新型雨季防触电与报警装置的设计

2020-10-22王锌桐王晓波曾宪文

安徽电气工程职业技术学院学报 2020年3期

王锌桐，王晓波，曾宪文,2

(1.安徽电气工程职业技术学院，安徽合肥 230051；2.国网安徽省电力有限公司培训中心，安徽合肥 230022)

0 前言

每年夏天进入雨季，如果降雨过于集中，城市的排涝设施难以在短时间内将降雨排走，会在城市形成积水。而目前城市中低压电气设备众多，使用者大多没有专业电气知识，极其容易由于设备损坏、老化等原因造成设备漏电。雨水并不是纯净水，水中混有的杂质会使雨水成为电的良导体。行人一旦走到带电的水体中，极有可能发生人身伤亡事故。近几年，每年夏季都有行人在带电水体中触电身亡的不幸事故发生。

当然，可以采用穿绝缘靴的方法来防止人们在带电水体中发生触电伤亡事故。但是绝缘靴普遍非常笨重，在夏季穿着笨重的绝缘靴非常不舒适。而且，绝缘靴是橡胶制品，容易受到氧化、光照等影响老化，从而使绝缘性能下降，直到完全失去作用。在专业电力部门，可以定期对绝缘靴进行检测，确定其是否能够满足绝缘性能的要求，但是普通家庭做不到这一点，因为检测成本高且时间长，而且，定期更换绝缘靴也会给普通家庭带来不小的经济压力。

1 防触电与报警装置设计方法

为了克服传统绝缘靴的缺点，设计了一种穿戴方便舒适的、成本低廉的、便于携带的新型雨季防触电与报警装置。

如图1所示，当城乡供电系统中的带电导线由于破损等原因落在积水中，落地点与带电导线的电势相同，电流就会从导线的落地点向积水中流散，于是地面上以导线落地点为中心，形成了一个电势分布区域，离落地点越远，电流越分散，地面电势也越低。如果人站在距离电线落地点附近，当人迈开脚走路时，由于两脚之间存在电阻[1,2]，会在两脚之间产生电动势，电流虽然是沿着人的下身，没有流经人体的重要器官[3]，但是，当人体受到较高电压作用时，双脚会抽筋导致身体倒在地上。人体一旦倒地，将会使流经人体的电流路径改变，完全有可能流经人体重要器官，造成人员伤亡。

图1 跨步电压触电示意图

新型雨季防触电与报警装置的结构如图2所示，包括下面四个部件。部件1为报警器，报警器小巧方便收纳，当暂时不需要使用时，可以很方便地收纳起来。部件2为导电织物，织物柔软方便收纳，当预测有可能会出现降雨需要使用防触电与报警装置，但是暂时又没有使用时，方便把装置放在背包、书包、口袋等地方进行收纳，待需要使用时取出使用。部件3为连接扣，连结扣也为导电织物制成，其中一端与导电织物(部件2)为一体结构，另一端有可以折叠的粘扣，可以方便地与鞋子(部件4)上的圈环扣、报警器天线的圈环扣紧密地连结在一起，也可以很方便地取下来。部件4为鞋子，可以根据使用者的使用需要做成任何款式，可以是运动鞋、凉鞋、拖鞋等等，鞋子的表面由导电织物层覆盖。

图2 防触电与报警装置构成组件

其中，报警器的具体结构如图3所示，包括下面五个部件。部件1为A/D转换器，负责将采集来的电场场强模拟量转化为数字量。部件2为单片机，负责处理所接收的信号，判断是否应该发出报警信号和通知蜂鸣器发报警信号命令。部件3为蜂鸣器，当单片机所接收的电场场强信号高于所设定的阈值时，由单片机通知发出报警信号。部件4为电池，为报警器工作提供电能。部件5为接收天线，用来接收电场场强。

图3 防触电与报警装置工作原理

新型雨季防触电与报警装置的具体工作原理如下。使用者事先穿好鞋子，因为鞋子的款式很多，不会像绝缘靴一样造成使穿戴者出现捂脚、笨重等穿着不舒适的情况。当地面由于下雨出现积水，需要使用新型雨季防触电与报警装置时，使用者将导电织物取出，按照图2所示的方法进行穿戴，将导电织物和鞋子用连结扣牢固地连结在一起，把报警器放在合适的位置固定住，报警器的天线与导电织物也用连结扣连结起来，此时的导电织物正好可以作为报警器天线的加长部分使用，更加利于接收电场场强信号；导电织物与两腿间用可以调整松紧度的魔术贴固定。当防触电与报警装置连结完毕并穿戴以后，人体两脚间电阻将会大大降低，此时，当使用者在带电的积水中步行时，两脚之间的电压将会变得很低，接近于零电势差，这个近似为零的电压对使用者不会造成任何伤害。同时，当积水带电时，报警器接收到电能场强信号，通过单片机的处理，使蜂鸣器发出报警信号，提醒使用者此时积水中有电，要多加小心，同时，也可以提醒周围行人此时水中有电，一定要注意安全。

2 防触电报警装置效果测试

为了验证新型防触电报警装置的实际效果，设计了测试系统进行测试，试验系统如图4所示，其中部件1为受测试人，为了防止人在测试过程中受到意外伤害，将受试人换成生猪；部件2为地面；部件3为变压器，将220 V的交流相电压市电降低为12 V的交流相电压，保护生猪在测试过程中不会受到电击伤害；部件4为空气开关，确保在测试过程中出现意外情况时可以自动或者手动断开，保证测试安全；部件5为电压表，测量生猪两条后腿之间的电压。

图4 防触电与报警装置效果测试原理图

试验设计了三种不同方案，然后将测试结果进行对比，得出新型防触电与报警装置的防触电效果，三种试验方案在通电试验前，均先将变压器二次侧的C相接地，模拟市电的单相接地故障，每种方案均测试五组数据，然后取平均数消除试验误差。方案1为生猪未穿戴防触电与报警装置，地面没有积水的情况；方案2为生猪穿戴防触电与报警装置，地面有积水导致生猪两条后腿均在水中的情况；方案3为生猪未穿戴防触电与报警装置，地面有积水导致生猪两条后腿均在水中的情况，将三种不同方案的测试结果列于表1，并进行对比分析。

表1 测试数据与结论单位：V

从表1可以看出，当电压等级不高时，即使发生电线单相接地故障，由于地面比较干燥，即使人处于离电线较近位置时，双脚之间的电压也不会太高，不会对人造成触电伤害；当地面有积水，而正好带电导线中有任意一相落于积水中时，人即使处于离电线较远位置时，双脚之间的电压仍然是比较大的，此时容易发生触电事故；当穿戴新型防触电与报警装置时，双脚之间的电压会大幅降低，降低了积水中落入带电导线而发生触电事故的风险。