以释放电脑资源。同时，在PS中处理设备的贴图，补充模型的细节，以及处理照片模糊和高光部分，避免影响效果。将渲染后的序列图导入到Premiere中，为视频配音和添加字幕，输出视频。接着将视频导入After Effects软件中进行特效制作和后期合成，以提升视频的观看体验[8]。

2 课件关键组成部分

2.1 变压器理论部分

教师需要从高中电磁感应原理中进行扩展，引出变压器的工作原理，将变压器的结构分为各个小部件，逐个讲解，推导重要关系式。

电能转换最重要的部件是铁芯和绕组。多层硅钢片构成了铁芯，铁芯为磁路的形成提供了条件。绕组是由铜线缠绕而成，以电磁感应原理实现电压等级的改变。低压绕组在高压绕组的内部，低压套管与初级绕组相连，使电能输入，高压套管与次级绕组相连，使电能输出。

变压器有五个重要参数：电阻RT、电抗XT、电导GT、电纳BT以及变比kT，可从变压器铭牌上的数据得出。电气特性是指短路损耗ΔPS、短路电压VS%、空载损耗ΔP0和空载电流I0%[9]。在短路试验中，铁损较小可以忽略，此时的损耗主要的铜损，有：

2.2 仿真关键部分

2.2.1 模型建立

油浸变压器分为器身和油箱两部分，模型的制作主要使用3DSMAX中标准几何体面板上三维图形的创建、转变成可编辑多边形、布尔运算，以及NUMBS转换命令。比如，在变压器油箱的制作过程中，创建一个圆柱体后，通过转变成可编辑多边形，确定圆柱的比例进行缩放，对于油箱顶部的管道可以用样条线做出，然后选中点执行圆角命令，选中重合的点进行焊接，勾选在渲染中启用并在视口中启用框后，样条线就具有管道的效果。再如，在高压套管的制作过程中，对圆柱使用挤出命令，再对面进行操作。对于复杂的细节部分，可用另一个模型附加得到，不必做成一体。制作完毕后，需要反复检查模型的细节，修改模型的比例，尽量做到与实物相同[10]。

2.2.2 模型贴图

贴图是能够反映物体表面材质的纹理。对模型进行贴图可以很容易表现模型的特征和细节，省下了大量的时间。使用贴图的前提是图片足够清晰，有时在现场拍摄的照片质量会因光照、拍摄角度等因素受到影响，这部分照片需要经过PS修复才能使用，完成后的模型如图3所示。

3 可视化教学实现

经过V-Ray渲染后，将序列图导入Premiere中，并制作配音和字幕。教学动画包括片头介绍动画、工作原理动画、部件介绍动画等，如图4所示。

⑴ 变压器简介动画。动画主要介绍变压器的作用以及如何与隔离开关和断路器相互配合完成输电任务。通过改变不同摄像机的视口和运动方向，将变电站的设备表现出来，动画一共350帧，在不同关键帧切换摄像机镜头。

⑵ 变压器部件介绍。将不同的部件进行拆分，分别讲解该部件在变压器中的作用。动画一共300帧，对变压器周围设计摄像机轨迹，在不同的关键帧设置摄像机的旋转角度。

⑶ 变压器原理讲解。利用剖面图直观的特点，介绍变压器电磁感应原理。摄像机随切面移动而移动，动画一共150帧。

4 合成课件

将文字、图片及视频导入PPT中，完成课件。展示效果如图5所示。

5 課件效果测试

将本课件应用到教学后，采用调查问卷、书面反馈和测试成绩评价学习效果，本次选择电气学院4班30人作为测试对象，电气5班30人则进行传统教学。

在课程结束后，收集4班学生的评价、课件的优缺点以及改进的建议，如表1所示。

调查问卷表明，将可视化应用到变压器的教学有利于学习，模型的真实感被大多数学生所认同，学生也愿意继续进行可视化学习。

在30份评价中，21名学生认为该课件促进了学习，3名学生认为本课件课程太难，2名学生不太满意，原因是担心占用课后时间，4名学生希望视频能够设计更多设备内部细节。

课程结束后，比较4班与5班的测试成绩，如图6。电气4班的平均分为88分，电气5班的平均分为75分。通过本课件的学习，很多学生取得了优异成绩，不及格的学生明显减少了。

6 结束语

将可视化融入到教育，使学习更加易懂、主动和有趣。本文论证了可视化在变压器教学方面的应用，取得的成果有：解决了变压器教学理论抽象的问题;展示实际设备的工作过程;设计了一种快速、简便的学习方法。通过调查问卷、书面反馈以及考试成绩来测试课件的有效性。测试结果表明，将可视化与传统课程相结合，设备直观可激发学生的学习热情，帮助学生更好地将理论与实际结合在一起。今后对该课件的改进包括：增加变压器内部的细节，模拟变压器设备故障。

参考文献（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] 黄力，王身丽.MATLAB在电力变压器纵差动保护原理教学中的应用[J].中国电力教育，2011.36：198-199

[3] 王琦.变压器空载合闸和短路对比仿真教学[J].电气电子教学学报，2015.37（2）：73-75，102

[4] 路光辉，姬波，龚东武.变压器故障诊断的可视化模型[J].计算机工程与设计，2013.34（05）：1841-1845.

[5] 王大虎，卢正帅，贾倩.电磁流量计的三维可视化研究[J].实验室研究与探索，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.基于课堂教学的多媒体课件设计研究[J].中国电化教育，2011.6：85-88

[8] 王大虎，史艳楠，陈文博.基于3DMAX和Premiere的煤矿安全培训系统[J].煤矿安全，2014.45（12）：230-232

[9] 刘天琪，邱晓燕.电力系统分析理论（第2版）[M].科学出版社，2011.

[10] 王大虎，高会争，陈侠.精密压力表标准装置检定仿真教学系统开发[J].实验室研究与探索，2016.35（10）：85-89