CN111739375A - 基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法，该方法应用于地面电位分布模拟装置，该装置包括模拟地面、漏电极以及零电位电极，确定漏电极轴线到零电位电极的距离，将地面电位模拟装置上待测电压的地点作为目标地点，根据目标地点与漏电极轴线之间的距离以及漏电极轴线到零电位电极的距离，计算目标地点的电位系数，获取电气设施漏电环境的土壤电阻率、电气设施的供电电压以及电气设施的接地电阻，根据土壤电阻率、供电电压以及接地电阻，计算漏电极与零电位电极之间的电压，根据电位系数、漏电极与零电位电极之间的电压，获得地面电位分布结果，以便利用所述地面分布结果计算所述目标地点的电位。

Description

基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法

技术领域

本申请涉及用电安全教育及培训技术领域，具体涉及一种基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法。

背景技术

大地具有导电性，大地的电阻率远大于金属导体的电阻率，在通常情况下，地面是等电位的，一般取大地为零电位参考点。但是，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，随着距电流入地点距离的增加，电位会降低至零。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，与大地形成通路，从而发生触电事故。例如，一旦公共场合发生电气设施漏电，容易造成电气设施周围活动人群的人身伤害，为了研究电气设施漏电对人体的伤害程度以及进行直观的电气安全培训，需了解电气设施漏电时地面电位情况。

目前，研究电气设施漏电时地面电位情况一般是构建一个实体模型，该实体模型包括模拟地面、漏电极以及零电位电极，如图1所示，模拟地面为圆柱体结构，底面设有绝缘层，所述模漏电极为圆柱体结构，所述漏电极位于所述模拟地面的中心位置，所述零电位电极为圆柱体结构，所述零电位电极位于所述模拟地面的边缘位置，采用试验仪器向漏电极注入试验电流，电压表或万用表测量漏电极和距离漏电极某处的跨步电压值，将测量结果通过电流折算成真实漏电环境中漏电极注入电流时的跨步电压值，根据跨步电压值的大小确定漏电极周围的电位情况。

然而，这种方法试验电流较小，一般不超过200A，虽然能够测量得到漏电极周围地面的跨步电压值，但是注入实体模型漏电极的电流较小，在漏电极周围地面产生的跨步电压值较小，通常为毫伏级别，跨步电压测试过程中采用的电压表或万用表精度有限，不能精确读取漏电极周围地面的跨步电压值，而且通过电流折算会引入新的误差，故这种测试方法得到的跨步电压不够精确，不能精确确定漏电极周围的电位分布情况。

发明内容

本申请提供一种基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法，以解决现有技术中不能精确确定漏电极周围的电位分布情况。

本申请提供一种基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法，所述地面电位分布模拟方法应用于地面电位分布模拟装置，所述地面电位分布模拟装置包括模拟地面、漏电极以及零电位电极，所述模拟地面为圆柱体结构，底面设有绝缘层；所述漏电极为圆柱体结构，所述漏电极位于所述模拟地面的中心位置，所述零电位电极为圆柱体结构，所述零电位电极位于所述模拟地面的边缘位置，所述地面电位分布模拟方法包括：

确定漏电极轴线到零电位电极的距离；

将地面电位模拟装置上待测电压的地点作为目标地点，根据所述目标地点与所述漏电极轴线之间的距离以及所述漏电极轴线到零电位电极的距离，计算所述目标地点的电位系数；

获取电气设施漏电环境的土壤电阻率、电气设施的供电电压以及电气设施的接地电阻；

根据所述土壤电阻率、所述供电电压以及所述接地电阻，计算漏电极与零电位电极之间的电压；

根据所述电位系数、漏电极与零电位电极之间的电压，获得地面电位分布结果，以便利用所述地面分布结果计算所述目标地点的电位。

可选的，按照预设比例确定漏电极轴线到零电位电极的距离。

可选的，根据所述目标地点与所述漏电极轴线之间的距离以及所述漏电极轴线到零电位电极的距离，计算所述目标地点的电位系数，包括：

根据以下公式，计算所述目标地点的电位系数：

其中，f(x,r₁)为目标地点的电位系数，x为目标地点与漏电极的距离，r₁为漏电极的半径，L为漏电极轴线到零电位电极的距离。

可选的，计算漏电极与零电位电极之间的电压，包括：

根据以下公式，计算漏电极与零电位电极之间的电压：

其中，U为漏电极与零电位电极之间的电压，ρ为电气设施漏电环境的土壤电阻率，U_s为电气设施的供电电压，R_g为电气设施的接地电阻。

可选的，根据所述电位系数、漏电极与零电位电极之间的电压，获得地面电位分布结果，包括：

根据以下公式，获得地面电位分布结果：

其中，U(x)为目标地点的电压，f(x,r₁)为目标地点的电位系数，ρ为电气设施漏电环境的土壤电阻率，U_s为电气设施的供电电压，R_g为电气设施的接地电阻。

本申请提供一种基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法，地面电位分布模拟方法应用于地面电位分布模拟装置，地面电位分布模拟装置包括模拟地面、漏电极以及零电位电极，确定漏电极轴线到零电位电极的距离，将地面电位模拟装置上待测电压的地点作为目标地点，根据目标地点与漏电极轴线之间的距离以及漏电极轴线到零电位电极的距离，计算目标地点的电位系数，获取电气设施漏电环境的土壤电阻率、电气设施的供电电压以及电气设施的接地电阻，根据土壤电阻率、供电电压以及接地电阻，计算漏电极与零电位电极之间的电压，根据电位系数、漏电极与零电位电极之间的电压，获得地面电位分布结果，以便利用所述地面分布结果计算所述目标地点的电位，采用上述方法，能精确确定漏电极周围的电位分布情况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的应用场景图；

图2为本申请提供的一种基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法的流程图；

图3为本申请提供的一种基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法中不同泄漏电流等级的地面电势分布图；

图4为本申请提供的一种基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法中不同土壤电阻率的地面电势分布图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提供一种基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法，所述地面电位分布模拟方法应用于地面电位分布模拟装置，如图1所示的应用场景图，所述地面电位分布模拟装置包括模拟地面1、漏电极2以及零电位电极3，所述模拟地面1为圆柱体结构，底面设有绝缘层；所述漏电极2为圆柱体结构，所述漏电极2位于所述模拟地面1的中心位置，所述零电位电极3为圆柱体结构，所述零电位电极3位于所述模拟地面1的边缘位置，如图2所示的流程图，所述地面电位分布模拟方法包括：

步骤S101，确定漏电极轴线到零电位电极的距离。

本步骤中，假设电气设施漏电环境中距离漏电点20m处电位降为漏电点最大电位的10％以下，地面电位分布模拟装置的半径按照大于20m等效半径进行设计，如果地面电位分布模拟装置的半径与电气设施漏电环境的半径按1:10的比例设计，则地面电位分布模拟装置的半径至少为2m。

步骤S102，将地面电位模拟装置上待测电压的地点作为目标地点，根据所述目标地点与所述漏电极轴线之间的距离以及所述漏电极轴线到零电位电极的距离，计算所述目标地点的电位系数。

本步骤中，考虑交流低压配电系统供电频率为50Hz，采用TT接地系统，单接地极接地，电气设施(如广告牌、路灯等)的典型高度为2.2m，直径为0.1m，材料电阻率为0.73Ω·m，采用二层土壤结构，因为地面底层土壤电阻率随天气变化较小，采用典型值100Ω·m(砂质黏土)，其中上层土壤厚度设置为0.5m的典型值。

以潮湿状态混凝土为研究目标，其电阻率设定为200Ω·m，泄漏电流设定为1A，根据CDEGS仿真得到地面从漏电点向外的电位分布，如图2所示，

步骤S103，获取电气设施漏电环境的土壤电阻率、电气设施的供电电压以及电气设施的接地电阻。

步骤S104，根据所述土壤电阻率、所述供电电压以及所述接地电阻，计算漏电极与零电位电极之间的电压。

本步骤中，泄漏电流分为三个等级，分别为0.5A，1A，5A。上层土壤电阻率设置为200Ω·m(较潮湿环境混凝土)，由CDEGS仿真得到的地面电位分布如图3所示，图3中Potentials表示电位，Distance表示与漏电点的距离。

可见，在电气设施漏电环境中，地面距离漏电点x(单位为米)处，漏电电流与该点电位基本呈等比例变化，即：

U(x)＝I_EU₀(x)；

其中，在电气设施漏电环境中，I_E为注入土壤电流，即电气设施的供电电压U_s与电气设施的接地电阻R_g的比值，U(x)为注入I_E电流时，距离漏电点x处地面电位，U₀(x)为注入1A电流时，x处的土壤电阻。

上层土壤电阻率设置以不同条件下的混凝土电阻率为依据，分别为50Ω·m(水中混凝土)、200Ω·m(较潮湿环境混凝土)和1000Ω·m(干燥环境混凝土)。

利用CDEGS仿真，漏电点的电流设置为0.5A，接地极接地电阻通过其自身参数调节，在各种土壤条件下保持30Ω不变。

由CDEGS仿真得到的地面电势分布如图4所示，图4中Potentials表示电位，Distance表示与漏电点的距离，电气设施漏电环境中，注入1A电流时，漏电点处的土壤电阻与土壤电阻率的函数关系为：

U₀(r₁)＝0.034ρ+14.8143；

进而得到：

其中，U(r₁)为漏电点处的电位，ρ为电气设施漏电环境的土壤电阻率，U_s为电气设施的供电电压，R_g为电气设施的接地电阻。

漏电极与零电位电极之间的电压为漏电点处的电位与零电位的差值。

步骤S105，根据所述电位系数、漏电极与零电位电极之间的电压，获得地面电位分布结果，以便利用所述地面分布结果计算所述目标地点的电位。

本申请提供一种基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法，所述地面电位分布模拟方法应用于地面电位分布模拟装置，地面电位分布模拟装置包括模拟地面1、漏电极2以及零电位电极3，确定漏电极2轴线到零电位电极3的距离，将地面电位模拟装置上待测电压的地点作为目标地点，根据目标地点与漏电极2轴线之间的距离以及漏电极2轴线到零电位电极3的距离，计算目标地点的电位系数，获取电气设施漏电环境的土壤电阻率、电气设施的供电电压以及电气设施的接地电阻，根据土壤电阻率、供电电压以及接地电阻，计算漏电极2与零电位电极3之间的电压，根据电位系数、漏电极2与零电位电极3之间的电压，获得地面电位分布结果，以便利用所述地面分布结果计算所述目标地点的电位，采用上述方法，能精确确定漏电极周围的电位分布情况。

可选的，按照预设比例确定漏电极轴线到零电位电极的距离。

可选的，根据所述目标地点与所述漏电极轴线之间的距离以及所述漏电极轴线到零电位电极的距离，计算所述目标地点的电位系数，包括：

根据以下公式，计算所述目标地点的电位系数：

其中，f(x,r₁)为目标地点的电位系数，x为目标地点与漏电极的距离，r₁为漏电极的半径，L为漏电极轴线到零电位电极的距离。

可选的，计算漏电极与零电位电极之间的电压，包括：

根据以下公式，计算漏电极与零电位电极之间的电压：

其中，U为漏电极与零电位电极之间的电压，ρ为电气设施漏电环境的土壤电阻率，U_s为电气设施的供电电压，R_g为电气设施的接地电阻。

可选的，根据所述电位系数、漏电极与零电位电极之间的电压，获得地面电位分布结果，包括：

根据以下公式，获得地面电位分布结果：

其中，U(x)为目标地点的电压，f(x,r₁)为目标地点的电位系数，ρ为电气设施漏电环境的土壤电阻率，U_s为电气设施的供电电压，R_g为电气设施的接地电阻。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法，所述地面电位分布模拟方法应用于地面电位分布模拟装置，所述地面电位分布模拟装置包括模拟地面、漏电极以及零电位电极，所述模拟地面为圆柱体结构，底面设有绝缘层；所述漏电极为圆柱体结构，所述漏电极位于所述模拟地面的中心位置，所述零电位电极为圆柱体结构，所述零电位电极位于所述模拟地面的边缘位置，其特征在于，所述地面电位分布模拟方法包括：

确定漏电极轴线到零电位电极的距离；

将地面电位模拟装置上待测电压的地点作为目标地点，根据所述目标地点与所述漏电极轴线之间的距离以及所述漏电极轴线到零电位电极的距离，计算所述目标地点的电位系数；

获取电气设施漏电环境的土壤电阻率、电气设施的供电电压以及电气设施的接地电阻；

根据所述土壤电阻率、所述供电电压以及所述接地电阻，计算漏电极与零电位电极之间的电压；

根据所述电位系数、漏电极与零电位电极之间的电压，获得地面电位分布结果，以便利用所述地面分布结果计算所述目标地点的电位。

2.根据权利要求1所述的地面电位分布模拟方法，其特征在于，按照预设比例确定漏电极轴线到零电位电极的距离。

3.根据权利要求1所述的地面电位分布模拟方法，其特征在于，根据所述目标地点与所述漏电极轴线之间的距离以及所述漏电极轴线到零电位电极的距离，计算所述目标地点的电位系数，包括：

根据以下公式，计算所述目标地点的电位系数：

其中，f(x,r₁)为目标地点的电位系数，x为目标地点与漏电极的距离，r₁为漏电极的半径，L为漏电极轴线到零电位电极的距离。

4.根据权利要求1所述的地面电位分布模拟方法，其特征在于，计算漏电极与零电位电极之间的电压，包括：

根据以下公式，计算漏电极与零电位电极之间的电压：

其中，U为漏电极与零电位电极之间的电压，ρ为电气设施漏电环境的土壤电阻率，U_s为电气设施的供电电压，R_g为电气设施的接地电阻。

5.根据权利要求3所述的地面电位分布模拟方法，其特征在于，根据所述电位系数、漏电极与零电位电极之间的电压，获得地面电位分布结果，包括：

根据以下公式，获得地面电位分布结果：

其中，U(x)为目标地点的电压，f(x,r₁)为目标地点的电位系数，ρ为电气设施漏电环境的土壤电阻率，U_s为电气设施的供电电压，R_g为电气设施的接地电阻。

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