一起油浸变压器爆炸事故三维动画教学课件开发

2019-05-24孙存远王大虎

软件导刊 2019年5期

孙存远王大虎

摘要：如今变压器教学重在理论讲解，且过于抽象，无法使学习者深刻理解相关知识点，而且由于教学设备非常昂贵，学习者仅能通过文字、图片进行学习，因而缺乏实践经验，遇见爆炸事故无法迅速、正确地进行处理。针对以上问题，开发基于3DSMAX、Premiere与PowerPoint软件的油浸式变压器爆炸事故三维动画课件。首先采用3DSMAX對变压器及其周围环境进行建模，然后利用Premiere将素材与音频合成为教学视频，最后通过PowerPoint软件制作为完整课件。该课件可以使学习者直观感受到变压器运行情况，从而加深对变压器的了解，激发学习者学习热情，在实践中也能起到一定警示作用。

关键词：3DSMAX；Premiere；变压器；三维动画；教学课件

DOI：10. 11907/rjdk. 182179

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）005-0098-04

Abstract： Nowadays， the teaching mode of transformers focuses on theory and is too abstract. This teaching mode cannot make learners deeply understand and the teaching equipment is very expensive. As a result， learners have little experience and cannot deal with explosion accidents quickly and correctly. In order to solve the problems， the teaching courseware of explosion accident simulation of oil-immersed transformer based on 3DSMAX， Premiere and PowerPoint software was developed. This courseware uses 3DSMAX to model the transformer and its surrounding environment. Premiere combines materials and audio into teaching video and PowerPoint software into final courseware. This courseware can make learners feel the operation of transformers， deepening the understanding of transformers， kindling their ardour， and cut the expenses in manual teaching.

Key Words： 3DSMAX； Premiere；transformer；three-dimensional animation； teaching courseware

0 引言

变压器是电力系统中不可或缺的设备。如今高校变压器教学多采用文字或PPT形式进行讲解，该教学模式不仅形式单一，且内容枯燥、难以理解，而且由于变压器是一种十分复杂的装置，仅采用配图很难表现出其复杂结构。同时，学校也不会为了教学而购买大量昂贵的变压器，所以学生对变压器的印象通常仅停留在文字与图片层面，难以获得对变压器的全方位了解，更无法掌握应对与处理变压器爆炸这种极具危险性事故的方法。

目前，已有一些文献对变压器爆炸事故原因进行了分析。端木林楠等[1]对某220KV变压站35KV站用变压器爆炸事故进行研究，其数据计算严谨，对事故原因提出了可靠见解，但其研究过程多用二维图形符号表示，不够直观；赵志英等[2]对变压器内部放电引起的爆炸事故进行分析，并提出增加保护元件的对策，以降低爆炸风险，但是依旧不够直观；时香丽[3]介绍一起俄罗斯萨彦变压器爆炸事故，并收集了大量资料进行分析，但对事故的分析依旧停留在文字描述层面。

目前尚无人采用三维动画模拟变压器爆炸事故，因此本文对三维动画展开研究，并制作了一个易于理解、直观性强的讲解课件。教学部分包括变压器结构原理展示及三维动画两部分。学生通过学习变压器结构原理，可对变压器有一个直观了解，并通过三维动画对变压器事故产生原因及解决方法进行详细说明。

1 课件总体设计

1.1 课件内容设计

本课件取材于6.18西安变电站爆炸事故。事故发生于2016年6月18日凌晨，在西安南部某变电站突然发生爆炸，导致西安电子工厂损失约数百亿元人民币。事故现场如图1、图2所示。

受到损坏的变压器型号为SFPZ11-240000/330。事故原因为：35KV电缆中段爆炸，导致站用交流电源中断，蓄电池直流供电发生故障，变压器连续承受短路电流，超过变压器热稳定极限，致使变压器着火烧损。

教学视频可对变压器因高温或短路而引发燃烧及爆炸的事故过程进行模拟。具体过程为：变压器某部分温度升高，温度超过变压器油着火点，产生可燃性气体，油箱内压力迅速上升，遇到火花即会发生燃烧或爆炸，导致变压器外壳破裂，喷油着火。变压器着火时，必须迅速果断、争分夺秒地加以处理。处理人员在确认变压器事故后，应马上将变压器从系统中分离，即断开变压器输电开关，然后使用1211泡沫灭火剂或干粉灭火剂等不导电灭火剂尽快将火扑灭。

1.2 功能需求分析

油浸式变压器爆炸事故三维动画课件主要应用于学校电力系统教学，其利用虚拟仿真直观、形象的优点，能够将理论知识转变为直观的动态画面，从而降低理论难度[4-6]。课件需要制作变压器结构、变压器爆炸事故过程、变压器爆炸事故处理3部分的三维动画讲解内容。

（1）结构原理展示。课件包括整体结构展示、部件概述、参数介绍3部分。整体结构展示介绍油浸变压器功能作用、主要参数及使用范围；部件概述详细说明油浸变压器各个部件，包括铁芯、绕组、引线、油枕、气体继电器、套管等，并介绍具体部件功能与参数；参数介绍详细说明变压器的容量比、电压比与调压方式等。

（2）三维视频动画教学。经过结构原理展示，在学生初步了解变压器基本结构后，课件将演示变压器持续承受短路电流，超过变压器热稳极限爆炸的三维动画，以及后续事故处理操作步骤。

1.3 技术路线

油浸变压器爆炸事故三维动画课件主要采用3DSMAX进行场景与变压器设备建模工作，建模中要尽量减少模型面数，以减轻硬件负担[7-12]；采用PS软件对图片进行处理，包括抠图、修补和斜切，保存为PNG格式；精简模型并贴图之后，制作模型动画视频并加上真实音效，然后在视频播放中配上对各过程及操作步骤的详细讲解，输出为AVI格式；最后将视频和图片一起导入PPT中。课件总体设计路线如图3所示。

2 仿真技术研究

2.1 三维建模

模型制作是本课件制作中最关键的步骤，根据真实变压器照片以及一些详细资料，采用3DSMAX制作变压器三维模型，如散热器、高低压套管、叠片铁芯等。建模时需尽量模拟真实场景，各部分位置也应与实际位置相同。制作场景模型时需尽量减少模型面数量与分段数量，以释放电脑资源、减少卡顿情况，使运行更加流畅。

变压器储油柜制作方法为：首先创建一个厚度适中的圆柱体，右键点击圆柱体转换为可编辑的多边形，按下数字键4，选中一边的圆面，点击挤出设置，在高度中设置为0.00m，按下R键，对圆面进行适当缩放，选择缩放后的圆面，点击挤出设置，挤出后依然选中挤出的面，按下R键再次缩放并挤出，对此次挤出的面选择局部法线挤出即可（见图4），对照效果见图5；变压器主体采用长方体进行制作，首先将长方体转化成可编辑的多边形，在合适的位置用边命令选中，然后选择连接命令加线得面，对面进行挤出操作（见图6），对照效果见图7；变压器线圈可用样条线中的螺旋线对其进行渲染，调整厚度并赋予金属材质；变压器绝缘纸可以用样条线中的圆对其进行挤出操作，注意要取消封口的两个选项，否则会出现实心效果。当一部分完成后，最好马上选中面上光滑组，可使模型看起来更具有金属感（见图8）；高压套管底可以采用一个圆柱进行制作，通过在底部加线进行法线挤出，低压套管可以由高压套管等比例缩放得到。另外变压器有很多相同部分，只需制作一个，然后利用镜像命令或shift+移動命令进行复制即可。

最后，贴图也非常重要，它能使模型看起来更加真实。采用PS处理照片，利用钢笔工具抠图，调出标尺，选择图片变形对话框，右键选择斜切，慢慢拉正拉直，最后保存贴图格式为PNG。选择模型面进行贴图，有时贴图无法很好地对应模型形状，则需要对贴图执行UVW命令，对其进行移动、缩放以及旋转角度等操作[13-16]。变压器铁芯模型为金属材质，金属能反射光，所以模型表面应该有高光。因此，从漫反射选择金属贴图，将高光级别调高，并将光泽度适当降低，以产生更加真实的效果。图9为制作的变压器模型，经优化及贴图之后，采用3DSMAX进行渲染。变电所场景见图10。

2.2 渲染

在长时间建模后，最后一步即是渲染。在一个场景中添加材质、灯光、特效后，在视口中并不能观察到添加的元素效果，需要对场景进行最终渲染才能表现出灯光材质特效。渲染作为整个流程制作的最后一步，用来对场景中的各种效果进行输出[17-18]。常用渲染器有默认扫描线渲染、Brazil巴西渲染器、mental ray渲染以及VRay渲染（见表1）。

由以上特点可以看出，VRay在保证画面质量的前提下速度较快，所以本文选择该方式对模型进行渲染。VRay插件安装完毕后，在模型场景中加入一个物理摄像机，并调整好角度。由于变压器位于室外，所以加入太阳光照，调整intensity multiplier为0.25。在渲染设置中勾选image filter 抗锯齿选项，并使用VRay Adv产品级渲染模式进行渲染，多次渲染输出图片序列[19]。

2.3 动画合成

运行Premiere软件，创建一个新项目，点击导入按钮，选择图片并勾选图像序列，直到所有图像导入完毕；在软件左下角选中素材文件，将素材拖入时间轴窗口视频轨道中，在监视器功能栏单击播放按钮；根据教学脚本对视频进行配音，并根据配音内容为视频下部加入大小适中的字幕；点击字幕选项，在新建字幕中点击默认静态字幕，然后单击文字编辑图标，在画面中单击需要添加字幕的位置，再在右侧字幕属性中选择字体，关闭字幕功能框，输入相应字幕并保存，将字幕拖入视频序列中；为使视频看起来更加逼真，在轨道部分加入音频素材，依据素材可在视频轨道中加上合适的图片和序列；使用视频切换按钮使播放画面具备连续预演功能，可以随时看到修改的画面并对其进行重复修改[20]；在输出设置中勾选导出视频与导出音频，选择最高渲染质量，点击输出为AVI格式。视频播放效果如图11-图14所示。

3 合成课件

在以上几部分内容完成后，将图片与视频导入PPT中以观看最终效果。运行PowerPoint软件，插入图片并调整图片大小；然后点击插入视频，插入Windows video file 下的AVI格式；点击播放按钮即可播放，过程中可随时暂停并控制声音大小。课件展示如图15所示。

3 结语

本文制作的油浸式变压器爆炸事故三维动画课件，与使用二维图形符号的事故仿真模型相比，可更加真实地展示变压器结构及变压器事故过程，弥补了其它事故仿真仅注重理论计算，而不注重可视化仿真的空白，从而达到更好的教学效果。通过3DSMAX、Premiere和PowerPoint软件，采用三维建模、动画合成等技术，使原本枯燥的理论讲解变成可视化教学。本课件可以随时随地观看，不受时间地点限制，从而降低了教学成本，并能有效激发学生学习热情，增强学生实践能力，在实践中也能起到一定警示作用。

参考文献：

[1] 端木林楠，赵习静，蔡巍. 某220KV变压站35KV站用变压器爆炸事故分析与处理[J]. 高压电器，2015，51（12）：174-178.

[2] 赵志英，陈亮. 变压器内部放电引起爆炸事故分析与对策[J]. 中国农村水利水电，2005（12）：102-104.

[3] 时香丽. 事故原因分析变压器爆炸酿惨祸[J]. 中国三峡，2010（3）：25-27.

[4] 贾旭清，田文德，杨越. 基于Unity3D的化工事故演化场景研究[J]. 青岛科技大学学报，2017，38（1）：81-83.

[5] 刘海洋，王大虎，王敬冲. 基于Quest3D的采煤机虚拟培训系统设计[J]. 工矿自动化， 2015， 41（4）：102-105.

[6] 王大虎，卢正帅，贾倩. 基于Unity3D的恒压供水虚拟实训教学装置开发[J]. 软件导刊，2017，16（8）：100-102.

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[8] 王大虎，王敬冲，刘海洋. 悬臂式掘进机虚拟仿真平台设计[J]. 测控技术，2016，35（6）：108-116.

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[10] 王大虎，卢正帅，贾倩. 塔架式抽油机安装培训虚拟仿真系统开发[J]. 电子测量技术，2017，40（5）：95-98.

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