一種消除人體觸電的500kV變電站用安全帽的實(shí)驗(yàn)研究

郭學(xué)才 關(guān)震東

摘 要：500kV變電站內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，在此條件下人體等效為電容，因此時(shí)常發(fā)生操作人員胳膊等部位觸碰變電站地面控制柜金屬外殼時(shí)人體攜帶電荷釋放出現(xiàn)輕微觸電現(xiàn)象。文章基于交流電場下人體與空氣等效阻抗模型，利用安全帽接地實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)現(xiàn)了一種借助安全帽—導(dǎo)線—接地極的電荷泄放通道，達(dá)到作業(yè)人員在進(jìn)行操作前削弱觸碰控制柜金屬表面觸電現(xiàn)象，減小觸電對操作人員進(jìn)行作業(yè)時(shí)的負(fù)面影響。

關(guān)鍵詞：變電站;安全帽;等效電容;人體觸電

隨著城市快速發(fā)展及電能遠(yuǎn)距離輸送場景越來越多，500kV及更高電壓等級變電站的數(shù)量不斷增加。一方面，單個(gè)變電站規(guī)模，如進(jìn)線、出線、各類二次控制部分不斷增加，站內(nèi)電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。另一方面，城市的發(fā)展對電能穩(wěn)定傳輸，包括變電站內(nèi)各設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，及各類參數(shù)監(jiān)控提出了更高的要求。目前，500kV及更高電壓等級變電站內(nèi)開展定期檢修、巡檢等工作依然較多，且仍然是以人工操作為主，尤其是對各類控制線路及地面裝置開展不停電檢修，因此操作規(guī)范和人身安全也受到了更多的重視，且操作人員的心理狀態(tài)也是影響自身工作狀態(tài)的重要因素。當(dāng)作業(yè)人員處于變電站內(nèi)時(shí)，依據(jù)IEC60335、GB4706等標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)說明，在外加交流電壓下人體結(jié)構(gòu)通常利用電阻與電容并聯(lián)阻抗模型予以等效[1]。

依據(jù)廣東電網(wǎng)某500kV變電站實(shí)際情況，作業(yè)人員在進(jìn)入變電站內(nèi)進(jìn)行各項(xiàng)地面設(shè)備檢查及開關(guān)柜等裝置檢修時(shí)，手指觸碰開關(guān)箱表面瞬間發(fā)生輕微觸電現(xiàn)象，且該現(xiàn)象會(huì)在手指離開箱體表面后二次觸碰再次發(fā)生。依據(jù)操作人員現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明：陰天比晴天觸電情況強(qiáng)，變電站中心區(qū)域比邊緣區(qū)域強(qiáng);同一回高壓母線下方，中間一回比兩邊觸電感覺強(qiáng)?？紤]電容串聯(lián)電路在交變電壓情況下頻繁充放電原理，結(jié)合安全帽對人體的保護(hù)作用，本文以常規(guī)安全帽為基礎(chǔ)，保證人體與地面及接地極的良好絕緣，利用放電實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種削弱變電站內(nèi)人員操作前觸碰金屬控制柜的發(fā)生微小觸電的目的。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 人體放電等效電路

如圖1所示，人體處于交變電場下，一方面人體等效電容及電阻與空氣等效電容及電阻分別構(gòu)成串聯(lián)分壓結(jié)構(gòu)，另一方面人體等效電容會(huì)在短時(shí)間內(nèi)完成充電，此時(shí)由于空氣介質(zhì)阻抗極大，考慮空氣與人體串聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)的充電電流或者經(jīng)過空氣—人體到地面的泄漏電流極小，因此人無法感知[2]。為防止人體與地面良好接觸后發(fā)生人體作為電流泄放通道，此時(shí)操作人員進(jìn)入變電站內(nèi)穿上絕緣安全鞋可以很好地保證人體無法與地面形成有效導(dǎo)電回路，因此人體無法在交變電場下短時(shí)間實(shí)現(xiàn)自身攜帶電荷釋放與再次充電過程。

操作人員的個(gè)體差異，包括身高、體重、體脂等因素，以及天氣溫度、濕度等環(huán)境差異都會(huì)改變?nèi)梭w電容，因此進(jìn)行各類模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)往往將人體等效電容取100pF予以簡化[3]。此外，環(huán)境因素改變也會(huì)同時(shí)改變空氣的介電常數(shù)及等效電容值?？紤]實(shí)際情況中操作人員的胳膊觸碰到開關(guān)柜金屬柜門時(shí)，胳膊電阻極小，人體—金屬柜門—接地極構(gòu)成了回路，人體攜帶電荷經(jīng)胳膊至接地極釋放，等效電路如圖1（b）所示。

IEC（國際電工委員會(huì)）和國家標(biāo)準(zhǔn)中對人體的體表電阻和體積電阻及影響因素等給出了詳細(xì)說明，但未單獨(dú)考慮人體胳膊、頭部、腿部等部位的電阻或電容，且無法測量，差異隨人體差異很難準(zhǔn)確描述。依據(jù)研究[4]可知，人體觸電感主要基于通過人體的微小電流進(jìn)行評估，當(dāng)電流小于1mA時(shí)人體很難察覺;當(dāng)電流處于3～4mA時(shí)，人體不會(huì)有不適感，且會(huì)仍然產(chǎn)生愉悅的心情;隨著電流繼續(xù)增加，觸電感增強(qiáng)會(huì)增大人體的負(fù)面情緒;而當(dāng)電流高于10mA時(shí)會(huì)給人體帶來生命安全。當(dāng)同時(shí)考慮人體允許通過電流值與自身電阻分布時(shí)，實(shí)際評估時(shí)，主要以人體電位處于安全值以內(nèi)，同時(shí)結(jié)合電流值測量與人體實(shí)際觸電感變化來評估效果。

1.2 變電站內(nèi)觸電感初步測試結(jié)果

為準(zhǔn)確獲悉操作人員正常作業(yè)時(shí)觸電瞬間電流值情況，在實(shí)際500kV變電站內(nèi)，工作人員在穿著絕緣膠鞋及工作服情況下，對戶外開關(guān)柜進(jìn)行正常開箱操作，測量了幾類典型情況下電流值，測得的重要信息如表1所示。由于放電電流隨時(shí)間衰減，因此測量時(shí)以萬用表（FLUKE，F(xiàn)5Bpro）測得初始最大值為有效值。在測試前，接地電阻進(jìn)行了測量且均小于0.05Ω，接地極的電位均為0，人體電位為2.3V，符合安全要求[5]。

根據(jù)表1測量結(jié)果可知，場景1和2中金屬箱與接地極電位均為0，人體觸碰后電位處于0，說明此時(shí)人體等效電容被短接，不再有充放電過程因此人體無電流通過。但是操作人員正常作業(yè)過程中不允許將人體接地，防止發(fā)生觸電后身體作為導(dǎo)通回路一部分對人體帶來傷害，因此上述場景無法利用，即無法通過將人體接地來完全抑制自身等效電容放電引起的微小觸電現(xiàn)象。對場景3～5而言，人體胳膊每一次觸碰金屬外殼時(shí)均有微弱觸電感，符合交變電場下電容充放電過程，且不同位置電磁環(huán)境不同，引起人體充電電荷不同，觸電感不一樣。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)可知，人體處于變電站內(nèi)電位有效值為2.3V，為安全電壓閾值36V[6]。場景4采用導(dǎo)線使得手指接觸尖端處電場增強(qiáng)，放電電流大，導(dǎo)致人體觸電感增強(qiáng)[7]。

1.3 安全帽設(shè)置及說明

以現(xiàn)有常規(guī)安全帽為基礎(chǔ)，利用絕緣導(dǎo)線、磁鐵、外接電阻等設(shè)計(jì)的安全帽示意圖如圖2（a）所示。當(dāng)安全帽處于收納狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)線均勻纏繞于安全帽帽檐外部，安全帽四周有固定的橡膠卡扣，確保導(dǎo)線方便收納和展開，磁鐵吸附裝置懸掛于安全帽后部。絕緣導(dǎo)線整體約1米，與磁鐵吸附裝置均采用輕量化設(shè)計(jì)，不會(huì)導(dǎo)致安全帽質(zhì)量增加較大而影響佩戴效果和舒適性。

當(dāng)操作人員進(jìn)入變電站內(nèi)，進(jìn)行操作作業(yè)前，此時(shí)將導(dǎo)線從卡扣中取出，導(dǎo)線通過磁吸結(jié)構(gòu)吸附于開關(guān)柜表面，當(dāng)操作人員胳膊再次觸碰開關(guān)柜金屬表面時(shí)，等效電路圖如圖2（b）所示。此時(shí)人體分別通過胳膊與金屬柜及安全帽—導(dǎo)線與開關(guān)柜連接，由于安全帽絕緣電阻較大，導(dǎo)線連接安全帽使人體攜帶電荷通過安全帽經(jīng)過導(dǎo)線—接地極通道釋放速度緩慢。此時(shí)，安全帽經(jīng)過導(dǎo)線與接地極連接，改變了人體攜帶電荷釋放過程，電荷釋放引起的放電電流分為按照阻抗比例流過人體胳膊與經(jīng)過安全帽—導(dǎo)線結(jié)構(gòu)釋放。由于安全帽結(jié)構(gòu)阻抗分擔(dān)部分電荷釋放作用，因此經(jīng)過人體的電流減小。在安全帽經(jīng)過導(dǎo)線接地后，電荷緩慢釋放也會(huì)使得人體胳膊觸碰開關(guān)柜表面瞬間觸電感減弱。此外，人體對地出現(xiàn)放電過程，此時(shí)空氣等效電容也會(huì)同時(shí)出現(xiàn)對地釋放電荷，但是空氣介質(zhì)阻抗較大，因此充放電電流極小可忽略，而人體帶電泄放電流隨著人體攜帶電荷泄放完后而降為0。

2 模擬實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

依據(jù)圖1及圖2所示等效電路，分別利用電容模擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)對安全帽效果進(jìn)行驗(yàn)證，模擬實(shí)驗(yàn)示意圖如圖3所示。利用試驗(yàn)變壓器實(shí)現(xiàn)100kV，按照與500kV變電站實(shí)際具體搭建實(shí)驗(yàn)平臺，其中等效電容通過電力電容串并聯(lián)后得到100pF電容，以此與人體等效電容保持一致。實(shí)際500kV離地高度為15m，因此模擬實(shí)驗(yàn)中高壓電極高度設(shè)置為3m，電容器上端接線口利用接安全帽模擬人體佩戴安全帽情況?？紤]到實(shí)際觸電電流為mA級甚至更小，因此此處利用高靈敏度萬用表（FLUKE，F(xiàn)5Bpro）測試電容器接地瞬間放電電流峰值。兩組實(shí)驗(yàn)同時(shí)以表1中測試項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證，待效果驗(yàn)證后在基于安全狀況下，操作人員進(jìn)行安全帽測試，兩次實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表2所示，此處以實(shí)際電流與電位進(jìn)行表征。

如表2所示，場景1與2中安全帽電位為0，等效電容不再有充電過程，因此模擬實(shí)驗(yàn)中安全帽二次接地時(shí)沒有電流，同時(shí)電位也為0。場景3與4中模擬實(shí)驗(yàn)階段基于測試標(biāo)準(zhǔn)選擇100pF等效電容與測試人員的等效電容不一致，因此導(dǎo)致相同場景中電壓與電流與表1存在差異，但是兩者變化趨勢一致。在安全狀態(tài)下，表1與表2中現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的操作人員為同一人。對比上述表內(nèi)測量數(shù)據(jù)可知，在相同場景下，利用安全帽后操作人員手臂觸碰地面控制箱金屬外殼表面時(shí)人體電流值明顯降低，與變電站內(nèi)多人進(jìn)行重復(fù)現(xiàn)場測試結(jié)果一致。但是場景3和4中，人體電位未發(fā)生變化，主要原因?yàn)槿梭w等效結(jié)構(gòu)并未短接，因此當(dāng)手臂接觸開關(guān)柜外殼時(shí)會(huì)有持續(xù)充放電過程，但是電流太小，人體無感知且電流表無顯示，因此此時(shí)對人體無影響。

結(jié)語

文章考慮變電站內(nèi)人體等效電容結(jié)構(gòu)，結(jié)合變電站內(nèi)對安全帽的安全要求，設(shè)計(jì)了一種加裝金屬導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)降低人體接觸開關(guān)柜時(shí)觸電感的裝置，分別利用實(shí)際電力電容搭建模擬電路及實(shí)際現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)給予了驗(yàn)證。通過在操作人員胳膊觸碰開關(guān)柜前實(shí)現(xiàn)電流緩慢泄放，同時(shí)分擔(dān)人體觸碰時(shí)放電電流，實(shí)現(xiàn)降低操作人員手臂觸碰金屬外殼時(shí)的觸電感。安全帽整體設(shè)計(jì)重量較小且操作方便，有效提高了操作人員的專注度與情緒穩(wěn)定性。

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作者簡介：郭學(xué)才（1985— ），男，漢族，河南平頂山人，碩士，工程師，從事變電運(yùn)行及檢修工作;關(guān)震東（1995— ），男，漢族，廣東陽江人，本科，工程師，從事變電運(yùn)行及檢修工作。