基于多因素的動(dòng)物觸電電流特征試驗(yàn)與分析

葉 豪, 李春蘭, 高 閣, 王海楊, 任 鵬

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052)

觸電事故一旦發(fā)生,死亡率很高[1-3].世界衛(wèi)生組織通過(guò)對(duì)觸電死亡數(shù)據(jù)的研究得出,美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家,觸電事故的年死率約為0.5%,其中,大約70%的觸電事故都會(huì)發(fā)生在低壓電網(wǎng)中[4-6].由于人的特殊性,很多學(xué)者在進(jìn)行觸電試驗(yàn)時(shí),都選取動(dòng)物作為觸電試驗(yàn)的對(duì)象.文獻(xiàn)[7]以4種大家畜(狗、羊、小牛、豬)為試驗(yàn)對(duì)象,觸電時(shí)間由30 ms到5 s不等,研究動(dòng)物心室顫動(dòng)電流與觸電時(shí)間的關(guān)系.文獻(xiàn)[8]以狗為試驗(yàn)對(duì)象,觸電時(shí)間從8.3 ms到5 s不等,研究心室顫動(dòng)電流與觸電時(shí)間的關(guān)系.文獻(xiàn)[9]對(duì)文獻(xiàn)[7-8]的試驗(yàn)結(jié)果加以分析,以研究心室顫動(dòng)電流與體質(zhì)量、觸電時(shí)間等的相關(guān)性.文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了以狗為試驗(yàn)對(duì)象的心室顫動(dòng)電流研究,試驗(yàn)中,電極安放在狗的右前肢和左后肢上,使電流以對(duì)角線的形式通過(guò)胸部.文獻(xiàn)[11]通過(guò)搭建的觸電試驗(yàn)平臺(tái)研究了1.8 kg的家兔心室顫動(dòng)、窒息、全身痙攣等現(xiàn)象與通電時(shí)間、不同通電路徑的關(guān)系.關(guān)海鷗[12]設(shè)計(jì)并構(gòu)建了觸電物理試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)多種場(chǎng)景的模擬觸電試驗(yàn),獲取大量動(dòng)、植物觸電數(shù)據(jù),并首次建立了我國(guó)低壓電網(wǎng)生物體觸電波形數(shù)據(jù)庫(kù).祁廣云等[13]采用高階統(tǒng)計(jì)量組合算法與快速傅里葉變換相結(jié)合的方法,研究生物觸電電流特征量的變化規(guī)律.王金麗等[14]利用量子遺傳計(jì)算的快速尋優(yōu)性和神經(jīng)計(jì)算的自適應(yīng)性有機(jī)結(jié)合,建立了一種基于剩余電流固有模態(tài)能量特征的生物觸電故障診斷模型.上述文獻(xiàn)中觸電研究主要考慮心室顫動(dòng)電流與觸電生物體質(zhì)量、觸電時(shí)間的關(guān)系,以及生物觸電信號(hào)提取等方面的問(wèn)題.

課題組在36 V,50 Hz條件下,分別以體質(zhì)量為26,32和39 kg的3只哈薩克羊以及體質(zhì)量為14,18和23 kg的3只新疆白豬為觸電試驗(yàn)對(duì)象,進(jìn)行觸電試驗(yàn),旨在研究觸電通道、觸電方式、動(dòng)物體質(zhì)量與流經(jīng)動(dòng)物體觸電電流的關(guān)系.

1 試驗(yàn)平臺(tái)與方法

1.1 動(dòng)物觸電試驗(yàn)平臺(tái)

課題組根據(jù)電路理論以及實(shí)際低壓電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)搭建的觸電物理試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示.

圖1 觸電試驗(yàn)平臺(tái)

圖1中,三相調(diào)壓器主要用于調(diào)節(jié)三相電源的電壓;燈箱用于模擬實(shí)際低壓配電系統(tǒng)中的三相負(fù)載;故障錄波器用于記錄試驗(yàn)過(guò)程中每相的電壓uA,uB和uC,每相對(duì)地的正常泄漏電流ia,ib和ic,總泄漏電流3i0,試驗(yàn)動(dòng)物的觸電電壓ur,流過(guò)動(dòng)物體觸電電流ir.Ra,Rb,Rc,Ca,Cb,Cc分別模擬各相供電線路對(duì)地的分布電阻和分布電容.

觸電試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際接線如圖2所示.

圖2 觸電試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際接線

試驗(yàn)過(guò)程的某一組觸電試驗(yàn)信號(hào)如圖3所示.

圖3 觸電試驗(yàn)信號(hào)

1.2 試驗(yàn)方法

利用搭建的動(dòng)物觸電試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)不同體質(zhì)量的試驗(yàn)羊和豬進(jìn)行觸電試驗(yàn),每次試驗(yàn)時(shí)保證試驗(yàn)電壓為36 V、頻率為50 Hz,并通過(guò)故障錄波器采集觸電過(guò)程中的觸電信號(hào).每次觸電試驗(yàn)間隔時(shí)間為10 min,確保試驗(yàn)動(dòng)物的身體生理機(jī)能恢復(fù)到正常狀態(tài).為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,將試驗(yàn)動(dòng)物觸電部位的毛發(fā)剃掉,并確保試驗(yàn)動(dòng)物剃毛部位的皮膚完好無(wú)損.選取的觸電通道為左前肢-右后肢、右前肢-左后肢、左前肢-左后肢、右前肢-右后肢4種通道,觸電方式(考慮導(dǎo)線與觸電部位的接觸面積)分為捆綁(在試驗(yàn)動(dòng)物的腿部剃毛部位將導(dǎo)線纏繞幾圈)和點(diǎn)觸(用導(dǎo)線在試驗(yàn)動(dòng)物的剃毛部位劃過(guò))2種方式.根據(jù)觸電通道、觸電方式、觸電個(gè)體的不同,共進(jìn)行48組試驗(yàn);每組試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行30次試驗(yàn),共計(jì)1 440次觸電試驗(yàn).根據(jù)每組有效數(shù)據(jù)計(jì)算出試驗(yàn)動(dòng)物觸電電流的平均值.

2 試驗(yàn)結(jié)果

3只哈薩克羊在試驗(yàn)期間的體質(zhì)量分別為26,32,39 kg,3只新疆白豬體質(zhì)量分別為14,18,23 kg,試驗(yàn)羊、試驗(yàn)豬的觸電電流如表1,2所示.

表1 試驗(yàn)羊觸電電流 mA

表2 試驗(yàn)豬觸電電流 mA

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 各因素對(duì)觸電電流大小的影響

3.1.1觸電方式與試驗(yàn)動(dòng)物觸電電流的關(guān)系

試驗(yàn)羊和試驗(yàn)豬在體質(zhì)量和觸電通道相同時(shí),捆綁觸電方式與點(diǎn)觸方式下的觸電電流之差如表3所示.

表3 捆綁與點(diǎn)觸方式下觸電電流之差 mA

分析表1-3可得: ① 3只試驗(yàn)羊,在左前肢-左后肢、左前肢-右后肢、右前肢-左后肢、右前肢-右后肢觸電通道下,捆綁觸電方式比點(diǎn)觸觸電方式觸電電流平均大9.15,9.18,9.39和11.23 mA; ② 3只試驗(yàn)豬,在左前肢-左后肢、左前肢-右后肢、右前肢-左后肢、右前肢-右后肢觸電通道下,捆綁觸電方式比點(diǎn)觸觸電方式的觸電電流平均大9.63,7.57,8.11和10.76 mA;③ 試驗(yàn)羊、試驗(yàn)豬在體質(zhì)量和觸電通道相同的情況下,由于捆綁觸電方式下的導(dǎo)線與試驗(yàn)動(dòng)物的接觸面積較點(diǎn)觸方式下的接觸面積大,捆綁觸電方式比點(diǎn)觸觸電方式的觸電電流大.

3.1.2體質(zhì)量與試驗(yàn)動(dòng)物觸電電流的關(guān)系

試驗(yàn)羊和試驗(yàn)豬在不同體質(zhì)量時(shí)觸電電流變化情況如圖4所示.

由圖4分析可得: ① 捆綁觸電方式下,在4種觸電通道時(shí),體質(zhì)量為39,32和26 kg的試驗(yàn)羊的觸電電流平均值分別為22.46,20.77和19.14 mA;體質(zhì)量為23,18和14 kg的試驗(yàn)豬的觸電電流平均值分別為29.96,26.79和21.28 mA.② 點(diǎn)觸觸電方式下,在4種觸電通道時(shí),體質(zhì)量為39,32和26 kg的試驗(yàn)羊的觸電電流平均值分別為13.98,10.76和8.4 mA;體質(zhì)量為23,18和14 kg的試驗(yàn)豬的觸電電流平均值分別為21.05,16.98和12.86 mA.③ 在觸電通道、觸電方式一定的條件下,試驗(yàn)羊和豬的觸電電流隨著體質(zhì)量的增大而增加.

圖4 不同體質(zhì)量試驗(yàn)動(dòng)物觸電電流的變化

3.1.3觸電通道與試驗(yàn)動(dòng)物觸電電流的關(guān)系

為研究不同觸電通道對(duì)試驗(yàn)動(dòng)物觸電電流的影響,在相同體質(zhì)量和觸電方式下分析、比較不同觸電通道的試驗(yàn)羊和試驗(yàn)豬觸電電流,如圖5所示.

圖5 不同通道試驗(yàn)動(dòng)物觸電電流變化

若根據(jù)動(dòng)物前后肢分布情況,定義左前肢-左后肢、右前肢-右后肢2種觸電通道為同側(cè)觸電通道,左前肢-右后肢、右前肢-左后肢2種觸電通道為異側(cè)觸電通道,由圖5分析可知試驗(yàn)動(dòng)物在相同體質(zhì)量、觸電方式下同側(cè)觸電時(shí)的觸電電流比異側(cè)觸電時(shí)的觸電電流大.

3.1.4試驗(yàn)因素對(duì)動(dòng)物觸電電流的影響規(guī)律

為研究觸電方式、動(dòng)物體質(zhì)量、觸電通道對(duì)動(dòng)物觸電電流影響的顯著順序,采用多因素方差分析分別對(duì)試驗(yàn)羊和試驗(yàn)豬進(jìn)行觸電電流顯著性檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

表4 試驗(yàn)動(dòng)物觸電電流方差分析

分析表6可知,觸電通道、觸電方式、體質(zhì)量的P值均小于0.01,表明觸電通道、觸電方式、體質(zhì)量對(duì)試驗(yàn)羊和試驗(yàn)豬的觸電電流具有顯著性影響,試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)羊和試驗(yàn)豬觸電電流影響顯著順序?yàn)橛|電方式,體質(zhì)量,觸電通道.

3.2 各因素對(duì)觸電電流成分的影響

離散傅里葉變換是傅里葉變換在時(shí)域和頻域上都呈離散的形式,將信號(hào)由時(shí)域變換為頻域.設(shè)f(n)是一個(gè)長(zhǎng)度為N的有限長(zhǎng)信號(hào)序列,則f(n)的離散傅里葉變換(DFT)為

(1)

為研究各因素對(duì)動(dòng)物觸電電流信號(hào)的頻率成分影響,對(duì)試驗(yàn)羊和豬的觸電電流信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換.故障錄波器的采樣頻率為10 000 Hz,截取觸電發(fā)生后4個(gè)周期的動(dòng)物觸電電流信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,分析結(jié)果如圖6所示.

圖6 試驗(yàn)動(dòng)物觸電電流信號(hào)FFT分析

對(duì)不同觸電通道、不同觸電方式、不同體質(zhì)量的試驗(yàn)羊和試驗(yàn)豬共720組觸電電流信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,每組取10組數(shù)據(jù)的主要頻率成分,結(jié)果如表5,6所示.

分析表5,6可知: ① 體質(zhì)量、觸電通道的改變對(duì)試驗(yàn)羊和豬的觸電電流信號(hào)中的主要頻率成分影響較小.② 當(dāng)捆綁觸電時(shí),試驗(yàn)豬的觸電電流主要頻率成分主要是基波，2,3,4,5和9次諧波;點(diǎn)觸觸電時(shí),試驗(yàn)豬的觸電電流主要頻率成分是基波，2,3,5,7,9,11和13次諧波.當(dāng)捆綁觸電時(shí),試驗(yàn)羊的觸電電流主要頻率成分主要是基波，3,4,5,7和9次諧波;當(dāng)點(diǎn)觸觸電時(shí),試驗(yàn)羊的觸電電流主要頻率成分主要是基波，2,3,4,5,7,9,11和13次諧波,即觸電方式與觸電信號(hào)中頻率成分的相關(guān)性較大.

表5 試驗(yàn)羊觸電電流FFT分析結(jié)果

表6 試驗(yàn)豬觸電電流FFT分析結(jié)果

續(xù)表

4 結(jié) 論

1) 觸電發(fā)生時(shí),流經(jīng)試驗(yàn)羊和豬體內(nèi)的觸電電流隨體質(zhì)量的增加而增加,捆綁觸電方式下流經(jīng)試驗(yàn)羊和豬體內(nèi)的觸電電流比點(diǎn)觸觸電方式的大,同側(cè)觸電通道下的觸電電流較異側(cè)觸電通道下的觸電電流大;利用多因素方差分析對(duì)試驗(yàn)羊和試驗(yàn)豬的觸電電流進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)羊和試驗(yàn)豬觸電電流的影響顯著順序?yàn)橛|電方式、體質(zhì)量、觸電通道.

2) 體質(zhì)量和觸電通道的變化對(duì)試驗(yàn)羊和豬的觸電電流信號(hào)中的主要頻率成分影響較小.不同的觸電方式對(duì)觸電電流信號(hào)中的頻率成分有一定影響,點(diǎn)觸觸電方式試驗(yàn)羊和豬的觸電電流信號(hào)會(huì)出現(xiàn)11,13次等高次諧波.