孫存遠(yuǎn) 王大虎

摘 要：如今變壓器教學(xué)重在理論講解，且過(guò)于抽象，無(wú)法使學(xué)習(xí)者深刻理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，而且由于教學(xué)設(shè)備非常昂貴，學(xué)習(xí)者僅能通過(guò)文字、圖片進(jìn)行學(xué)習(xí)，因而缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，遇見(jiàn)爆炸事故無(wú)法迅速、正確地進(jìn)行處理。針對(duì)以上問(wèn)題，開(kāi)發(fā)基于3DSMAX、Premiere與PowerPoint軟件的油浸式變壓器爆炸事故三維動(dòng)畫(huà)課件。首先采用3DSMAX對(duì)變壓器及其周圍環(huán)境進(jìn)行建模，然后利用Premiere將素材與音頻合成為教學(xué)視頻，最后通過(guò)PowerPoint軟件制作為完整課件。該課件可以使學(xué)習(xí)者直觀感受到變壓器運(yùn)行情況，從而加深對(duì)變壓器的了解，激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)熱情，在實(shí)踐中也能起到一定警示作用。

關(guān)鍵詞：3DSMAX；Premiere；變壓器；三維動(dòng)畫(huà)；教學(xué)課件

DOI：10. 11907/rjdk. 182179

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

變壓器是電力系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備。如今高校變壓器教學(xué)多采用文字或PPT形式進(jìn)行講解，該教學(xué)模式不僅形式單一，且內(nèi)容枯燥、難以理解，而且由于變壓器是一種十分復(fù)雜的裝置，僅采用配圖很難表現(xiàn)出其復(fù)雜結(jié)構(gòu)。同時(shí)，學(xué)校也不會(huì)為了教學(xué)而購(gòu)買大量昂貴的變壓器，所以學(xué)生對(duì)變壓器的印象通常僅停留在文字與圖片層面，難以獲得對(duì)變壓器的全方位了解，更無(wú)法掌握應(yīng)對(duì)與處理變壓器爆炸這種極具危險(xiǎn)性事故的方法。

目前，已有一些文獻(xiàn)對(duì)變壓器爆炸事故原因進(jìn)行了分析。端木林楠等[1]對(duì)某220KV變壓站35KV站用變壓器爆炸事故進(jìn)行研究，其數(shù)據(jù)計(jì)算嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)事故原因提出了可靠見(jiàn)解，但其研究過(guò)程多用二維圖形符號(hào)表示，不夠直觀；趙志英等[2]對(duì)變壓器內(nèi)部放電引起的爆炸事故進(jìn)行分析，并提出增加保護(hù)元件的對(duì)策，以降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)，但是依舊不夠直觀；時(shí)香麗[3]介紹一起俄羅斯薩彥變壓器爆炸事故，并收集了大量資料進(jìn)行分析，但對(duì)事故的分析依舊停留在文字描述層面。

目前尚無(wú)人采用三維動(dòng)畫(huà)模擬變壓器爆炸事故，因此本文對(duì)三維動(dòng)畫(huà)展開(kāi)研究，并制作了一個(gè)易于理解、直觀性強(qiáng)的講解課件。教學(xué)部分包括變壓器結(jié)構(gòu)原理展示及三維動(dòng)畫(huà)兩部分。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)變壓器結(jié)構(gòu)原理，可對(duì)變壓器有一個(gè)直觀了解，并通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)對(duì)變壓器事故產(chǎn)生原因及解決方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1 課件總體設(shè)計(jì)

1.1 課件內(nèi)容設(shè)計(jì)

本課件取材于6.18西安變電站爆炸事故。事故發(fā)生于2016年6月18日凌晨，在西安南部某變電站突然發(fā)生爆炸，導(dǎo)致西安電子工廠損失約數(shù)百億元人民幣。事故現(xiàn)場(chǎng)如圖1、圖2所示。

受到損壞的變壓器型號(hào)為SFPZ11-240000/330。事故原因?yàn)椋?5KV電纜中段爆炸，導(dǎo)致站用交流電源中斷，蓄電池直流供電發(fā)生故障，變壓器連續(xù)承受短路電流，超過(guò)變壓器熱穩(wěn)定極限，致使變壓器著火燒損。

教學(xué)視頻可對(duì)變壓器因高溫或短路而引發(fā)燃燒及爆炸的事故過(guò)程進(jìn)行模擬。具體過(guò)程為：變壓器某部分溫度升高，溫度超過(guò)變壓器油著火點(diǎn)，產(chǎn)生可燃性氣體，油箱內(nèi)壓力迅速上升，遇到火花即會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸，導(dǎo)致變壓器外殼破裂，噴油著火。變壓器著火時(shí)，必須迅速果斷、爭(zhēng)分奪秒地加以處理。處理人員在確認(rèn)變壓器事故后，應(yīng)馬上將變壓器從系統(tǒng)中分離，即斷開(kāi)變壓器輸電開(kāi)關(guān)，然后使用1211泡沫滅火劑或干粉滅火劑等不導(dǎo)電滅火劑盡快將火撲滅。

1.2 功能需求分析

油浸式變壓器爆炸事故三維動(dòng)畫(huà)課件主要應(yīng)用于學(xué)校電力系統(tǒng)教學(xué)，其利用虛擬仿真直觀、形象的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⒗碚撝R(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的動(dòng)態(tài)畫(huà)面，從而降低理論難度[4-6]。課件需要制作變壓器結(jié)構(gòu)、變壓器爆炸事故過(guò)程、變壓器爆炸事故處理3部分的三維動(dòng)畫(huà)講解內(nèi)容。

（1）結(jié)構(gòu)原理展示。課件包括整體結(jié)構(gòu)展示、部件概述、參數(shù)介紹3部分。整體結(jié)構(gòu)展示介紹油浸變壓器功能作用、主要參數(shù)及使用范圍；部件概述詳細(xì)說(shuō)明油浸變壓器各個(gè)部件，包括鐵芯、繞組、引線、油枕、氣體繼電器、套管等，并介紹具體部件功能與參數(shù)；參數(shù)介紹詳細(xì)說(shuō)明變壓器的容量比、電壓比與調(diào)壓方式等。

（2）三維視頻動(dòng)畫(huà)教學(xué)。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)原理展示，在學(xué)生初步了解變壓器基本結(jié)構(gòu)后，課件將演示變壓器持續(xù)承受短路電流，超過(guò)變壓器熱穩(wěn)極限爆炸的三維動(dòng)畫(huà)，以及后續(xù)事故處理操作步驟。

1.3 技術(shù)路線

油浸變壓器爆炸事故三維動(dòng)畫(huà)課件主要采用3DSMAX進(jìn)行場(chǎng)景與變壓器設(shè)備建模工作，建模中要盡量減少模型面數(shù)，以減輕硬件負(fù)擔(dān)[7-12]；采用PS軟件對(duì)圖片進(jìn)行處理，包括摳圖、修補(bǔ)和斜切，保存為PNG格式；精簡(jiǎn)模型并貼圖之后，制作模型動(dòng)畫(huà)視頻并加上真實(shí)音效，然后在視頻播放中配上對(duì)各過(guò)程及操作步驟的詳細(xì)講解，輸出為AVI格式；最后將視頻和圖片一起導(dǎo)入PPT中。課件總體設(shè)計(jì)路線如圖3所示。

2 仿真技術(shù)研究

2.1 三維建模

模型制作是本課件制作中最關(guān)鍵的步驟，根據(jù)真實(shí)變壓器照片以及一些詳細(xì)資料，采用3DSMAX制作變壓器三維模型，如散熱器、高低壓套管、疊片鐵芯等。建模時(shí)需盡量模擬真實(shí)場(chǎng)景，各部分位置也應(yīng)與實(shí)際位置相同。制作場(chǎng)景模型時(shí)需盡量減少模型面數(shù)量與分段數(shù)量，以釋放電腦資源、減少卡頓情況，使運(yùn)行更加流暢。

變壓器儲(chǔ)油柜制作方法為：首先創(chuàng)建一個(gè)厚度適中的圓柱體，右鍵點(diǎn)擊圓柱體轉(zhuǎn)換為可編輯的多邊形，按下數(shù)字鍵4，選中一邊的圓面，點(diǎn)擊擠出設(shè)置，在高度中設(shè)置為0.00m，按下R鍵，對(duì)圓面進(jìn)行適當(dāng)縮放，選擇縮放后的圓面，點(diǎn)擊擠出設(shè)置，擠出后依然選中擠出的面，按下R鍵再次縮放并擠出，對(duì)此次擠出的面選擇局部法線擠出即可（見(jiàn)圖4），對(duì)照效果見(jiàn)圖5；變壓器主體采用長(zhǎng)方體進(jìn)行制作，首先將長(zhǎng)方體轉(zhuǎn)化成可編輯的多邊形，在合適的位置用邊命令選中，然后選擇連接命令加線得面，對(duì)面進(jìn)行擠出操作（見(jiàn)圖6），對(duì)照效果見(jiàn)圖7；變壓器線圈可用樣條線中的螺旋線對(duì)其進(jìn)行渲染，調(diào)整厚度并賦予金屬材質(zhì)；變壓器絕緣紙可以用樣條線中的圓對(duì)其進(jìn)行擠出操作，注意要取消封口的兩個(gè)選項(xiàng)，否則會(huì)出現(xiàn)實(shí)心效果。當(dāng)一部分完成后，最好馬上選中面上光滑組，可使模型看起來(lái)更具有金屬感（見(jiàn)圖8）；高壓套管底可以采用一個(gè)圓柱進(jìn)行制作，通過(guò)在底部加線進(jìn)行法線擠出，低壓套管可以由高壓套管等比例縮放得到。另外變壓器有很多相同部分，只需制作一個(gè)，然后利用鏡像命令或shift+移動(dòng)命令進(jìn)行復(fù)制即可。

最后，貼圖也非常重要，它能使模型看起來(lái)更加真實(shí)。采用PS處理照片，利用鋼筆工具摳圖，調(diào)出標(biāo)尺，選擇圖片變形對(duì)話框，右鍵選擇斜切，慢慢拉正拉直，最后保存貼圖格式為PNG。選擇模型面進(jìn)行貼圖，有時(shí)貼圖無(wú)法很好地對(duì)應(yīng)模型形狀，則需要對(duì)貼圖執(zhí)行UVW命令，對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)、縮放以及旋轉(zhuǎn)角度等操作[13-16]。變壓器鐵芯模型為金屬材質(zhì)，金屬能反射光，所以模型表面應(yīng)該有高光。因此，從漫反射選擇金屬貼圖，將高光級(jí)別調(diào)高，并將光澤度適當(dāng)降低，以產(chǎn)生更加真實(shí)的效果。圖9為制作的變壓器模型，經(jīng)優(yōu)化及貼圖之后，采用3DSMAX進(jìn)行渲染。變電所場(chǎng)景見(jiàn)圖10。

2.2 渲染

在長(zhǎng)時(shí)間建模后，最后一步即是渲染。在一個(gè)場(chǎng)景中添加材質(zhì)、燈光、特效后，在視口中并不能觀察到添加的元素效果，需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行最終渲染才能表現(xiàn)出燈光材質(zhì)特效。渲染作為整個(gè)流程制作的最后一步，用來(lái)對(duì)場(chǎng)景中的各種效果進(jìn)行輸出[17-18]。常用渲染器有默認(rèn)掃描線渲染、Brazil巴西渲染器、mental ray渲染以及VRay渲染（見(jiàn)表1）。

由以上特點(diǎn)可以看出，VRay在保證畫(huà)面質(zhì)量的前提下速度較快，所以本文選擇該方式對(duì)模型進(jìn)行渲染。VRay插件安裝完畢后，在模型場(chǎng)景中加入一個(gè)物理攝像機(jī)，并調(diào)整好角度。由于變壓器位于室外，所以加入太陽(yáng)光照，調(diào)整intensity multiplier為0.25。在渲染設(shè)置中勾選image filter 抗鋸齒選項(xiàng)，并使用VRay Adv產(chǎn)品級(jí)渲染模式進(jìn)行渲染，多次渲染輸出圖片序列[19]。

2.3 動(dòng)畫(huà)合成

運(yùn)行Premiere軟件，創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，點(diǎn)擊導(dǎo)入按鈕，選擇圖片并勾選圖像序列，直到所有圖像導(dǎo)入完畢；在軟件左下角選中素材文件，將素材拖入時(shí)間軸窗口視頻軌道中，在監(jiān)視器功能欄單擊播放按鈕；根據(jù)教學(xué)腳本對(duì)視頻進(jìn)行配音，并根據(jù)配音內(nèi)容為視頻下部加入大小適中的字幕；點(diǎn)擊字幕選項(xiàng)，在新建字幕中點(diǎn)擊默認(rèn)靜態(tài)字幕，然后單擊文字編輯圖標(biāo)，在畫(huà)面中單擊需要添加字幕的位置，再在右側(cè)字幕屬性中選擇字體，關(guān)閉字幕功能框，輸入相應(yīng)字幕并保存，將字幕拖入視頻序列中；為使視頻看起來(lái)更加逼真，在軌道部分加入音頻素材，依據(jù)素材可在視頻軌道中加上合適的圖片和序列；使用視頻切換按鈕使播放畫(huà)面具備連續(xù)預(yù)演功能，可以隨時(shí)看到修改的畫(huà)面并對(duì)其進(jìn)行重復(fù)修改[20]；在輸出設(shè)置中勾選導(dǎo)出視頻與導(dǎo)出音頻，選擇最高渲染質(zhì)量，點(diǎn)擊輸出為AVI格式。視頻播放效果如圖11-圖14所示。

3 合成課件

在以上幾部分內(nèi)容完成后，將圖片與視頻導(dǎo)入PPT中以觀看最終效果。運(yùn)行PowerPoint軟件，插入圖片并調(diào)整圖片大??；然后點(diǎn)擊插入視頻，插入Windows video file 下的AVI格式；點(diǎn)擊播放按鈕即可播放，過(guò)程中可隨時(shí)暫停并控制聲音大小。課件展示如圖15所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文制作的油浸式變壓器爆炸事故三維動(dòng)畫(huà)課件，與使用二維圖形符號(hào)的事故仿真模型相比，可更加真實(shí)地展示變壓器結(jié)構(gòu)及變壓器事故過(guò)程，彌補(bǔ)了其它事故仿真僅注重理論計(jì)算，而不注重可視化仿真的空白，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果。通過(guò)3DSMAX、Premiere和PowerPoint軟件，采用三維建模、動(dòng)畫(huà)合成等技術(shù)，使原本枯燥的理論講解變成可視化教學(xué)。本課件可以隨時(shí)隨地觀看，不受時(shí)間地點(diǎn)限制，從而降低了教學(xué)成本，并能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力，在實(shí)踐中也能起到一定警示作用。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>