基于电工实验的保护和考核系统的设计

刘娇 吴琼

摘要：针对电工实验中存在因线路连接不当造成的安全隐患及考核标准的不完善，提出了一种基于电工实验的保护和考核系统电路的设计。该设计通过过压、过流及漏电保护电路对电工实验电路进行实时监测和保护，同时考核电路对实验时间、出错次数进行了监测和实时查询。通过测试，该电工实验系统有很大的实用价值，对电工实验教学具有重要意义。

关键词：电工实验 过压保护 过流保护 漏电保护 考核电路

中图分类号：TM77 文献标识码：A？？？？文章编号：1007-9416（2016）05-0000-0

1前言

“电工与电子技术实验”是高校电气类专业的一门主干实践类课程。电工实验以电源为载体，大部分场合使用的是220V或380V的交流电，实验具有一定的危险性。而参加电工实验的学生绝大部分是新手，实践能力偏弱，对于安全用电的概念处于模糊阶段。因此，在电工实验的教学过程中，安全用电就成为一个不可或缺的教学环节[1]。

本文就实验中常见的几种错误设计保护措施。如设备漏电、电路短路、负载过轻、电压过高、仪表超量程等。针对电工实验中的安全隐患及考核要求，本文设计了一套基于电工实验的保护和考核的系统。

2 系统整体设计

系统由保护模块与考核模块两大部分组成，保护模块又分过压保护、仪表超量程保护、过流及短路保护、漏电保护，各模块都有声光报警功能，用来提示搭建的实验电路存在故障。系统原理框图如图1所示。

配电箱的三相电经交流接触器KM、三相调压器输出后，每相电源再经电流互感器后与零线一并提供给实验装置。交流接触器的线圈由AC220V供电，各模块电路中都有一个直流继电器，将继电器的一个常闭端（NC）串联在交流接触器线圈的供电电路中。漏电保护模块有一个端子要与实验装置的金属外壳连接在一起，用来检测设备是否有漏电现象。所有的保护电路都有一个接口与考核电路相接，用来记录实验过程中的错误操作。各模块的工作电源由配电箱直接供给，因此，即使实验过程中有非正常操作使交流接触器断开，各保护电路还能正常运行。

3 模块电路分析

由图1可以看出保护模块由过压保护、仪表超量程保护、过流及短路保护、漏电保护组成。

3.1 过压保护、过流保护、仪表保护模块

在电工实验过程中，由于接线的疏忽或者对电路的不熟悉，最容易犯的毛病就是220V与380V电源的混淆使用导致超过负载的额定电压，错误操作都可能会给人身安全或财产带来损失。

这三个模块的故障保护及报警原理相似，如图2所示。图2-（a）中端口L3、L4是继电器的常闭触点，串联在交流接触器工作线圈的火线上。比较器的反相输入端接一个电位器，可以调节反相输入端的电位，为保护电路设置阈值电压。比较器的同相输入端连接各模块采样到的信号。在正常状态下，L3、L4是相通的，交流接触器可以正常启动。节点RELAY电压与VCC电压相同，图2-（b）中的蜂鸣器与LED不工作，三极管Q2截止，端口*-Protect输出低电平。

若同相端的电压大于阈值电压（反相端的电位），比较器输出高电平，三极管Q1饱和导通，使继电器吸合。此时L3、L4断开，交流接触器因线圈断电而断开触点，切断实验设备的供电。因为断电后保护模块无输入信号，即比较器同相端无输入信号，比较器输出低电平。但在继电器吸合时，其常开端闭合，使其线圈经复位按钮连接在一个闭合回路中而继续保持吸合状态。此时声光报警模块也连接到闭合回路中，将持续报警且交流接触器不能启动，三极管Q2导通，*-Protect端口输出一个高电平到考核模块上，引起单片机的中断，报警记录增加一次。直到按了复位按钮，切断回路才能停止报警，交流接触器才能启动。

3.2 漏电保护模块

尽管实验设备带有漏电保护开关，可以有效防止人身触电事故发生。但若由于实验连接线的绝缘层破损或导线有毛刺等原因使设备带电，而实验设备接地又不好，这样是不会引起漏电保护开关的动作，从而也会发生触电。此模块就是为预防这种意外的发生而设计的，其原理图如图3所示。

图3中555芯片组成一个施密特触发器，正常状态下，外壳没有漏电，三极管Q3截止，555的第2、6脚输入电压与芯片电源电压相同，输出端第3脚为低电平，三极管Q4截止，继电器K1、K2都不工作，L2、L3相通，实验设备正常供电。

当外壳有漏电现象，则此电压经R1、R2分压、整流、滤波后输入到三极管Q3的基极上致Q3导通，555第2、6脚电压降为低电平，输出端第3脚输出高电平使三极管Q4导通，从而继电器K1、K2吸合，L2、L3断开，实验设备断电，有效防止学生触电。该模块的声光报警与记数信号输出的原理同前面分析一样。

该系统的另一个功能就是可以对学生的实验进行定量的考核。该模块是以AT89C52为主控的，可实现四大主要功能。 定时功能、记录功能、查询功能以及时钟功能。

4 实验操作流程

系统工作流程如图4所示。

5 结语

本文从电工实验的安全与考核两个方面出发，对实验设备进行改进和优化，解决了各种安全隐患，安全方面考虑了设备接地不良的漏电保护，可以减小触电风险；考核方面实行定时控制、故障记录、密码保护，使考核更具有公正性。通过了对电工实验系统的测试，验证了该优化方案的可行性。此外，该研究设计对其他电工实验的改进具有一定的实际参考价值。

参考文献

[1]戴文雯.电工实验教学用电安全分析与防范[J].电气电子教学学报，2013，（3）：75-76.

[2]谭晗.电工实验教学中的安全问题与相应措施[J].技术天地，2013，（4）：143-144.

[3]陈艳，王晖.电工实验中的交流过流保护和漏电保护[J].仪器仪表用户，2002，（3）：41-42.

[4]吕学红.电工实验中的交流过流保护和漏电保护[J].通信电源技术，2013，（4）：145-147.

[5]陈葵.对电工实验教学中安全问题的思考与实践[J].电气电子教学学报，2003，（12）：88-90.