安全監護系統在電工實驗臺中的應用與研究

楊學瓊

（咸寧市旅游局，湖北 咸寧437100）

1 安全防護的研究與設計

在進行電工實驗時，由于操作的不當最容易出現的問題便是由此產生的瞬間大電流，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系。

1.1 人體安全防護速度的研究

（1）電路發生短路時的電流特性。短路電流指的是力系統在進行時，供電系統中不等電位的點沒有經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，通常系統中所發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。而系統內的瞬間電流在經歷了3s左右的干擾之后便會出現快速的上升，而電路在出現短路問題之后，系統在從正常情況下轉換到短路情況時系統內的電流變化是十分復雜的，特別是在剛進行短路時會出現一個峰值的電流，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會產生非常嚴重的影響，危害整體系統。

（2）電流通過人體的效應。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。就目前國內外的相關標準來看，對于電流通過人體效應問題的研究工作都有一定的基礎，主要可以有以下兩個方面：①國際電工委員會所提出的關于《電流通過人體效應》的研究，是目前國內外眾多研究成果中具有代表性和權威性的成果，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生的電流幅值與持續時間為主的。②美國電氣電子工程師協會（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，根據相關研究成果顯示，人體發生心臟顫動與觸電持續時間和流經人體的電流密切相關，而且人體的觸電時間越長，心臟發生顫動的電流將越小。

1.2 系統電流的檢測與短路判斷

在對電流通過人體所產生的影響進行研究之后，就需要根據研究結果設定相應的保護電路，這樣才能夠更好提高整體的保護力度。

在系統中產生短路電流時，首先需要通過檢測技術檢測到短路電流才能夠對短路電流產生識別，激活后面的保護電路。本次保護系統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。

在查閱了相關資料并與本次系統的特點相結合之后，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，需要在系統中加入隔離電路來實現對兩路電路的隔離，以此來實現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管實現的交流電子開關

電子技術的不斷進步促使半導體技術的不斷發展與壯大，特別是利用半導體材料所設計并生產的一些電子器件也已經得到了廣泛的應用。特別是復合式電子開關器件IGBT的應用。由于IGBT所具有的特點，在一些開關電路中能夠很好地實現對電路的控制能力。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對偶所構成的交流電子開關。在平時使用的220V交流電路中，系統內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則只能夠實現單方向的導通，所以在應用IGBT時為了能夠保障開關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能夠有效地實現整個電路中的開通與判斷。工作過程為當第一個正半周到時，則IGBT1實現正向的導通，而IGBT2則處于截止，當負半周到來時，則IGBT1處于截止狀態，而IGBT2則處于導通狀態。

（2）單個IGBT管實現交流電子開關。由上一節介紹可以看出，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。而本次設計在查閱了大量資料之后重新設計了一種新型的使用單個IGBT而實現的交流電路通斷解決方案，并且通過相關實驗結果較理想。

2 故障定位的研究與設計

2.1 故障定位的必要性

現階段對于故障定位技術的研究工作主要應用在智能電網上的高壓輸電線，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有的模塊進行研究并升級，提高系統內對于短路故障的定位精度。另外，在原有的基礎上如果能夠促進學生來尋找故障出現的問題，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，需要設計出一套能夠快速、精度定位的系統，這樣就能夠達到事半功倍的效果。

2.2 現有的故障定位方法分析

（1）電磁感應法。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，通往到系統中的檢測信號在電路中會產生出相應的電磁波，還需要在電路中加出電磁感應線圈對接收到的信號進行放大處理，可以根據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，并且與系統中電路電線的相關參數相接合，列出相應的關系方程式，以此來計算出問題所在之處，最終實現對故障處的精確定位。

（3）行波法。行波法指的是利用暫態行波在輸電線路中的傳播速度比較穩定這一特點，并結合故障點發出的暫態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 安全監護系統的實現

（1）安全監護系統實現的必要性。本次設計主要是對現有的電工實驗平臺進行二次開發，實現安全監護有的是在電工平臺中加入計算機網絡管理系統，這樣教師便能夠通過網絡實現對每一臺電工平臺的監護，最終實現智能化與網絡化的管理。

雖然這種方法能夠實現對各個電工實驗平臺的監護，但是學生在進行操作時并不能夠對他們的錯誤操作進行提醒，而且在出現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安全防護、故障定位與師生交互三種功能的有機結合。

（2）安全監護系統的總體設計。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，在以上技術的基本上需要與監護系統相結合，最終實現本次課題的目的。

與上面兩章所介紹的相結合，本次課題安全監護系統的總體設計如下：由FPGA所構成的模塊是整體系統中最重要的組成部分，整體系統中主要是由N個前端采集點，當采集到相應的信號之后便對這些信號進行處理與判斷，判斷的依據由MCU所提供的基準電壓為準，若出現問題則需要控制保護裝置讓其在短時間內進入到工作狀態，并將處理后的結果反饋到MCU中去，MCU會向報警系統發送相應的指令，報警系統便會工作。另外，MCU還會向FPGA發送相應的指令，FPGA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控平臺。

4 結語

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，對于電工臺安全監護系統的研究工作十分重要。本系統是對原有的電工平臺的二次開發，具有較高的應用價值，試驗結果達到了前期設計時的各項要求。

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