基于人体体征的带电作业安全预警系统试验研究

2020-02-24隆晨海杨淼李金亮李文波熊子萱

湖南电力 2020年1期

隆晨海，杨淼，李金亮，李文波，熊子萱

(1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力有限公司永州供电分公司，湖南永州425000)

随着我国电网的建设和发展，带电作业技术在电力系统的安全可靠运行和提高经济效益方面发挥着越来越重要的作用[1-2]。考虑到带电作业中事故频发，时刻威胁到作业人员的生命安全，因此带电作业安全防护成为带电作业技术开展的关键[3-4]。目前安全防护主要依靠屏蔽服，然而屏蔽服对于人体来说是一个封闭的环境，当作业人员身穿屏蔽服进行带电作业时，由于代谢量、出汗量增加，屏蔽服内环境的温度和湿度都会升高，同时人体也将产生一系列的生理反应，易使工人们感到疲劳、乏力、意识模糊，很难集中精力认真工作，带来安全问题，从而增加带电工作现场事故发生的概率。

文献 [5-8]针对电场强度以及转移电流等屏蔽防护参数对输电线路带电作业人员的安全防护进行相关研究；文献 [9-11]主要是对不同电压等级输电线路作业人员进出等电位方式以及最小安全距离等进行相关研究。可见已有的带电作业安全防护均只考虑了电场、电流等参数变化对人体造成的影响，而忽略了因封闭的屏蔽服使人体体征变化带来的影响。在传统的人体体征的温度测量方式中，已有文献 [12]运用温湿度传感IC和人体心肺功能测定仪等先进手段，在实际穿着条件下，对主观热感觉和各种客观变量进行试验测定，并建立了着装人体热感觉预测模型；文献 [13]考虑到直肠温度数据在实际极端热环境现场很难测量，采用易测量的口腔温度值代替直肠温度，提出新生理热应力指标来分析人体的热耐受力。但因带电作业环境的测量局限性，这些已有传统的体征测量方案不能适应带电作业的发展的需求，因此迫切需要建立一种适用于带电作业中人员自身安全预警方法及系统，以避免带电作业中安全问题的发生。

本文提出了基于多特征参量融合的人体健康安全指标智能算法，研发了人体体征安全预警系统及装置，并通过试验研究了该装置的功能性以及在高压电场的环境中是否满足带电作业实际生产需求并给出明确结论。该系统装置对预防或减少带电作业人身伤害等事故发生具有一定工程应用价值。

1 系统理论研究

1.1 人体状态评价参数

国内外众多专家进行的广泛研究表明，对人体热舒适来说，有6个主要影响因素，其中与环境有关的有4个因素:空气温度、速度、湿度及环境平均辐射温度；与人有关的有2个因素:人体代谢率 (活动量)及服装热阻[14]。针对带电作业环境中的人员，由于屏蔽服内无空气流速和环境辐射，且服装热阻基本为常量，所以只考虑屏蔽服内环境的温度和湿度，而人体代谢率可用体温和心率表征。考虑到测量的实际条件，由于数据采集装置内置于屏蔽服内且只能在人体外部进行测量，所以评价参数选取人体皮肤温度 (胸部)、人体心率、屏蔽服内环境温度、屏蔽服内环境湿度，如图1所示。

人体体温分为核心温度和体表皮肤温度，核心温度通常用直肠温度和口腔温度表征，但由于带电作业环境中测量的局限性，无法实现测量核心温度，本系统使用皮肤温度 (胸部)作为评价参数。表1给出了人体皮肤温度与人体感觉的关系，一般认为人体感到热舒适时的皮肤温度在28～34℃之间，皮肤温度为34.5～35.5℃是出汗的临界温度，当皮肤温度升高至38℃时，热病的发生率也就升高。

图1 人体状态评价参数的选取

表1 人体皮肤温度与人体感觉的关系

心率参数由于对温度变化感应灵敏、易于测量且测量耗时短，因此被广泛应用于评价热环境中的人体状态。正常人心率为75 bpm(通常在60～120 bpm范围)，热环境中劳动人员的极限心率被规定为180 bpm[16]。在劳动过程中，当劳动者心率超过正常范围时，应当立刻终止作业，防止劳动者身体机能出现障碍，造成工作事故。

空气温度是影响热舒适的主要因素，直接影响到人体通过对流及辐射的热交换。环境温度高于42℃已经不利于人们的生活和工作[17]。

当空气温度在20～25℃范围内，相对湿度在30%～85%之间变化时，对人体热感觉几乎无影响[18]。但当空气温度较高时，人体皮肤潮湿，人体蒸发散热量就取决于空气相对湿度而不取决于汗液分泌率，此时，空气相对湿度就成为影响人体热感觉的主要因素。

1.2 安全预警指标设置

综合考虑体温、心率两个体征参数和环境温度、湿度两个环境参数，建立适用于带电作业环境的综合安全预警指标SWI如式 (1)所示。

式中Tsi和HRi为带电作业环境中任意时刻人体的胸部皮肤温度值和心率值；Ts0和HR0为进入带电作业环境之前初始时刻人体的胸部皮肤温度值和心率值；Ta和RH为带电作业环境中与Tsi和HRi同时刻测量得到的屏蔽服内环境温度和屏蔽服内环境湿度。

由于正常状态下，Ts一般比核心温度大概低2℃，这里将人体胸部皮肤温度值的极限值定为37.5℃，心率极限值为180 bpm，屏蔽服内的环境温度和相对湿度的极限值分别为42℃和100%。为了使SWI指标的值在0～10之间，以显著地表征人体状态，公式 (1)中a和b的关系为:a＋b＝5。对于屏蔽服的内环境，不考虑风速和平均辐射温度等因素，对权重值进行归一化处理，可将屏蔽服内环境温度和屏蔽服内环境湿度的权重值定为0.8∶0.2，因此，a＝4，b＝1。所以，综合安全预警指标SWI的计算公式如 (2)式所示。

1.3 安全预警方法的实现

根据作业人员在带电作业环境中SWI的监控值，确定报警等级:C1级SWI预警状态进行C1级报警，提醒工人不要长时间工作；C2级SWI预警状态进行C2级报警，提醒工人应适度休息；心率变异状态和C3级SWI预警状态进行C3级报警，强制工人停止工作进入休息。安全预警方法的实现流程图如图2所示。

图2 安全预警方法的实现流程

2 系统结构组成

基于人体体征的带电作业安全预警系统旨在实现高效、准确在线监测带电作业人员体温、心率、体表温度、湿度等体征状态，并实时传输数据，提供有效数据分析，及时作出安全预警。

基于人体体征的安全预警系统主要由电源模块、微处理器模块、WIFI通信模块、数据采集模块和报警模块五个模块组成。微处理器通过四个传感器来采集人体的心率、体温以及人体所处环境的体表温湿度后进行记录和分析。微处理器实时将记录的数据及分析的结果通过WIFI通信发给现场监控平台。如果微处理器分析数据得出人体处在一个非安全状态及环境时，驱动振动马达振动，LED指示灯闪烁，蜂鸣器发出报警声，并通过WIFI通信给现场监控平台发出报警信号。系统总体结构如图3所示。

图3 人体体征安全预警系统结构

综合考虑测量精度等因素，上述模块安装在一个盒子内。心率传感器的电极安装在一条带子上，带子设有连接扣，方便把带子佩戴在人体胸部，而安装有模块的盒子通过金属导电按扣与带子连接，如图4—6所示。

图4 人体体征安全预警系统分体式设计

图5 人体体征安全预警系统背面外观

图6 人体体征安全预警系统正面外观

3 系统试验研究

3.1 装置功能性试验

为测试人体体征安全预警装置在实际环境中的使用情况，在带电作业现场进行装置的功能性试验，通过测试WIFI通信距离、人体心率值、人体体温 (皮肤温度)值、小环境内温湿度值以及振动马达、指示灯的工作情况验证系统功能。试验重点是检验人体运动和人体不同工作角度对测量结果的影响。

依次接通220 V电源和路由器，将手机与路由器进行连接，并且确保现场220 kV交流试验线路带电，并已测量得到当天试验现场环境的温度11℃和气压103 kPa。

被测人员按照正确的穿戴方式穿戴人体体征安全预警装置，并穿上屏蔽服，如图7所示。穿戴之后测量WIFI通信距离，各个方位的WIFI通信距离测量结果见表2。由测量结果可以看出，符合通讯距离设计要求。

图7 穿戴人体体征安全预警装置

表2 WIFI通信距离 m

测量被测人员在进入工作之前的初始体征参数，包括心率值、皮肤温度值、屏蔽服内环境体表温度和屏蔽服内环境体表湿度，测量结果见表3。

表3 初始体征参数测量结果

让被测人员进入高空作业点，分别将路由器置于试验人员的正面、左侧、右侧、背面，并保持三种运动状态 (静止、轻度运动、剧烈运动)，测量人体体征参数以及马达报警功能，结果见表4—7。

表4 路由器在被测人员正面的测量结果

表5 路由器在被测人员左面的测量结果

表6 路由器在被测人员右面的测量结果

表7 路由器在被测人员背面的测量结果

根据公式 (2)，可以计算出当路由器放置于被测人员的正面、左侧、右侧、背面时，被测人员分别静止不动、轻度运动、剧烈运动的SWI值，计算结果见表8。

表8 试验人员SWI值

结果表明:①人体体征安全预警装置能够满足不同路由器方位情况下的正常工作和准确测量，报警结果符合设计逻辑；②当被测人员处于静止不动或者轻度运动时，SWI值＜6，系统不报警，当被测人员剧烈运动时，SWI值＞6，发现体征异常，安全预警系统报警。

3.2 高压电场试验

为了测试在实际使用环境中高压电场对人体体征安全预警装置的影响，选择皮肤温度 (Tsi)、体表环境温度 (Ta)、体表环境湿度 (RH)三个参数作为监测对象在高压实验室检验高压电场对测量和通讯的影响。

试验方案如图8所示，将穿戴式安全预警装置捆绑在兔子身上，用60 dB屏蔽服包裹后吊装在长串复合绝缘子下端钢脚处，长串复合绝缘子与卷扬机连接，可遥控控制其升降；高压引线与包裹兔子后的屏蔽服可靠连接，通过控制卷扬机升降保证高压引线及屏蔽服不放生放电及闪络。随后逐步加压，同时检测设备信号通信是否正常，设备是否安全，在电压等级为220 kV、330 kV、500 kV以及630 kV各稳压5 min，采集9个信号数据 (每30 s采集一个)，如果信号均正常则继续升压并测试信号，确定该设备最大抗干扰电压值。

图8 高压电场试验方案

试验过程中，由于长串复合绝缘子处于潮湿状态，发生了较大程度的电晕放电现象，可以听到明显的电晕放电声音，电晕放电对信号的传输存在一定影响。

试验结果见表9—12，当试验电压为220 kV、330 kV和500 kV时，尽管存在电晕影响，仍然能有效从 APP读取监测数据。当持续加压至630 kV时，信号受电场干扰，无法读取数据。试验结果表明，穿戴式体征检测设备具备500 kV及以下的抗强电场干扰能力，使用过程安全，无爆炸、发热等现象，同时具备较强的环境适应能力，可抵抗较大程度的电晕放电。试验完成后兔子无异常状况。