虚拟现实技术在高压断路器仿真培训中的应用

文/车玉秋 郭丹蕊 赵东辉 时存 王云霞

在现代高压输配电领域，SF6高压断路器是常用的主要设备。其具有控制正常负荷电流及短路电流开断的作用，能够通过快速灭弧来保证电网的安全、稳定运行，因此对电网的可靠运行起重要作用。与传统断路器相比，SF6断路器具有灭弧功能强、工作气压低、循环能力好的优点，综合能力及环境适应能力好，使其在运作功能上具有明显的优势。若SF6断路器在电网运行过程中发生故障，会对电力系统的正常运行产生严重影响。

培训是提高电力系统检修人员素质及保证电力系统安全、稳定运行的重要手段之一。由于电力系统的特殊性，检修人员很难使用实际运行的设备进行培训，因此为保证检修人员及设备的安全，提高检修效率，开发与实际SF6断路器结构相同的虚拟系统供检修人员开展培训具有重要的现实意义。

现阶段，电力系统非实物检修培训方式普遍采用二维可视化技术。由于SF6断路器结构复杂，图片缺乏立体感与动态感，会降低检修人员对设备结构的认识和理解。

检修仿真系统是虚拟现实技术在教育培训中的具体应用。与实物检修系统相比，虚拟仿真系统具有以下特点：

（1）充分运用三维模型、图片、文字、声音等多媒体形式调动检修培训人员的积极性和主动性，提高培训效果。

（2）降低硬件投入的同时丰富设备资源库，便于设备升级换代。

（3）更为安全可靠。

（4）节省测试时间和试验场地，提高检修效率。

因此应用前景十分广阔。

本文对基于3dmax建立的断路器进行三维模型优化和算法分析，开发了基于VR（虚拟现实）技术的SF6断路器检修仿真培训系统（以下简称“系统”）。该系统的开发实现了SF6断路器的三维可视化展示，并包含设备结构拆解、工作原理展示、模拟检修流程三个模块供检修人员学习。该系统运用在电力技能培训中可减少因不熟悉设备结构导致的设备返厂检修次数，节约检修时间和成本，提高生产效率。也可降低对培训设备场地的要求，同时提高检修人员对设备的理解，提高业务水平。

1 系统构架

本系统通过虚拟现实（VR）技术实现，具有较强的沉浸感，配合使用HTC vive设备及立体音响，可以给检修培训人员身临其境的实地操作体验。本系统基于Unity3D软件搭建虚拟平台环境，使用C#及JavaScript语言进行程序编写，并在Windows操作系统环境下运行。通过直接运行可执行程序，检修培训人员可以实现在不同设备上学习，不受场地和时间的制约。

本系统中的SF6断路器采用河南平高集团生产的自能式LW35-252型号高压断路器，用于额定电压252KV的电力系统中。由于SF6气体的绝缘和灭弧特性，使其具有绝缘水平高、机械可靠性高、电气寿命长的特点，被广泛应用高电压等级电力系统中。根据实物设备进行测绘，在3dmax中建立各零部件的1:1模型，并完成所有机构动画、材质和灯光的渲染，导入Unity3D中进行交互设计。

本系统为实现较为真实的虚拟交互体验，对硬件设备有较高要求，计算机需要具有较高的图形处理能力，基于Windows系统运行增强了其通用性，便于设备升级换代。配合专用VR设备及立体音响，沉浸感强、体验性好，可加深检修培训人员对设备的理解。如图1所示为系统组成。

2 系统功能介绍

电力技能培训是电力专业学生以及电力企业一线员工踏上工作岗位前的关键环节。本系统是专门针对电力系统关键设备-SF6断路器开发的，在虚拟场景下对设备进行三维可视化展示，实现断路器结构拆解、工作原理展示并模拟检修流程。是一套基于虚拟现实(VR)技术的仿真培训系统。

3 三维可视化展示及结构拆解

根据LW35-252型号高压断路器实际结构，建立三维仿真模型，并通过Unity3D交互语言，模拟检修仿真人员在检修设备之前对设备的环视观察情况，通过操作手柄可自由选择在虚拟场景中相对于断路器的位置，并通过VR头盔转换视角，以调整至最合适的观察位置。

图1：SF6断路器检修仿真培训系统

图2：断路器仿真系统界面

通过操作手柄可以实现断路器整体设备的透明化，并对设备外壳和主要部件拆解演示，检修培训人员可以清楚地看到断路器灭弧室中静触头和动触头部分结构，操作机构的结构组成。断路器内部结构如图2所示。

结构拆解过程伴随文字及语音提示，介绍SF6断路器的结构特点及其在电力系统中的作用，并运用图片的形式提醒检修人员在进入设备现场进行检修时的安全要求，包括服装要求及操作注意事项。

4 工作原理展示

系统在三维模型展示的基础上，通过3dmax中设置的交互动画，可以模拟断路器的实际运行情况，包括：

（1）分闸过程、合闸过程、自能式灭弧室的动作原理；

（2）弹簧操动机构储能机构、电磁系统、机械系统之间的配合动作；

（3）液压操作机构中控制模块、储能模块、充压模块、检测模块的动作原理。

配合文字及语音讲解，展示各机构的特点，加深检修仿真人员对结构原理的理解。并学习当机构操作出现故障时，能正确对异常现象进行分析判断，分析故障原因并选择合适的处理方法。

5 模拟检修流程

由于断路器在实际运行中会发生拒不分断、闭合后拒动现象，需要在坐车相对应处理及提出解决办法前，了解拒动产生的原因，包括二次回路发生短路、弹簧储能故障或机械部分安装不正确等问题。

本系统针对常见的二次回路故障、电路连接错误、SF6气压不足设置检修流程。通过对照虚拟断路器中发生故障的部分，配合文字、语音、图片及视频的运用，讲述每项检修流程的具体步骤，包含：

（1）前期准备工作（工具材料、人员配备、环境要求）；

（2）办理相关工作票；

（3）检查故障部件。

同时对SF6气体泄露、二次回路及机械故障的注意事项予以强调。通过交互动作设计，令检修培训人员必须按照正确的操作步骤才能完成全部检修流程，使其在日常操作和设备维护中高度重视薄弱环节，同时提高了整个设备的检修质量。

本系统具有如下特点：

（1）主观沉浸性：使用者能任意探索整个环境，不受时间限制，不受观察角度限制，操作简单、快捷。

（2）交互性：通过虚拟现实环境实现沉浸感交互体验，有针对性的启发和解决使用者在实物设备操作中所遇到的问题。

（3）可替换性：通过升级替换模型，可以增加不同型号的断路器供检修培训使用，极大的降低了培训成本和开发时间。

6 结语

随着电力技术的不断发展，SF6断路器在电力系统中已经得到广泛的使用，针对运行维护中所出现的问题，需要在岗位培训中不断训练。本文对常用的LW35-252型号高压断路器进行三维建模，基于VR技术建立仿真检修培训系统，为检修培训人员提供一个与真实场景相同的虚拟环境，增强学习的乐趣，提高学习的积极性。通过交互式体验，学习断路器中各操作机构的动作原理，并通过流程式学习方式，完成对断路器检修流程的训练，以提高技术人员的检修水平，提升检修效率。

该系统的开发应用，将优化高压断路器检修方面的培训方式，使理论实践内容与多媒体新技术相结合，为电力培训提供新的解决方案，提升电力从业人员的职业能力及素养。