CN204536479U - 输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置，包括人体接触金属件、金属板、电流汇集引线、电压采集装置、电流采集装置和信号采集装置，人体接触金属件通过电压采集装置和信号采集装置的电压输入端相连，金属板下侧设有绝缘支架，金属板通过绝缘支架支承于地面上，金属板通过电流汇集引线接地，电流采集装置套夹或串联于电流汇集引线上，电流采集装置的输出端和信号采集装置的电流输入端相连；检测时人体接触金属件和人体皮肤保持接触，踩踏于金属板上的测试者与带电物体接触。本实用新型具有能够克服分布参数系统分布电流采集的困难，能够准确量化地评价人体暂态电击强度、检测准确可靠、反应灵敏、分辨率高的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及电网技术领域，具体涉及一种输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置。
背景技术
架空输电线路在高压输电走廊周围的空间会产生电场，输电走廊附近物体(尤其是电导率较高的物体)会在电场的作用下积累电荷使自身产生较高的电位，人体与这类物体接触时，较高电位的物体会向较低电位的人体放电，使自身积累的电荷通过人体释放至大地，这种高电位物体向低电位物体放电的现象就是暂态电击。在暂态电击发生的瞬间，高电位物体的电位不可持续，对人体放电时，高电位物体的对地电位会迅速降低直至与接触点人体对地电位相等，因此高电位物体的感应电压与220V市电电压存在本质的不同，不可简单地用感应电压的大小作为评价暂态电击强度的特征参数。
目前为了判断带电物体的电压大小，通常使用万用表的电压档来测试感应电压的数值，但事实上在万用表探头与带电物体接触的瞬间，带电物体所积累的大部分电荷即在极短的时间内通过万用表内部电路和探头、大地形成的回路释放，万用表所显示的数值实际为达到稳态后带电物体的电压的有效值，万用表不可能捕捉到暂态电击的瞬间过程。而且该测试方法中，若人体不接触带电物体，万用表所显示的数值往往高于36V(人体所能承受的安全电压)，这一结果往往会引起居民的恐慌，而实际上当人体与带电物体接触后，万用表所显示的数值会远远低于36V甚至超出了万用表所能检测出的电压下限。
在电子技术领域，通过电压、电流探头采集电信号信号输入信号处理装置后可较为方便的观察电路某端口的电压或某支路的电流波形，可借鉴该领域的思想用于暂态电击强度的检测。但是，在电子技术领域中，采集信号的对象均为集中参数电路，而人体暂态电击问题本质上是场的问题，位于静电场中人体的电压、电流并不局限于某一端口或者某一支路，这给电信号尤其是电流信号的采集带来了较大困难。
综上所述，现有方法的缺点体现在只能通过电压检测装置如万用表检测暂态电击发生之后带电物体电压的有效值，而无法有效地在人体上接入信号采集装置以捕捉暂态电击的过程，以至最终无法准确评价暂态电击的强度。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种能够克服分布参数系统分布电流采集的困难，能够准确量化地评价人体暂态电击强度、检测准确可靠、反应灵敏、分辨率高的输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置，包括人体接触金属件、金属板、电流汇集引线、电压采集装置、电流采集装置和信号采集装置，所述人体接触金属件通过电压采集装置和信号采集装置的电压输入端相连，所述金属板的下侧设有绝缘支架，所述金属板通过绝缘支架支承于地面上，所述金属板通过电流汇集引线接地，所述电流采集装置套夹或者串联于电流汇集引线上，所述电流采集装置的输出端和信号采集装置的电流输入端相连；在检测时人体接触金属件和人体皮肤保持接触，使踩踏于金属板上的测试者与输电走廊附近的带电物体接触，使得人体接触金属件的电压等于人体表面电位，带电物体经接触点流入测试者人体的集总电流i1、带电物体对测试者人体的耦合分布电容C1传递进入测试者人体的分布电流i2、高压输电线路对测试者人体的耦合分布电容C2传递进入测试者人体的分布电流i3共计三部分流经人体的暂态电流通过电流汇集引线集中导入大地。
优选地，所述信号采集装置为数字示波器，所述数字示波器的采样率设置为1GSa/s以上、触发方式为单次触发、触发电平大于带电物体的空载电压、采样时间T设置为40ms以上，所述带电物体的空载电压为带电物体与人体皮肤接触前的电压。
优选地，所述人体接触金属件为金属环，所述人体接触金属件和人体皮肤保持接触具体是指将金属环套设于测试者的手臂上。
优选地，所述电压采集装置为电压探头，所述电压探头通过电压信号传输线和电压采集装置的输入端相连，所述电压信号传输线为外壳接地的屏蔽电缆，所述电压探头的带宽下限低于50Hz、带宽上限高于100MHz。
优选地，所述电流采集装置为电流探头，所述电流探头套夹与电流汇集引线上，且将电流探头的输出端通过电流信号传输线和信号采集装置的电流信号输入端相连，所述电流信号传输线为外壳接地的屏蔽电缆，所述电流探头的带宽下限低于50Hz、带宽上限高于100MHz。
本实用新型的输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置具有下述优点：本实用新型包括人体接触金属件、金属板、电流汇集引线、电压采集装置、电流采集装置和信号采集装置，人体接触金属件通过电压采集装置和信号采集装置的电压输入端相连，金属板的下侧设有绝缘支架，金属板通过绝缘支架支承于地面上，金属板通过电流汇集引线接地，电流采集装置套夹或者串联于电流汇集引线上，电流采集装置的输出端和信号采集装置的电流输入端相连；当踩踏于金属板上的测试者与输电走廊附近的带电物体接触时，与测试者的人体皮肤良好接触的人体接触金属件的电压等于人体表面电位，且带电物体经接触点流入测试者人体的集总电流i1、带电物体对测试者人体的耦合分布电容C1传递进入测试者人体的分布电流i2、高压输电线路对测试者人体的耦合分布电容C2传递进入测试者人体的分布电流i3共计三部分流经人体的暂态电流通过电流汇集引线集中导入大地，解决了现有技术输电走廊分布参数系统分布电流采集的困难，使得暂态电击过程中流经人体的各部分暂态电流及暂态电击发生后流经人体的各部分稳态电流都能够被完整采集和精确测量。与传统万用表相比较，传统的万用表方法仅能测试暂态电击发生后接触点电压和流经人体电流的稳态有效值，而本实用新型包括人体接触金属件、金属板、电流汇集引线、电压采集装置、电流采集装置和信号采集装置，人体接触金属件通过电压采集装置和信号采集装置的电压输入端相连，金属板的下侧设有绝缘支架，金属板通过绝缘支架支承于地面上，金属板通过电流汇集引线接地，电流采集装置套夹或者串联于电流汇集引线上，电流采集装置的输出端和信号采集装置的电流输入端相连，因此能够完整地采集暂态电击中瞬间暂态信号和暂态电击发生后稳态信号的波形、幅值、相位，真实还原被感应物体对人体暂态电击的全过程，能够真实还原被感应物体对人体暂态电击的全过程，对上述信号进行后处理可得到人体接触被感应物体过程中的发热量作为评价暂态电击强度的定量依据，具有能够准确量化地评价人体暂态电击强度、检测准确可靠、反应灵敏、分辨率高的优点。
附图说明
图1为本实用新型实施例方法的实施流程示意图。
图2为本实用新型实施例装置的原理结构示意图。
图3为本实用新型实施例装置的强度检测工作过程示意图。
图4为本实用新型实施例得到的空载电压曲线示意图。
图5为本实用新型实施例得到的人体表面电位曲线示意图。
图6为本实用新型实施例得到的流经人体的暂态电流曲线示意图。
图例说明：1、人体接触金属件；2、金属板；21、绝缘支架；3、电流汇集引线；4、电压采集装置；41、电压信号传输线；5、电流采集装置；51、电流信号传输线；6、信号采集装置。
具体实施方式
如图1所示，本实施例输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测方法的步骤包括：
1)初始化检测回路：预先布置和电压采集装置相连的人体接触金属件、布置通过绝缘支架支承于底面上的金属板，将金属板通过电流汇集引线接地，且在电流汇集引线上布置电流采集装置，将电压采集装置、电流采集装置分别与信号采集装置相连；
2)在检测时使人体接触金属件和人体皮肤保持接触，使踩踏于金属板上的测试者与输电走廊附近的带电物体接触，使得人体接触金属件的电压等于人体表面电位，带电物体经接触点流入测试者人体的集总电流i1、带电物体对测试者人体的耦合分布电容C1传递进入测试者人体的分布电流i2、高压输电线路对测试者人体的耦合分布电容C2传递进入测试者人体的分布电流i3共计三部分流经人体的暂态电流通过电流汇集引线集中导入大地；在指定的采样时间T内通过信号采集装置同步采集电压采集装置及电流采集装置输出的人体表面电位、流经人体的暂态电流的模拟量；
3)将同步采集得到的人体表面电位、流经人体的暂态电流的模拟量转换为数字量，并根据式(1)计算带电物体和人体接触过程中流经人体的暂态电流在人体中所产生的热量，将热量作为评价人体暂态电击强度的定量检测结果输出；
Q＝∫u(t)i(t)dt(0≤t≤T) (1)
式(1)中，Q表示带电物体和人体接触过程中流经人体的暂态电流在人体中所产生的热量，u(t)表示采样时刻t对应的人体表面电位，i(t)表示采样时刻t对应的流经人体的暂态电流，T表示指定的采样时间。
本实施例中，步骤1)中布置和电压采集装置相连的人体接触金属件具体是指将人体接触金属件依次通过电压探头、电压信号传输线和电压采集装置的输入端相连，电压信号传输线为外壳接地的屏蔽电缆，电压探头的带宽下限低于50Hz、带宽上限高于100MHz。电压探头的上述带宽设置，能够确保电压采集装置具有足够的带宽，保证信号中的工频分量和高频分量不会被电压采集装置自身滤除，从而能够确保检测的精确度；而且电压信号传输线为外壳接地的屏蔽电缆，能够防止高压输电线路对电压信号传输线产生耦合分布电容，使得采集的人体表面电位的模拟量更加准确。
本实施例中，步骤1)中在电流汇集引线上布置电流采集装置具体是指在电流汇集引线上套夹电流探头，且将电流探头的输出端通过电流信号传输线和信号采集装置的电流信号输入端相连，电流信号传输线为外壳接地的屏蔽电缆，电流探头的带宽下限低于50Hz、带宽上限高于100MHz。电流探头的上述带宽设置，能够确保电流采集装置具有足够的带宽，保证信号中的工频分量和高频分量不会被电流采集装置自身滤除，从而能够确保检测的精确度；而且电流信号传输线为外壳接地的屏蔽电缆，能够防止高压输电线路对电流信号传输线产生耦合分布电容，使得采集的流经人体的暂态电流的模拟量更加准确。
本实施例中，步骤2)中通过信号采集装置同步采集电压采集装置和电流采集装置输出的人体表面电位、流经人体的暂态电流的模拟量具体是指通过数字示波器同步采集电压采集装置和电流采集装置输出的人体表面电位、流经人体的暂态电流的模拟量，且数字示波器的采样率设置为1GSa/s以上、触发方式为单次触发、触发电平大于带电物体的空载电压、采样时间T设置为40ms以上，带电物体的空载电压为带电物体与人体皮肤接触前的电压。数字示波器的设置包括：(a)数字示波器的采样率设置为1GSa/s以上，典型暂态电击的电压、电流波形上升时间为数十纳秒，根据奈奎斯特采样定律，本实施例能够给将数字示波器的采样率设置为1GSa/s以上以保证输出波形不失真；(b)数字示波器的触发方式为单次触发、触发电平大于带电物体的空载电压，其中触发电平大于物体的空载电压，以保证人暂态电击未发生之前示波器不对波形数据进行保存；(c)数字示波器的采样时间T设置为40ms以上。因人体接触被带电物体瞬间存在抖动，从首次接触到稳定接触需要数十毫秒的时间，其间人体与被感应物体之间有多次接触与分离的过程，被感应物体对人体会发生多次暂态电击，因此需要将采样时间设置为40ms(即两个工频周波时间)以上，才能够完整记录每一次暂态电击波形。
本实施例中，人体接触金属件为金属环，步骤2)中使人体接触金属件和人体皮肤保持接触具体是指将金属环套设于测试者的手臂上。由于金属环套设于人体手臂上并与人体皮肤保持良好接触，众所周知静电场中人体不同部位的表面电位应近似相等，因此金属环的电位可代表人体表面电位。
如图2所示，本实施例输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置包括人体接触金属件1、金属板2、电流汇集引线3、电压采集装置4、电流采集装置5和信号采集装置6，人体接触金属件1通过电压采集装置3和信号采集装置4的电压输入端相连，金属板2的下侧设有绝缘支架21，金属板2通过绝缘支架21支承于地面上，金属板2通过电流汇集引线3接地，电流采集装置5套夹或者串联于电流汇集引线3上，电流采集装置5的输出端和信号采集装置6的电流输入端相连；在检测时人体接触金属件1和人体皮肤保持接触，使踩踏于金属板2上的测试者与输电走廊附近的带电物体接触，使得人体接触金属件1的电压等于人体表面电位，带电物体经接触点流入测试者人体的集总电流i1、带电物体对测试者人体的耦合分布电容C1传递进入测试者人体的分布电流i2、高压输电线路对测试者人体的耦合分布电容C2传递进入测试者人体的分布电流i3共计三部分流经人体的暂态电流通过电流汇集引线3集中导入大地。
参见图2，本实施例金属板2的下侧设有绝缘支架21，金属板2通过绝缘支架21支承于地面上，使得的金属板2略高于地面，金属板2通过电流汇集引线3接地，电流汇集引线3上设有电流采集装置5，在测试时通过踩踏于金属板2上的测试者与输电走廊附近的带电物体接触，经接触点流入测试者人体的集总电流i1、带电物体经其对测试者人体的耦合分布电容C1传递进入测试者人体的分布电流i2、高压输电线路经其对测试者人体的耦合分布电容C2传递进入测试者人体的分布电流i3共计三部分电流进入人体后，大部分电流经人体对地分布电容(图2中仅用了1个集中电容C5代表)、小部分电流经过人体组织及鞋子的电阻以分布、杂散电流的形式进入大地回流至带电物体和输电线路，金属板2的作用即在于将这些杂散、分布的电流汇集至电流汇集引线3集中入地而使得流经人体的所有电流都可被有效采集；同时流经人体的三部分电流集中入地后仍可分别通过带电物体的对地分布电容C3和高压输电线路的对地电容C6回流至带电物体和高压输电线路，即金属板2的引入不改变原系统的电气参数。参见图2，其中C1表示带电物体与人体之间的耦合分布电容，C2表示高压输电线路与人体之间的耦合分布电容，C3表示带电物体的对地分布电容，C4表示高压输电线路对带电物体的耦合分布电容，C5表示测试者的对地分布电容，C6表示输电线路的对地分布电容。值得注意的是，图2中的所有集总电容仅在原理上表达该系统的电气特征，并不代表该系统的实际等效电路。
本实施例中，人体接触金属件1为金属环，人体接触金属件1和人体皮肤保持接触具体是指将金属环套设于测试者的手臂上。电压采集装置4为品致P6018A型电压探头，电压探头通过电压信号传输线41和电压采集装置6的输入端相连，电压信号传输线41的绝缘外层外侧设有金属屏蔽套，且金属屏蔽套通过电缆保持接地，电压探头的带宽下限低于50Hz、带宽上限高于100MHz。电流采集装置5为泰克TCP0030A型电流探头，电流探头套夹与电流汇集引线3上，且将电流探头的输出端通过电流信号传输线51和信号采集装置6的电流信号输入端相连，电流信号传输线51的绝缘外层外侧设有金属屏蔽套，且金属屏蔽套通过电缆保持接地，电流探头的带宽下限低于50Hz、带宽上限高于100MHz。
如图3所示，本实施例的强度检测装置的工作过程如下：
S1)在检测前，检测带电物体的空载电压，得到的空载电压如图4所示。
由图4可知，带电物体的空载电压的波形实质上为一条曲线，图中纵坐标U0表示带电物体的空载电压，单位为V；横坐标t表示时间，单位为ms。需要说明的是，完成空载电压检测后，应经过一定时间方可进行强度检测，以免空载电压检测对正式的强度检测造成影响。
S2)设置信号采集装置6(数字示波器)的参数，包括：(a)设置数字示波器的采样率：典型暂态电击的电压、电流波形上升时间为数十纳秒，根据奈奎斯特采样定律，为保证波形不失真，本实施例中将数字示波器的采样率需设置为1GSa/s以上。(b)设置数字示波器的触发方式和触发电平：设置数字示波器的触发方式为单次触发、触发电平大于物体的空载电压，以保证人暂态电击未发生之前示波器不对波形数据进行保存；(c)设置示波器的采样时间：因人体接触被带电物体瞬间存在抖动，从首次接触到稳定接触需要数十毫秒的时间，其间人体与被感应物体之间有多次接触与分离的过程，被感应物体对人体会发生多次暂态电击，为完整记录每一次暂态电击波形，因此需要将采样时间设置为40ms(即两个工频周波时间)以上，因此本实施例中将采样时间设置为40ms(即两个工频周波时间)。
S3)初始化检测回路：首先布置和电压采集装置2相连的人体接触金属件1、布置通过绝缘支架21支承于底面上的金属板2，将金属板2通过电流汇集引线3接地，且在电流汇集引线3上布置电流采集装置5，将电压采集装置2、电流采集装置4分别与信号采集装置6相连，将人体接触金属件1套在测试者手臂上，使得测试者踩踏在金属板2上。
S4)使踩踏于金属板2上的测试者与带电物体接触，使得人体接触金属件1的电压等于人体表面电位，且带电物体经接触点流入测试者人体的集总电流i1、带电物体对测试者人体的耦合分布电容C1传递进入测试者人体的电流i2、高压输电线路对测试者人体的耦合分布电容C2传递进入测试者人体的电流i3共计三部分流经人体的暂态电流通过电流汇集引线3集中导入大地；同时，在测试者与带电物体接触后的指定的采样时间T内通过信号采集装置6同步采集电压采集装置2和电流采集装置5输出的人体表面电位、流经人体的暂态电流的模拟量。如图5所示，踩踏于金属板2上的测试者与输电走廊附近的带电物体接触后，电压采集装置输出的人体表面电位则会存在一些波动，图中纵坐标Utouch表示检测时的人体表面电位，单位为V；横坐标t表示时间，单位为ms。如图6所示，踩踏于金属板2上的测试者与输电走廊附近的带电物体接触后，带电物体经接触点流入测试者人体的集总电流i1、带电物体对测试者人体的耦合分布电容C1传递进入测试者人体的电流i2、高压输电线路对测试者人体的耦合分布电容C2传递进入测试者人体的电流i3共计三部分流经人体的暂态电流也会存在一些波动，其波动时刻与图5中人体表面电位的波动时刻基本一致；图中纵坐标Ibody表示检测时流经人体的暂态电流的总和，单位为A；横坐标t表示时间，单位为ms。
S5)信号采集装置6通过模数转换器ADC将采集得到的人体表面电位、流经人体的暂态电流的模拟量转换为数字量并输出。与信号采集装置6相连的后续运算设备(例如处理器或者上位机等)收到人体表面电位、流经人体的暂态电流的数字量后，则根据式(1)计算带电物体和人体接触过程中流经人体的暂态电流在人体中所产生的热量，将热量作为评价人体暂态电击强度的定量检测结果输出；
Q＝∫u(t)i(t)dt(0≤t≤T) (1)
式(1)中，Q表示带电物体和人体接触过程中流经人体的暂态电流在人体中所产生的热量，u(t)表示采样时刻t对应的人体表面电位，i(t)表示采样时刻t对应的流经人体的暂态电流，T表示指定的采样时间。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置，其特征在于：包括人体接触金属件(1)、金属板(2)、电流汇集引线(3)、电压采集装置(4)、电流采集装置(5)和信号采集装置(6)，所述人体接触金属件(1)通过电压采集装置(3)和信号采集装置(4)的电压输入端相连，所述金属板(2)的下侧设有绝缘支架(21)，所述金属板(2)通过绝缘支架(21)支承于地面上，所述金属板(2)通过电流汇集引线(3)接地，所述电流采集装置(5)套夹或者串联于电流汇集引线(3)上，所述电流采集装置(5)的输出端和信号采集装置(6)的电流输入端相连；在检测时人体接触金属件(1)和人体皮肤保持接触，使踩踏于金属板(2)上的测试者与输电走廊附近的带电物体接触，使得人体接触金属件(1)的电压等于人体表面电位，带电物体经接触点流入测试者人体的集总电流i1、带电物体对测试者人体的耦合分布电容C1传递进入测试者人体的分布电流i2、高压输电线路对测试者人体的耦合分布电容C2传递进入测试者人体的分布电流i3共计三部分流经人体的暂态电流通过电流汇集引线(3)集中导入大地。
2.根据权利要求1所述的输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置，其特征在于：所述信号采集装置(6)为数字示波器，所述数字示波器的采样率设置为1GSa/s以上、触发方式为单次触发、触发电平大于带电物体的空载电压、采样时间T设置为40ms以上，所述带电物体的空载电压为带电物体与人体皮肤接触前的电压。
3.根据权利要求2所述的输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置，其特征在于：所述人体接触金属件(1)为金属环，所述人体接触金属件(1)和人体皮肤保持接触具体是指将金属环套设于测试者的手臂上。
4.根据权利要求3所述的输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置，其特征在于：所述电压采集装置(4)为电压探头，所述电压探头通过电压信号传输线(41)和电压采集装置(6)的输入端相连，所述电压信号传输线(41)为外壳接地的屏蔽电缆，所述电压探头的带宽下限低于50Hz、带宽上限高于100MHz。
5.根据权利要求4所述的输电走廊附近物体对人体暂态电击的强度检测装置，其特征在于：所述电流采集装置(5)为电流探头，所述电流探头套夹与电流汇集引线(3)上，且将电流探头的输出端通过电流信号传输线(51)和信号采集装置(6)的电流信号输入端相连，所述电流信号传输线(51)为外壳接地的屏蔽电缆，所述电流探头的带宽下限低于50Hz、带宽上限高于100MHz。
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