新型雨季防觸電與報警裝置的設(shè)計

王鋅桐， 王曉波， 曾憲文,2

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230051；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心， 安徽 合肥 230022)

0 前言

每年夏天進入雨季，如果降雨過于集中，城市的排澇設(shè)施難以在短時間內(nèi)將降雨排走，會在城市形成積水。而目前城市中低壓電氣設(shè)備眾多，使用者大多沒有專業(yè)電氣知識，極其容易由于設(shè)備損壞、老化等原因造成設(shè)備漏電。雨水并不是純凈水，水中混有的雜質(zhì)會使雨水成為電的良導(dǎo)體。行人一旦走到帶電的水體中，極有可能發(fā)生人身傷亡事故。近幾年，每年夏季都有行人在帶電水體中觸電身亡的不幸事故發(fā)生。

當(dāng)然，可以采用穿絕緣靴的方法來防止人們在帶電水體中發(fā)生觸電傷亡事故。但是絕緣靴普遍非常笨重，在夏季穿著笨重的絕緣靴非常不舒適。而且，絕緣靴是橡膠制品，容易受到氧化、光照等影響老化，從而使絕緣性能下降，直到完全失去作用。在專業(yè)電力部門，可以定期對絕緣靴進行檢測，確定其是否能夠滿足絕緣性能的要求，但是普通家庭做不到這一點，因為檢測成本高且時間長，而且，定期更換絕緣靴也會給普通家庭帶來不小的經(jīng)濟壓力。

1 防觸電與報警裝置設(shè)計方法

為了克服傳統(tǒng)絕緣靴的缺點，設(shè)計了一種穿戴方便舒適的、成本低廉的、便于攜帶的新型雨季防觸電與報警裝置。

如圖1所示，當(dāng)城鄉(xiāng)供電系統(tǒng)中的帶電導(dǎo)線由于破損等原因落在積水中，落地點與帶電導(dǎo)線的電勢相同，電流就會從導(dǎo)線的落地點向積水中流散，于是地面上以導(dǎo)線落地點為中心，形成了一個電勢分布區(qū)域，離落地點越遠(yuǎn)，電流越分散，地面電勢也越低。如果人站在距離電線落地點附近，當(dāng)人邁開腳走路時，由于兩腳之間存在電阻[1,2]，會在兩腳之間產(chǎn)生電動勢，電流雖然是沿著人的下身，沒有流經(jīng)人體的重要器官[3]，但是，當(dāng)人體受到較高電壓作用時，雙腳會抽筋導(dǎo)致身體倒在地上。人體一旦倒地，將會使流經(jīng)人體的電流路徑改變，完全有可能流經(jīng)人體重要器官，造成人員傷亡。

圖1 跨步電壓觸電示意圖

新型雨季防觸電與報警裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括下面四個部件。部件1為報警器，報警器小巧方便收納，當(dāng)暫時不需要使用時，可以很方便地收納起來。部件2為導(dǎo)電織物，織物柔軟方便收納，當(dāng)預(yù)測有可能會出現(xiàn)降雨需要使用防觸電與報警裝置，但是暫時又沒有使用時，方便把裝置放在背包、書包、口袋等地方進行收納，待需要使用時取出使用。部件3為連接扣，連結(jié)扣也為導(dǎo)電織物制成，其中一端與導(dǎo)電織物(部件2)為一體結(jié)構(gòu)，另一端有可以折疊的粘扣，可以方便地與鞋子(部件4)上的圈環(huán)扣、報警器天線的圈環(huán)扣緊密地連結(jié)在一起，也可以很方便地取下來。部件4為鞋子，可以根據(jù)使用者的使用需要做成任何款式，可以是運動鞋、涼鞋、拖鞋等等，鞋子的表面由導(dǎo)電織物層覆蓋。

圖2 防觸電與報警裝置構(gòu)成組件

其中，報警器的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括下面五個部件。部件1為A/D轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)將采集來的電場場強模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。部件2為單片機，負(fù)責(zé)處理所接收的信號，判斷是否應(yīng)該發(fā)出報警信號和通知蜂鳴器發(fā)報警信號命令。部件3為蜂鳴器，當(dāng)單片機所接收的電場場強信號高于所設(shè)定的閾值時，由單片機通知發(fā)出報警信號。部件4為電池，為報警器工作提供電能。部件5為接收天線，用來接收電場場強。

圖3 防觸電與報警裝置工作原理

新型雨季防觸電與報警裝置的具體工作原理如下。使用者事先穿好鞋子，因為鞋子的款式很多，不會像絕緣靴一樣造成使穿戴者出現(xiàn)捂腳、笨重等穿著不舒適的情況。當(dāng)?shù)孛嬗捎谙掠瓿霈F(xiàn)積水，需要使用新型雨季防觸電與報警裝置時，使用者將導(dǎo)電織物取出，按照圖2所示的方法進行穿戴，將導(dǎo)電織物和鞋子用連結(jié)扣牢固地連結(jié)在一起，把報警器放在合適的位置固定住，報警器的天線與導(dǎo)電織物也用連結(jié)扣連結(jié)起來，此時的導(dǎo)電織物正好可以作為報警器天線的加長部分使用，更加利于接收電場場強信號；導(dǎo)電織物與兩腿間用可以調(diào)整松緊度的魔術(shù)貼固定。當(dāng)防觸電與報警裝置連結(jié)完畢并穿戴以后，人體兩腳間電阻將會大大降低，此時，當(dāng)使用者在帶電的積水中步行時，兩腳之間的電壓將會變得很低，接近于零電勢差，這個近似為零的電壓對使用者不會造成任何傷害。同時，當(dāng)積水帶電時，報警器接收到電能場強信號，通過單片機的處理，使蜂鳴器發(fā)出報警信號，提醒使用者此時積水中有電，要多加小心，同時，也可以提醒周圍行人此時水中有電，一定要注意安全。

2 防觸電報警裝置效果測試

為了驗證新型防觸電報警裝置的實際效果，設(shè)計了測試系統(tǒng)進行測試，試驗系統(tǒng)如圖4所示，其中部件1為受測試人，為了防止人在測試過程中受到意外傷害，將受試人換成生豬；部件2為地面；部件3為變壓器，將220 V的交流相電壓市電降低為12 V的交流相電壓，保護生豬在測試過程中不會受到電擊傷害；部件4為空氣開關(guān)，確保在測試過程中出現(xiàn)意外情況時可以自動或者手動斷開，保證測試安全；部件5為電壓表，測量生豬兩條后腿之間的電壓。

圖4 防觸電與報警裝置效果測試原理圖

試驗設(shè)計了三種不同方案，然后將測試結(jié)果進行對比，得出新型防觸電與報警裝置的防觸電效果，三種試驗方案在通電試驗前，均先將變壓器二次側(cè)的C相接地，模擬市電的單相接地故障，每種方案均測試五組數(shù)據(jù)，然后取平均數(shù)消除試驗誤差。方案1為生豬未穿戴防觸電與報警裝置，地面沒有積水的情況；方案2為生豬穿戴防觸電與報警裝置，地面有積水導(dǎo)致生豬兩條后腿均在水中的情況；方案3為生豬未穿戴防觸電與報警裝置，地面有積水導(dǎo)致生豬兩條后腿均在水中的情況，將三種不同方案的測試結(jié)果列于表1，并進行對比分析。

表1 測試數(shù)據(jù)與結(jié)論 單位：V

從表1可以看出，當(dāng)電壓等級不高時，即使發(fā)生電線單相接地故障，由于地面比較干燥，即使人處于離電線較近位置時，雙腳之間的電壓也不會太高，不會對人造成觸電傷害；當(dāng)?shù)孛嬗蟹e水，而正好帶電導(dǎo)線中有任意一相落于積水中時，人即使處于離電線較遠(yuǎn)位置時，雙腳之間的電壓仍然是比較大的，此時容易發(fā)生觸電事故；當(dāng)穿戴新型防觸電與報警裝置時，雙腳之間的電壓會大幅降低，降低了積水中落入帶電導(dǎo)線而發(fā)生觸電事故的風(fēng)險。

3 結(jié)語

該雨季防觸電與報警裝置具有便于攜帶、使用方便、價格合理、穿戴舒適等優(yōu)點，非常適合普通城鄉(xiāng)居民使用。推廣使用該裝置，可以大大減少雨季積水時城鄉(xiāng)居民的觸電事故發(fā)生率，減少傷亡事故的發(fā)生。