CN112924763B - 一种高压交流输电线路下方暂态电击评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，对输电线路、线下人体及物体进行数值建模计算获得输电线下方人体接触物体的感应电特征量，建立线下人体接触物体的有限元模型，计算获得高压交流输电线下方人体接触物体的暂态电击量，将有限元软件的计算结果在Simulink建立暂态电击的电路模型并进行仿真，得到线下人体接触金属物时所遭受的暂态电击情况并对其进行评价。本发明提供的高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，将有限元软件分析与电路仿真分析相结合，得出的计算结果更加准确而全面，能更直观的反应暂态电击量以及暂态电击的动态过程，从而对线下人体接触金属物时所遭受的暂态电击整体情况进行准确评价。
Description
技术领域
本发明涉及电网技术领域，特别是涉及一种高压交流输电线路下方暂态电击评估方法。
背景技术
高压交流输电线路附近区域人体所遭受的电击现象，按作用的时间不同，可分为稳态电击和暂态电击，其中暂态电击现象更为普遍。常见的暂态电击易发生在线路附近区域的金属构筑物、金属管线以及金属晾衣架旁。邻近高压输电线路的电场环境中的暂态电击效应主要为：当人体对地的绝缘电阻很高时，人体因电场耦合产生的感应电压就会很大，人体的瞬态电击能量也相应增加。此时，当人触及接地的金属物体时，电荷从人体释放，形成流经人体的接触电流或接触瞬间的放电现象，人就会有暂态电击感。
常用的输电线路分析计算方法有模拟电荷法及有限元法。使用模拟电荷法计算空间电位或电场的前提是各电压源电位已知，而在弱耦合感应电压分析中，除输电线路导线的电位已知外，地面附近其他导体均为未知，这时模拟电荷法无法建立完整的矩阵方程；有限元法可以得出感应电压与感应电流量，但不能很好的得出动态变化的计算结果；因此，设计一种合适的方法来对高压交流输电线路下方暂态电击进行评估是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，将有限元软件分析与电路仿真分析相结合，得出的计算结果更加准确而全面，能更直观的反应暂态电击量以及暂态电击的动态过程，从而对线下人体接触金属物时所遭受的暂态电击整体情况进行准确评价。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，包括如下步骤：
步骤1，建立线下人体及物体的有限元模型：
基于有限元数值仿真方法和COMSOL商用软件，对输电线路、线下人体及物体进行数值建模，设置计算空间的边界函数，对所选区域进行网格剖分，对线路进行幅值计算，获得高压交流输电线下方人体接触物体的感应电特征量；
步骤2，建立线下人体接触物体的有限元模型：
基于线下人体及物体的有限元模型，建立线下人体接触物体的模型，将人体的手指部分与物体的表面设置成接触面，进行与步骤1中相同的计算，获得高压交流输电线下方人体接触物体的暂态电击量。
步骤3，建立人体接触物体的暂态电击电路模型：
根据步骤1中获得的感应电特征量及步骤2中获得的暂态电击量，在Simulink中建立暂态电击电路模型并进行仿真，得到人体遭受暂态电击时的规律，对线下人体接触物体时所遭受的暂态电击情况进行评价。
可选的，步骤1中所述的感应电特征量包括人体和物体的短路电流、开路电压及对地的电容；经电场计算得到所述人体短路电流Iob、人体开路电压Uob、物体开路电压Uoc及物体短路电流Ioc；根据人体及物体的短路电流和开路电压计算得到，人体对输电***的电容为：
人体对地的总电容为：
C人地＝Cb+Cxie
人体对输电线路的电容为：
人体暂态电击感应电压为：
式中U人为人体暂态电击感应电压，Cxie为鞋电容，Us为输电线路电压，Rxie为鞋电阻；
物体对输电***的电容为：
物体对地的总电容为：
C物地＝Cc+Cd
物体对输电线路的电容为：
物体的暂态电击感应电压为：
式中U物为物体的暂态电击感应电压，Cd为物体底部的电容，Rd为物体底部的电阻。
可选的，步骤1中，在进行计算时，对目标区域进行精细化网格划分，对大空间区域进行一般化网格划分，用于保证计算的效率和精度。
可选的，步骤2中，所述暂态电击量通过电场计算得到，包括人体接触物体时的感应电场、短路电流大小及流向、流过人体的暂态电击电流值，将流过人体的暂态电击电流值与限值的对比，对暂态电击的程度进行评估。
可选的，步骤3中，所述建立人体接触物体的暂态电击电路模型，具体为：
基于步骤1及步骤2中获得的有限元软件计算结果，利用输电线电路电压Us、人体的电阻值R人、物体的电阻值R物，人体对输电线路电容值C人线、人体对地的电容值C人地、物体对输电线路的电容值C物线及物体对地的电容值C物地，在Simulink中建立暂态电击的电路模型进行仿真，通过示波器得到人体遭受电击时的感应电压变化波形以及暂态电击电流变化波形，从而得到人体遭受暂态电击时的规律，对线下人体接触物体时所遭受的暂态电击整体情况进行评价。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，将有限元法与电路仿真分析相结合，通过有限元软件得出暂态电击中人体及物体的感应电特征量，计算出电容等参数，然后基于计算结果建立暂态电击电路模型，进行仿真，从而得出暂态电击特征量的动态变化，对线下人体接触金属物时所遭受的暂态电击整体情况进行评价，使用有限元软件进行计算，得出的计算结果更加准确而全面，建立暂态电击电路模型并仿真，然后通过示波器观察波形图，能更直观的反应暂态电击量以及暂态电击的动态过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例高压交流输电线路下方暂态电击评估方法分析流程图；
图2为网格剖析示意图；
图3为线下人体的感应电流密度图；
图4为线下人体接触金属晾衣架的模型示意图；
图5为人体对地绝缘时的感应电流图；
图6为人体接地时的暂态电击电路图；
图7为人体的感应电压波形图；
图8为人体的放电电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，将有限元软件分析与电路仿真分析相结合，得出的计算结果更加准确而全面，能更直观的反应暂态电击量以及暂态电击的动态过程，从而对线下人体接触金属物时所遭受的暂态电击整体情况进行准确评价。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-6所示，本发明实施例提供的高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，包括如下步骤：
步骤1，建立线下人体及物体的有限元模型：
基于有限元数值仿真方法和COMSOL商用软件，对输电线路、线下人体及物体进行数值建模，设置计算空间的边界函数，对所选区域进行网格剖分，对线路进行幅值计算，获得高压交流输电线下方人体接触物体的感应电特征量；
步骤2，建立线下人体接触物体的有限元模型：
基于线下人体及物体的有限元模型，建立线下人体接触物体的模型，将人体的手指部分与物体的表面设置成接触面，进行与步骤1中相同的计算，获得高压交流输电线下方人体接触物体的暂态电击量。
步骤3，建立人体接触物体的暂态电击电路模型：
根据步骤1中获得的感应电特征量及步骤2中获得的暂态电击量，在Simulink中建立暂态电击电路模型并进行仿真，得到人体遭受暂态电击时的规律，对线下人体接触物体时所遭受的暂态电击情况进行评价。
步骤1中所述的感应电特征量包括人体和物体的短路电流、开路电压及对地的电容；经电场计算得到所述人体短路电流Iob、人体开路电压Uob、物体开路电压Uoc及物体短路电流Ioc；根据人体及物体的短路电流和开路电压计算得到，人体对输电***的电容为：
人体对地的总电容为：
C人地＝Cb+Cxie
人体对输电线路的电容为：
人体暂态电击感应电压为：
式中U人为人体暂态电击感应电压，Cxie为鞋电容，Us为输电线路电压，Rxie为鞋电阻；
物体对输电***的电容为：
物体对地的总电容为：
C物地＝Cc+Cd
物体对输电线路的电容为：
物体的暂态电击感应电压为：
式中U物为物体的暂态电击感应电压，Cd为物体底部的电容，Rd为物体底部的电阻。
如图2所示，步骤1中，在进行计算时，对目标区域进行精细化网格划分，对大空间区域进行一般化网格划分，用于保证计算的效率和精度。
步骤2中，所述暂态电击量通过电场计算得到，包括人体接触物体时的感应电场、短路电流大小及流向、流过人体的暂态电击电流值，将流过人体的暂态电击电流值与限值的对比，对暂态电击的程度进行评估。
步骤3中，所述建立人体接触物体的暂态电击电路模型，具体为：
基于步骤1及步骤2中获得的有限元软件计算结果，利用输电线电路电压Us、人体的电阻值R人、物体的电阻值R物，人体对输电线路电容值C人线、人体对地的电容值C人地、物体对输电线路的电容值C物线及物体对地的电容值C物地，在Simulink中建立暂态电击的电路模型进行仿真，通过示波器得到人体遭受电击时的感应电压变化波形以及暂态电击电流变化波形，从而得到人体遭受暂态电击时的规律，对线下人体接触物体时所遭受的暂态电击整体情况进行评价。
以人体接触金属晾衣架为例，对本发明提供的高压交流输电线路下方暂态电击评估方法进行详细说明，具体包括如下步骤：
步骤1，建立线下人体以及金属晾衣架的有限元模型：
参考实际人体的尺寸与参数，在有限元软件COMSOL中建立输电线路与人体的模型，进行网格剖分、线路赋值等步骤之后，可得出计算结果，其中人体的感应电压为4380V，短路电流为0.817mA，由此计算出人体对地总电容为364pF，对输电线路电容为1.11pF，金属晾衣架的参数计算过程与人体类似；
步骤2，建立线下人体接触金属晾衣架的有限元模型：
如图4所示，在COMSOL中建立线下人体接触金属晾衣架的模型，将人体的手指部分与金属晾衣架同等高位置的表面设置为接触面，通过设置人体及金属晾衣架与地面接触部分的电导率等参数值，来模拟人体对地绝缘、金属晾衣架接地的情况，通过有限元仿真计算，可得出人体对地绝缘时的暂态电击电流为0.61mA，如图5所示，暂态电击电流由人体通过金属晾衣架流向大地；
步骤3，建立人体接触金属晾衣架的暂态电击电路模型：
针对人体对地绝缘、金属晾衣架接地的情况，利用人体和金属晾衣架的电阻值，以及计算出的人体对地对输电线路的电容值等参数，在Simulink中建立人体距离金属晾衣架非常接近时的暂态电击电路模型，所述暂态电击电路模型如图6所示，利用1pF的电容来代***与金属晾衣架之间的空气间隙，该间隙被击穿时的电压一般为1000V，因此将其放电电压设置为1000V，对该电路模型进行仿真计算，通过示波器对暂态电击过程中人体感应电压及放电电流的动态变化过程进行观察，如图7-8所示，由示波器可得出此时人体感应电压峰值为1.029kV，感应电流峰值为0.254mA，在一个周期中放电次数达26次；
步骤4，对人体遭受暂态电击情况进行评估：
线下人体接触金属晾衣架的暂态电击电流的定量计算结果为0.61mA，根据人体感受与电流的映射关系，当流经人体的电流超过0.6mA时，人体可感知到电流，手指轻微振颤发麻。因此当线下人体接触接地金属晾衣架时，存在被电击的可能性，但远未达到对人体造成损伤的水平。
本发明提供的高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，将有限元法与电路仿真分析相结合，通过有限元软件得出暂态电击中人体及物体的感应电特征量，计算出电容等参数，然后基于计算结果建立暂态电击电路模型，进行仿真，从而得出暂态电击特征量的动态变化，对线下人体接触金属物时所遭受的暂态电击整体情况进行评价，使用有限元软件进行计算，得出的计算结果更加准确而全面，建立暂态电击电路模型并仿真，然后通过示波器观察波形图，能更直观的反应暂态电击量以及暂态电击的动态过程。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立线下人体及物体的有限元模型：
基于有限元数值仿真方法和COMSOL软件，对输电线路、线下人体及物体进行数值建模，设置计算空间的边界函数，对所选区域进行网格剖分，对线路进行幅值计算，获得高压交流输电线下方人体接触物体的感应电特征量；
所述的感应电特征量包括人体短路电流短路电流和物体短路电流Ioc、人体开路电压Uob及对地的电容；
计算人体对输电***的电容为：
人体对地的总电容为：
C人地＝Cb+Cxie
人体对输电线路的电容为：
人体暂态电击感应电压为：
式中U人为人体暂态电击感应电压，Cxie为鞋电容，Us为输电线路电压，Rxie为鞋电阻；
物体对输电***的电容为：
物体对地的总电容为：
C物地＝Cc+Cd
物体对输电线路的电容为：
物体的暂态电击感应电压为：
式中U物为物体的暂态电击感应电压，Cd为物体底部的电容，Rd为物体底部的电阻；
步骤2，建立线下人体接触物体的有限元模型：
基于线下人体及物体的有限元模型，建立线下人体接触物体的模型，将人体的手指部分与物体的表面设置成接触面，进行与步骤1中相同的计算，获得高压交流输电线下方人体接触物体的暂态电击量；
步骤3，建立人体接触物体的暂态电击电路模型：
根据步骤1中获得的感应电特征量及步骤2中获得的暂态电击量，在Simulink中建立暂态电击电路模型并进行仿真，得到人体遭受暂态电击时的规律，对线下人体接触物体时所遭受的暂态电击情况进行评价。
2.根据权利要求1所述的高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，其特征在于，步骤1中，在进行计算时，对目标区域进行精细化网格划分，对大空间区域进行一般化网格划分，用于保证计算的效率和精度。
3.根据权利要求1所述的高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，其特征在于，步骤2中，所述暂态电击量通过电场计算得到，包括人体接触物体时的感应电场、短路电流大小及流向、流过人体的暂态电击电流值，将流过人体的暂态电击电流值与限值的对比，对暂态电击的程度进行评估。
4.根据权利要求1所述的高压交流输电线路下方暂态电击评估方法，其特征在于，步骤3中，所述建立人体接触物体的暂态电击电路模型，具体为：
基于步骤1及步骤2中获得的有限元软件计算结果，利用输电线电路电压Us、人体的电阻值R人、物体的电阻值R物、人体对输电线路电容值C人线、人体对地的电容值C人地、物体对输电线路的电容值C物线及物体对地的电容值C物地，在Simulink中建立暂态电击的电路模型并进行仿真，通过示波器得到人体遭受电击时的感应电压变化波形以及暂态电击电流变化波形，从而得到人体遭受暂态电击时的规律，对线下人体接触物体时所遭受的暂态电击整体情况进行评价。
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