两相断线接地下计及人体过渡电阻的生物安全测评系统及方法与流程

本发明属于电力系统接地技术领域，具体涉及两相断线接地下计及人体过渡电阻的生物安全测评系统及方法。

背景技术：

随着电网建设的飞速发展，线路杆塔在人员活动密集性地地带的数量增加，当配电线路发生断线接地故障时，对附近居民因而造成的触电伤害时常发生，如：海南电网9.17事故、云南电网7.30断线事故等。其中7.30涉电安全事故发生于临沧市永德县小勐统镇等，该镇某配电线路因220v相线断线落地而致使4名村民死亡。由此可见跨步电压会对人体造成较大的危害，轻则烧伤皮肤、器官等，留下伤痕，情况严重时过大的电流会造成生命危险。此外跨步电压与故障电流、土壤表层的电阻率、人体触电位置以及电流持续时间有密切关系，在发生断线故障时，为确保居民及工作人员的人生安全，开发一套计及人体过渡电阻的生物安全测评系统显得尤为重要。

针对跨步电压而言，已有的研究基本注重于输电线路防雷以及变电站和输电杆塔过电压接地的仿真和计算等方面，而缺乏对配电网断线接地故障全面系统的风险测试评估技术，更没有与之配套地的生物安全测评系统。因此，为确保居民及工作人员的人生安全，开发了一套针对发生两相断线接地情况下，计及人体过渡电阻的生物安全测评系统，这将加强对不同电压等级配电网断线接地故障的安全测评，并且为制定相关安全警示和绝缘防护措施意见，提供坚实基础，更是为今后提高配电网线路的安全运行提供的重要保障。

技术实现要素：

本发明的目的是提供两相断线接地下计及人体过渡电阻的生物安全测评系统及方法，对配电网发生两相断线接地故障时，进行安全测评，为制定相关安全警示和绝缘防护措施意见，提供坚实基础。

实现本发明目的的技术方案如下：

两相断线接地下计及人体过渡电阻的生物安全测评系统，包括电源模块(31)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(19)和数据分析模块(20)；

所述电源模块(31)包括依次连接的工频电源(1)、整流器(2)、逆变器(3)和变压器(4)；

所述实验箱(19)包括上端搭载的线路模块(32)和下端搭载的跨步电压测试模块(33)；

所述线路模块(32)包括a相线路(5)、b相线路(6)、c相线路(7)和三相负载(16)；三相负载(16)为rlc负载；变压器(4)的三相出线分别连接到a相线路(5)、b相线路(6)和c相线路(7)的输入端；a相线路(5)包括依次连接的线路电阻一(8)、线路电阻四(12)和负载变压器(15)的a相变压单元，a相变压单元输出端连接到三相负载(16)；b相线路(6)包括依次连接的线路电阻二(9)、线路电阻五(13)和负载变压器(15)的b相变压单元，线路电阻二(9)的输入端为b相线路(6)的输入端，线路电阻二(9)的输出端连接到断线模拟器b(21)的输入导线b(201)，断线模拟器b(21)的输出导线b(202)连接到线路电阻五(13)的输入端，线路电阻五(13)的输出端连接到b相变压单元的输入端，b相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；c相线路(7)包括线路电阻三(10)、线路电阻六(14)和负载变压器(15)的c相变压单元，线路电阻三(10)的输入端为c相线路(7)的输入端，线路电阻三(10)的输出端连接到断线模拟器c(11)的输入导线c(101)，断线模拟器c(11)的输出导线c(102)连接到线路电阻六(14)的输入端，线路电阻六(14)的输出端连接到c相变压单元的输入端，c相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；

所述断线模拟器c(11)包括电流传感器一(104)、电流传感器二(105)、电流传感器三(106)、高压开关一(107)、高压开关二(108)、高压开关三(109)、电流采集装置c(113)、开关动作判断装置c(114)、中央处理器c(115)和无线收发装置c(116)；断线模拟器c(11)的输入导线c(101)、输出导线c(102)和接地导线c(103)分别连接到高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输入端，高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输出端相互连接；电流传感器一(104)、电流传感器二(105)和电流传感器三(106)分别套装在断线模拟器c(11)的输入导线c(101)、输出导线c(102)和接地导线c(103)，其输出端均连接到电流采集装置c(113)；高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)，继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)均连接到开关动作判断装置c(114)；电流采集装置c(113)和开关动作判断装置c(114)连接到中央处理器c(115)，中央处理器c(115)通过无线收发装置c(116)连接到数据分析模块(20)；

所述断线模拟器b(21)包括电流传感器四(204)、电流传感器五(205)、电流传感器六(206)、高压开关四(207)、高压开关五(208)、高压开关六(209)、电流采集装置b(213)、开关动作判断装置b(214)、中央处理器b(215)和无线收发装置b(216)；断线模拟器b(21)的输入导线b(201)、输出导线b(202)和接地导线b(203)分别连接到高压开关四(207)、高压开关五(208)和高压开关六(209)的输入端，高压开关四(207)、高压开关五(208)和高压开关六(209)的输出端相互连接；电流传感器四(204)、电流传感器五(205)和电流传感器六(206)分别套装在断线模拟器b(21)的输入导线b(201)、输出导线b(202)和接地导线b(203)，其输出端均连接到电流采集装置b(213)；高压开关四(207)、高压开关五(208)和高压开关六(209)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器四(210)、继电器五(211)和继电器六(212)，继电器四(210)、继电器五(211)和继电器六(212)均连接到开关动作判断装置b(214)；电流采集装置b(213)和开关动作判断装置b(214)连接到中央处理器b(215)，中央处理器b(215)通过无线收发装置b(216)连接到数据分析模块(20)；

所述跨步电压测试模块(33)包括模拟地面(17)和电压测量机器人(18)；模拟地面(17)由均匀布置的土壤填充，同时与断线模拟器c(11)的接地导线c(103)、断线模拟器b(21)的接地导线b(203)紧密接触；电压测量机器人(18)位于模拟地面(17)上，并无线连接到数据分析模块(20)。

上述测评系统的测评方法，包括以下步骤：

第一步、模拟输电线路两相断线接地故障并进行电压测试，设定故障电流持续时间ts；电流传感器三(106)、电流传感器六(206)分别采集接地导线c(103)、接地导线b(203)的入地电流，并分别通过无线收发装置c(116)、无线收发装置b(216)无线传输到数据分析模块(20)；通过数据分析模块(20)控制电压测量机器人(18)测量不同电压测试点的跨步电压以及电压测试点分别到接地导线c(203)、接地导线b(103)的距离，并无线传输至数据分析模块(20)；

第二步、由下式计算每个电压测试点跨步电压理论值：

式中，uti(g)表示第i个电压测试点的跨步电压理论计算值，riq为第i个电压测试点到接地导线的距离，当q＝1时，ri1为第i个电压测试点到接地导线b(203)的距离，当q＝2时，ri2为第i个电压测试点到接地导线c(103)的距离，n为电压测试点个数，iq为所测量得到的接地导线入地电流幅值，当q＝1时，i1为所测量得到的接地导线b(203)入地电流幅值，当q＝2时，i2为所测量得到的接地导线c(103)入地电流幅值，rb为人体电阻，ρ为实验箱中土壤电阻率，s为跨步距离，r0＝ρ/(4b)为接触电阻，b为等效接地半径，g为计及接触电阻的高斯误差系数，η为积分变量；

第三步：采用粒子群优化算法对跨步电压公式进行建模优化，使跨步电压理论计算值与实测值误差最小的g值，步骤如下：

a)生成具有均匀分布的粒子和速度的初始总体，设置停止条件；

b)按照式(2)计算每个粒子位置的目标函数值：

式中，f(g)表示目标函数，ufi表示第i个电压测试点的跨步电压测量值；

c)更新每个粒子的个体历史最优位置与整个群体的最优位置；

d)更新每个粒子的速度和位置；

e)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第2)步；

f)根据优化得出计及接触电阻的高斯误差系数的最优值g0代入式(3)，得到优化后的理论公式：

式中，ut表示优化后跨步电压的理论计算值；rq为电压测试点到接地导线的距离，当q＝1时，r1为电压测试点到接地导线b(203)的距离，当q＝2时，r2为电压测试点到接地导线c(103)的距离；

第四步、根据故障电流持续时间ts计算人体能承受的最大跨步电压限值u，并划分危险等级：

数据分析模块(20)依据式(4)计算人体能承受的最大跨步电压限值u，依据规则进行危险等级划分：当ut<u时，为安全；当ut≥u时，为危险。

本发明的有益效果在于：

1)针对两相断线接地故障情况下，对生物体进行安全测评，保障人身安全；

2)能够模拟配网线路发生两相断线接地故障，进而对故障情况进行反演；

3)该生物安全测评系统考虑了人体的过渡电阻，包括接触电阻与人体电阻，更接近于模拟真实情况。

附图说明

图1a)、图1b)、图1c)是本发明中的生物安全测评系统的总体结构示意图；

图2是本发明中生物安全测评的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

由图1、图2可知本发明开发的生物安全测评系统以及测评流程，包括如下步骤：

第一步：构建一种两相线路断线接地下计及人体过渡电阻的生物安全测评系统，主要由电源模块(31)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(19)、数据分析模块(20)组成；

所述电源模块(31)由工频220v电源(1)、整流器(2)、逆变器(3)和变压器(4)组成，其各部分通过单根导线连接；工频220v电源(1)为220v市电，整流器(2)将单相交流电整流为直流电，逆变器(3)将直流电逆变为三相交流电，通过变压器(4)可以改变实验系统所需电压等级；

所述实验箱(19)上端搭载了线路模块(32)，下端搭载了跨步电压测试模块(33)，实验箱(19)下端面开口，其余面由透明亚克力绝缘板搭建；

所述线路模块(32)包括a相线路(5)、b相线路(6)、c相线路(7)和三相负载(16)；三相负载(16)为rlc负载；变压器(4)的三相出线分别连接到a相线路(5)、b相线路(6)和c相线路(7)的输入端；a相线路(5)包括依次连接的线路电阻一(8)、线路电阻四(12)和负载变压器(15)的a相变压单元，a相变压单元输出端连接到三相负载(16)；b相线路(6)包括依次连接的线路电阻二(9)、线路电阻五(13)和负载变压器(15)的b相变压单元，线路电阻二(9)的输入端为b相线路(6)的输入端，线路电阻二(9)的输出端连接到断线模拟器b(21)的输入导线b(201)，断线模拟器b(21)的输出导线b(202)连接到线路电阻五(13)的输入端，线路电阻五(13)的输出端连接到b相变压单元的输入端，b相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；c相线路(7)包括线路电阻三(10)、线路电阻六(14)和负载变压器(15)的c相变压单元，线路电阻三(10)的输入端为c相线路(7)的输入端，线路电阻三(10)的输出端连接到断线模拟器c(11)的输入导线c(101)，断线模拟器c(11)的输出导线c(102)连接到线路电阻六(14)的输入端，线路电阻六(14)的输出端连接到c相变压单元的输入端，c相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；

所述断线模拟器c(11)包括电流传感器一(104)、电流传感器二(105)、电流传感器三(106)、高压开关一(107)、高压开关二(108)、高压开关三(109)、电流采集装置c(113)、开关动作判断装置c(114)、中央处理器c(115)和无线收发装置c(116)；断线模拟器c(11)的输入导线c(101)、输出导线c(102)和接地导线c(103)分别连接到高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输入端，高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输出端相互连接；电流传感器一(104)、电流传感器二(105)和电流传感器三(106)分别套装在断线模拟器c(11)的输入导线c(101)、输出导线c(102)和接地导线c(103)，其输出端均连接到电流采集装置c(113)；高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)，继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)均连接到开关动作判断装置c(114)；电流采集装置c(113)和开关动作判断装置c(114)连接到中央处理器c(115)，中央处理器c(115)通过无线收发装置c(116)连接到数据分析模块(20)；

所述断线模拟器b(21)包括电流传感器四(204)、电流传感器五(205)、电流传感器六(206)、高压开关四(207)、高压开关五(208)、高压开关六(209)、电流采集装置b(213)、开关动作判断装置b(214)、中央处理器b(215)和无线收发装置b(216)；断线模拟器b(21)的输入导线b(201)、输出导线b(202)和接地导线b(203)分别连接到高压开关四(207)、高压开关五(208)和高压开关六(209)的输入端，高压开关四(207)、高压开关五(208)和高压开关六(209)的输出端相互连接；电流传感器四(204)、电流传感器五(205)和电流传感器六(206)分别套装在断线模拟器b(21)的输入导线b(201)、输出导线b(202)和接地导线b(203)，其输出端均连接到电流采集装置b(213)；高压开关四(207)、高压开关五(208)和高压开关六(209)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器四(210)、继电器五(211)和继电器六(212)，继电器四(210)、继电器五(211)和继电器六(212)均连接到开关动作判断装置b(214)；电流采集装置b(213)和开关动作判断装置b(214)连接到中央处理器b(215)，中央处理器b(215)通过无线收发装置b(216)连接到数据分析模块(20)；

所述跨步电压测试模块(33)通过接地导线c(103)与断线模拟器c(11)相连，接地导线b(203)与断线模拟器b(21)相连，并由模拟地面(17)和电压测量机器人(18)组成，接地导线c(103)、接地导线b(203)都与模拟地面(17)紧密接触；模拟地面(17)由均匀布置的土壤填充，电压测量机器人(18)为远程操控可移动的真实人体比例模型，内部设有等值电阻用于模拟人体电阻和接触电阻，同时还具备距离传感器，因相关机器人技术已很成熟，更为具体的内部结构不再赘述；电压测量机器人(18)在模拟地面(17)范围内移动，并将测量到的跨步电压和测试点分别与接地导线c(103)、接地导线b(203)的距离数据无线传输至数据分析模块(20)。

第二步：利用一种两相线路断线接地下计及人体过渡电阻的生物安全测评系统，进行生物安全测评，包括以下步骤：

1)模拟输电线路两相断线接地故障：

使用数据分析模块(20)控制模拟断路器c(11)的高压开关一(107)和高压开关二(108)导通、高压开关三(109)断开，并控制模拟断路器b(21)的高压开关四(207)和高压开关五(208)导通、高压开关六(209)断开，然后打工频电源(1)，通过数据分析模块监测电流传感器一(104)、电流传感器二(105)、电流传感器四(204)和电流传感器五(205)所测量的电流波形，待判别波形稳定后，使用数据分析模块(20)发出电源侧断线接地信号，通过无线收发装置c(116)、无线收发装置b(216)将信号分别传输到中央处理器c(115)、中央处理器b(215)，随后开关动作判断装置c(114)、开关动作判断装置b(214)分别控制继电器二(111)、继电器五(211)动作使得高压开关二(108)、高压开关五(208)断开，并控制继电器三(112)、继电器六(212)分别使得高压开关三(109)、高压开关六(209)导通，并设定故障电流持续时间ts，单位为s；利用电流传感器三(106)、电流传感器六(206)分别采集接地导线c(103)、接地导线b(203)的入地电流，并分别通过无线收发装置c(116)、无线收发装置b(216)无线传输到数据分析模块(20)；通过数据分析模块(20)控制电压测量机器人(18)测量不同电压测试点的跨步电压以及电压测试点分别到接地导线c(203)、接地导线b(103)的距离，并无线传输至数据分析模块(20)；

2)由下式计算每个测试点跨步电压理论值：

式中，uti(g)表示第i个电压测试点的跨步电压理论计算值，单位为v；riq为第i个电压测试点到接地导线的距离，单位为m，当q＝1时，ri1为第i个电压测试点到接地导线b(203)的距离，当q＝2时，ri2为第i个电压测试点到接地导线c(103)的距离；n为电压测试点个数；iq为所测量得到的接地导线入地电流幅值，单位为a，当q＝1时，i1为所测量得到的接地导线b(203)入地电流幅值，当q＝2时，i2为所测量得到的接地导线c(103)入地电流幅值，rb＝1000(ω)为人体电阻；ρ为实验箱中土壤电阻率，s＝0.8(m)为跨步距离，r0＝ρ/(4b)为接触电阻，b＝0.08(m)为等效接地半径，g为计及接触电阻的高斯误差系数，η为积分变量；

3)采用粒子群优化算法对跨步电压公式进行建模优化，计算出使跨步电压理论值与实测值误差最小的g值，步骤如下：

a)生成具有均匀分布的粒子和速度的初始总体，设置停止条件；

b)按照式(6)计算每个粒子位置的目标函数值：

式中，f(g)表示目标函数，ufi表示第i个电压测试点的跨步电压测量值；

c)更新每个粒子的个体历史最优位置与整个群体的最优位置；

d)更新每个粒子的速度和位置；

e)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第b)步；

f)根据优化得出计及接触电阻的高斯误差系数的最优值g0代入式(7)，得到优化后的理论公式：

式中，ut表示优化后跨步电压的理论计算值；rq为电压测试点到接地导线的距离，当q＝1时，r1为电压测试点到接地导线b(203)的距离，当q＝2时，r2为电压测试点到接地导线c(103)的距离，单位为m；

4)根据故障电流持续时间ts计算人体能承受的最大跨步电压限值u，并划分危险等级：

数据分析模块(20)依据式(8)计算人体能承受的最大跨步电压限值u，依据规则进行危险等级划分：当ut<u时，为安全；当ut≥u时，为危险。