安全監(jiān)護系統(tǒng)在電工實驗臺中的應(yīng)用與研究

楊學瓊

（咸寧市旅游局，湖北 咸寧437100）

1 安全防護的研究與設(shè)計

在進行電工實驗時，由于操作的不當最容易出現(xiàn)的問題便是由此產(chǎn)生的瞬間大電流，這種大電流對人體的傷害是致命的，主要是電流在通過人體時對人體內(nèi)各個器官的傷害很大，而傷害的大小與通電的時間與電流大小有著直接的關(guān)系。

1.1 人體安全防護速度的研究

（1）電路發(fā)生短路時的電流特性。短路電流指的是力系統(tǒng)在進行時，供電系統(tǒng)中不等電位的點沒有經(jīng)過負載而直接相連通時所流過的電流，其值可遠遠大于額定電流，通常系統(tǒng)中所發(fā)生的短路主要是由于相與相之間或相與地（或中性線）之間所發(fā)生非正常連接引起的。

選取頻率為50Hz、交流電源電壓為50V，負載為2KΩ來當作測試電路來進行測試。在工作過程中將負載去掉之后，電路中的電流便會在瞬間上升到正常情況下的幾十倍，而電路中的電壓會瞬間下降許多，電壓與電流之間的相位增大到90°左右。而系統(tǒng)內(nèi)的瞬間電流在經(jīng)歷了3s左右的干擾之后便會出現(xiàn)快速的上升，而電路在出現(xiàn)短路問題之后，系統(tǒng)在從正常情況下轉(zhuǎn)換到短路情況時系統(tǒng)內(nèi)的電流變化是十分復(fù)雜的，特別是在剛進行短路時會出現(xiàn)一個峰值的電流，稱之為沖擊電流，這一電流特別高，基本為正常情況下額定電流的10～15倍，這一沖擊電流對系統(tǒng)會產(chǎn)生非常嚴重的影響，危害整體系統(tǒng)。

（2）電流通過人體的效應(yīng)。在對短路電流進行分析之后，為了能夠更好地提高對人體的保護，就需要對電流通過人體時所造成的影響進行研究，這樣才能夠更好地為研究工作提供基礎(chǔ)。就目前國內(nèi)外的相關(guān)標準來看，對于電流通過人體效應(yīng)問題的研究工作都有一定的基礎(chǔ)，主要可以有以下兩個方面：①國際電工委員會所提出的關(guān)于《電流通過人體效應(yīng)》的研究，是目前國內(nèi)外眾多研究成果中具有代表性和權(quán)威性的成果，我國也采用了這項標準。此項標準主要是對電流通過人體時所產(chǎn)生的電流幅值與持續(xù)時間為主的。②美國電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）的研究指出，人體只能耐受有限的電流，這個電流隨各人的情況和電流流過的時間不同而異，根據(jù)相關(guān)研究成果顯示，人體發(fā)生心臟顫動與觸電持續(xù)時間和流經(jīng)人體的電流密切相關(guān)，而且人體的觸電時間越長，心臟發(fā)生顫動的電流將越小。

1.2 系統(tǒng)電流的檢測與短路判斷

在對電流通過人體所產(chǎn)生的影響進行研究之后，就需要根據(jù)研究結(jié)果設(shè)定相應(yīng)的保護電路，這樣才能夠更好提高整體的保護力度。

在系統(tǒng)中產(chǎn)生短路電流時，首先需要通過檢測技術(shù)檢測到短路電流才能夠?qū)Χ搪冯娏鳟a(chǎn)生識別，激活后面的保護電路。本次保護系統(tǒng)所保護的電流為交流電而且電流的幅值較大，所以對于電流信號的檢測主要是針對交流電進行的。

在查閱了相關(guān)資料并與本次系統(tǒng)的特點相結(jié)合之后，采用的檢測方法為磁場平衡式霍爾電流傳感器，并且需要保障可以檢測到的交流電流為3A，需要在系統(tǒng)中加入隔離電路來實現(xiàn)對兩路電路的隔離，以此來實現(xiàn)快速斷路保護的功能。在對所需要使用的霍爾電流傳感器進行比較之后，選用了Allegro公司所推出的線性霍爾傳感器。

1.3 采用IGBT管實現(xiàn)的交流電子開關(guān)

電子技術(shù)的不斷進步促使半導體技術(shù)的不斷發(fā)展與壯大，特別是利用半導體材料所設(shè)計并生產(chǎn)的一些電子器件也已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。特別是復(fù)合式電子開關(guān)器件IGBT的應(yīng)用。由于IGBT所具有的特點，在一些開關(guān)電路中能夠很好地實現(xiàn)對電路的控制能力。IGBT在工作時，其開通與判斷都是由門極電壓來進行控制的，當門極接受到的為正電壓時，MOSFET內(nèi)部便會形成溝道，這時IGBT便會導通；當門極接受到的為負電壓時，MOSFET內(nèi)部的溝道便會消失，此時的IGBT處于判斷情況。

（1）兩個IGBT對偶所構(gòu)成的交流電子開關(guān)。在平時使用的220V交流電路中，系統(tǒng)內(nèi)通的電流與電壓會按照50Hz進行周期性的變化，在變化過程中，IGBT等一些常用的電子開關(guān)則只能夠?qū)崿F(xiàn)單方向的導通，所以在應(yīng)用IGBT時為了能夠保障開關(guān)器件在交流電中正常工作，則需要將兩個電路中反向連接上IGBT，反向連接的兩個IGBT能夠有效地實現(xiàn)整個電路中的開通與判斷。工作過程為當?shù)谝粋€正半周到時，則IGBT1實現(xiàn)正向的導通，而IGBT2則處于截止，當負半周到來時，則IGBT1處于截止狀態(tài)，而IGBT2則處于導通狀態(tài)。

（2）單個IGBT管實現(xiàn)交流電子開關(guān)。由上一節(jié)介紹可以看出，兩個相反的IGBT相連能夠有效地解決交流電路中電路通斷的問題。而本次設(shè)計在查閱了大量資料之后重新設(shè)計了一種新型的使用單個IGBT而實現(xiàn)的交流電路通斷解決方案，并且通過相關(guān)實驗結(jié)果較理想。

2 故障定位的研究與設(shè)計

2.1 故障定位的必要性

現(xiàn)階段對于故障定位技術(shù)的研究工作主要應(yīng)用在智能電網(wǎng)上的高壓輸電線，使用的方法為阻抗法與行波法等方法進行定位，而傳統(tǒng)的定位方法多是人工進行的，二者相比人工進行的具有明顯的劣勢。

對于本次設(shè)計來說，主要面對的是電工實驗臺，需要解決的問題是因為操作人員的不當操作所引起的問題。所以在進行改造時需要對現(xiàn)有的模塊進行研究并升級，提高系統(tǒng)內(nèi)對于短路故障的定位精度。另外，在原有的基礎(chǔ)上如果能夠促進學生來尋找故障出現(xiàn)的問題，并幫助學生進行記錄與學習，這樣一來就能夠有效地提高學生對于故障電路的認識，提高學生自我維護與檢修的能力，最終提高學生的實踐動手能力。所以在進行改造與研究時，需要設(shè)計出一套能夠快速、精度定位的系統(tǒng)，這樣就能夠達到事半功倍的效果。

2.2 現(xiàn)有的故障定位方法分析

（1）電磁感應(yīng)法。這種方法指的是在正常工作的電路中通入20KHz并且有著一定幅度值的檢測信號，通往到系統(tǒng)中的檢測信號在電路中會產(chǎn)生出相應(yīng)的電磁波，還需要在電路中加出電磁感應(yīng)線圈對接收到的信號進行放大處理，可以根據(jù)接收到的信號強弱來對故障處進行定位。

（2）阻抗法。所謂阻抗法指的是需要使用工頻測量測距的方法來對電路進行測量，并且在進行測量時需要選擇特定的一端來進行，并且與系統(tǒng)中電路電線的相關(guān)參數(shù)相接合，列出相應(yīng)的關(guān)系方程式，以此來計算出問題所在之處，最終實現(xiàn)對故障處的精確定位。

（3）行波法。行波法指的是利用暫態(tài)行波在輸電線路中的傳播速度比較穩(wěn)定這一特點，并結(jié)合故障點發(fā)出的暫態(tài)行波到達特定測試端所需要的時間，來測量故障點與特定測試端之間的距離。這種方法雖然在進行時比較復(fù)雜，但是精度較高，對于長距離的輸電線路來說具有較高的利用價值。

3 安全監(jiān)護系統(tǒng)的實現(xiàn)

（1）安全監(jiān)護系統(tǒng)實現(xiàn)的必要性。本次設(shè)計主要是對現(xiàn)有的電工實驗平臺進行二次開發(fā)，實現(xiàn)安全監(jiān)護有的是在電工平臺中加入計算機網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，這樣教師便能夠通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對每一臺電工平臺的監(jiān)護，最終實現(xiàn)智能化與網(wǎng)絡(luò)化的管理。

雖然這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對各個電工實驗平臺的監(jiān)護，但是學生在進行操作時并不能夠?qū)λ麄兊腻e誤操作進行提醒，而且在出現(xiàn)故障與錯誤時進行處理的時間較長。所以，需要找出一種新的方法來實現(xiàn)安全防護、故障定位與師生交互三種功能的有機結(jié)合。

（2）安全監(jiān)護系統(tǒng)的總體設(shè)計。前面兩章主要是對人體安全防護與短路故障定位進行了研究，在以上技術(shù)的基本上需要與監(jiān)護系統(tǒng)相結(jié)合，最終實現(xiàn)本次課題的目的。

與上面兩章所介紹的相結(jié)合，本次課題安全監(jiān)護系統(tǒng)的總體設(shè)計如下：由FPGA所構(gòu)成的模塊是整體系統(tǒng)中最重要的組成部分，整體系統(tǒng)中主要是由N個前端采集點，當采集到相應(yīng)的信號之后便對這些信號進行處理與判斷，判斷的依據(jù)由MCU所提供的基準電壓為準，若出現(xiàn)問題則需要控制保護裝置讓其在短時間內(nèi)進入到工作狀態(tài)，并將處理后的結(jié)果反饋到MCU中去，MCU會向報警系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的指令，報警系統(tǒng)便會工作。另外，MCU還會向FPGA發(fā)送相應(yīng)的指令，F(xiàn)PGA會將接收到的信號通過顯示屏顯示出來，最終上傳到教師所使用的監(jiān)控平臺。

4 結(jié)語

隨著電工實驗的普及，對于電工實驗臺的要求也越來越高，為了能夠更好地保護使用者的安全，對于電工臺安全監(jiān)護系統(tǒng)的研究工作十分重要。本系統(tǒng)是對原有的電工平臺的二次開發(fā)，具有較高的應(yīng)用價值，試驗結(jié)果達到了前期設(shè)計時的各項要求。

[1]孫開放,楊澤富,孫親錫.電路實驗教學模式的研宄與探索[J].電氣電子教學學報,2001,23(1).

[2]秦曾煌.電工學-電工技術(shù)(第7版)[M].北京：高等教育出版社,2009.