試論基于安全可靠的實驗實訓室電源總控臺的設計

摘 要：實驗實訓室電源總控制臺設計是針對職業(yè)院校實驗實訓教學管理、提高教學有效性的重要課題。筆者根據(jù)某校實訓室設備的配置要求，結合實際經(jīng)驗，設計一款基于多種保護一體，監(jiān)控送電、用電，集中控制的實驗實訓設備總控臺。實踐證明，這款基于安全可靠的實驗實訓室電源總控臺適宜在同類實驗實訓室中推廣應用。本文就基于安全可靠的實驗實訓室電源總控臺的設計進行詳細闡述。

關鍵詞：實驗實訓室 電源總控臺 安全防護

如何管理好不斷增加的實驗實訓設備，使其充分發(fā)揮良好的教學效果，是職業(yè)院校管理者和教師值得研究的重要課題。在職業(yè)院校實驗實訓室建設中，電源總控臺的設計是建設中的難題，因為一般實驗實訓設備制造廠不提供電源總控臺，然而，電源總控臺在實驗實訓教學中起著重要作用，是安全、有效實施教學的重要保障。

據(jù)調查，目前職業(yè)院校的電源總控臺大致分兩種情況：一是沒有專門的電源總控臺，以裝在實驗實訓室墻上的配電箱代替，只起到電源引入作用，教師難以監(jiān)控學生在實驗實訓操作臺上的用電情況，存在著嚴重的安全隱患，觸電事故時有發(fā)生。二是部分學校實驗實訓室雖然裝有獨立的電源總控臺，但沒有對實驗實訓操作臺進行單獨控制或分路控制，沒有對線路的短路、過載、漏電等原因引起的故障進行綜合保護，保護系統(tǒng)很不完善。下面筆者根據(jù)實際經(jīng)驗，設計一款安全可靠的實驗實訓室總控臺，供同行分享。

一、設計技術要求

學校電工電子實訓中心新建一個電氣控制綜合實訓室，已從某教儀公司購買實訓操作設備28臺，56個操作工位，但無電源總控制臺，技術參數(shù)要求如下。

1.電源輸入

三相五線供電AC 380V ±10% 50Hz，最大進線電流：60A（阻性負載）。

2.電源輸出

每路輸出為三相五線供電AC 380V ±10% 50Hz，共28路，每路最大出線電流：2A（阻性負載）。

二、設計方案

1.設計思路

首先要考慮供電電壓，本實訓操作臺有的設備需要220V供電，而有的需要380V供電，另一方面還要考慮電源負荷大小，這是電源接線時必須考慮的因素之一，以免影響儀器設備的正常使用。另外，在設計上必須考慮到安全可靠、工作穩(wěn)定、操作方便、交互性強。所以本設計采用三相五線制供電，保護接零可靠，有急停保護開關，短路保護，欠壓、失壓保護，漏電保護等多功能保護系統(tǒng)，及時監(jiān)控實驗實訓中的送電和用電情況，采用橋架走線，為避免不同負載之間的互相干擾，電源線分管敷設?？刂坡窋?shù)要考慮設計余量，根據(jù)需要增加到30路。

2.控制線路設計

基于上述設計理念和技術要求，線路如圖1所示，其工作原理如下。

（1）供電控制。該電源控制平臺只要有380V電壓進入，則三個電壓表就會顯示進來的電壓值，如果三相壓正常，則允許送電。合上電源總開關ZRCD1，則整個系統(tǒng)可以啟動，按下啟動按鈕SB2，則控制整個系統(tǒng)工作的交流接觸器KM得電吸合并自鎖，此時三相電源指示燈HL1、HL2和HL3點亮；合上控制系統(tǒng)控制電源總漏電保護開關ZRCD2，單相電源指示燈HL4點亮，控制30路工作臺允許接通電路。此時，若1號工作臺需要供電，則旋轉SA1處“開”狀態(tài)，交流接器KM1得電吸合，KM1主觸點閉合，將電源送到1號工作臺，同時紅色發(fā)光二極管點亮，代表送電正常，如果1號工作臺要用電，則推上1號工作臺上的漏電開關FZCD1即可，此時，綠色發(fā)光二極管點亮，代表1號工作臺已經(jīng)合上FZCD1了，表明1號工作臺正在用電。其余29路工作原理與此相同。

（2）斷電及保護控制。當需要切斷1號工作臺的電源時，只要在電源總控臺上將旋鈕SA1處“斷”狀態(tài)，交流接器KM1失電釋放，KM1主觸點斷開，1號工作臺斷電，同時紅色發(fā)光二極管熄滅，代表停止送電，其余29路原理相同。當某工作臺上用電出現(xiàn)故障，則可以直接按下急停開關，交流接觸器KM失電釋放，所有的工作臺斷電，從而保護設備和人身安全。當電壓不吸或然后停電時，接觸器KM則斷電釋放，可以起到欠壓和失壓保護。本電源總控臺裝有總的漏電保護開關，當某工作臺上發(fā)生短路、觸電或其他漏電情況，萬一工作臺上的漏電開關拒動，則總的漏電開關ZRCD1自動跳開，防止短路、觸電事故的發(fā)生，可起到后備保護，如果總控臺上單相控制電路發(fā)生短路、觸電或其他漏電情況，則單相漏電開關ZRCD2自動跳開，同樣可防止短路、觸電事故的發(fā)生。

3.控制臺面板設計

本實驗實訓室總控臺使用了30個旋鈕，30個紅色發(fā)光二極管，30個綠色發(fā)光二極管，2個漏電保護器，4個電源指示燈，3個電壓表，1個啟動按鈕，1個急停按鈕，本控制臺面板布置框圖，如圖2所示。

4.控制臺側面板設計

為方便連接多媒體等設備，進行設備測試和檢修，在控制臺的側面還裝有三個單相三孔插座，一個三相四孔插座，如圖3所示。

5.保護接地（零）系統(tǒng)的設計

實驗實訓室的接地一般分為工作接地、保護接地（保護接零）、防雷接地和防靜電接地四種。工作接地是指保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定工作以及交流和直流電源系統(tǒng)提供的接地，要求三相變壓器輸出繞組接成星形接法，其中性點直接接地來實現(xiàn)；保護接地（或接零）是為保障人身及設備安全而設置的接地或接零，在絕緣損壞或漏電等故障條件下才發(fā)生作用，要求實驗實訓設備或電源總控臺的金屬外殼與接地樁或保護零線有良好的電氣連接，如果與專用接地樁連接叫保護接地，與保護零線連接叫保護接零，三相五線制供電有專用保護零線；防雷接地是為保證建筑物防雷裝置可靠工作而設置的接地；防靜電接地是為防護靜電、防護電磁干擾等的接電。根據(jù)《科學實驗室建筑設計規(guī)范》和本實驗實訓控制臺設計技術要求，本設計應重點關注在保護接零的設計和施工上，要確保每一個工作臺上設備和電源總控臺的接地電阻小于4Ω，采用TN-S配電方式，分別設置零線和保護接地的匯流排，即零排和地排，并標志清晰，各工作臺的保護接零線要并聯(lián)連接于地排上，并要求專用保護零線（PE線）與地排必須可靠相聯(lián)，導線采用黃綠相間的多股銅芯線，線徑一般要求與相線一致，壓接線要采用“O”形的接線鼻子，以防脫落，排列整齊，連接牢固。

6.主要元器件規(guī)格選擇

參照《低壓開關設備和控制設備》（GB14048.5-2008）等相關技術標準，結合市場產(chǎn)品的可靠性和性價比，選擇本電源總控臺的主要元器件，主要元器件的型號和規(guī)格見表1。

三、效果評價

1.主要優(yōu)點

（1）安全可靠、操作方便，采用三相五線制供電，緊急停止控制、具有短路保護，欠壓、失壓保護，漏電保護。采用轉換開關進行各工作臺控制，并帶有送電指示和用電指示，交互性強。

（2）安裝簡單、維護方便，采用交流接觸器集中遠程控制，設置端子排，引出線接線簡單、檢查容易。

（3）監(jiān)視清晰、觀察方便，采用三個電壓表對供電線路的三相電壓分別進行測量，能夠分別對各電路的電壓進行觀測。

（4）性能穩(wěn)定、抗干擾強，采用1.5mm、2截面以上銅導線直接連接到工作臺，沒有弱電部分，不會產(chǎn)生誤動作。

（5）按需連接、靈活組合，由多組分控臺組合，各組分控臺與總電源控制組采用航空插進行連接，適合實驗室使用。

2.缺點及改進思路

本電源總控制臺只適用于教師在講授時都切斷學生實驗實訓臺的電源，當學生連好電路經(jīng)教師檢查無誤才給學生實驗實訓臺供電情況。但是當教師指導學生人數(shù)較多時，則難以有效組織，教師不得不頻繁往返于學生實驗臺和總控臺之間，增加了教師的工作負擔。今后考慮用遠程遙控和智能集成控制的設計加以完善。

經(jīng)過筆者單位三年的使用證明，這是一款安全可靠的多功能實驗實訓室電源總控臺，非常適用各類學校、特別是職業(yè)院校的實驗實訓操作臺的電源總控制及保護，也適用于企業(yè)有多個操作臺的電源總控與保護。

參考文獻：

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[2]吳臻，胡建明.淺論中小學實驗室建設與管理中的安全防護[J].教學儀器與實驗，2013（4）.

（作者單位：杭州市蕭山區(qū)高級技工學校）