CN113111557A - 一种模拟型人体稳态电击分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电场研究技术领域，具体地说，涉及一种模拟型人体稳态电击分析方法。包括对交流架空线路工频电场及线下构筑物感应电压进行计算研究、对线下人体电场和人体表面感应总电流计算及稳态电击进行评估研究、对典型场景下电击特征量进行测量及对人体感受进行试验研究、对不同电击抑制方法及经济性进行分析研究等步骤。本发明设计通过建立线下人体遭受电击的理论计算模型，可以根据分析结果从感应电产生电击效果的根源上提出有效抑制和减缓不同场景条件下电击现象的抑制措施，可以结合场景环境条件给出合理化建议，从而可以给制定以健康为基础的电磁场标准以便向人类提供相同或相似的健康保护水平提供理论依据和支撑。

Description

一种模拟型人体稳态电击分析方法

技术领域

本发明涉及电场研究技术领域，具体地说，涉及一种模拟型人体稳态电击分析方法。

背景技术

线路附近区域人体所遭受的电击现象，其主要表现为电场中人体接触物体后产生的电击以及人在电场中的直接感受。这类问题及纠纷难以妥善解决，给线路附近的居民带来较大困扰。为了能够更好地提出并合理应用抑制感应电击问题的解决方案，需要预先研究交流输电线下人体周围及内部的电场强度，通过研究生物组织的电导率和介电常数与其结构及组成(如含水量)的关联性，从而可以针对性地提出抑制方案，并根据场景环境条件进行经济性和合理性的评估。但是，为了保证实验的安全性，在不能进行实测实验的情况下，难以准确对人体在交流输电线下的对地电阻电容、被感应物体的对地电阻电容及被感应物体对人体产生的电击强度，导致无法从根源上抑制感应电的电击效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟型人体稳态电击分析方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供一种模拟型人体稳态电击分析方法，包括如下步骤：

S1、对交流架空线路工频电场及线下构筑物感应电压进行计算研究；

S2、对线下人体电场、人体表面感应总电流计算及稳态电击进行评估研究；

S3、对典型场景下电击特征量进行测量及对人体感受进行试验研究；

S4、对不同电击抑制方法及经济性进行分析研究。

作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，对交流架空线路工频电场及线下构筑物感应电压进行计算的方法包括如下步骤：

S1.1、基于有限元数值仿真方法和COMSOL工程软件，对输电线路、线下构筑物等多目标进行数值建模；

S1.2、根据仿真模型，设置计算空间的边界函数；

S1.3、对所选区域进行网格剖分，对线路等进行赋值计算，获得交流架空线路附近区域的工频电场；

S1.4、通过计算获取交流架空线下构筑物的感应电压。

作为本技术方案的进一步改进，所述S1.2中，空间的边界函数计算表达式为：

其中，令ρ为自由体电荷密度，将

代入上式，并考虑到D＝εE，可得：

其中，ε是介电常数，利用恒等式

可把上式表示为：

在介质均匀的区域，介电常数ε为常数，

则上式可简化为：

上式在直角坐标系中的表达式即为：

作为本技术方案的进一步改进，所述S1.3中，工频电场强度矢量的表达式为：

其中，结合电位分布，即可求得各电位的电场强度矢量E。

作为本技术方案的进一步改进，所述S1.4中，构筑物的感应电压计算表达式为：

式中，U_d0为构筑物的感应电压，U_d为交流架空线路的运行电压，C_d0为交流架空线路对构筑物的电容，C₀为构筑物的对地电容。

作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，对线下人体电场、人体表面感应总电流计算及稳态电击进行评估的方法包括如下步骤：

S2.1、在COMSOL工程软件中建立包括交流输电线路模型、人体模型的线下独立人体的有限元模型；

S2.2、经计算，得到人体内外部的电场强度和人体短路电流、开路电压等参数，并得出人体对输电***和对地的电容；

S2.3、根据以上参数建立电路计算模型，分别在人体绝缘与接地的情况下，求得交流输电接触线下物体时人体的电流密度的分布情况；

S2.4、通过计算人体电场、人体表面感应总电流等变量，并进行稳态电击的参数对比与分析，评价稳态电击情况。

作为本技术方案的进一步改进，所述S2.4中，人体内外部的电流密度计算表达式为：

人体内部电流密度：

J_i＝(σ+jwε)×E_i；

人体表面电流密度：

J_i＝ε₀ωE_s；

进而，人体表面总诱导电流为：

I_s＝ε₀ω∫E_sds；

其中，S为人体模型的表面积。

作为本技术方案的进一步改进，所述S2.5中，直立人体在工频电场中感应的总电流计算表达式为：

其中，I_sc为直立人体在工频电场中的感应总电流，即为短路电流，式中，H为人体模型的身高，E为工频电场强度，f为频率。

作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，对典型场景下电击特征量进行测量及对人体感受进行试验的方法包括如下步骤：

S3.1、人体不接触被感应物体，利用电压探头和示波器测试人体未接触被感应物体时物体的空载电压；

S3.2、设置信号处理装置的相关参数，包括示波器的采样率、示波器触发方式和触发电平、示波器的采样时间等；

S3.3、连接测试回路；

S3.4、人体接触被感应物体进行稳态电击试验；

S3.5、人体与带电物体接触后，示波器被触发，自动记录电击发生前后采样时间段的人体表面电压、流经人体总电流波形、幅值等信息；

S3.6、检测结束，对波形数据进行后台处理计算流经人体总电流在人体内部产生的热能，并对比记录人体感受情况。

作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，对不同电击抑制方法及经济性进行分析的方法包括如下步骤：

S4.1、对于较高电位人体向大地放电的电击现象，可以通过限制人体所处空间的电场强度，使人体的感应电位控制在一定水平之内，从而达到降低电击强度的效果；

S4.2、对于较高电位被感应物体向人体放电的电击现象，可以通过阻断线路与被感应物体之间的容性耦合作用来达到减缓电击的效果；

S4.3、在不改变墙体基本功能和外观的前提下，加强墙体的屏蔽作用；

S4.4、被感应物体维持一定数值的对地电容，保持对地绝缘或半绝缘；

S4.5、减小被感应物体的对地电阻等；

S4.6、针对实际典型稳态电击影响明显的场景，选取针对性抑制措施，分析抑制前后电击变化情况；

S4.7、针对不同的抑制方法，进行经济性分析比较，提出不同场景下抑制方法的合理性建议。

本发明的目的之二在于，提供一种模拟型人体稳态电击分析方法的执行装置，包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述任一的模拟型人体稳态电击分析方法的步骤。

本发明的目的之三在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一的模拟型人体稳态电击分析方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果：该模拟型人体稳态电击分析方法中，通过建立线下人体遭受电击的理论计算模型，进而获取典型场景与电压条件下感应电压、电击电流、稳态电击能量特征值及其与人体感受的映射关系，可以根据分析结果从感应电产生电击效果的根源上提出有效抑制和减缓不同场景条件下电击现象的抑制措施，包括架设屏蔽线方案、直接接地方案、嵌入式接地金属网方案和涂刷感应电防治涂料四种方案，可以针对性地选取抑制方案并结合场景环境条件给出合理化建议，从而可以给制定以健康为基础的电磁场标准以便向人类提供相同或相似的健康保护水平提供理论依据和支撑。

附图说明

图1为本发明的线下独立人体等效模型图；

图2为本发明的人体接触线下物体等效模型图；

图3为本发明的整体方法流程图；

图4为本发明的局部方法流程图之一；

图5为本发明的局部方法流程图之二；

图6为本发明的局部方法流程图之三；

图7为本发明的局部方法流程图之四；

图8为本发明的示例性计算机程序产品结构图。

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。

方法实施例

如图1-图8所示，本实施例的目的在于，提供一种模拟型人体稳态电击分析方法，包括如下步骤：

S1、对交流架空线路工频电场及线下构筑物感应电压进行计算研究；

S2、对线下人体电场、人体表面感应总电流计算及稳态电击进行评估研究；

S3、对典型场景下电击特征量进行测量及对人体感受进行试验研究；

S4、对不同电击抑制方法及经济性进行分析研究。

本实施例中，S1中，对交流架空线路工频电场及线下构筑物感应电压进行计算的方法包括如下步骤：

S1.1、基于有限元数值仿真方法和COMSOL工程软件，对输电线路、线下构筑物等多目标进行数值建模；

S1.2、根据仿真模型，设置计算空间的边界函数；

S1.3、对所选区域进行网格剖分，对线路等进行赋值计算，获得交流架空线路附近区域的工频电场；

S1.4、通过计算获取交流架空线下构筑物的感应电压。

本实施例中，S1.2中，空间的边界函数计算表达式为：

其中，令ρ为自由体电荷密度，将

代入上式，并考虑到D＝εE，可得：

其中，ε是介电常数，利用恒等式

可把上式表示为：

在介质均匀的区域，介电常数ε为常数，

则上式可简化为：

上式在直角坐标系中的表达式即为：

本实施例中，S1.3中，工频电场强度矢量的表达式为：

其中，结合电位分布，即可求得各电位的电场强度矢量E。

本实施例中，S1.4中，构筑物的感应电压计算表达式为：

式中，U_d0为构筑物的感应电压，U_d为交流架空线路的运行电压，C_d0为交流架空线路对构筑物的电容，C₀为构筑物的对地电容。

本实施例中，S2中，对线下人体电场、人体表面感应总电流计算及稳态电击进行评估的方法包括如下步骤：

S2.1、在COMSOL工程软件中建立包括交流输电线路模型、人体模型和有限元模型的线下独立人体的电场计算模型；

S2.2、经计算，得到人体内外部的电场强度和人体短路电流、开路电压等参数，并得出人体对输电***和对地的电容；

S2.3、根据以上参数建立电路计算模型，分别在人体绝缘与接地的情况下，求得交流输电接触线下物体时人体的电流密度的分布情况；

S2.4、通过计算人体电场、人体表面感应总电流等变量，并进行稳态电击的参数对比与分析，评价稳态电击情况。

本实施例中，S2.4中，人体内外部的电流密度计算表达式为：

人体内部电流密度：

J_i＝(σ+jwε)×E_i；

人体表面电流密度：

J_i＝ε₀ωE_s；

进而，人体表面总诱导电流为：

I_s＝ε₀ω∫E_sds；

其中，S为人体模型的表面积。

本实施例中，S2.5中，直立人体在工频电场中感应的总电流计算表达式为：

其中，I_sc为直立人体在工频电场中的感应总电流，即为短路电流，式中，H为人体模型的身高，E为工频电场强度，f为频率。

本实施例中，S3中，对典型场景下电击特征量进行测量及对人体感受进行试验的方法包括如下步骤：

S3.1、人体不接触被感应物体，利用电压探头和示波器测试人体未接触被感应物体时物体的空载电压；

S3.2、设置信号处理装置的相关参数，包括示波器的采样率、示波器触发方式和触发电平、示波器的采样时间等；

S3.3、连接测试回路；

S3.4、人体接触被感应物体进行稳态电击试验；

S3.5、人体与带电物体接触后，示波器被触发，自动记录电击发生前后采样时间段的人体表面电压、流经人体总电流波形、幅值等信息；

S3.6、检测结束，对波形数据进行后台处理计算流经人体总电流在人体内部产生的热能，并对比记录人体感受情况。

具体地，S3.2中，示波器的采样率参数为：典型稳态电击的电压、电流波形上升时间为数十纳秒，根据奈奎斯特采样定律，为保证波形不失真，示波器采样率需设置为1GSa/s以上；示波器触发方式和触发电平的参数为：单次触发，触发电平大于物体的空载电压，以保证电击未发生之前示波器不对波形数据进行保存；示波器的采样时间参数为：因人体接触被带电物体瞬间存在抖动，从首次接触到稳定接触需要数十毫秒的时间，为完整记录每一次稳态电击波形，建议采样时间设置为40ms(即两个工频周波时间)。

其中，S3.3中，为保证电击模拟信号中的高频分量不被滤除，电压探头和电流探头的带宽上限应高于100MHz。

本实施例中，S4中，对不同电击抑制方法及经济性进行分析的方法包括如下步骤：

S4.1、对于较高电位人体向大地放电的电击现象，可以通过限制人体所处空间的电场强度，使人体的感应电位控制在一定水平之内，从而达到降低电击强度的效果；

S4.2、对于较高电位被感应物体向人体放电的电击现象，可以通过阻断线路与被感应物体之间的容性耦合作用来达到减缓电击的效果；

S4.3、在不改变墙体基本功能和外观的前提下，加强墙体的屏蔽作用；

S4.4、被感应物体维持一定数值的对地电容，保持对地绝缘或半绝缘；

S4.5、减小被感应物体的对地电阻等；

S4.6、针对实际典型稳态电击影响明显的场景，选取针对性抑制措施，分析抑制前后稳态电击变化情况；

S4.7、针对不同的抑制方法，进行经济性分析比较，提出不同场景下抑制方法的合理性建议。

具体地，综合以上分析方法，最终提出四种减缓或者消除稳态电击的技术方案，即架设屏蔽线方案、直接接地方案、嵌入式接地金属网方案和涂刷感应电防治涂料方案。

进一步地，通过减缓或消除稳态电击，从而达到减轻人体受到稳态电击的效果。

试验实施例

因人体表面皮肤的干燥情况会改变人体对地的等效电阻值，本实施例中对人体表面皮肤的状态作出以下四组对比实验：

实验1

人体表面皮肤干燥，相当于处在干燥场所的皮肤，其通电途径为单手-双脚。

实验2

人体表面皮肤潮，相当于处在潮湿场所的皮肤，通电途径为单手-双脚。

实验3

人体表面皮肤湿，相当于处在有水蒸气等特别潮湿场所的皮肤，通电途径为双手-双脚。

实验4

人体表面皮肤浸入水中，相当于处在游泳池中的情况，基本上等效为人体内电阻。

将上述四组实验在不同接触电压条件下进行人体电阻值对比分析，具体如下表所示：

由上表可以看出，本实施例的模拟型人体稳态电击分析方法，通过调节人体表面皮肤的干燥程度来改变人体的等效电阻值，可以给人体受到感应电的电击效果提供研究条件，根据实验结果，得出人体表面皮肤越干燥、人体对地电阻值越高的结论，从而可以提出保持表面皮肤干燥可以降低感应电击的预防策略，即人体表面皮肤潮湿时尽量避免接触线下被感应物体，尤其是金属制品，降低受到感应电击的概率和强度。

计算机程序产品实施例

参阅图8，示出了本实施例所涉及的提供一种模拟型人体稳态电击分析方法的执行装置结构示意图，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序。

处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与处理器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的模拟型人体稳态电击分析方法。

可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的模拟型人体稳态电击分析方法的步骤。

可选的，本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面模拟型人体稳态电击分析方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储与一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种模拟型人体稳态电击分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、对交流架空线路工频电场及线下构筑物感应电压进行计算研究；

S2、对线下人体电场、人体表面感应总电流计算及稳态电击进行评估研究；

S3、对典型场景下电击特征量进行测量及对人体感受进行试验研究；

S4、对不同电击抑制方法及经济性进行分析研究。

2.根据权利要求1所述的模拟型人体稳态电击分析方法，其特征在于：所述S1中，对交流架空线路工频电场及线下构筑物感应电压进行计算的方法包括如下步骤：

S1.1、基于有限元数值仿真方法和COMSOL工程软件，对输电线路、线下构筑物等多目标进行数值建模；

S1.2、根据仿真模型，设置计算空间的边界函数；

S1.3、对所选区域进行网格剖分，对线路等进行赋值计算，获得交流架空线路附近区域的工频电场；

S1.4、通过计算获取交流架空线下构筑物的感应电压。

3.根据权利要求2所述的模拟型人体稳态电击分析方法，其特征在于：所述S1.2中，空间的边界函数计算表达式为：

▽×E＝0；

▽·D＝ρ；

其中，令ρ为自由体电荷密度，将

代入上式，并考虑到D＝εE，可得：

其中，ε是介电常数，利用恒等式

可把上式表示为：

在介质均匀的区域，介电常数ε为常数，▽ε＝0，则上式可简化为：

上式在直角坐标系中的表达式即为：

4.根据权利要求2所述的模拟型人体稳态电击分析方法，其特征在于：所述S1.3中，工频电场强度矢量的表达式为：

其中，结合电位分布，即可求得各电位的电场强度矢量E。

5.根据权利要求2所述的模拟型人体稳态电击分析方法，其特征在于：所述S1.4中，构筑物的感应电压计算表达式为：

式中，U_d0为构筑物的感应电压，U_d为交流架空线路的运行电压，C_d0为交流架空线路对构筑物的电容，C₀为构筑物的对地电容。

6.根据权利要求1所述的模拟型人体稳态电击分析方法，其特征在于：所述S2中，对线下人体电场、人体表面感应总电流计算及稳态电击进行评估的方法包括如下步骤：

S2.1、在COMSOL工程软件中建立包括交流输电线路模型、人体模型的线下独立人体的有限元模型；

S2.2、经计算，得到人体内外部的电场强度和人体短路电流、开路电压等参数，并得出人体对输电***和对地的电容；

S2.3、根据以上参数建立电路计算模型，分别在人体绝缘与接地的情况下，求得交流输电接触线下物体时人体的电流密度的分布情况；

S2.4、通过计算人体电场、人体表面感应总电流等变量，并进行稳态电击的参数对比与分析，评价稳态电击情况。

7.根据权利要求6所述的模拟型人体稳态电击分析方法，其特征在于：所述S2.4中，人体内外部的电流密度计算表达式为：

人体内部电流密度：

J_i＝(σ+jwε)×E_i；

人体表面电流密度：

J_i＝ε₀ωE_s；

进而，人体表面总诱导电流为：

I_s＝ε₀ω∫E_sds；

其中，S为人体模型的表面积。

8.根据权利要求6所述的模拟型人体稳态电击分析方法，其特征在于：所述S2.5中，直立人体在工频电场中感应的总电流计算表达式为：

其中，I_sc为直立人体在工频电场中的感应总电流，即为短路电流，式中，H为人体模型的身高，E为工频电场强度，f为频率。

9.根据权利要求1所述的模拟型人体稳态电击分析方法，其特征在于：所述S3中，对典型场景下电击特征量进行测量及对人体感受进行试验的方法包括如下步骤：

S3.1、人体不接触被感应物体，利用电压探头和示波器测试人体未接触被感应物体时物体的空载电压；

S3.2、设置信号处理装置的相关参数，包括示波器的采样率、示波器触发方式和触发电平、示波器的采样时间等；

S3.3、连接测试回路；

S3.4、人体接触被感应物体进行稳态电击试验；

S3.5、人体与带电物体接触后，示波器被触发，自动记录电击发生前后采样时间段的人体表面电压、流经人体总电流波形、幅值等信息；

S3.6、检测结束，对波形数据进行后台处理计算流经人体总电流在人体内部产生的热能，并对比记录人体感受情况。

10.根据权利要求1所述的模拟型人体稳态电击分析方法，其特征在于：所述S4中，对不同电击抑制方法及经济性进行分析的方法包括如下步骤：

S4.1、对于较高电位人体向大地放电的电击现象，可以通过限制人体所处空间的电场强度，使人体的感应电位控制在一定水平之内，从而达到降低电击强度的效果；

S4.2、对于较高电位被感应物体向人体放电的电击现象，可以通过阻断线路与被感应物体之间的容性耦合作用来达到减缓电击的效果；

S4.3、在不改变墙体基本功能和外观的前提下，加强墙体的屏蔽作用；

S4.4、被感应物体维持一定数值的对地电容，保持对地绝缘或半绝缘；

S4.5、减小被感应物体的对地电阻等；

S4.6、针对实际典型电击影响明显的场景，选取针对性抑制措施，分析抑制前后电击变化情况；

S4.7、针对不同的抑制方法，进行经济性分析比较，提出不同场景下抑制方法的合理性建议。

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