基于多因素的动物触电电流特征试验与分析

叶 豪, 李春兰, 高 阁, 王海杨, 任 鹏

(新疆农业大学 机电工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830052)

触电事故一旦发生,死亡率很高[1-3].世界卫生组织通过对触电死亡数据的研究得出,美国等发达国家,触电事故的年死率约为0.5%,其中,大约70%的触电事故都会发生在低压电网中[4-6].由于人的特殊性,很多学者在进行触电试验时,都选取动物作为触电试验的对象.文献[7]以4种大家畜(狗、羊、小牛、猪)为试验对象,触电时间由30 ms到5 s不等,研究动物心室颤动电流与触电时间的关系.文献[8]以狗为试验对象,触电时间从8.3 ms到5 s不等,研究心室颤动电流与触电时间的关系.文献[9]对文献[7-8]的试验结果加以分析,以研究心室颤动电流与体质量、触电时间等的相关性.文献[10]进行了以狗为试验对象的心室颤动电流研究,试验中,电极安放在狗的右前肢和左后肢上,使电流以对角线的形式通过胸部.文献[11]通过搭建的触电试验平台研究了1.8 kg的家兔心室颤动、窒息、全身痉挛等现象与通电时间、不同通电路径的关系.关海鸥[12]设计并构建了触电物理试验平台,通过多种场景的模拟触电试验,获取大量动、植物触电数据,并首次建立了我国低压电网生物体触电波形数据库.祁广云等[13]采用高阶统计量组合算法与快速傅里叶变换相结合的方法,研究生物触电电流特征量的变化规律.王金丽等[14]利用量子遗传计算的快速寻优性和神经计算的自适应性有机结合,建立了一种基于剩余电流固有模态能量特征的生物触电故障诊断模型.上述文献中触电研究主要考虑心室颤动电流与触电生物体质量、触电时间的关系,以及生物触电信号提取等方面的问题.

课题组在36 V,50 Hz条件下,分别以体质量为26,32和39 kg的3只哈萨克羊以及体质量为14,18和23 kg的3只新疆白猪为触电试验对象,进行触电试验,旨在研究触电通道、触电方式、动物体质量与流经动物体触电电流的关系.

1 试验平台与方法

1.1 动物触电试验平台

课题组根据电路理论以及实际低压电网的结构特点搭建的触电物理试验平台如图1所示.

图1 触电试验平台

图1中,三相调压器主要用于调节三相电源的电压;灯箱用于模拟实际低压配电系统中的三相负载;故障录波器用于记录试验过程中每相的电压uA,uB和uC,每相对地的正常泄漏电流ia,ib和ic,总泄漏电流3i0,试验动物的触电电压ur,流过动物体触电电流ir.Ra,Rb,Rc,Ca,Cb,Cc分别模拟各相供电线路对地的分布电阻和分布电容.

触电试验平台实际接线如图2所示.

图2 触电试验平台实际接线

试验过程的某一组触电试验信号如图3所示.

图3 触电试验信号

1.2 试验方法

利用搭建的动物触电试验平台对不同体质量的试验羊和猪进行触电试验,每次试验时保证试验电压为36 V、频率为50 Hz,并通过故障录波器采集触电过程中的触电信号.每次触电试验间隔时间为10 min,确保试验动物的身体生理机能恢复到正常状态.为了保证数据的准确性,将试验动物触电部位的毛发剃掉,并确保试验动物剃毛部位的皮肤完好无损.选取的触电通道为左前肢-右后肢、右前肢-左后肢、左前肢-左后肢、右前肢-右后肢4种通道,触电方式(考虑导线与触电部位的接触面积)分为捆绑(在试验动物的腿部剃毛部位将导线缠绕几圈)和点触(用导线在试验动物的剃毛部位划过)2种方式.根据触电通道、触电方式、触电个体的不同,共进行48组试验;每组试验对试验动物进行30次试验,共计1 440次触电试验.根据每组有效数据计算出试验动物触电电流的平均值.

2 试验结果

3只哈萨克羊在试验期间的体质量分别为26,32,39 kg,3只新疆白猪体质量分别为14,18,23 kg,试验羊、试验猪的触电电流如表1,2所示.

表1 试验羊触电电流 mA

表2 试验猪触电电流 mA

3 试验结果分析

3.1 各因素对触电电流大小的影响

3.1.1触电方式与试验动物触电电流的关系

试验羊和试验猪在体质量和触电通道相同时,捆绑触电方式与点触方式下的触电电流之差如表3所示.

表3 捆绑与点触方式下触电电流之差 mA

分析表1-3可得: ① 3只试验羊,在左前肢-左后肢、左前肢-右后肢、右前肢-左后肢、右前肢-右后肢触电通道下,捆绑触电方式比点触触电方式触电电流平均大9.15,9.18,9.39和11.23 mA; ② 3只试验猪,在左前肢-左后肢、左前肢-右后肢、右前肢-左后肢、右前肢-右后肢触电通道下,捆绑触电方式比点触触电方式的触电电流平均大9.63,7.57,8.11和10.76 mA;③ 试验羊、试验猪在体质量和触电通道相同的情况下,由于捆绑触电方式下的导线与试验动物的接触面积较点触方式下的接触面积大,捆绑触电方式比点触触电方式的触电电流大.

3.1.2体质量与试验动物触电电流的关系

试验羊和试验猪在不同体质量时触电电流变化情况如图4所示.

由图4分析可得: ① 捆绑触电方式下,在4种触电通道时,体质量为39,32和26 kg的试验羊的触电电流平均值分别为22.46,20.77和19.14 mA;体质量为23,18和14 kg的试验猪的触电电流平均值分别为29.96,26.79和21.28 mA.② 点触触电方式下,在4种触电通道时,体质量为39,32和26 kg的试验羊的触电电流平均值分别为13.98,10.76和8.4 mA;体质量为23,18和14 kg的试验猪的触电电流平均值分别为21.05,16.98和12.86 mA.③ 在触电通道、触电方式一定的条件下,试验羊和猪的触电电流随着体质量的增大而增加.

图4 不同体质量试验动物触电电流的变化

3.1.3触电通道与试验动物触电电流的关系

为研究不同触电通道对试验动物触电电流的影响,在相同体质量和触电方式下分析、比较不同触电通道的试验羊和试验猪触电电流,如图5所示.

图5 不同通道试验动物触电电流变化

若根据动物前后肢分布情况,定义左前肢-左后肢、右前肢-右后肢2种触电通道为同侧触电通道,左前肢-右后肢、右前肢-左后肢2种触电通道为异侧触电通道,由图5分析可知试验动物在相同体质量、触电方式下同侧触电时的触电电流比异侧触电时的触电电流大.

3.1.4试验因素对动物触电电流的影响规律

为研究触电方式、动物体质量、触电通道对动物触电电流影响的显著顺序,采用多因素方差分析分别对试验羊和试验猪进行触电电流显著性检验,检验结果如表4所示.

表4 试验动物触电电流方差分析

分析表6可知,触电通道、触电方式、体质量的P值均小于0.01,表明触电通道、触电方式、体质量对试验羊和试验猪的触电电流具有显著性影响,试验因素对试验羊和试验猪触电电流影响显著顺序为触电方式,体质量,触电通道.

3.2 各因素对触电电流成分的影响

离散傅里叶变换是傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式,将信号由时域变换为频域.设f(n)是一个长度为N的有限长信号序列,则f(n)的离散傅里叶变换(DFT)为

(1)

为研究各因素对动物触电电流信号的频率成分影响,对试验羊和猪的触电电流信号进行快速傅里叶变换.故障录波器的采样频率为10 000 Hz,截取触电发生后4个周期的动物触电电流信号进行频谱分析,分析结果如图6所示.

图6 试验动物触电电流信号FFT分析

对不同触电通道、不同触电方式、不同体质量的试验羊和试验猪共720组触电电流信号进行频谱分析,每组取10组数据的主要频率成分,结果如表5,6所示.

分析表5,6可知: ① 体质量、触电通道的改变对试验羊和猪的触电电流信号中的主要频率成分影响较小.② 当捆绑触电时,试验猪的触电电流主要频率成分主要是基波，2,3,4,5和9次谐波;点触触电时,试验猪的触电电流主要频率成分是基波，2,3,5,7,9,11和13次谐波.当捆绑触电时,试验羊的触电电流主要频率成分主要是基波，3,4,5,7和9次谐波;当点触触电时,试验羊的触电电流主要频率成分主要是基波，2,3,4,5,7,9,11和13次谐波,即触电方式与触电信号中频率成分的相关性较大.

表5 试验羊触电电流FFT分析结果

表6 试验猪触电电流FFT分析结果

续表

4 结 论

1) 触电发生时,流经试验羊和猪体内的触电电流随体质量的增加而增加,捆绑触电方式下流经试验羊和猪体内的触电电流比点触触电方式的大,同侧触电通道下的触电电流较异侧触电通道下的触电电流大;利用多因素方差分析对试验羊和试验猪的触电电流进行显著性检验,各试验因素对试验羊和试验猪触电电流的影响显著顺序为触电方式、体质量、触电通道.

2) 体质量和触电通道的变化对试验羊和猪的触电电流信号中的主要频率成分影响较小.不同的触电方式对触电电流信号中的频率成分有一定影响,点触触电方式试验羊和猪的触电电流信号会出现11,13次等高次谐波.