一種智能型安全帽的設(shè)計方法

孫鵬程孫 濤田 冰

(1.丹東東測控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東118000；2.亞泰集團 丹東交通水泥有限公司，遼寧 丹東118000)

0 引言

第二次世界大戰(zhàn)之前人們就已經(jīng)發(fā)覺來自高壓輸電線路與變配電站的電磁輻射污染，隨著世界工業(yè)大繁榮的到來，輸電線路、鐵路網(wǎng)線和地下鐵道遍布各地，高壓電磁場輻射危害才真正引起廣泛的關(guān)注。近年來，為適應(yīng)我國經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的需要，電網(wǎng)建設(shè)呈現(xiàn)急速發(fā)展的態(tài)勢，大型變電站和高壓輸電線路已深入到城鄉(xiāng)各地。高壓變電站、輸電線路帶來現(xiàn)代文明的同時產(chǎn)生的電磁輻射已引起環(huán)保、電力等相關(guān)部門的高度重視。

1 強電磁場的危害

電力網(wǎng)電磁效應(yīng)主要通過電場、磁場與電暈三種形式發(fā)生。其影響主要表現(xiàn)為對人體健康的危害及對通信、設(shè)備的干擾。

1.1 對人體的危害

電磁輻射對人體的危害性表現(xiàn)為生物學(xué)熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。當(dāng)電磁波作用于人體時，一部分被人體吸收，吸收的電磁波能量達(dá)到一定強度時人體就會發(fā)熱，這就是電磁波的熱效應(yīng)。低強度的電磁波長期作用于人體，雖然人體溫度沒有明顯升高，但往往會出現(xiàn)一些生理反應(yīng)，如心率和血壓的改變、失眠、健忘等，這是電磁波的非熱效應(yīng)。輸電線路電磁場對人體的影響主要分為兩類：短期影響和長期影響。

1.1.1 短期影響

短期影響即人在電磁場中短期停留時可能受到的影響。其表現(xiàn)形式有兩種：毛發(fā)顫動和電擊。這些現(xiàn)象都是由人體或車輛等導(dǎo)電物體上的感應(yīng)電壓或電流造成的，感應(yīng)電壓的大小與外電場的強度以及導(dǎo)電物體的外形尺寸成正比。人體的毛發(fā)顫動隨著外電場的強度增大而增強，甚至產(chǎn)生刺痛感。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，在2-3kV/m的場強下，少于5%的人員能感到頭發(fā)顫動，但在9kV/m的場強下，約有20%的人員會產(chǎn)生頭發(fā)刺痛感。毛發(fā)顫動雖然不會造成人體損傷，但仍會對人員的心里造成一定的影響。

電擊現(xiàn)象可分為暫態(tài)電擊和穩(wěn)態(tài)電擊。暫態(tài)電擊是由于感應(yīng)帶電物體與接地物體接觸時帶電體上的積累電荷瞬間釋放而造成，即火花放電。其電擊水平主要取決于放電能量的大?。悍烹娔芰看笥?.1mj時，人感到刺痛；放電能量為0.5-1.5MJ時，則會引起不自覺的肌肉反應(yīng)，但不至于造成傷害；達(dá)到25-50J時，人體將會受損（如燒傷）；超過50J時即有生命危險。人體的外形尺寸有限，在超高壓輸電線路下產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較低，接地時的電擊通常小于人的感覺水平。然而在距550kV輸電線路中心35m的范圍內(nèi)，人若接觸對地絕緣的小汽車則會產(chǎn)生有刺痛感的電擊，接觸大型車輛或其他大型絕緣體則會產(chǎn)生陰氣驚跳的電擊。

穩(wěn)態(tài)電擊是指暫態(tài)電擊發(fā)生后，人體與感應(yīng)帶電導(dǎo)體繼續(xù)牢固接觸，短路電流在人體中持續(xù)流過而造成電擊。其電擊水平取決于短路電流的大小，即與外電場的強度和導(dǎo)體的外形尺寸成正比：短路電流大于0.8-1.1mA時，人員趕到刺痛；超過2mA，則會引起肌肉反應(yīng)；達(dá)到6-9mA時，已足以造成人體損傷，但人員尚能自己擺脫，因而也稱為擺脫電流。我國500kV輸電線路下，解放牌卡車的短路電流約為2.2mA，黃河牌卡車約為2.6mA，均小于可能導(dǎo)致傷害和危險的擺脫電流。

1.1.2 長期影響

長期影響即人在電磁場中長期生活或工作時可能受到的影響。美國、日本、加拿大、俄羅斯及瑞典等國都組織人員對工頻電磁場的生態(tài)效應(yīng)進行了大量的研究。如瑞典斯德哥爾摩卡洛里斯大學(xué)的專家對43萬名長期居住在高壓線、高壓送變電站附近的居民健康進行了調(diào)查。結(jié)果表明，其中15歲以下的兒童白血病患者比一般兒童高出4倍以上。瑞典科研人員還分析了400kV高壓線附近居民中嬰幼兒白血病及腦癌的發(fā)病率，認(rèn)為其與高壓線下一定距離內(nèi)產(chǎn)生的工頻電磁場有關(guān)系。

近年來人們對工頻電磁場同腫瘤、白血病、癌癥等發(fā)生率的關(guān)系，對生殖和發(fā)育的影響，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響等都正在進行深入研究。同時，工頻電磁場的細(xì)胞及分子水平的生物學(xué)效應(yīng)及其對基因表達(dá)的影響也不斷被發(fā)現(xiàn)。

1.2 對通信線路的干擾影響

輸電線路電磁輻射對通信線路的影響包括靜電感應(yīng)和磁影響。距離輸電線路50m以內(nèi)，電場是干擾通訊的主要因素，磁場的影響較小，相比較之下可以忽略不計。電場的影響隨著距離的增大顯著下降，距離輸電線路100m以外磁影響上升為主要因素，靜電影響則可以忽略不計。

當(dāng)通信線路上感應(yīng)電壓形成短路電流時，還可能對人員、設(shè)備的安全造成威脅。危害程度取決于電流強度和作用時間；作用時間越長，人體所能承受的電流強度就越小。正常情況下，如果平行接近段不是很長，一般不會產(chǎn)生危險。但是當(dāng)輸電線路短路、故障短路以及遭雷擊時，輸電電壓或電流就可能瞬間升高幾倍，從而對人員和設(shè)備造成威脅。在系統(tǒng)中設(shè)置完善的保護裝置及減小平行接近段長度都是有效的防止措施。

2 電場分布

晴朗的天氣時自然界的電場強度僅為130V/m，雷暴雨等惡劣天氣時能達(dá)到10kV/m。通常我們周圍環(huán)境中的電場強度均在100V/m以下，只有使用電器時電場強度才較大。但輸電線路所產(chǎn)生的電場強度要比自然界和日常環(huán)境中的大得多，因此研究輸電線路電場分布尤為必要。

高壓、超高壓輸電線路周圍都存在頻率為50Hz的交流電場，即工頻電場，三相交流輸電線路產(chǎn)生的電場雖然是交變電場，但其頻率極低，它具有靜電場的一般特性：電場強度導(dǎo)線上的電壓成正比；電場易受進入工頻廠內(nèi)的物體影響，引發(fā)畸變，從而產(chǎn)生一定的屏蔽作用。

高壓輸電線路下的空間電場強度是指被感應(yīng)物體或人體沒有進入電場時離地面2m以內(nèi)所形成的電。輸電線沿線路方向距中央距離處導(dǎo)線的對地高度不同，因而相應(yīng)各個橫向截面內(nèi)的電場分布也不相同。線路檔距兩端的懸掛高度相近時，檔距中央導(dǎo)線的弧垂最大，導(dǎo)線對地高度最小，線下場強最大，工程上常用該處橫向截面內(nèi)的場強分布來表征輸電線路的電場分布。事實上，輸電線路在一檔距之內(nèi)是按懸鏈線變化的，從而在檔距以內(nèi)地面附近的電磁場分布是不均勻的，檔距中央導(dǎo)線弧垂最大處地面場強最大，向檔距兩端桿塔接近時場強隨之減弱?？赏ㄟ^測量檔距中心附近到心啊橫截面上場強分布來估算該輸電線路下電場強度的分布。

輸電線路下及附近沒有其他物體存在時，僅由輸電線路導(dǎo)線所帶電荷產(chǎn)生的電場稱未畸變電場。若有其他導(dǎo)電物體，如車輛或行人，其會改變導(dǎo)體周圍的原有電場，稱為畸變電場。一般而言，空間工頻電場很容易受進入工頻電廠內(nèi)的物體影響，引發(fā)畸變而變得更為復(fù)雜。所以評價工頻電場強度對人體的影響和危害是有很大難度的。對此測量時人體必須遠(yuǎn)離被測線路1.5m以上以保證測量的準(zhǔn)確度。

3 磁場分布

交流輸電線路運行時導(dǎo)體中的負(fù)荷電流在周圍空間產(chǎn)生工頻磁場。與電場不同，50Hz的工頻磁場很容易穿透大多數(shù)物體（如建筑物和人），且不會受這些物體干擾。

工程上常用磁感應(yīng)強度的水平分量和垂直分量來表征空間某點的工頻磁場。對單個點來說，通常其電場強度垂直分量最大，而磁感應(yīng)強度的水平分量最大。因此，只測量空間某點的電場強度垂直分量和磁場強度水平分量來表征該點的工頻磁場。

一般輸電線路產(chǎn)生的電場較高，而磁場是比較低的。日常生活中，彩電或電炊具附近的磁感應(yīng)強度約為0.5-1.0mT，而500kV輸電線路下的最大地面磁感應(yīng)強度僅為0.035mT，與前者相比要小1-2個數(shù)量級。不同電壓下磁感應(yīng)強度亦不相同，但是隨著距離的增加磁感應(yīng)強度的衰減速度很快，離開電纜5m或10m處的強度即可下降到100μT，而架空輸電線路要離開50m或i00m才能夠降低到這一水平。

4 設(shè)計初衷

高壓輸電線路的安全運行，不僅關(guān)系到政府、企業(yè)、商業(yè)、市民等安全可靠用電，更關(guān)系到城市的形象和社會的穩(wěn)定與發(fā)展。所以說變電所中的電力設(shè)備的正常運行對國民生產(chǎn)及人民生活有著極其重要的意義。在臨近高壓輸電線路下進行工作時，由于變電所中設(shè)備及線路中是高壓,220Kv，66Kv不等，在如此高電壓的情況下，如果變電站中人員在工作中不經(jīng)意接近高壓電力設(shè)備及線路，便會發(fā)生弧光放電，不僅會對人員造成人身傷害，對變電站的電力設(shè)備的正常運行于產(chǎn)生影響，所以工作人員需要實時的知道自己與高壓線路之間的距離是否超限，超過設(shè)定距離時可以通過安全帽語音等提示報警，直觀發(fā)出高壓輸電線路與空間內(nèi)人體的實際電場強度的關(guān)系避免事故發(fā)生。

5 設(shè)計原理

5.1 靜電感應(yīng)

靜電感應(yīng)是指輸電線路電場由于靜電耦合作用而在鄰近的線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小不僅與輸電電壓成正比，而且與他們之間的靜電容量有關(guān)，而靜電容量主要取決于它們之間的距離大小。當(dāng)輸電線路與通信線路距離較近（此時三相導(dǎo)線與通信線路的距離差異比較顯著）或三相導(dǎo)線換位不對稱時，由于三相靜電容量不平衡從而在通信線路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)雜音電平超過一定的限度時，就會造成對正常通信的干擾。

5.2 磁感應(yīng)

輸電線路的交變磁場也會在臨近的平形線路上產(chǎn)生互感電壓。其電壓大小與輸電電流及平形接近段長度成正比，同時與線路之間的相互位置有關(guān)。

本設(shè)計在安全帽的外部設(shè)置探頭（天線），使探頭與安全帽之間構(gòu)成分體式連接固定結(jié)構(gòu)；在探頭中設(shè)置多個探頭（天線）感應(yīng)不同的電壓等級、在安全帽內(nèi)部設(shè)置微處理器控制裝置。集成了電場強度檢測模塊、安全距離比較模塊和電源模塊、微處理器等。

本設(shè)計電源模塊與微處理器連接，向微處理器提供電能，滿足其正常工作需要；電場強度處理模塊與微處理器連接，電場強度處理模塊通過外部探頭可感應(yīng)當(dāng)前所處位置的電場強度（即距離），電場強度處理模塊輸出的電場強度和微處理器輸出端設(shè)置好的電場強度值送于安全距離比較模塊，將比較好的結(jié)果送至微處理器，由微處理器確定是否觸發(fā)報警；還包括語音模塊及蜂鳴器和LCD顯示屏幕，語音模塊及蜂鳴器和LCD顯示屏幕都與微處理器的輸出端連接，在微處理器輸出信號控制下產(chǎn)生LCD屏顯示相關(guān)設(shè)置及警示圖案、蜂鳴器發(fā)出報警音、語音模塊發(fā)出語音警報，提醒已經(jīng)進入到不安全距離范圍內(nèi)得人員注意，做出相應(yīng)回退反應(yīng)，避免事故發(fā)生。

6 結(jié)語

綜上所述的電場強度檢測模塊、安全距離比較模塊、微處理器控制電路、LCD驅(qū)動及顯示電路以及語音報警電路均為現(xiàn)有技術(shù)，技術(shù)人員可通過本設(shè)計方案，無需經(jīng)過創(chuàng)造性勞動，設(shè)計制造出該產(chǎn)品大大降低電力系統(tǒng)事故發(fā)生。

［1］張軍，主編.最新電力事故綜合防范與法律事務(wù)綜合處理實用手冊[Z].中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002，11.

［2］陳化鋼.電力設(shè)備異常運行及事故處理[M].中國水利水電出版社，1999，1.

［3］劉卓敏.電力系統(tǒng)分析[M].西南交通大學(xué)出版社，2009，12.