CN104751715A - 电击故障模拟训练装置及测试方法 - Google Patents

电击故障模拟训练装置及测试方法 Download PDF

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王博
任丽军
佟永兴
王春旭
王嘉冰
张帅
杨宪龙
岳子萱
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Abstract

一种电击故障模拟训练装置及测试方法。相关人员只能通过书本学习电气安全的知识，没有一种直观学习的模拟训练装置。一种电击故障模拟训练装置，其组成为：箱体，箱体（1）材质为不锈钢板，箱体内安装有电路板（2）和变压器（3），电路板上安装有单片机控制模块（4）、参考电压模块（5）、人体模拟电阻模块（6）和选择开关（7），箱盖内侧面上安装有模拟***工作状态LCD显示屏（8）和电路输出数据LCD显示屏（9），电路板分别与变压器、选择开关、训练装置开关、LCD显示屏连接，变压器与电源进线连接，电源进线（10）由箱体侧面引入，训练装置开关（11）安装在电路板上。本发明应用于基于电击故障模拟训练装置及测试方法。

Description

电击故障模拟训练装置及测试方法
技术领域：
本发明涉及一种电击故障模拟训练装置及测试方法。
背景技术：
近年来，电气火灾、触电等事故频频发生，造成严重的人身伤亡和巨大的财产损失，导致事故发生的根本原因是企业内工作人员电气安全知识的缺乏。鉴于电气事故的普遍性和后果的严重性，有关低压配电***电气故障的研究在国内外大量涌现，近年来国外学者在电气故障的成因和预防及火灾原因鉴定方面进行了相对深入的研究，国内学者主要关注电气故障的成因和预防等问题。但是目前相关工作人员只能通过书本形式学习电气安全的理论知识，没有一种直观学习的模拟训练装置。因此我们设计了一种可以直观学习不同接地***电击故障产生原因及后果表现形式的模拟训练装置。
发明内容：
本发明的目的是提供一种电击故障模拟训练装置及测试方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种电击故障模拟训练装置，其组成包括：箱体，所述的箱体材质为SUS304#不锈钢板，所述的箱体内安装有电路板和变压器，所述的电路板上安装有单片机控制模块、参考电压模块、人体模拟电阻模块和选择开关，所述的箱盖内侧面上安装有模拟***工作状态LCD显示屏和电路输出数据LCD显示屏，所述的电路板分别与变压器、选择开关、训练装置开关、LCD显示屏连接，所述的变压器与电源进线连接，所述的电源进线由箱体侧面引入，所述的训练装置开关安装在电路板上。
所述的电击故障模拟训练装置的测试方法，使用权利要求1所述的电击故障模拟训练装置进行测试的方法，其特征是：在测试***中，接地***分为IT***、TT***、TN***，被点击的人体被人体模拟电阻模块代替，所述的人体模拟电阻模块采用两个电阻串联分压，通过测试该电阻的电压、电流情况，即可模拟出不同短路情况下的电压和电流变化，在测试***中，通过按键开关来分别控制不同相电压与地的短接，同时配有LED灯来显示短接状况，并将故障电路投影到显示屏上，在测试***中，使用STM32系列单片机实现电压和电流的测量，合理设置阻值以保证不超过A/D转换器电压测量范围，测试时，使用2路A/D转换器，一路与固定电压值相连作为计算参考，另一路与模拟电阻相连实时监控其电压变化情况，由于电阻值为固定的，且电路参考电压一定，通过对STM32系列单片机内部汇编程序对采样值进行计算，即可得到不同短路情况下电压值与电流值，同时用STM32系列单片机还可以控制LCD液晶屏，将计算所得的电压值和电阻值显示在LCD液晶屏上，或通过STM32系列单片机控制一组继电器，若测得模拟电阻的电压和电流超过一定范围，对相应的模拟电路进行切断。
本发明的有益效果：
1. 通过实验分别模拟出电气***中不同接地***电击故障，包括：IT***中的单相碰壳事故、一次接地故障、二次异相接地事故、TT***中的单项接地故障、TN***中的单项碰壳事故等，将这些电气故障产生的原因、结果的表现形式投影到本发明的模拟训练装置上，该装置通过多个按钮开关选择不同种类的事故类型，通过LCD液晶屏显示电气***中线路内电流的变化，通过LED灯发出的信号检测线路是否处于正常状态；接受培训的人员通过模拟装置上的信息了解整个线路中电流等发生的变化，从而掌握不同电击事故的特点。
所述的电击故障模拟训练装置，其具体测试步骤是：（1）输入电源：将电源插头***电源插座，打开电源开关，输入时指示灯亮；（2）将显示屏转向受训人员方向；（3）操作者通过训练箱操作界面进行操作，调试不同的接地***及不同类型的故障;（4）受训人员观察显示屏上线路颜色变化、电压电流的数值变化、指示灯的变化等，判断是那种接地***及故障类型；（5）训练结束后，关闭电源开关，拔出电源插头，整理模拟训练箱。
附图说明：
附图1是本发明的装置结构示意图。
附图2是本发明的装置内部电路示意图（一）。
附图3是本发明的装置内部电路示意图（二）。
附图4是IT***二次异相接地故障示意图。
附图5是IT***二次异相接地故障等效电路图。
附图6是TT***单项接地故障示意图。
附图7是TT***单项接地故障等效电路图。
附图8是TN-C***PEN线断路故障示意图。
附图9是TN-C-S零线断线故障示意图。
附图10是TN-S***的碰壳故障示意图。
具体实施方式：
实施例1：
 一种电击故障模拟训练装置，其组成包括：箱体，所述的箱体1材质为SUS304#不锈钢板，所述的箱体内安装有电路板2和变压器3，所述的电路板上安装有单片机控制模块4、参考电压模块5、人体模拟电阻模块6和选择开关7，所述的箱盖内侧面上安装有模拟***工作状态LCD显示屏8和电路输出数据LCD显示屏9，所述的电路板分别与变压器、选择开关、训练装置开关、LCD显示屏连接，所述的变压器与电源进线连接，所述的电源进线10由箱体侧面引入，所述的训练装置开关11安装在电路板上。
实施例2：
利用实施例1所述的电击故障模拟训练装置的测试方法，在测试***中，接地***分为IT***、TT***、TN***，被测试的人体被固定的电阻值代替，所述的电阻值可以采用两个电阻串联，通过测试该电阻的电压、电流情况，即可模拟出不同短路情况下的电压和电流变化，在测试***中，可以通过按键开关来分别控制不同相电压与地的短接，同时配有LED灯来显示短接状况。在测试***中，可使用STM32系列单片机实现电压和电流的测量，合理设置阻值以保证不超过A/D转换器电压测量范围，测试时，使用2路A/D转换器，一路与固定电压值相连作为计算参考，另一路与模拟电阻相连实时监控其电压变化情况，由于电阻值为固定的，且电路参考电压一定，通过对STM32系列单片机内部汇编程序对采样值进行计算，即可得到不同短路情况下电压值与电流值，同时用STM32系列单片机还可以控制LCD液晶屏，将计算所得的电压值和电阻值显示在LCD液晶屏上，（或通过STM32系列单片机控制一组继电器，若测得模拟电阻的电压和电流超过一定范围，对相应的模拟电路进行切断）。
实施例3：
根据实施例2所述的测试方法，（1）IT***的二次异相接地故障原理：IT***中某一相发生接地称为一次接地；此时接地电容电流在设备外壳上产生的预期接触电压小于50V，则认为无电击危险性，***可继续运行；但若在以后的运行过程中，另一设备中与一次接地不同的相别上又发生了接地故障，则称为二次接地，此时形成了二次异相接地故障，因R E1 、R E2 远大于线路和变压器的计算阻抗，故等效电路中忽略了线路和变压器的计算阻抗，于是
式中U —————— 电源相电压（V）；
R E1 、R E2 —————— 设备1、2的接地电阻（Ω）；
若R E1 =R E2 =R E ，则
此时熔断器FU1和FU2中至少有一个应熔断，否则该电流可能使设备损坏或引发火灾；并且，此时设备1、2外壳上的对地电压R E1 、R E2 对线电压U的分压，若R E1= R E2 ，则两台设备的外壳对地电压均为U；若R E1 ≠R E2 ，则总有一台设备外壳电压高于U；对于380V/220V低压配电***来说，U=190V，而在《低压配电设计规范》（GB50054-2011）中第5.2.19条：“在IT***的配电线路中，当发生第一次接地故障时，应发出报警信号，且故障电流应符合下式的要求：
R A I d ≤50V
式中：I d ——相导体和外露可导电部分间第一次接地故障的故障电流（A），此值应计及泄露电流和电气装置全部接地阻抗值的影响。”而在IT***发生二次接地故障时，设备外壳电压为190V，远大于规范中要求的安全电压50V。
实施例4：
根据实施例2所述的测试方法，（2）TT***单项接地故障原理：电气设备漏电，人体误触及漏电设备外壳时，加在人体的接触电压为相电压（220V），接地短路电流通过人体电阻R t 与变压器工作接地电阻R N 组成串联电路，通过人体的接地电流通为：
I r =U/（R t +R N ）
I r 为流经人体的电流， U为漏电设备外壳对地电压（220V）；R t 为人体电阻；R N 为变压器中性点接地电阻；变压器中性点的工作接地电阻，一般规定在 4Ω以下，实验中假设人体电阻值为800Ω，则通过人体的电流为：
I r =U/（R t +R N ）=220/（800 +4）=274mA
《电流通过人体的效应第一部分常用部分》（GB/T13870.1）中，电流—时间的效应区域图表明200mA的电流通过人体，人体会有生命危险；
实施例5：
实施例2所述的电击故障模拟训练装置的测试方法，（3）TN-C***PEN线断路故障原理：电源电压三相对称，即使在三相负载不对称的情况下，三相负荷在每一相所得到的电压是对称的；即:
而PEN线断开时，其数值
可能会很大，通过上三式可以看出三相电压完全不平衡，三相相位严重不对称，此时，设备的正常运行受到严重威胁，有设备损坏的可能，甚至引起火灾的发生。
实施例6：
实施例2所述的测试方法，（4）TN-C-S零线断线故障原理：假设TN-C-S低压供电***中各相负载比值为:Z a =1,Z b =1/2,Z c =1/3时，中性线断开，根据不对称三相电路计算方法得出:中性点位移电压U 00  =(U a Y a +U b Y b +U c Y c )/(Y a +Y b +Y c )；
令,带入上述设定的参数得,则有:
同理可计算出:,所以，，；可见零线断线时，负荷中性点将向负荷大(阻抗小)的相别偏移，即从O点移向O’点，则负荷小(阻抗大)的相电压将升高；三相负荷越不平衡，则中性点电压偏移越重；生产过程中，随着电压高的相别电器被烧毁(负荷退出，阻抗变大)，该相电压越来越高;而电压低的相别越投入电器(如开灯)则阻抗越小，电压越低。致使相电压最低可到几十伏，最高可达300多伏甚至达到线电压的水平(380V)；如果***中有接零保护的设备，此时设备外壳也将带电，触及将发生人身危险。
实施例7：
实施例1所述的测试方法，（5）TN-S***的碰壳故障原理：回路中的单相接地电流，其中Z l 为相线计算阻抗（MΩ），Z PE 为PE线计算阻抗（MΩ），Z T 为变压器的计算阻抗（MΩ），U为平均相电压（V），I d 为单相短路电流（kA）,而此时中性点仍为地电位，故设备外壳对地电压等于设备外壳对***中性点的电压，其接触电压值为
从上式可以看出（Z l +Z T ）/Z PE 决定接触电压值，一般情况下在TN***中，所以线路很长或导线截面较小时，Z T 远小于Z l ，此时，所以人体预期接触电压值110V，大于规范中要求的安全电压50V。
实施例8：
根据实施例2或3或4或5或6或7所述的电击故障模拟训练装置的测试方法，用以下教学演示进行说明：（1）当开关K1、K2、K3、K6断开，K4、K5闭合时，依次为正常运行情况下的IT、TT、TN-C、TN-C-S、TN-S五个接地***，其中IT***中为两台三相设备串联，五个***均可根据教学需要适当增减设备数量；（2）开关K1、K4、K5闭合，K2、K3、K6断开时，2、3、4、5、6号设备正常运行，1号设备（IT***）发生一次接地故障，此时若K2闭合，则2号设备（IT***）发生二次接地故障；（3）开关K3、K4、K5闭合，K1、K2、K6断开时，1、2、4、5、6号设备正常运行，3号设备（TT***）发生单相接地故障；（4）开关K1、K2、K3、K4、K6断开K5闭合时，1、2、3、5、6号设备正常运行，4号设备（TN-C***）发生PEN线断路故障；（5）开关K1、K2、K3、K5、K6断开，K4闭合时，1、2、3、4、6号设备正常运行，5号设备（TN-C-S***）发生零线断线故障；（6）开关K1、K2、K3断开，K4、K5、K6闭合时，1、2、3、4、5号设备正常运行，6号设备（TN-S***）发生碰壳事故。

Claims (2)

1.一种电击故障模拟训练装置，其组成包括：箱体，其特征是：所述的箱体材质为SUS304#不锈钢板，所述的箱体内安装有电路板和变压器，所述的电路板上安装有单片机控制模块、参考电压模块、人体模拟电阻模块和选择开关，所述的箱盖内侧面上安装有模拟***工作状态LCD显示屏和电路输出数据LCD显示屏，所述的电路板分别与变压器、选择开关、训练装置开关、LCD显示屏连接，所述的变压器与电源进线连接，所述的电源进线由箱体侧面引入，所述的训练装置开关安装在电路板上。
2.一种使用权利要求1所述的电击故障模拟训练装置进行测试的方法，其特征是：在测试***中，接地***分为IT***、TT***、TN***，被点击的人体被人体模拟电阻模块代替，所述的人体模拟电阻模块采用两个电阻串联分压，通过测试该电阻的电压、电流情况，即可模拟出不同短路情况下的电压和电流变化，在测试***中，通过按键开关来分别控制不同相电压与地的短接，同时配有LED灯来显示短接状况，并将故障电路投影到显示屏上，在测试***中，使用STM32系列单片机实现电压和电流的测量，合理设置阻值以保证不超过A/D转换器电压测量范围，测试时，使用2路A/D转换器，一路与固定电压值相连作为计算参考，另一路与模拟电阻相连实时监控其电压变化情况，由于电阻值为固定的，且电路参考电压一定，通过对STM32系列单片机内部汇编程序对采样值进行计算，即可得到不同短路情况下电压值与电流值，同时用STM32系列单片机还可以控制LCD液晶屏，将计算所得的电压值和电阻值显示在LCD液晶屏上，或通过STM32系列单片机控制一组继电器，若测得模拟电阻的电压和电流超过一定范围，对相应的模拟电路进行切断。
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