一种消除人体触电的500kV变电站用安全帽的实验研究

郭学才 关震东

摘 要：500kV变电站内电磁环境复杂，在此条件下人体等效为电容，因此时常发生操作人员胳膊等部位触碰变电站地面控制柜金属外壳时人体携带电荷释放出现轻微触电现象。文章基于交流电场下人体与空气等效阻抗模型，利用安全帽接地实验测试，实现了一种借助安全帽—导线—接地极的电荷泄放通道，达到作业人员在进行操作前削弱触碰控制柜金属表面触电现象，减小触电对操作人员进行作业时的负面影响。

关键词：变电站;安全帽;等效电容;人体触电

随着城市快速发展及电能远距离输送场景越来越多，500kV及更高电压等级变电站的数量不断增加。一方面，单个变电站规模，如进线、出线、各类二次控制部分不断增加，站内电磁环境越来越复杂。另一方面，城市的发展对电能稳定传输，包括变电站内各设备的稳定运行，及各类参数监控提出了更高的要求。目前，500kV及更高电压等级变电站内开展定期检修、巡检等工作依然较多，且仍然是以人工操作为主，尤其是对各类控制线路及地面装置开展不停电检修，因此操作规范和人身安全也受到了更多的重视，且操作人员的心理状态也是影响自身工作状态的重要因素。当作业人员处于变电站内时，依据IEC60335、GB4706等标准指导说明，在外加交流电压下人体结构通常利用电阻与电容并联阻抗模型予以等效[1]。

依据广东电网某500kV变电站实际情况，作业人员在进入变电站内进行各项地面设备检查及开关柜等装置检修时，手指触碰开关箱表面瞬间发生轻微触电现象，且该现象会在手指离开箱体表面后二次触碰再次发生。依据操作人员现场数据表明：阴天比晴天触电情况强，变电站中心区域比边缘区域强;同一回高压母线下方，中间一回比两边触电感觉强。考虑电容串联电路在交变电压情况下频繁充放电原理，结合安全帽对人体的保护作用，本文以常规安全帽为基础，保证人体与地面及接地极的良好绝缘，利用放电实验实现了一种削弱变电站内人员操作前触碰金属控制柜的发生微小触电的目的。

1 实验原理

1.1 人体放电等效电路

如图1所示，人体处于交变电场下，一方面人体等效电容及电阻与空气等效电容及电阻分别构成串联分压结构，另一方面人体等效电容会在短时间内完成充电，此时由于空气介质阻抗极大，考虑空气与人体串联结构时的充电电流或者经过空气—人体到地面的泄漏电流极小，因此人无法感知[2]。为防止人体与地面良好接触后发生人体作为电流泄放通道，此时操作人员进入变电站内穿上绝缘安全鞋可以很好地保证人体无法与地面形成有效导电回路，因此人体无法在交变电场下短时间实现自身携带电荷释放与再次充电过程。

操作人员的个体差异，包括身高、体重、体脂等因素，以及天气温度、湿度等环境差异都会改变人体电容，因此进行各类模拟实验时往往将人体等效电容取100pF予以简化[3]。此外，环境因素改变也会同时改变空气的介电常数及等效电容值。考虑实际情况中操作人员的胳膊触碰到开关柜金属柜门时，胳膊电阻极小，人体—金属柜门—接地极构成了回路，人体携带电荷经胳膊至接地极释放，等效电路如图1（b）所示。

IEC（国际电工委员会）和国家标准中对人体的体表电阻和体积电阻及影响因素等給出了详细说明，但未单独考虑人体胳膊、头部、腿部等部位的电阻或电容，且无法测量，差异随人体差异很难准确描述。依据研究[4]可知，人体触电感主要基于通过人体的微小电流进行评估，当电流小于1mA时人体很难察觉;当电流处于3～4mA时，人体不会有不适感，且会仍然产生愉悦的心情;随着电流继续增加，触电感增强会增大人体的负面情绪;而当电流高于10mA时会给人体带来生命安全。当同时考虑人体允许通过电流值与自身电阻分布时，实际评估时，主要以人体电位处于安全值以内，同时结合电流值测量与人体实际触电感变化来评估效果。

1.2 变电站内触电感初步测试结果

为准确获悉操作人员正常作业时触电瞬间电流值情况，在实际500kV变电站内，工作人员在穿着绝缘胶鞋及工作服情况下，对户外开关柜进行正常开箱操作，测量了几类典型情况下电流值，测得的重要信息如表1所示。由于放电电流随时间衰减，因此测量时以万用表（FLUKE，F5Bpro）测得初始最大值为有效值。在测试前，接地电阻进行了测量且均小于0.05Ω，接地极的电位均为0，人体电位为2.3V，符合安全要求[5]。

根据表1测量结果可知，场景1和2中金属箱与接地极电位均为0，人体触碰后电位处于0，说明此时人体等效电容被短接，不再有充放电过程因此人体无电流通过。但是操作人员正常作业过程中不允许将人体接地，防止发生触电后身体作为导通回路一部分对人体带来伤害，因此上述场景无法利用，即无法通过将人体接地来完全抑制自身等效电容放电引起的微小触电现象。对场景3～5而言，人体胳膊每一次触碰金属外壳时均有微弱触电感，符合交变电场下电容充放电过程，且不同位置电磁环境不同，引起人体充电电荷不同，触电感不一样。根据IEC标准可知，人体处于变电站内电位有效值为2.3V，为安全电压阈值36V[6]。场景4采用导线使得手指接触尖端处电场增强，放电电流大，导致人体触电感增强[7]。

1.3 安全帽设置及说明

以现有常规安全帽为基础，利用绝缘导线、磁铁、外接电阻等设计的安全帽示意图如图2（a）所示。当安全帽处于收纳状态时，导线均匀缠绕于安全帽帽檐外部，安全帽四周有固定的橡胶卡扣，确保导线方便收纳和展开，磁铁吸附装置悬挂于安全帽后部。绝缘导线整体约1米，与磁铁吸附装置均采用轻量化设计，不会导致安全帽质量增加较大而影响佩戴效果和舒适性。

当操作人员进入变电站内，进行操作作业前，此时将导线从卡扣中取出，导线通过磁吸结构吸附于开关柜表面，当操作人员胳膊再次触碰开关柜金属表面时，等效电路图如图2（b）所示。此时人体分别通过胳膊与金属柜及安全帽—导线与开关柜连接，由于安全帽绝缘电阻较大，导线连接安全帽使人体携带电荷通过安全帽经过导线—接地极通道释放速度缓慢。此时，安全帽经过导线与接地极连接，改变了人体携带电荷释放过程，电荷释放引起的放电电流分为按照阻抗比例流过人体胳膊与经过安全帽—导线结构释放。由于安全帽结构阻抗分担部分电荷释放作用，因此经过人体的电流减小。在安全帽经过导线接地后，电荷缓慢释放也会使得人体胳膊触碰开关柜表面瞬间触电感减弱。此外，人体对地出现放电过程，此时空气等效电容也会同时出现对地释放电荷，但是空气介质阻抗较大，因此充放电电流极小可忽略，而人体带电泄放电流随着人体携带电荷泄放完后而降为0。

2 模拟实验及现场验证实验

依据图1及图2所示等效电路，分别利用电容模拟实验与现场验证实验对安全帽效果进行验证，模拟实验示意图如图3所示。利用试验变压器实现100kV，按照与500kV变电站实际具体搭建实验平台，其中等效电容通过电力电容串并联后得到100pF电容，以此与人体等效电容保持一致。实际500kV离地高度为15m，因此模拟实验中高压电极高度设置为3m，电容器上端接线口利用接安全帽模拟人体佩戴安全帽情况。考虑到实际触电电流为mA级甚至更小，因此此处利用高灵敏度万用表（FLUKE，F5Bpro）测试电容器接地瞬间放电电流峰值。两组实验同时以表1中测试项目进行验证，待效果验证后在基于安全状况下，操作人员进行安全帽测试，两次实验测试结果如表2所示，此处以实际电流与电位进行表征。

如表2所示，场景1与2中安全帽电位为0，等效电容不再有充电过程，因此模拟实验中安全帽二次接地时没有电流，同时电位也为0。场景3与4中模拟实验阶段基于测试标准选择100pF等效电容与测试人员的等效电容不一致，因此导致相同场景中电压与电流与表1存在差异，但是两者变化趋势一致。在安全状态下，表1与表2中现场实验的操作人员为同一人。对比上述表内测量数据可知，在相同场景下，利用安全帽后操作人员手臂触碰地面控制箱金属外壳表面时人体电流值明显降低，与变电站内多人进行重复现场测试结果一致。但是场景3和4中，人体电位未发生变化，主要原因为人体等效结构并未短接，因此当手臂接触开关柜外壳时会有持续充放电过程，但是电流太小，人体无感知且电流表无显示，因此此时对人体无影响。

结语

文章考虑变电站内人体等效电容结构，结合变电站内对安全帽的安全要求，设计了一种加装金属导线实现降低人体接触开关柜时触电感的装置，分别利用实际电力电容搭建模拟电路及实际现场实验给予了验证。通过在操作人员胳膊触碰开关柜前实现电流缓慢泄放，同时分担人体触碰时放电电流，实现降低操作人员手臂触碰金属外壳时的触电感。安全帽整体设计重量较小且操作方便，有效提高了操作人员的专注度与情绪稳定性。

参考文献：

[1]万永刚，金成，王晓东.低频电流下人体阻抗模型的研究[J].中国医药导报，2010，7（13）.

[2]王晓飞，李东，邵海明，等.波形对人体感知电流阈值影响分析[J].北京信息科技大学学报（自然科学版），2013，28（02）：14-17.

[3]罗二平，申广浩，周龙甫，路丽华，吴小明.人体健康状况评测仪的研究[J].第四军医大学学报，2002（1）：78-79.

[4]李亚芳，刘美玉，王保珩.人体阻抗特性产生的物理机制[J].数理医学杂志，2007，20（6）.

[5]杨元亮，杨少青.浅析消除单相接地故障对人体危害的措施[J].中国勘察设计，2005（11）：62-63.

[6]陆林越，魏王越，马飛.预防电对人体的危害——对人体阻抗的认识[J].医疗信息设备，2003，18（2）.

[7]李春兰，叶豪，王成斌，等.基于猪触电试验的人体触电规律研究[J].江苏大学学报（自然科学版），2019，40（5）：553-558+565.

作者简介：郭学才（1985— ），男，汉族，河南平顶山人，硕士，工程师，从事变电运行及检修工作;关震东（1995— ），男，汉族，广东阳江人，本科，工程师，从事变电运行及检修工作。