一种智能感知预警绝缘鞋的研制

鲁飞 张可可 张前业

摘要：目前供电企业使用的绝缘鞋一般按耐压等级、防穿刺功能等进行了细分，对地理环境复杂、气候变化较大、工作种类较多的工作人员来说，需要同时购买多双绝缘鞋进行工作，不仅生产成本较高，而且没有主动风险预警功能，安全系数较低。为此，我们对传统绝缘鞋进行改造，设计了一种多功能实用型电力绝缘鞋。

关键词：智能感知;智能预警绝缘鞋;研制

引言

电绝缘鞋是电力作业中必备的安全用具，它是能使人的脚部与带电物体绝缘，阻止电流通过身体，防止电击的足部防护鞋，可防止接触电压、跨步电压、泄漏电流电弧对操作人员的伤害，保障作业中的人身安全。不同的国家、行业标准对电绝缘鞋的规定不尽相同，但大多都有以下内容：通过阻断经由脚穿过身体的危险电流的通路来保护穿着者免受电击;主要功能是足部防护;为确保使用安全，应对电绝缘鞋的电性能做定期预防性试验检查;在存在电击风险的场合应穿电绝缘鞋。

1背景技术

在高压电力项目建设及设备运行维护过程中，绝缘鞋是施工人员和设备运维人员进行设备安装、高压操作及维护检修必不可少的安全防护用品。当作业现场发生高压线接地、高压电缆破损接地等情况，此时大地是具有一定电阻的导体，且离接地点越近电压越大，对人体伤害越大。目前，市场上现有绝缘鞋只能起到一定绝缘作用，但无法检测并告知作业人员是否误入高压接地故障、电缆破损等区域，更无法提醒作业人员从高压接地点中心位置走到安全位置。因此，亟需一种新型的智能感知预警绝缘鞋，在发生高压接地故障、电缆破损故障等情况，能够及时监测出作业人员穿戴绝缘鞋与地面的接触电压，并根据接触电压的大小通过实时报警方式传送给作业人员，避免作业人员误进接地故障危险区域，有效提高现场作业安全。该多功能电力绝缘鞋具有以下3点优势：①一鞋多用。鞋底防滑、防刺穿，绝缘结构能够适应多种地面环境，并在前端配置登杆结构。②快速变装。通过滑槽、滑块结构配合进行鞋底的更换，挡片固定滑块位置，方便快捷、可靠牢固。③安全可靠。绝缘鞋兼具防滑、防刺穿、绝缘的安全防护功能，可从容面对雨水天气，有效避免山地硬石、施工杂物等刺伤脚底，进一步提高生产安全系数。

2配电网不停电作业技术的相关概论

人体内电流经过时会形成大约1000Ω的电阻，一般情况下电流不大于1mA，但只需1mA的电流在人体通过，会让人产生明显感觉，人体触碰3mA的电流时，会产生更加强烈的感受，即感觉到电流。当人体触碰12mA的电流，会激烈挣扎，主要是因为人体反射弧反射作用造成的。当人体触碰20mA的电流时，会心跳加速，甚至出现难以呼吸的状态，如若人体触碰100mA的电流时，会心跳剧烈加速，甚至致人死亡。通过欧姆定律可以发现，电阻稳定时，电压和电流会变成关联量，一种量变化，另一种量也随着变化，如电压升高时，电流随之升高。因此配电网工作的开展，要求电力工作人员必须准备好绝缘体设施，只有这样才能保障相关电力工作人员不会受到电力伤害，特别是在进行10kV配电网带电作业时更应注意，作业过程中科学合理地应用绝缘电气技术，会使配电网作业中工人的安全得到保障，经过身体的电流不会对电力工人造成伤害。总的来说，10kV配电网不停电作业的基本规律就是，通过绝缘电气和电磁场屏蔽等方法，使通过电力工人身体的电流受到限制，保护作业人员的安全，同时保障电力作业的顺利进行.绝缘层受到一定程度的磨损，绝缘性能就会下降。这种情况很难被作业人员察觉到，单纯地认为佩戴绝缘防护用具就不会引起触电，这种思想会导致作业风险提高。此外，绝缘工具自身也有使用寿命，这也是作业人员最容易忽视的因素，若没有定期检测和更新工具，就会为作业埋下安全隐患，进而引起触电风险。

3研究内容

为解决上述问题，本研究项目设计一种智能感知预警绝缘鞋，能够有效自动感知绝缘鞋与地面的接触电压，并根据报警装置的蜂鸣器蜂鸣频率和振动器的震动频率提示作业人员绝缘鞋与地面的接触电压大小;当距离接地故障点越近时，绝缘鞋与地面接触电压越大，蜂鸣器蜂鸣频率和振动器的震动频率越快，当距离接地故障点越远，绝缘鞋与地面接触电压越小，蜂鸣器蜂鸣频率和振动器的震动频率越慢，从而提醒并指导作业人员离开接地故障区域。

为达到上述目的，本研究项目采用以下技术方案实现：一种智能感知预警绝缘鞋，其特征是包括：鞋帮、鞋底、电压检测及报警装置;所述电压检测及报警装置包括电源供电模块、非接触式电压感应模块、信号采样模块、信号处理模块和报警模块构成;所示信号采样模块由信号采样单元由低通滤波器、信号分压单元和STM8L151G4保护单元构成;所述信号信号处理模块以低功耗STM8L151G4做主控芯构成;所述报警模块由蜂鸣器和振动器构成。进一步，电压检测及报警装置内嵌至鞋底内部，并于鞋底上面部位和下面部位具有一定距离;电压检测及报警装置内部空隙由绝緣材料填充固化，提高绝缘鞋的绝缘性能。进一步，非接触电压感应模块，通过电磁感应能够自动感知绝缘鞋与地面电压的大小，并以电信号传送给信号采样模块。进一步，电源供电模块中电源开关采用震动开关，当作业人员穿戴绝缘鞋时，电压检测及报警装置进入工作状态;当作业人员脱掉绝缘鞋时，电压检测及报警装置在停用状态。进一步，当作业人员在接地故障危险区域以内时，此时绝缘鞋的接触电压采样值大于主控芯片程序设定值的安全电压值，距离接地故障点越近，蜂鸣器蜂鸣频率和振动器的震动频率越快;当作业人员在接地故障安全区域时，此时绝缘鞋的接触电压采样值小于主控芯片程序设定值的安全电压值，蜂鸣器蜂停止蜂鸣，振动器停止震动。

4本研究项目的有益效果

（1）所述一种智能感知预警绝缘鞋，能够提醒作业人员是在否有高压线、高压电缆接地等故障的危险区域内。（2）所述一种智能感知预警绝缘鞋能够自动感知绝缘鞋与地面的接触电压，能够及时监测出作业人员穿戴绝缘鞋与地面接触电压，并根据接触电压的大小通过实时报警方式传送给作业人员。（3）所述一种智能感知预警绝缘鞋能够根据报警装置的蜂鸣器蜂鸣频率和振动器的震动频率提示作业人员所在接地故障点的位置，提醒并指导作业人员离开接地故障区域。（4）所述一种智能感知预警绝缘鞋采用STM8L151G4作为主控芯片，大大降低装置功耗，提高装置使用寿命。（5）所述一种智能感知预警绝缘鞋采用震动开关，当作业人员穿戴绝缘鞋时，电压检测及报警装置进入工作状态;当作业人员脱掉绝缘鞋时，电压检测及报警装置在停用状态，降低绝缘鞋功耗，提高绝缘鞋使用寿命。

5附图说明

图1为一种智能感知预警绝缘鞋示意图。

图2为电压检测及报警装置功能模块示意图。

图3为电源供电模块电路图。

图4为信号采样电路图。

图5为主控芯片STM8L151G4功能结构图。

图6为蜂鸣器电路图。

6具体实施方式

下面结合附图对本研究项目做进一步说明。

如图1所示，本研究项目涉及一种智能感知预警绝缘鞋，包括鞋帮、鞋底和电压检测及报警装置;在鞋底生产过程中，电压检测及报警装置内嵌至鞋底内部，并于鞋底顶部部位和底部部位具有一定距离;电压检测及报警装置内部空隙由绝缘材料填充固化，提高绝缘鞋的绝缘性能。

如图2所示，电压检测及报警装置由电源供电模块、非接触式电压感应模块、信号采样模块、信号处理模块和报警模块构成;电源供电模块为电压感应模块、信号采样模块、信号处理模块和报警模块供电;非接触式电压感应模块将绝缘鞋与地面的接触电压自动感知，并转换至电压量传送至信号采样模块;信号采样模块采集的电压进行放大及二次处理，并将采样信号传输至信号处理模块;信号处理模块将采集的电压值与芯片程序设定电压值自动比对，当采集电压值大于程序设定初值，根据芯片程序设定程序触发报警模块;报警模块接收到信号处理模块的信号发出报警，提醒作业人员避免误入漏电区域。

如图3所示，电源供电模块是由9V的锂电池、震动开关、稳压器、电阻分压器、滤波器和电压跟随器组成。锂电池采用高容量电池，能够满足绝缘鞋长期使用;稳压器由稳压单元由一个9V的稳压二极管构成，有效避免外在感应电压的扰动，实现元器件供电的可靠性;电阻分压器由R1、R2、R34构成，从而可产生5V、3.3V为其它模块供电;电源开关主要机械式震动开关，当作业人员穿上绝缘鞋时，震动开关闭合，电压检测及报警装置处于带电工作状态，当作业人员脱下绝缘鞋时，机械震动开关断开，电压检测及报警装置停止工作;低通滤波器由R4，C1构成，可有效滤除电压杂波;电压跟随器由LM324构成，可增加电源输出阻抗;端子P1的1号端口输出电压为9V，2号端口输出电压为5V，3号端口输出电压为3.3V。

如图4所示，信号采样单元由低通滤波器、信号分压单元和STM8L151G4保护单元构成;低通滤波电路由R101、R10、C102和LM324组成;信号分压单元由R105和R106组成;STM8L151G4保护单元由D101和D102构成。

如图5所示，采用低功耗STM8L151G4做主控芯，接收两路采样信号，并由程序判断是否触发蜂鸣器电路和震动片电路。

如图6所示，蜂鸣器报警由蜂鸣器和驱动电路构成，当STM8L151G4的Vout1输出正电平驱动Q1时导通时，蜂鸣器报警。

结束语

该多功能绝缘鞋操作便捷，应用场景广泛，无须购买各种等级、各种功能的不同绝缘鞋（靴）设备即可满足设备巡视、电力行业地面作业、维修检查的安全需求。推广应用后能够有效降低企业运维成本，在提供电力生产安全保障的同时，进一步提高一线工作人员工作效率。

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