一種消除人體觸電的500kV變電站用安全帽的實驗研究

郭學才 關震東

摘 要：500kV變電站內電磁環境復雜，在此條件下人體等效為電容，因此時常發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人體攜帶電荷釋放出現輕微觸電現象。文章基于交流電場下人體與空氣等效阻抗模型，利用安全帽接地實驗測試，實現了一種借助安全帽—導線—接地極的電荷泄放通道，達到作業人員在進行操作前削弱觸碰控制柜金屬表面觸電現象，減小觸電對操作人員進行作業時的負面影響。

關鍵詞：變電站;安全帽;等效電容;人體觸電

隨著城市快速發展及電能遠距離輸送場景越來越多，500kV及更高電壓等級變電站的數量不斷增加。一方面，單個變電站規模，如進線、出線、各類二次控制部分不斷增加，站內電磁環境越來越復雜。另一方面，城市的發展對電能穩定傳輸，包括變電站內各設備的穩定運行，及各類參數監控提出了更高的要求。目前，500kV及更高電壓等級變電站內開展定期檢修、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也是影響自身工作狀態的重要因素。當作業人員處于變電站內時，依據IEC60335、GB4706等標準指導說明，在外加交流電壓下人體結構通常利用電阻與電容并聯阻抗模型予以等效[1]。

依據廣東電網某500kV變電站實際情況，作業人員在進入變電站內進行各項地面設備檢查及開關柜等裝置檢修時，手指觸碰開關箱表面瞬間發生輕微觸電現象，且該現象會在手指離開箱體表面后二次觸碰再次發生。依據操作人員現場數據表明：陰天比晴天觸電情況強，變電站中心區域比邊緣區域強;同一回高壓母線下方，中間一回比兩邊觸電感覺強。考慮電容串聯電路在交變電壓情況下頻繁充放電原理，結合安全帽對人體的保護作用，本文以常規安全帽為基礎，保證人體與地面及接地極的良好絕緣，利用放電實驗實現了一種削弱變電站內人員操作前觸碰金屬控制柜的發生微小觸電的目的。

1 實驗原理

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成串聯分壓結構，另一方面人體等效電容會在短時間內完成充電，此時由于空氣介質阻抗極大，考慮空氣與人體串聯結構時的充電電流或者經過空氣—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生人體作為電流泄放通道，此時操作人員進入變電站內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電回路，因此人體無法在交變電場下短時間實現自身攜帶電荷釋放與再次充電過程。

操作人員的個體差異，包括身高、體重、體脂等因素，以及天氣溫度、濕度等環境差異都會改變人體電容，因此進行各類模擬實驗時往往將人體等效電容取100pF予以簡化[3]。此外，環境因素改變也會同時改變空氣的介電常數及等效電容值。考慮實際情況中操作人員的胳膊觸碰到開關柜金屬柜門時，胳膊電阻極小，人體—金屬柜門—接地極構成了回路，人體攜帶電荷經胳膊至接地極釋放，等效電路如圖1（b）所示。

IEC（國際電工委員會）和國家標準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說明，但未單獨考慮人體胳膊、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確描述。依據研究[4]可知，人體觸電感主要基于通過人體的微小電流進行評估，當電流小于1mA時人體很難察覺;當電流處于3～4mA時，人體不會有不適感，且會仍然產生愉悅的心情;隨著電流繼續增加，觸電感增強會增大人體的負面情緒;而當電流高于10mA時會給人體帶來生命安全。當同時考慮人體允許通過電流值與自身電阻分布時，實際評估時，主要以人體電位處于安全值以內，同時結合電流值測量與人體實際觸電感變化來評估效果。

1.2 變電站內觸電感初步測試結果

為準確獲悉操作人員正常作業時觸電瞬間電流值情況，在實際500kV變電站內，工作人員在穿著絕緣膠鞋及工作服情況下，對戶外開關柜進行正常開箱操作，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。由于放電電流隨時間衰減，因此測量時以萬用表（FLUKE，F5Bpro）測得初始最大值為有效值。在測試前，接地電阻進行了測量且均小于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]。

根據表1測量結果可知，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過程中不允許將人體接地，防止發生觸電后身體作為導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象。對場景3～5而言，人體胳膊每一次觸碰金屬外殼時均有微弱觸電感，符合交變電場下電容充放電過程，且不同位置電磁環境不同，引起人體充電電荷不同，觸電感不一樣。根據IEC標準可知，人體處于變電站內電位有效值為2.3V，為安全電壓閾值36V[6]。場景4采用導線使得手指接觸尖端處電場增強，放電電流大，導致人體觸電感增強[7]。

1.3 安全帽設置及說明

以現有常規安全帽為基礎，利用絕緣導線、磁鐵、外接電阻等設計的安全帽示意圖如圖2（a）所示。當安全帽處于收納狀態時，導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。絕緣導線整體約1米，與磁鐵吸附裝置均采用輕量化設計，不會導致安全帽質量增加較大而影響佩戴效果和舒適性。

當操作人員進入變電站內，進行操作作業前，此時將導線從卡扣中取出，導線通過磁吸結構吸附于開關柜表面，當操作人員胳膊再次觸碰開關柜金屬表面時，等效電路圖如圖2（b）所示。此時人體分別通過胳膊與金屬柜及安全帽—導線與開關柜連接，由于安全帽絕緣電阻較大，導線連接安全帽使人體攜帶電荷通過安全帽經過導線—接地極通道釋放速度緩慢。此時，安全帽經過導線與接地極連接，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過安全帽—導線結構釋放。由于安全帽結構阻抗分擔部分電荷釋放作用，因此經過人體的電流減小。在安全帽經過導線接地后，電荷緩慢釋放也會使得人體胳膊觸碰開關柜表面瞬間觸電感減弱。此外，人體對地出現放電過程，此時空氣等效電容也會同時出現對地釋放電荷，但是空氣介質阻抗較大，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 模擬實驗及現場驗證實驗

依據圖1及圖2所示等效電路，分別利用電容模擬實驗與現場驗證實驗對安全帽效果進行驗證，模擬實驗示意圖如圖3所示。利用試驗變壓器實現100kV，按照與500kV變電站實際具體搭建實驗平臺，其中等效電容通過電力電容串并聯后得到100pF電容，以此與人體等效電容保持一致。實際500kV離地高度為15m，因此模擬實驗中高壓電極高度設置為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。考慮到實際觸電電流為mA級甚至更小，因此此處利用高靈敏度萬用表（FLUKE，F5Bpro）測試電容器接地瞬間放電電流峰值。兩組實驗同時以表1中測試項目進行驗證，待效果驗證后在基于安全狀況下，操作人員進行安全帽測試，兩次實驗測試結果如表2所示，此處以實際電流與電位進行表征。

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，因此模擬實驗中安全帽二次接地時沒有電流，同時電位也為0。場景3與4中模擬實驗階段基于測試標準選擇100pF等效電容與測試人員的等效電容不一致，因此導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。在安全狀態下，表1與表2中現場實驗的操作人員為同一人。對比上述表內測量數據可知，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人體電流值明顯降低，與變電站內多人進行重復現場測試結果一致。但是場景3和4中，人體電位未發生變化，主要原因為人體等效結構并未短接，因此當手臂接觸開關柜外殼時會有持續充放電過程，但是電流太小，人體無感知且電流表無顯示，因此此時對人體無影響。

結語

文章考慮變電站內人體等效電容結構，結合變電站內對安全帽的安全要求，設計了一種加裝金屬導線實現降低人體接觸開關柜時觸電感的裝置，分別利用實際電力電容搭建模擬電路及實際現場實驗給予了驗證。通過在操作人員胳膊觸碰開關柜前實現電流緩慢泄放，同時分擔人體觸碰時放電電流，實現降低操作人員手臂觸碰金屬外殼時的觸電感。安全帽整體設計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定性。

參考文獻：

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[7]李春蘭，葉豪，王成斌，等.基于豬觸電試驗的人體觸電規律研究[J].江蘇大學學報（自然科學版），2019，40（5）：553-558+565.

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