CN110648574A - 一种跨步电压及接触电压模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨步电压及接触电压模拟实验装置及方法，该装置中：电源模块，包括交流电源、单相调压器；交流电源输出端通过单相调压器与跨步电压及接触电压模拟模块相连；跨步电压及接触电压模拟模块，包括电流接地引下线、模拟土壤；测量模块，包括人体模型以及设置在人体模型内的测量系统；人体模型置于模拟土壤上，通过调整人体模型的两脚间距和双手位置，与体内的测量系统配合，实现对跨步电压、接触电压以及流过人体电流的测量。本发明能模拟再现跨步电压和接触电压的产生过程，使学员更直观地观察跨步电压和接触电压产生的过程，深入理解影响跨步电压和接触电压的因素，进一步提高用电安全意识。

Description

一种跨步电压及接触电压模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及用电安全教育及培训技术领域，尤其涉及一种跨步电压及接触电压模拟实验装置及方法。

背景技术

大地具有导电性，其电阻率远大于金属导体，在通常情况下，地面是等电位的，一般取大地为0电位参考点。

在电力系统中，110kV以上电压等级的变压器中性点一般直接接地，高压电力设备的外壳也要确保可靠接地，在电力系统正常运行方式下，中性点的电流为0，但当三相系统不对称时有大量的电流由中性点注入大地；当系统发生接地故障时也有大电流注入大地。

此外，在电力系统及建筑物雷击防护的措施也主要采用避雷针或避雷线将雷电注引入大地的方式。

当有电流由某一点注入大地时，电流将在大地中扩散，大地表面将失去等电位性，大地表面电位分布的特点为：电流入地点的电位最高，随距入地点距离的增加，电位降低至0。

在雷电流或电力系统故障电流注入大地的瞬间，如果有人体或动物位于距离电流入地点较近的区域活动，则人或动物的两脚之间存在电位差，该电位差称为跨步电压。两脚之间存在跨步电压时将有电流经一条腿流向另一条腿，从而发生触电事故。

同时，当人体位于接地点附近，且手部接触接地引下线或变压器外壳时，在手与脚之间存在电位差，该电位差称为接触电压，在接触电压的作用下，将有电流由手部注入人体，并从脚部流入大地，从而造成触电事故。

因跨步电压或接触电压造成的触电事故是电力系统及雷雨天气常发生的触电事故，对人身体健康及生命安全构成严重威胁。

由于跨步电压或接触电压事故往往发生在大电流入地时刻，该现象在实验室条件下无法再现，只能开展模拟实验。

目前，教学仪器厂家的所开发的跨步电压实验装置，只用几个电阻串联的分压方式来模拟跨步电压，设计过于简单，难以反应跨步电压触电压产生的基本原理，且装置缺乏直观性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种跨步电压及接触电压模拟实验装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种跨步电压及接触电压模拟实验装置，该装置包括：电源模块、跨步电压及接触电压模拟模块、测量模块；其中：

电源模块，包括交流电源、单相调压器；交流电源输出端通过单相调压器与跨步电压及接触电压模拟模块相连，通过调节单相调压器改变注入跨步电压及接触电压模拟模块的电流大小；

跨步电压及接触电压模拟模块，包括电流接地引下线、模拟土壤；交流电源的输出电流经过单相调压器调节后，通过电流接地引下线将电流接入模拟土壤；

测量模块，包括人体模型以及设置在人体模型内的测量系统；人体模型置于模拟土壤上，通过调整人体模型的两脚间距和双手位置，与体内的测量系统配合，实现对跨步电压、接触电压以及流过人体电流的测量。

进一步地，本发明的跨步电压及接触电压模拟模块为箱体结构，还包括：高电位电极、零电位电极、实验装置外壳、实验装置面板；其中：

实验装置外壳与实验装置面板之间通过可转动开合的销轴连接，当箱体结构开启时，实验装置面板水平放置，实验装置外壳与实验装置面板之间相互垂直；电流接地引下线为长方形导带结构；模拟土壤为半圆形结构，其圆心位置设置有半圆形电极，圆周上设置有半圆形的金属电极，模拟土壤设置在实验装置面板的面上；电流接地引下线垂直设置在模拟土壤的半圆形的圆形位置，电流接地引下线一端与模拟土壤的半圆形电极相连，另一端与实验装置外壳的边缘相连；高电位电极设置在电流接地引下线的顶端；零电位电极为半圆环形，设置在模拟土壤的半圆形的金属电极上。

进一步地，本发明的电流引下线为长方形导带结构，由电阻率为100～500Ωm的自制导电胶制成。

进一步地，本发明的模拟土壤由电阻率为500～1500Ωm的导电胶制成。

进一步地，本发明的人体模型的双脚脚底上设置有磁性鞋垫，用于固定人体并作为测量电极。

进一步地，本发明的设置在人体模型内的测量系统包括：腿部模拟电阻、胳膊及上体模拟电阻、电压表及转换开关、毫安表及转换开关、信号线；其中：

腿部模拟电阻、胳膊及上体模拟电阻分别用于模拟人体腿部、胳膊以及上体躯干的电阻，电压表及转换开关、毫安表及转换开关安装在人体模型的胸腔内，通过信号线与磁性鞋垫、腿部模拟电阻、胳膊及上体模拟电阻相互连接，用于对跨步电压、接触电压以及流过人体电流进行测量。

本发明提供一种跨步电压及接触电压模拟实验方法，包括以下步骤：

步骤1、开启实验装置外壳与实验装置面板，将实验装置面板处于水平位置，将电流引下线的高电位电极连接单相调压器的高电位端，将模拟土壤的零电位电极连接单相调压器的低电位端；

步骤2、若测量跨步电压，则将人体模型站立于模拟土壤上，调整两脚间距及方向，并将转换开关置于电压表的电压测量引线上；若测量流经人体的电流，则将转换开关置于毫安表的电流引线上；

步骤3、将交流电源接到220V电源，调节单相调压器，改变注入模拟土壤的电流；

步骤4、改变步长及人手接触电流引下线的位置，由电压表测量跨步电压或接触电压，由毫安表测量流过人体的电流。

进一步地，本发明的该方法通过缩比技术对装置进行设置，其具体方法为：

建立自然条件下雷击输电线路杆塔的计算模型，采用三维电磁场的数值仿真方法，仿真计算雷电流在大地土壤听分布规律，计算沿土壤表面的电位分布特点及跨步电压分布特点；然后，根据实际人体与模拟人体比关系，确定模拟土壤电阻率的大小，使雷电流与模拟电流之比、实际人体与模拟人的步长之比、实际跨步电压与模拟跨步电压之比等保持不变，提高模拟实验的准确性。

本发明产生的有益效果是：由于跨步电压和接触电压只在雷击或电力系统发生故障时刻发生，产生跨步电压或接触电压时往往伴随着巨大的瞬时电流，因而，跨步电压和接触电压不可能在实验条件下产生。本发明根据跨步电压和接触电压产生的基本原理，采用缩比技术，模拟再现跨步电压和接触电压的产生过程，使学员更直观地观察跨步电压和接触电压产生的过程，理解影响跨步电压和接触电压的因素，进一步提高用电安全意识。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的跨步电压及接触电压模拟实验装置原理框图；

图2是本发明实施例的电源模块结构示意图；

图3是本发明实施例的跨步电压及接触电压模拟模块；

图4是本发明实施例的跨步电压及接触电压测量模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的跨步电压及接触电压模拟实验装置，该装置包括：电源模块、跨步电压及接触电压模拟模块、测量模块；其中：

电源模块，包括交流电源1、单相调压器2；交流电源1输出端通过单相调压器2与跨步电压及接触电压模拟模块相连，通过调节单相调压器2改变注入跨步电压及接触电压模拟模块的电流大小；单相调压器2的输出电压分别连接到跨步电压及接触电压模拟模块的高、低电压的输入电极；

跨步电压及接触电压模拟模块，包括电流接地引下线5、模拟土壤6；交流电源1的输出电流经过单相调压器2调节后，通过电流接地引下线5将电流接入模拟土壤6；

测量模块，包括人体模型9以及设置在人体模型9内的测量系统；人体模型9置于模拟土壤6上，通过调整人体模型9的两脚间距和双手位置，与体内的测量系统配合，实现对跨步电压、接触电压以及流过人体电流的测量。

跨步电压及接触电压模拟模块为箱体结构，还包括：高电位电极3、零电位电极4、实验装置外壳7、实验装置面板8；其中：

实验装置外壳7与实验装置面板8之间通过可转动开合的销轴连接，当箱体结构开启时，实验装置面板8水平放置，实验装置外壳7与实验装置面板8之间相互垂直；电流接地引下线5为长方形导带结构；模拟土壤6为半圆形结构，其圆心位置设置有半圆形电极，圆周上设置有半圆形的金属电极，模拟土壤6设置在实验装置面板8的面上；电流接地引下线5垂直设置在模拟土壤6的半圆形的圆形位置，电流接地引下线5一端与模拟土壤6的半圆形电极相连，另一端与实验装置外壳7的边缘相连；高电位电极3设置在电流接地引下线5的顶端；零电位电极4为半圆环形，设置在模拟土壤6的半圆形的金属电极上。

在本发明的另一个具体实施例中：跨步电压及接触电压模拟模块中，电流引下线由电阻率为100～500Ωm的自制导电胶制成的长方形导带，导电带的上部连接铜质高电位电极3，导电带下端经半环形铜环与模拟土壤连接；模拟土壤由电阻率为500～1500Ωm的自制导电胶制成，模拟土壤为半圆形，其圆心处经半环形铜带与引下线连接，半圆外侧与半圆环形铜电极连接，并作为零电位电极，模拟土壤粘贴于实验箱面板上，并与面板绝缘；整个模拟装置可安装于铁板制成的外壳中，实验箱的长宽高为60cm*11cm*40cm，可与电气工程学院现有电工实训平台配合使用，实验箱面板可开合，当面板打开时与地面平行，作为实验支撑平台，实验完毕，面板关闭。

人体模型9的双脚脚底上设置有磁性鞋垫10，用于固定人体并作为测量电极。人体模型9可在模拟土壤6上随意移动，人体两脚间距可随意改变，胳膊及手亦可转动，与体内的测量模块配合，可测量不同步长下的跨步电压和人手不同位置时的接触电压。

设置在人体模型9内的测量系统包括：腿部模拟电阻11、胳膊及上体模拟电阻12、电压表及转换开关13、毫安表及转换开关14、信号线15；其中：

腿部模拟电阻11、胳膊及上体模拟电阻12分别用于模拟人体腿部、胳膊以及上体躯干的电阻，电压表及转换开关13、毫安表及转换开关14安装在人体模型9的胸腔内，通过信号线15与磁性鞋垫10、腿部模拟电阻11、胳膊及上体模拟电阻12相互连接，用于对跨步电压、接触电压以及流过人体电流进行测量。

本发明实施例的跨步电压及接触电压模拟实验方法，包括以下步骤：

步骤1、开启实验装置外壳与实验装置面板，将实验装置面板处于水平位置，将电流引下线的高电位电极连接单相调压器的高电位端，将模拟土壤的零电位电极连接单相调压器的低电位端；

步骤2、若测量跨步电压，则将人体模型站立于模拟土壤上，调整两脚间距及方向，并将转换开关置于电压表的电压测量引线上；若测量流经人体的电流，则将转换开关置于毫安表的电流引线上；

步骤3、将交流电源接到220V电源，调节单相调压器，改变注入模拟土壤的电流；

步骤4、改变步长及人手接触电流引下线的位置，由电压表测量跨步电压或接触电压，由毫安表测量流过人体的电流。

该方法通过缩比技术对装置进行设置，其具体方法为：

建立自然条件下雷击输电线路杆塔的计算模型，采用三维电磁场的数值仿真方法，仿真计算雷电流在大地土壤听分布规律，计算沿土壤表面的电位分布特点及跨步电压分布特点；然后，根据实际人体与模拟人体比关系，确定模拟土壤电阻率的大小，使雷电流与模拟电流之比、实际人体与模拟人的步长之比、实际跨步电压与模拟跨步电压之比等保持不变，提高模拟实验的准确性。

本发明的优点在于：本发明可真实模拟雷电流或电力系统故障电流的土壤中的扩散特点，可测量任意步长及任意走向的跨步电压，可测量任意接触位置下的接触电压，使学生更直观地体会跨步电压及接触电压产生的机理，增进安全用于的意识。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种跨步电压及接触电压模拟实验装置，其特征在于，该装置包括：电源模块、跨步电压及接触电压模拟模块、测量模块；其中：

电源模块，包括交流电源(1)、单相调压器(2)；交流电源(1)输出端通过单相调压器(2)与跨步电压及接触电压模拟模块相连，通过调节单相调压器(2)改变注入跨步电压及接触电压模拟模块的电流大小；

跨步电压及接触电压模拟模块，包括电流接地引下线(5)、模拟土壤(6)；交流电源(1)的输出电流经过单相调压器(2)调节后，通过电流接地引下线(5)将电流接入模拟土壤(6)；

测量模块，包括人体模型(9)以及设置在人体模型(9)内的测量系统；人体模型(9)置于模拟土壤(6)上，通过调整人体模型(9)的两脚间距和双手位置，与体内的测量系统配合，实现对跨步电压、接触电压以及流过人体电流的测量。

2.根据权利要求1所述的跨步电压及接触电压模拟实验装置，其特征在于，跨步电压及接触电压模拟模块为箱体结构，还包括：高电位电极(3)、零电位电极(4)、实验装置外壳(7)、实验装置面板(8)；其中：

实验装置外壳(7)与实验装置面板(8)之间通过可转动开合的销轴连接，当箱体结构开启时，实验装置面板(8)水平放置，实验装置外壳(7)与实验装置面板(8)之间相互垂直；电流接地引下线(5)为长方形导带结构；模拟土壤(6)为半圆形结构，其圆心位置设置有半圆形电极，圆周上设置有半圆形的金属电极，模拟土壤(6)设置在实验装置面板(8)的面上；电流接地引下线(5)垂直设置在模拟土壤(6)的半圆形的圆形位置，电流接地引下线(5)一端与模拟土壤(6)的半圆形电极相连，另一端与实验装置外壳(7)的边缘相连；高电位电极(3)设置在电流接地引下线(5)的顶端；零电位电极(4)为半圆环形，设置在模拟土壤(6)的半圆形的金属电极上。

3.根据权利要求2所述的跨步电压及接触电压模拟实验装置，其特征在于，电流引下线(5)为长方形导带结构，由电阻率为100～500Ωm的自制导电胶制成。

4.根据权利要求2所述的跨步电压及接触电压模拟实验装置，其特征在于，模拟土壤(6)由电阻率为500～1500Ωm的导电胶制成。

5.根据权利要求1所述的跨步电压及接触电压模拟实验装置，其特征在于，人体模型(9)的双脚脚底上设置有磁性鞋垫(10)，用于固定人体并作为测量电极。

6.根据权利要求5所述的跨步电压及接触电压模拟实验装置，其特征在于，设置在人体模型(9)内的测量系统包括：腿部模拟电阻(11)、胳膊及上体模拟电阻(12)、电压表及转换开关(13)、毫安表及转换开关(14)、信号线(15)；其中：

腿部模拟电阻(11)、胳膊及上体模拟电阻(12)分别用于模拟人体腿部、胳膊以及上体躯干的电阻，电压表及转换开关(13)、毫安表及转换开关(14)安装在人体模型(9)的胸腔内，通过信号线(15)与磁性鞋垫(10)、腿部模拟电阻(11)、胳膊及上体模拟电阻(12)相互连接，用于对跨步电压、接触电压以及流过人体电流进行测量。

7.一种跨步电压及接触电压模拟实验方法，采用权利要求1所述的跨步电压及接触电压模拟实验装置，其特征在于,包括以下步骤：

步骤1、开启实验装置外壳与实验装置面板，将实验装置面板处于水平位置，将电流引下线的高电位电极连接单相调压器的高电位端，将模拟土壤的零电位电极连接单相调压器的低电位端；

步骤2、若测量跨步电压，则将人体模型站立于模拟土壤上，调整两脚间距及方向，并将转换开关置于电压表的电压测量引线上；若测量流经人体的电流，则将转换开关置于毫安表的电流引线上；

步骤3、将交流电源接到220V电源，调节单相调压器，改变注入模拟土壤的电流；

步骤4、改变步长及人手接触电流引下线的位置，由电压表测量跨步电压或接触电压，由毫安表测量流过人体的电流。

8.根据权利要求7所述的跨步电压及接触电压模拟实验方法，其特征在于，该方法通过缩比技术对装置进行设置，其具体方法为：

建立自然条件下雷击输电线路杆塔的计算模型，采用三维电磁场的数值仿真方法，仿真计算雷电流在大地土壤听分布规律，计算沿土壤表面的电位分布特点及跨步电压分布特点；然后，根据实际人体与模拟人体比关系，确定模拟土壤电阻率的大小，使雷电流与模拟电流之比、实际人体与模拟人的步长之比、实际跨步电压与模拟跨步电压之比等保持不变，提高模拟实验的准确性。

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