張 軍 侯加林

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 山東泰安 271018

隨著國家對教育的投入加大，高?，F(xiàn)階段新儀器、新設(shè)備不斷引入實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)條件與科研條件已經(jīng)有了較大改善，引入高校的儀器設(shè)備在基本要求方面是可以滿足需求的，但在一些具有較高要求的實(shí)驗(yàn)方面還有一定的差距。如何在此基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造，使其更加符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研工作的需求，是擺在從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師面前的一大問題。誠然，改造、升級、革新設(shè)備需要投入非常大的精力、時間和心血，在目前教育投入不足的情況下，需要教師、實(shí)驗(yàn)人員有奉獻(xiàn)精神，只有這樣才能改善實(shí)驗(yàn)條件，使科研水平不斷提高，鍛煉能力，營造更加安全的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。

1 改造設(shè)備的起因分析

我校購入的TH-DT型電工電子電力拖動實(shí)驗(yàn)裝置，是早期實(shí)驗(yàn)設(shè)備，能夠滿足電路分析、電工技術(shù)基礎(chǔ)、電工學(xué)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、電機(jī)控制、繼電接觸控制、電力拖動基礎(chǔ)需求實(shí)驗(yàn)，是一臺綜合性實(shí)驗(yàn)裝置。但由于是早期產(chǎn)品，因此儀器設(shè)備在安全保護(hù)方面存在一定缺陷，為了消除這些隱患，我們實(shí)驗(yàn)中心成立了改造課題組，重點(diǎn)研究漏電流對學(xué)生的傷害。電流通過人體時，人體內(nèi)部組織將產(chǎn)生復(fù)雜的變化。人體可分為兩種情況觸電，其一是高電壓和雷擊觸電，大電流通過人體產(chǎn)生熱、化學(xué)、機(jī)械等效應(yīng)，使人體受到嚴(yán)重的電灼傷、組織碳化壞死等永久性傷害；其二是低電壓觸電，人體在幾十至幾百毫安電流作用下，產(chǎn)生生理病理性反應(yīng)，如有刺痛感、機(jī)體出現(xiàn)痙攣、血壓升高、心律不齊、昏迷等暫時性功能失常，嚴(yán)重者會出現(xiàn)呼吸困難、心跳驟停等危及生命的傷害。圖1所示為人體電流/mA-觸電時間/ms示意圖。

圖1 人體觸電實(shí)踐和通過人體電流對人身肌體反應(yīng)的曲線

由圖1可以看出，人體觸電反應(yīng)分為四個區(qū)域：一區(qū)觸電人體無反應(yīng)；二區(qū)觸電后人體有麻木感，沒有生理性病理反應(yīng)，對人體較輕傷害；三區(qū)觸電后人體產(chǎn)生心律不齊、血壓升高、強(qiáng)烈痙攣等癥狀，尚無器質(zhì)性損傷；四區(qū)觸電后，可發(fā)生心室纖維性顫動，嚴(yán)重的可致死亡。所以人們通常認(rèn)為一二三區(qū)為“安全區(qū)”，三區(qū)與四區(qū)之間的曲線，稱為“安全曲線”，但安全曲線內(nèi)并不絕對安全，是因人而異的。安全電流(safety current)，即人體觸電后最大的擺脫電流(let-go current)。實(shí)驗(yàn)資料表明，對于不同的人，擺脫電流也不相同：成年男性的均勻擺脫電流約為16 mA；成年女性約為10.5 mA。成年男性的最小擺脫電流約為9 mA；成年女性的最小擺脫電流約為6 mA(最小擺脫電流是按0.5%的概率考慮的)。

各國規(guī)定的安全電流值并不一樣，我國規(guī)定30 mA(50 Hz)，觸電時間不超過1秒(1000 mS)，因此安全電流值稱為30 mA·S。由人體電流-觸電時間圖看出，當(dāng)通過人體電流不超過30mA·S時，對人體損傷不嚴(yán)重，不致引起心室纖維性顫動和器質(zhì)性損傷，通過人體的電流達(dá)到50 mA·S時，就有生命危險(xiǎn)。當(dāng)通過人體電流達(dá)到100mA·S時，將引起心室顫抖或窒息，造成死亡。因此，引起心室顫抖的電流即是致命電流(lethal current)。致命電流是指在較短時間內(nèi)危及生命的最小電流。人體觸電時安全與否，受以下因素影響：(1)觸電時間，由圖1可以看出，觸電時間在0.2 S(即200 mS)以下和0.2 S以上，觸電電流對人體的危害程度差別很大，觸電電流超過0.2 S時，致顫電流(f ibrillating current)值急劇下降，危險(xiǎn)性急劇增大。(2)電流的性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)資料表明，直流、交流和高頻電流通過人體時的危害程度不一樣，交流(工頻電流50～60 Hz)對人體的危害程度最嚴(yán)重。(3)電流路徑，電流流經(jīng)人體造成傷害的程度，主要是對心臟的傷害，實(shí)驗(yàn)資料表明，不同路徑的電流對心臟有不同的損害，電流從手流到腳，特別是從一只手流到另一只手對人的傷害最大。(4)健康和體重，健康的心臟和衰弱的心臟抵抗電流的損害是不一樣的，包括人的心理狀態(tài)、情緒好壞及體重等對抵抗電流的損害都有較大差別。

2 加裝改造設(shè)備，消除設(shè)備安全隱患

以上分析表明，要解決觸電問題，保證學(xué)生人身安全及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全運(yùn)行，需要進(jìn)行設(shè)備改造。改造課題組經(jīng)過研究決定，在原有設(shè)備上加裝隔離變壓器，并將隔離變壓器增加輸出電壓的組數(shù)(220 V，134 V，96 V)，用于加裝隔離電源漏電報(bào)警器等。一般的隔離變壓器是一種1:1的變壓器。不一定要1:1的變壓，我們設(shè)計(jì)的是次級交流電壓220 V，134 V，96 V等，它的初級電壓與次級電壓相同，而普通變壓器交流電一根線與大地相連，另一根線與大地之間的電壓是220伏的電位差，人接觸會觸電。隔離變壓器次級不與大地相連，任意一根線與大地之間沒有電位差，人接觸任意一根線不會觸電，所以比較安全，隔離變壓器是安全變壓器，屬于安全電源，可同時起到保護(hù)、防雷、濾波等作用。隔離變壓器的輸出端跟輸入端是完全“斷路”隔離的，對變壓器輸入端(電網(wǎng)供給的電源電壓)起到了良好的過濾作用，給實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供了純凈的電源電壓。隔離變壓器是指輸入繞組與輸出繞組在電氣上彼此隔離的變壓器，使一次側(cè)與二次側(cè)的電氣完全絕緣，也使該回路隔離。用以避免學(xué)生偶然同時觸及電源(或因絕緣損壞而可能帶電的金屬部件)與實(shí)驗(yàn)臺所帶來的危險(xiǎn)，原理與普通干式變壓器相同，利用電磁感應(yīng)原理，主要隔離一次電源回路，二次回路對地浮空，隔離危險(xiǎn)電壓，以保證學(xué)生用電安全。另外，利用其鐵芯高頻損耗大的特點(diǎn)，從而抑制高頻雜波傳入控制回路，凈化了電源(如圖2所示)。

圖2

實(shí)驗(yàn)臺改造完成后，應(yīng)用于全部電工實(shí)驗(yàn)、電路實(shí)驗(yàn)，極大地提高了學(xué)生電工實(shí)驗(yàn)與電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性，在技術(shù)上保護(hù)了學(xué)生的生命安全，減輕了實(shí)驗(yàn)教師的心理和教學(xué)負(fù)擔(dān)，尤其是在以下實(shí)驗(yàn)中正弦穩(wěn)態(tài)交流向量的研究、單項(xiàng)鐵芯變壓器特性的測試、三相交流電路電壓、電流的測量、功率因數(shù)及相序的測量、三相鼠籠式異步電動機(jī)、三相鼠籠式異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制實(shí)驗(yàn)。改裝后的實(shí)驗(yàn)臺，安全性能顯著提高，每學(xué)期17～18個教學(xué)班，每年36～37個教學(xué)班的實(shí)驗(yàn)學(xué)生得到保護(hù)。

經(jīng)過改造后的教學(xué)設(shè)備在國內(nèi)部分高校使用，設(shè)計(jì)改造、加裝隔離變壓器的思路和想法，是出于一切為了學(xué)生安全的考慮?；诖?，我們反復(fù)查找資料，利用寒暑假時間長、無雜事干擾的機(jī)會，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、調(diào)整、測試，克服了一個個技術(shù)壁壘，使設(shè)計(jì)達(dá)到了技術(shù)要求。主要的技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)為：額定容量是0.5 KVA，檢測儀表用電壓是AC134 V，AC96 V，耐壓強(qiáng)度是AC2000 V(limit)，初級交流電壓是AC220 V，次級交流電壓是AC220-134-96 V，絕緣等級是F級，實(shí)驗(yàn)用電壓是AC220 V，短路電流是AC0.01 mA(此短路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于我國規(guī)定的30 mA，安全性能較高)。

改造后的儀器設(shè)備達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，將對學(xué)生危害極大的380 V，220 V交流電改造為對學(xué)生人體無傷害的安全電源，即使學(xué)生將380 V或220 V交流電的一根火線拿在手里也沒有任何傷害，并且在此基礎(chǔ)上增加了漏電保護(hù)、報(bào)警功能，一旦學(xué)生將火線與實(shí)驗(yàn)臺金屬部件接觸即可報(bào)警并斷電保護(hù)，這樣既保護(hù)了學(xué)生的人身安全又保護(hù)了設(shè)備安全。保護(hù)動作靈敏、迅速。以此類推，在用于其他設(shè)備時可根據(jù)不同設(shè)備情況，設(shè)計(jì)出不同的外形尺寸，便于安裝、調(diào)試。

在節(jié)約經(jīng)費(fèi)方面，本次設(shè)備改造使用在電工、電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，主要解決了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全問題，社會經(jīng)濟(jì)效益也非常明顯，如果購置成品，每套需要人民幣7000～8000元，而我們自制每套約為1500元左右，現(xiàn)有設(shè)備15套，總計(jì)節(jié)約經(jīng)費(fèi)100000元左右。其應(yīng)用前景非常廣泛，可推廣至其他設(shè)備上，對學(xué)校安全教學(xué)水平有較大的提高，在促進(jìn)以人為本，安全第一，和諧校園建設(shè)上，更具現(xiàn)實(shí)意義和長遠(yuǎn)意義。

3 結(jié)束語

機(jī)電學(xué)院一貫重視實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，最大限度地支持實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備研制、升級與改造，創(chuàng)造了非常寬松的環(huán)境，本次設(shè)備改造吸收了五位學(xué)生參與，通過提出問題、研究方案、按步實(shí)施等過程，培養(yǎng)了學(xué)生求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度，孜孜不倦的探索精神、團(tuán)隊(duì)合作的道德情操，對于學(xué)生工程技術(shù)意識及健康的身心素質(zhì)培養(yǎng)起到了積極作用，探索了復(fù)合型高級工程技術(shù)人才培養(yǎng)的新途徑。我院結(jié)合自身優(yōu)勢，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理，對實(shí)踐教學(xué)提出了更高要求，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位和作用給予了充分肯定，尤其是對實(shí)驗(yàn)設(shè)備研制、升級、改造更是給予了足夠的重視。

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