學(xué)生強(qiáng)電保護(hù)裝置的開發(fā)與使用

張健民，梁連旺

（新會(huì)岡州職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東江門 529100）

1 教學(xué)現(xiàn)狀

中職學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差，紀(jì)律、安全意識(shí)淡薄，學(xué)習(xí)靈敏度低，沒有自主的安全意識(shí)，大部分學(xué)生的操作成果都是靠模仿的路線，缺乏了思考與創(chuàng)新的環(huán)節(jié)。隨著教學(xué)改革的推進(jìn)和生活質(zhì)量的提升，對(duì)安全的要求也越來越高，在中職業(yè)學(xué)校任教理工類課程（特別是電子電工類）的老師，安全責(zé)任也越來越重。因?yàn)楣た祁惤虒W(xué)不可避免的一個(gè)環(huán)節(jié)是實(shí)際動(dòng)手操作，實(shí)操過程中必然面對(duì)安全問題。

電類專任教師，在實(shí)訓(xùn)課中最擔(dān)心的兩門基礎(chǔ)課分別是照明電路的實(shí)現(xiàn)、拖動(dòng)電路的安裝與維修。前者的操作電壓為AC 220 V，后者甚至達(dá)到AC 380 V，兩者的共同點(diǎn)是必須通電才能讓學(xué)生克服害怕心理及更好地檢驗(yàn)成果，所以確保通電過程中的人身安全及設(shè)備安全被推到了最迫切的位置。

2 方案構(gòu)思

曾有學(xué)生因觸電而手掌開裂，也出現(xiàn)過電線像火蛇一樣在空中飛舞的震撼情境，一旦學(xué)生操作不當(dāng)，220 V 或380 V 的高壓將會(huì)造成設(shè)備的永久損壞（如燒毀接觸器的觸點(diǎn)，燒毀鎮(zhèn)流器等），為學(xué)校的教學(xué)帶來很大沖擊。最嚴(yán)重的還是學(xué)生發(fā)生觸電事故，這是任課老師無法推卸、無法承擔(dān)的責(zé)任。為有效保障學(xué)生的人身安全以及保護(hù)好設(shè)備，需要可以速斷并可以迅速恢復(fù)的保護(hù)措施。熔斷器（保險(xiǎn)絲）由于存在一定的延時(shí)性及考慮過載特性，并不能作為此類保護(hù)的首選。考慮到教學(xué)所用的繼電設(shè)備都有失壓保護(hù)能力，擬使用交流接觸器配合繼電器作為短路保護(hù)的手段，使用變壓器的隔離特性作為學(xué)生單相觸電的防護(hù)手段。

3 設(shè)備參數(shù)測(cè)試

在理論教學(xué)的過程中，交流接觸器與繼電器等繼電裝置都具有失壓保護(hù)能力，且因?yàn)閺椈傻淖饔茫瑒?dòng)作速度非常快。所謂的失壓保護(hù)是指當(dāng)繼電裝置的線圏（包）電壓降低到額定值的80%以下，就有可能因?yàn)楫a(chǎn)生的磁場(chǎng)不足以克服彈簧力的作用而迅速彈開，利用這一特性可以有效地對(duì)短路進(jìn)行檢測(cè)并作出保護(hù)。實(shí)驗(yàn)室中的交流接觸器有兩種型號(hào)，通過利用可調(diào)變壓器對(duì)CJ10 及CJX2 兩種型號(hào)的接觸器（兩者的線圈電壓都為AC 220 V）進(jìn)行失壓實(shí)驗(yàn)，CJ10 型號(hào)的接觸器在工作電壓低于額定電壓約20%即在AC 180 V 左右就會(huì)變得不穩(wěn)定，并有70%的機(jī)會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)力的不足而彈開復(fù)位。

考慮到要與大地進(jìn)行隔離，所以選用變壓器作為隔離的手段，因?yàn)橐紤]安裝位置的關(guān)系，變壓器不能選得太大，最終采用50 VA 的多抽頭控制變壓器，主要將AC 380 V 轉(zhuǎn)換為AC 220 V。除了隔離的作用，它還將保護(hù)設(shè)備的觸點(diǎn)。因?yàn)?0 VA容量的變壓器，經(jīng)過人為的短路測(cè)試，輸出電流最大為0.7 A，小于實(shí)驗(yàn)室中所有電器設(shè)備的額定電流，一旦發(fā)生短路故障，設(shè)備的觸點(diǎn)也能承受0.7 A 的電流而不至于燒糊或燒熔。

4 工作實(shí)施

利用三個(gè)相同的控制變壓器，將變壓器的初級(jí)（380 V 輸入端）以三角形的方式接入三相交流電源中，以符合電壓的要求；將變壓器的次級(jí)（220 V 輸出端）以星形方式連接，中性點(diǎn)引出線作為繼電器及交流接觸器的中性（N）線，得到三相四線制的供電模式，既達(dá)到三相用電AC 380 V 的要求，也將保護(hù)設(shè)備的電壓等級(jí)降低（圖1）。同時(shí)，經(jīng)過變壓器的隔離，將大地與操作地隔離開，即使有同學(xué)碰到電源的其中一相，也不會(huì)產(chǎn)生對(duì)地回路而形成觸電，但同時(shí)觸碰兩相還是會(huì)引起兩相觸電，所以上課時(shí)老師還是要注意此問題。

圖1 電路原理

在三相控制線路中，主要利用交流接觸器主觸頭的閉合作為電路輸出設(shè)備。當(dāng)交流接觸器的主觸頭處于斷開情況下，輸出端沒有電壓輸出；當(dāng)交流接觸器的主觸頭閉合以后，電路以380 V 極限0.7 A 的三相電源進(jìn)行輸出。

在保護(hù)手段上，采用了繼電器J1、J2 及交流接觸器三個(gè)線包作為短路保護(hù)的手段，將繼電器J1、J2、以及交流接觸器的自鎖（常開輔助）觸頭串聯(lián)在一起，只要有任意一相發(fā)生短路，該相的電流會(huì)趨于肄（無窮大）。根據(jù)功率恒定的原理（P=UI），發(fā)生短路一相的電壓會(huì)無限趨向于0，與該相連接的繼電裝置的線包會(huì)因?yàn)槭禾匦远_，令整個(gè)交流接觸器自鎖控制線路的回路受到破壞，交流接觸器主觸頭斷開，讓整個(gè)電路的輸出為0。同時(shí)，電路還設(shè)置了2 個(gè)指示燈，1 個(gè)并聯(lián)在變壓器的一次側(cè)（初級(jí)）以作為電源供電是否正常的指示，另1 個(gè)在交流接觸器主觸頭的輸出側(cè)，用作輸出指示。

AC 220 V 的保護(hù)手段沒有AC 380 V 那么復(fù)雜，因?yàn)榻涣鹘佑|器本身就具備了失壓保護(hù)，所以只用常規(guī)的交流接觸器自鎖控制線路進(jìn)行輸出功能及保護(hù)。

5 成品展示

經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C及實(shí)驗(yàn)，最終的保護(hù)手段全部安裝在一個(gè)電箱中（圖2）。

圖2 保護(hù)裝置電箱

6 使用效果

經(jīng)過強(qiáng)電保護(hù)裝置的介入，在實(shí)際使用的兩個(gè)教學(xué)年中（2017、2018），再?zèng)]有發(fā)現(xiàn)有接觸器、開關(guān)因?yàn)閷W(xué)生接線短路沒被查出或者學(xué)生私自通電時(shí)短路而燒壞，沒有電源引線因?yàn)槎搪范鵁龤В踔吝B保護(hù)用的保險(xiǎn)絲都沒有發(fā)生過損壞，電子式的時(shí)間繼電器也得到了有效保護(hù)，沒有因?yàn)榻渝e(cuò)線而產(chǎn)生損壞的情況。