低压断路器教学演示装置的研制

王吉红　

低压断路器教学演示装置的研制

王吉红

（应急管理部消防救援局昆明训练总队，云南 昆明 650208）

研发一些制作简单、成本低廉的教学演示装置应用到课堂中，既可以加强学员对知识点的理解和掌握，又能够提升课堂教学效率。笔者通过对低压断路器的结构和功能进行分解，研制了一种制作简便的低压断路器教学演示装置（专利号ZL201520279781.2）。把该装置用于课堂教学，活跃了课堂气氛，激发了学员的学习兴趣，提高了课堂教学效果。

低压断路器；教学；演示；模型

引言

低压断路器俗称为自动空气开关，其主要作用是接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁启动的电动机[1]。低压断路器具有过载、短路、欠电压保护等多种保护功能，动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，它相当于开关、过电流继电器、热继电器、失压继电器以及漏电保护器等低压电器的部分或全部的功能之和，是低压配电网中一种重要的保护电器，也是家庭中使用最为广泛的一种预防电气火灾的保护设备。

目前，大多数教师对于低压断路器工作原理这部分知识的教学主要采用动画演示、知识点和原理图讲解等教学方法，由于书面知识的理论性、静态性、不直观性使得课堂教学中学员难懂、教师难教，课堂气氛沉闷，教学效果差强人意。引入演示装置进行教学可以把理论与实物及模型进行有机结合，化抽象为具体，化枯燥为生动，把工作原理清楚地展示在学员面前，有益于增强授课的科学性、精彩性、趣味性，培养学员科学严谨的精神，但目前市场上缺少低压断路器的教学演示设备，开发一套成本低廉、制作简单、演示效果直观明显的教学模型，可以使学员在演示装置的辅助作用下，较为轻松地学习断路器原理，又能大幅缩短学习时间，能够较大程度地提高学习效果和学习效率。

1　研制教学演示装置的过程

1.1　研制教学演示装置技术路线

研发低压断路器教学演示装置的技术路线大致分为五个阶段：教学需求分析、教学演示装置设计、装置试制、装置改良、装置样品制作，具体技术路线见图1。

图1 研制教学演示装置技术路线

1.2　教学演示装置功能设计

低压断路器的工作原理：主触点是靠手动操作或电动合闸，主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放，使自由脱扣机构动作。分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要远距离控制时，按下停止按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点断开。

低压断路器教学演示装置可设计制作在一块展板上，如图2所示，由低压断路器实物与工作原理模型两个部分组成。实物部分可以用160～280 V交流电演示低压断路器的过压、欠压和过载保护，学员可以清楚地看到断路器对电路的保护作用。工作原理部分可用0～24 V的安全直流电演示低压断路器实际工作过程，学员可以通过设计断路器工作模型清楚地看到断路器内部工作原理，也可以自己动手演示操作，加深记忆和理解。

1－电源插头；2－总开关；3－保险丝；4－160～280 V交流调压器；5－交流电流表；6－交流电压表；7－小灯；8－电热丝；9－低压断路器；10－小灯开关；11－电热丝开关；12－24 V直流调压器；13－短路测试开关；14－直流电流表；15－直流电压表；16－远程控制断路开关；17－12 V直流小灯；18－12 V电热丝；19－小灯开关；20－电热丝开关；21－弹簧；22－热脱扣器（双金属片）；23－欠电压脱扣器；24－过电流脱扣器；25－远程控制脱扣器；26－自由脱扣机构；27－脱扣器控制开关；28－主触点。

1.3　教学演示装置工作过程

演示断路器过载保护作用：把电源连接线1插到普通220 V交流电源上，打开总开关2，调节交流调压器4至220 V位置（可观察交流电压表6进行调节），合上断路器9，闭合开关10，这时小灯7正常工作，闭合开关11，断路器9过载跳闸，小灯7熄灭。

演示断路器过压保护作用：把电源连接线1插到普通220 V交流电源上，打开总开关2，调节交流调压器4至220 V位置（可观察交流电压表6进行调节），合上断路器9，闭合开关10，这时小灯7正常工作，缓慢调节交流调压器4至260 V，断路器9过压跳闸，小灯7熄灭。

演示断路器欠压保护作用：把电源连接线1插到普通220 V交流电源上，打开总开关2，调节交流调压器4至220 V位置（可观察交流电压表6进行调节），合上断路器9，闭合开关10，这时小灯7正常工作，缓慢调节交流调压器4至160 V，断路器9欠压跳闸，小灯7熄灭。

演示过载保护动作：把电源连接线1插到普通220 V交流电源上，打开总开关2，调节交流调压器12至12 V位置（可观察交流电压表15进行调节），按下脱钩器控制开关27，触点28处于接触状态，闭合开关20，这时电热丝18正常工作，一段时间后，双金属片22向下发生弯曲，顶住自由脱扣器，自由脱扣器向下脱落，脱钩器控制开关27复位，主触点28断开。

演示短路保护动作：把电源连接线1插到普通220 V交流电源上，打开总开关2，调节交流调压器12至12 V位置（可观察交流电压表15进行调节），按下脱钩器控制开关27，触点28处于接触状态，闭合短路测试开关13，过电流脱扣器24的衔铁吸住自由脱扣器，自由脱扣器向下脱落，脱钩器控制开关27复位，主触点28断开。

演示过压保护动作：把电源连接线1插到普通220 V交流电源上，打开总开关2，调节交流调压器12至12 V位置（可观察交流电压表15进行调节），按下脱钩器控制开关27，触点28处于接触状态，闭合开关19，这时小灯17正常工作，缓慢调节调压器12升高电压，过电流脱扣器24的衔铁吸住自由脱扣器，自由脱扣器向下脱落，脱钩器控制开关27复位，主触点28断开。

演示欠压保护动作：把电源连接线1插到普通220 V交流电源上，打开总开关2，调节交流调压器12至12 V位置（可观察交流电压表15进行调节），按下脱钩器控制开关27，触点28处于接触状态，闭合开关19，这时小灯17正常工作，缓慢调节调压器12降低电压，欠电压脱扣器23的衔铁放开自由脱扣器，自由脱扣器在弹簧弹力下脱落，脱钩器控制开关27复位，主触点28断开。

演示远程控制断路动作：把电源连接线1插到普通220 V交流电源上，打开总开关2，调节交流调压器12至12 V位置（可观察交流电压表15进行调节），按下脱钩器控制开关27，触点28处于接触状态，闭合远程控制断路开关16，远程控制脱扣器254的衔铁吸住自由脱扣器，自由脱扣器向下脱落，脱钩器控制开关27复位，主触点28断开。

2　课堂使用评价

2.1　课堂试用测试方法

依照消防救援局昆明训练总队人才培养方案要求，需要学员掌握“火灾科学基本理论、消防安全技术与方法”，具备“电气安全检查能力、火灾隐患排查能力”。选取消防救援局昆明训练总队的两个学员中队共143名学员作为研究对象。其中，选取一个中队70人为观察组，其余73人为对照组。在“电气技术”课程“电压断路器”知识模块教学课堂中采用不同教学方法在学员中进行授课，对照组采用理论与实践相结合的教学模式进行教学，教师先对低压断路器工作原理进行理论讲解，再使用“低压断路器教学模型”进行演示操作，让学员观察模型结构，亲自动手操作，教师对学员提出的问题进行答疑，指导演示、纠正操作。对照组采用理论讲授方式教学授课，教师根据教学大纲的要求备课并制作断路器相关知识内容的PPT。在课堂教学过程中，对学习目标、重点和难点进行了讲解，教师对学员提出的问题进行答疑[2,3]。

2.2　课堂试用情况分析

参加研究的143名学员，分为实验组和对照组，参加了“电气技术”课程“电压断路器”知识模块的考核。在学习结束后，所有学员均需要完成一份编制的《课堂调查问卷》。问题包括对本次课堂的学习情况，对断路器这部分知识的掌握情况，对教学模型的使用情况，对课堂氛围的评价等方面，回收有效问卷139份。

对实验组和对照组的学员考核成绩进行分析，实验组和对照组的学员考试没有显著差异，对基本知识的掌握情况都达到了教学目标。但在学习兴趣、学习热情、课堂活跃度上存在差异。

在“你对本次课堂的整体评价”一项中，对照组选择“很满意”的有19人，占比27.1%；选择“基本满意”的有35人，占比50.0%；选择“一般”的有14人，占比20.0%；选择“不满意”的有2人，占比2.8%。在实验组中，选择“很满意”的有25人，占比36.2%；选择“基本满意”的有38人，占比55.1%；选择“一般”的有6人，占比8.7%；选择“不满意”的有0人。实验组选择“很满意”和“基本满意”的人员占比均有所上升，选择“一般”的人员占比下降。

在“你对本次课的课堂教学气氛评价是”一项中，对照组选择“很热烈”的有2人，占比2.9%；选择“热烈”的有18人，占比25.7%；选择“一般”的有38人，占比54.3%；选择“枯燥乏味”的有12人，占比17.1%。实验组选择“很热烈”的有19人，占比27.5%；选择“热烈”的有37人，占比53.6%；选择“一般”的有13人，占比18.8%；选择“枯燥乏味”的有0人。实验组中选择“很热烈”和“热烈”的人员占比均有所上升，选择“一般”的人员占比下降，如图3所示。

图3 调查问卷分析对比

2.3　课堂试用效果评价

在课堂上采用“低压断路器教学演示模型”配合理论知识进行讲授，学员的学习兴趣和学习热情均有所提高。教师在进行理论讲解后，让学员在模拟实践过程中将理论认知融入到操作过程中，掌握并运用所学知识获得技能和体验，从而对低压断路器的工作原理有更为直观和形象的掌握。

学员们对基于“低压断路器教学演示模型”的教学非常满意，学员对“低压断路器教学演示模型”理论+实践练习相结合的混合式教学表现出较高的满意度，学员听完理论知识后，可以立即在老师的指导下进行分组操作演示，学员能较为深刻地掌握知识和技能，有学习的成就感与获得感。此外，学员在操作演示的时候可以与教师、同学交流，提高他们的学习兴趣。

3　制作成本估算

制作该教学掩饰装置的费用主要包括物料费用和人工费用，其中物料费用包括：PVC展示板约150元，2 P空气开关约50元，交流调压器约80元，电流表约30元，电压表约30元，线材约60元，电磁铁约30元，插头、开关、小灯、保险丝、电热丝、弹簧、双金属片等元器件约70元。人工费用包括利用铜片板材加工脱扣器等部件，整体制作费用每台约为300元。故制作一台“低压断路器教学演示模型”需要800元左右，如制作5台以上，制作费用可降至500元左右，大批量生产制作，费用更低。

4　结束语

在教学中使用演示装置，通常会受到学员的热烈欢迎。设计研发一些成本低廉、制作简单、便于携带、可以现场操作、工作过程可视的教学模型，将晦涩难懂的知识直观化，学员能近距离观察和动手操作，直观感受强烈，增强学员的感性认识，对提高教学效果起到事半功倍的作用。本套“低压断路器教学演示模型”技术方案将演示装置集中在一块面板上，一方面是使用160～280 V交流电演示低压断路器的过压、欠压和过载保护，学员可以清楚地看到断路器对电路的保护作用，另一方面用0～24 V的安全直流电演示低压断路器实际工作过程，学员可以通过设计断路器工作模型清楚地看到断路器内部工作原理。为方便学员观察和实际动手演示，压断路器模型部分是安装在面板上且是裸露的，可调直流变压器12把220 V交流电转换为0～24 V的直流安全电压输送至断路器模型进行供电，确保学员可以近距离观察和演示安全，适合教师在课堂上演示使用，也可学员动手操作。

[1]高学义. 低压断路器及其参数简介[J]. 内蒙古石油化工，2014，40(19): 103-104.

[2]符晨星，杨玲媛，尹华.MOOC背景下的“普通动物学”教学改革[J]. 教师，2017(34):96-97.

[3]张宏宇. 消防专业教学演示装置设计及制作研究[J]. 广东化工，201(20): 189.

Development of Teaching Demonstration Device for Low Voltage Circuit Breakers

Developing simple and cost-effective teaching demonstration devices for classroom use can not only enhance students' understanding and mastery of knowledge points, but also improve classroom teaching efficiency. The author has developed a teaching demonstration device for low-voltage circuit breakers (patent number: ZL201520279781.2) by decomposing the structure and function of low-voltage circuit breakers. The use of this device in classroom teaching enlivens the classroom atmosphere, stimulates students' interest in learning, and improves the effectiveness of classroom teaching.

low voltage circuit breakers; teaching; demonstration; model

TM58

A

1008-1151(2023)07-0089-03

2022-11-18

王吉红（1981－），男，云南曲靖人，应急管理部消防救援局昆明训练总队教研十五室主任，高级专业技术职务，研究方向为建筑消防设施与消防安全教育。