可穿戴式不停電作業人體泄漏電流監測裝置設計*

張瑋亞, 王舒凡, 顧劉婷, 紀 業, 韓 濤

(1.國網江蘇省電力有限公司 南京供電分公司,江蘇 南京 210008;2.天津大學 電氣自動化與信息工程學院,天津 300072)

0 引 言

不停電作業是指在電力設備不斷電的情況下由電力工人開展的現場作業,主要應用于架空線及電纜等電力線路的維護[1～3]。在不停電作業中,雖然作業人員需穿戴絕緣服并站立于距離地面數米高的絕緣斗臂車內開展工作,但由于需要直接與10 kV及以上高壓導線接觸,作業風險度依然較高。人體內流經10 mA以上電流時,即可能對生命安全造成危害[4,5]。目前,不停電作業中的安全監測手段以人為觀測、圖像識別人體空間位置等為主,對于作業人員防護絕緣安全保障則主要依靠定期的絕緣服耐壓測試,缺乏有效的作業現場人體泄漏電流檢測手段,無法滿足保障作業人員生命安全的需求[6]。且由于這一工況的特殊性,對于作業現場人員安全保護設備也提出較高的要求,相關設備必須滿足可穿戴、體積小、重量輕等要求。

針對上述情況,本文基于可穿戴設備思路設計出一種作業人員泄漏電流實時監測裝置[7,8]。該裝置兼容了微電流測量與體表電場監測兩種手段,以低功耗單片機為核心芯片,以柔性導電塑料為測量電極,結合ZigBee通信模塊[9],在保障信號監測準確性的同時,實現對于預警數據的發送,完成實時測量與預警兩項功能。

1 系統整體設計

本文監測裝置主要由核心微控制器(MCU)、ZigBee傳輸模塊、泄露電流測量模塊、體表電場監測模塊等構成。測量結果顯示則由作業現場搭載ZigBee通信的平板電腦或其他設備實現。裝置整體設計框架如圖1所示。為滿足可穿戴要求,本裝置的開發大量使用集成器件,同時使用0.6 mm印刷電路板(PCB)結構。

圖1 裝置整體設計框圖

2 電流測量柔性電極復合材料制備

2.1 材料制備

由于本裝置為可穿戴設計,應用時需將其安裝于作業人員足弓處,因此其泄漏電流測量電極需具有較好的柔韌性及優異的導電性。而傳統的金屬結構電極較難與絕緣鞋墊貼合,因此本文采用了復合材料作為測量電極,形成足底的最小電阻路徑,其制備過程如下：本文選用乙烯—丙烯酸乙酯共聚物(EEA)作為基體材料,選用炭黑(CB)作為導電添加物,利用物理共混法制備半導電柔性電極片[10]。制備過程中首先選用不同摻雜質量分數的EEA與CB材料,之后摻雜0.7 %質量分數的3(1,4)—雙(叔丁基過氧異丙基)苯(BIPB)作為交聯劑。為獲得最佳配比,研制過程中設置的CB摻雜(質量分數)為15 %，20 %，25 %，30 %及35 %。稱取適量材料后將其置于密煉機內混合均勻,密煉機溫度設置為115 ℃,時間20 min。混合完成后將材料置于尺寸為40 mm(長)×40 mm(寬)×1 mm(厚)模具內,使用平板硫化機熱壓成型,硫化溫度120 ℃,硫化時間30 min,壓強20 MPa。硫化完成后冷卻至室溫,取出試樣待測。

2.2 電阻率測量

為驗證不同摻雜質量分數的電極復合材料的導電性,獲得較好的電阻率參數配方,本文采用三電極結構測量了復合材料的電阻率參數[11]。其電極結構如圖2所示。圖中高壓電極為圓柱形銅質結構,半徑為10 mm,高度20 mm；低壓電極為銅質圓板結構,半徑為20 mm,厚度2 mm；為防止表面泄漏電流的測量干擾,選用內半徑為12.5 mm,高度10 mm的銅質圓環作為屏蔽電極。直流電源電壓范圍為0～36 V。

圖2 三電極結構示意

測試過程中施加直流電壓為5 V,測試時間30 min,電流采樣間隔為1 s。測量結束后,取第30 min時電流平均值為電阻率測量電流有效數據,按照式(1)計算被測試樣電阻率

ρ=πr2U/Il

(1)

式中ρ為電阻率；r為高壓電極半徑；U為施加測量電壓；I為測量電流；l為試樣厚度。

對不同摻雜質量分數的柔性電極樣品電導率測量結果如圖3所示。由圖3結果可知,當摻雜質量分數達30 %及以上時,試樣電阻率下降至40 Ω·cm。可以較好地滿足傳感器所需的低電阻率需求,同時EVA復合材料較高的彈性可保障電極具有較好的柔韌性,從而易于加工。因此,本文選用質量分數為30 %的復合材料作為測量電極材料,制備半徑為15 mm,厚度為1 mm的柔性測量電極,經由金屬導線連接至硬件PCB,使用中將兩片電極置于作業人員足弓處鞋墊上下表面,鞋墊其余部分為絕緣材料,從而保證兩電極之間電路為電流傳輸路徑的最小阻抗通道。鞋墊整體可等效為多個電阻的并聯,由并聯電路分流定律可知,絕大部分人體泄露電流將流經此采樣電極泄放,從而保證了電流采樣的準確性。

圖3 不同CB摻雜質量分數下的電阻率測量結果

3 硬件設計

3.1 電源模塊設計

裝置采用鋰電池進行供電,電池電壓3.7 V,容量為80 mAh,電池體積20 mm(長)×10 mm(寬)×3 mm(厚),滿足可穿戴要求。充電及電壓轉換電路設計如圖4所示。采用TI公司生產的電源管理芯片BQ24072RGTR作為充電主芯片,最大充電電流1.5 A,充電電壓4.2 V,同時具備USB接口連接檢測、充電指示及充電完成指示功能。采用ST公司生產的LD3985M33R穩壓芯片將電池電壓降壓至3.3 V直流,其最大輸出電流為550 mA,滿足系統供電需求。使用圖中按鍵S1結合MCU的PB7管腳構成系統單穩態開關控制。同時,模塊中設置多個LED狀態指示燈,完成USB連接、充電完成、系統開機等多種狀態指示。

圖4 電源模塊硬件電路設計

3.2 電流采集模塊設計

電流采集模塊電路如圖5所示。主芯片為ADI公司生產的對數檢波器芯片AD8310AMZ。其檢波范圍可有效覆蓋DC至440 MHz頻率范圍,及-91～4 dBV電壓范圍。同時,該芯片可使用3.3 V電壓供電,減少了電路中的電壓類型需求。

圖5 電流采集模塊硬件電路設計

電路中采樣電極接口連接柔性采樣電極,由電阻R1及R3構成等效50 Ω電流采樣電阻。AD8310AMZ對數檢波器輸出電壓經由TVS保護電路后進入MCU芯片的ADC端口,完成電流數值的A/D轉換。

3.3 體表電場監測模塊設計

由于作業人員直接接觸高壓導線,當發生防護絕緣失效或絕緣電阻降低時,人體很可能成為高壓等勢體,進而危害作業人員自身安全。為實現對人體體表電場的實時監測,本裝置集成了近電報警芯片JW0805,生產廠家為南京建威科技有限公司,供電電壓為3.3 V。其電路設計如圖6所示。

圖6 體表電場監測模塊硬件電路設計

通過電阻R2阻值的改變可調整JW0858電場報警閾值。經測量,當R2電阻設定為100 kΩ時,可對作業人員足底1 kV及以上交流電壓下產生的電場進行預警。其預警信號為6號管腳輸出的PWM波形。在本裝置內該輸出預警信號經由R3電阻連接至MCU芯片的PA15管腳,作為電場預警觸發信號。

3.4 MCU與ZigBee通信模塊設計

MCU芯片STM32L151C8T6是由ST公司生產的超低功耗單片機,具備64 kB片內Flash空間,3個USART通信端口及2路12 bit ADC通道,滿足本裝置設計需求。

ZigBee通信模塊采用廣州致遠電子有限公司生產的AW5161P2C通信芯片。該芯片提供了完整的基于IEEE 802.15.4標準的應用集成方案,采用Fast ZigBee協議,可有效保證休眠期喚醒后的快速通信從而降低裝置整體功耗。同時,該芯片集成了板載陶瓷天線,具備較小的體積,提升了整體裝置的體積優勢。AW5161P2C與MCU經由串口通信端口進行數據傳輸,可實現MCU數據的實時透傳,采用URAT通信協議,波特率115 200 bps。MCU及ZigBee模塊的連接電路如圖7所示。

圖7 MCU與ZigBee通信模塊硬件電路設計

4 軟件設計

軟件設計流程如圖8所示。軟件基于C語言編寫,采用 Keil μVision5.1軟件進行開發。系統上電后首先啟動MCU與ZigBee模塊的初始化程序。初始化完成后,ZigBee模塊開始自動組網。當組網成功后,則由MCU開始電流采集和電場實時監測。

圖8 系統工作流程

電流采集ADC設定采樣率為10 kSa/s,ADC采樣精度設定為12 bit。電流采樣完成后由MCU完成對數電壓反演計算及電流有效值分析,本裝置設定為當電流有效值大于10 mA時,則由MCU經串口發送電流預警信號。設定PA15管腳為外部中斷模式,上升沿觸發。當作業人員體表電場升高從而觸發JW0858發出電場預警PWM信號時,由MCU經串口發送電場預警信號。

5 實驗結果與分析

裝置電路實物如圖9所示,采用0.6 mm厚度PCB結構,焊接完成后PCB整體尺寸為長度27 mm,寬度20 mm,厚度3 mm,可實現較小尺寸下的安裝與使用。

圖9 裝置電路部分實物

使用50 Hz信號發生器及標準電阻產生0～20 mA 交流電流信號,并經由柔性電極進行測量。使用ZigBee接收模塊連接電腦端串口調試工具對測量結果進行顯示,相應電流測量結果如圖10所示。由測量數據可知,本裝置在0～20 mA范圍內,具有較高的測量線性度,該范圍內對于電流信號的測量誤差小于5 %。

圖10 電流實際測量結果

6 結 論

1)應用復合材料制備了具有較低電阻率的柔性電流采樣電極；2)集成了體表電場預警功能,實現了泄漏電流與體表電場的雙預警；3)裝置體積小、測量精度較高,滿足不停電作業現場應用需求。