电磁发射实验教学的特点与安全防护对策浅析

赵科义?李治源?向红军?张倩?雷彬?吕庆敖

摘要：在阐明开展电磁发射实验教学重要性的基础上，对其特点进行了梳理与分析，从加强实验安全教育、严守操作流程、实现高低压隔离等六个方面探讨了确保电磁发射实验教学顺利实施的安全防护对策。

关键词：电磁发射实验教学；特点；安全防护对策

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0180-02

目前电磁发射已成为兵器发射领域中的一个重要研究方向。随着人们对电磁发射技术认知程度的不断提高，一些高等院校和科研院所对其所做的研究工作不断深化。[1-4]研究过程中开展了大量的实验研究工作，取得的一些研究成果已经逐步融入高等院校的教学工作中，特别是已明显融入到以电磁发射技术为研究方向的研究生教学工作中。因为这些研究生在攻读学位期间离不开电磁发射实验研究，所以对其开展电磁发射实验教学必不可少。

电磁发射实验教学不同于电工电子、电机学等其他电气课程的实验教学。之所以不同，是因为电磁发射实验教学是借助脉冲功率电源对电磁发射器放电，利用脉冲大电流来驱动电磁发射器工作的。不仅实验系统复杂，而且实验中还涉及高电压和大电流，从而使其具有自身的特殊性。为此，本文对电磁发射实验教学的特点进行了梳理，并结合电磁发射实验教学工作的开展，探讨了实验教学过程中的安全防护问题。

一、电磁发射实验教学的特点

1.复杂性

电磁发射实验教学的特点之一首先在于其复杂性。之所以说其复杂，主要有以下三个方面的影响因素：一是电磁发射实验教学系统的复杂性；二是电磁发射实验教学准备的复杂性；三是电磁发射实验教学操作实施的复杂性。

尽管电磁发射实验原理简单，但是实验系统却非常复杂，主要由发射器本体实验装置、脉冲功率电源及高压充电系统、控制系統、测量系统、安全防护系统等构成，组成框图如图1所示。目前，电磁发射实验用脉冲功率电源通常是由脉冲电容器搭建而成的，其中涉及高压充电系统、开关及触发控制系统。高压充电系统主要用于向脉冲功率电源充电，使其具备实验所需的初始储能；开关与触发控制系统主要用于控制充电完毕的脉冲功率电源向电磁发射器（负载）放电。测量系统主要用于对脉冲电流、放电电压以及弹丸速度等实验量的测量。安全防护系统主要用于确保实验过程中实验人员和仪器设备的安全。

电磁发射实验教学准备的复杂性主要体现在以下两个方面：有针对性的准备好电磁发射实验教学所需的实验设施和仪器设备是不容易的。实验教学的目的不同，实验过程中的测试量会不同，所需测试方法和手段也会有所差异。教学实验开展之前，将整个电磁发射实验教学系统调试准备好，使其处于完好、可用状态，通常需要花费较长的时间。不仅如此，而且在每次发射实验之前，还需对整个实验系统的电气连接情况进行认真、仔细检查，所以相邻两次发射实验之间的时间间隔也较长。

电磁发射实验教学操作实施的复杂性在于单个实验人员是无法独立完成实验操作任务的。在电磁发射教学实验操作实施过程中，通常需要实验指挥员、实验控制员、实验测量员和实验安全员等多个不同角色。实验指挥员要密切关注整个实验过程，并按预先制定的实验流程，及时下达实验指挥口令，切实履行实验指挥的职责；实验控制员要依据实验指挥员下达的实验口令，完成脉冲功率电源的充放电控制（即发射实验控制）和安全泄放控制的任务；实验测量员要全面负责实验量的测量，包括实验前的测量准备、实验后的测量数据记录和存储等；实验安全员要对整个实验过程进行监督，发现异常状况和事故苗头，要及时报告并排除故障。这些实验人员需各司其职、密切协调、相互配合才能确保电磁发射教学实验工作的顺利实施。

2.危险性

电磁发射实验教学因需用脉冲功率电源向电磁发射器放电，以脉冲大电流驱动电磁发射器完成发射功能，所以实验教学实施过程中不可避免地会出现高电压、大电流所带来的不安全因素。实验中的高电压、大电流不仅会对实验系统造成一定的破坏，而且也会对实验教学人员的人身安全构成威胁。图2为电磁发射实验教学过程中因脉冲大电流流过电感器时由脉冲电动力的作用而导致电感器爆炸后的实物照片。爆炸产生的碎片若打在仪器设备和实验人员上，则可能会直接损坏仪器设备和杀伤实验人员。此外，电磁发射实验教学中的电气安全问题也是不容忽视的，实验人员绝对不能靠近带有高电压的实验设备，避免遭受电击。

3.不确定性

尽管每次电磁发射实验教学开展之前均对整个实验系统进行调试和电气检查，并已确认其处于良好状态，但是真正实验过程中有时仍会出现这样或那样的问题，如高压充电系统异常不能对脉冲功率电源进行充电、触发控制系统故障不能有效控制已充电的脉冲功率电源向负载放电等。甚至，还有可能因发射实验累积作用的结果，导致实验过程出现发射器或实验装置被破坏等。

二、电磁发射实验教学安全防护对策浅析

通过对电磁发射实验教学特点的梳理与分析可知，开展电磁发射实验教学是比较复杂的，且实验教学实施过程中存在一定的危险性和不确定性。因此，在开展电磁发射实验教学的过程中，加强实验安全教育和完善实验安全防护措施是非常必要的。为确保电磁发射实验教学工作的顺利开展，建议从以下六个方面着手努力提高电磁发射实验教学中的安全性。

1.加强实验人员的安全教育

实验安全是确保教学实验顺利实施的关键。[5，6]在电磁发射实验教学开展之前，必须对相关实验人员进行实验安全教育，强化安全意识。安全教育要结合电磁发射实验教学的特点展开，使所有实验人员要了解整个实验环节，特别是要弄清整个实验过程中容易忽视的操作环节和可能出现的安全隐患。因为此时脉冲功率电源仍处于高压带电状态，如果实验人员稍有不慎碰到脉冲功率电源的高压端，就会发生触电亡人的重大事故。再有，发射实验结束后，一定要对脉冲功率电源进行泄放和安全接地处理等。要教育实验人员，在实施教学实验过程中，要注重做好实验前的各项准备与检查工作，不要着急，一定要有耐心，在没有准备充分的情况下不要开展发射实验。

2.严格遵守实验操作流程

在电气课程实验教学的实施过程中，一些意外事故的发生往往是由实验人员疏忽、违规操作或误操作引起的。[7]电磁发射实验教学虽然不同于电工电子、电机学等其他电气课程的实验教学，但其本质上仍属于电气学科领域。此外，其实验教学过程中涉及高电压、大电流，比普通电气课程实验教学更为复杂，安全隐患更多。因此，在电磁发射实验教学的实施过程中，要按着人员分工、各司其责、密切协同，严格遵守实验操作流程，确保实验教学的安全。

3.实现高低压隔离，确保实验人员远离高压带电实验设施

由于电磁发射实验教学系统中高电压与低电压并存，为防止实验系统中的高电压窜入低电压系统，烧毁低电压电路，甚至危及实验人员的人身安全，应采取光电隔离等技术措施实现高电压系统与低电压系统的电气隔离，确保实验人员远离高压带电实验设施。

4.布设防爆隔板，保护实验人员和实验装置

脉冲功率电源向电磁发射器放电过程中，因脉冲电流很大（常达数十kA、数百kA）会使电磁发射器及脉冲成形电感器上产生很大的脉冲电动力。为防止电磁发射实验教学系统中某些组件发生爆炸所带来的危险，应在实验教学系统周围布设防爆隔板，以保护其他实验装置和实验人员。

5.完善泄放和安全接地系统

电磁发射实验教学系统具有可靠的泄放装置和安全接地系统是极为重要的。因为当实验教学系统中的触发控制系统发生意外故障时，实验人员可以通过泄放装置对带有高电压的脉冲功率电源放电。此外，当电磁发射实验完成之后，一定要通过安全接地系统使实验系统安全可靠接地，从而保证实验人员的人身安全。因此，一定要保证泄放和安全接地系统可靠，并处于良好可用状态，否则不应开展发射实验。

6.设置实验警铃及警示牌

在电磁发射实验教学区域设置实验警铃，在实验系统周围适当位置布设标有“高压危险”、“正在实验请勿靠近”等字样的警示牌。实验警铃声响起意味着马上要进行发射实验，从而提醒实验人员及时撤离实验发射现场；警示牌的作用在于提醒无关人员不要在实验时随意闯入发射实验区。

三、结束语

电磁发射实验教学已经逐步融入到一些高等院校、科研院所的研究生教育工作中。开展电磁发射实验教学对于培养以电磁发射技术为研究方向的研究生教育是必不可少的。电磁发射实验教学的复杂性、危险性和实验过程中的不确定性决定了高度重视实验安全的极端重要性。电磁发射教学实验开展过程中一定要加强实验人员的安全教育，严格遵守实验操作流程，实现高低压隔离、确保实验人员远离高压带电实验设施，布设防爆隔板、保护实验人员和实验装置，完善泄放和安全接地系统，设置实验警铃及警示牌等。

参考文献：

[1]孙立强，袁伟群，严萍.电磁轨道发射装置仿真与试验[J].电机与控制学报，2008，12（3）：146-146.

[2]林庆华，栗保明.有限元/边界元耦合法计算電磁轨道炮三维瞬态涡流场[J].南京理工大学学报（自然科学版），2010，34（2）：217-221.

[3]聂建新，韩晶晶，焦清介，等.电磁轨道发射器的几何尺寸对电感梯度的影响[J].高电压技术，2010，36（3）：728-732.

[4]周长军，张涛，国伟，等.同步感应线圈炮实验与仿真研究[J].弹箭与制导学报，2013，33（4）：185-188.

[5]张磊.关于完善电气专业实验安全体系的研究[J].中国电力教育，

2010，（6）：133-134.

[6]皮中华.浅谈电气高压试验及安全措施[J].电力科技，2014，

（18）：153.

[7]代显华.实验教学安全管理研究与实践[J].实验技术与管理，

2013，30（7）：133-136.

（责任编辑：刘翠枝）