高压交流输电线路下钢架大棚对人体电击效应的计算方法

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钢架大棚对人体电击效应的计算方法。

背景技术：

若一个导体在电场中处于悬空的状态，那该导体是对地绝缘的，同时，另有一个导体是接地的或者是同样对地绝缘且与前一个导体有不同的对地电位，在两导体接触的一瞬间，这两个导体之间的电位差就会形成一个冲击电流流过人体，造成电击。

这种由静电感应产生的电击可分为两类，一类为暂态电击，一类为稳态电击。暂态电击是指人接触受到物体的瞬间发生的电荷的转移，由暂态电流造成的电击。稳态电击是指人接触被感应物体后，由于被感应物体与高压带电体的电容耦合，产生流过人体的持续工频电流所造成的电击。

长期以来，由于超高压输电线所产生的电场干扰比较明显，人们对电场问题的研究已比较成熟，关于电场问题也有各种解法。目前，国内外关于输电线下人体所受电击的情况已有一定的研究。国内有一些学者用模拟电荷法计算并得到高压输电线下的电场分布和有人体存在时周围电场的畸变情况；用三维阻抗理论法计算输电线下人体内的诱导电流。但大多数的学者主要是对高压输电线下附近建筑物的电场畸变、特高压工频电磁场对人体影响的曝露限值进行研究。

当前对于人体暂态电击的计算问题，大多采用matlab编程计算或者simulink搭建仿真电路来完成。这些计算方法操作起来比较复杂，程序语言的编写和理解难度较大，不能直观的反映问题。而且这些方法在计算时忽略了一些不利条件，只能解决较为单一且理想化的实际问题，计算结果不够精确，也不方便修改线路或物体的位置等参数。因此设计一种建模简单、计算结果精确、应用广泛的高压交流输电线路下方钢架大棚对人体暂态电击的计算方法是十分有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高压交流输电线路下钢架大棚对人体电击效应的计算方法，建模简单、计算结果精确、应用广泛，利用有限元软件不同物理场的设定，可以得出稳态电击电流及暂态电击电流，计算得出的结果值准确且直观，对预防线下人体遭受钢架大棚的暂态电击具有一定指导意义。

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钢架大棚对人体电击效应的计算方法，包括以下步骤：

步骤1，建立高压交流输电线路下人体、钢架大棚的有限元模型，并计算感应电压：

根据实际物体的尺寸，在有限元软件中分别建立高压交流输电线路下人体、钢架大棚的有限元模型，设定人体、钢架大棚的计算参数，进行网格划分，通过有限元法计算人体、钢架大棚分别在高压交流输电线路下的感应电压；

步骤2，建立人体接触钢架大棚的有限元模型：

根据步骤1中建立的人体与钢架大棚的有限元模型，在有限元软件中建立人体接触钢架大棚的有限元模型；

步骤3，计算钢架大棚对人体的暂态电击效应：

根据步骤2中的人体接触钢架大棚的有限元模型，在频域场通过有限元法计算人体接触钢架大棚瞬间的暂态感应电压、感应电流密度，分析接触前后感应电量的变化情况，根据感应电流密度计算暂态电击电流，并根据暂态电击电流计算钢架大棚对人体的暂态放电能量；

步骤4，计算钢架大棚对人体的稳态电击效应：

根据步骤2中的人体接触钢架大棚的有限元模型，在稳态场通过有限元法计算人体接触钢架大棚瞬间的稳态感应电压、感应电流密度，分析接触前后感应电量的变化情况，根据感应电流密度计算稳态电击电流，并根据稳态电击电流计算钢架大棚对人体的稳态放电能量。

可选的，步骤1中所述人体、钢架大棚的计算参数包括人体的介电常数和电导率、钢架大棚的电阻率和介电常数。

可选的，步骤3中，根据感应电流密度计算暂态电击电流，并根据暂态电击电流计算钢架大棚对人体的暂态放电能量，具体为：

根据感应电流密度及人体总表面积通过下列公式计算暂态电击电流i：

i＝∫jsds(1)

式中j为人体的感应电流密度，s为人体总表面积，根据暂态电击电流i计算钢架大棚对人体的暂态放电能量w为：

式中r为人体电阻，t为暂态电击时间。

可选的，步骤3中，根据感应电流密度计算稳态电击电流，并根据稳态电击电流计算钢架大棚对人体的稳态放电能量，具体为：

根据感应电流密度及人体总表面积通过下列公式计算稳态电击电流i：

i＝∫jsds(3)

式中j为人体的感应电流密度，s为人体总表面积，根据稳态电击电流i计算钢架大棚对人体的稳态放电能量w为：

式中r为人体电阻，t为稳态电击时间。

可选的，步骤1中所述进行网格划分，具体为：

建立高压交流输电线路下人体和钢架大棚的有限元模型，在求解区域外围，额外建立一层区域，紧贴求解区域，并附加无限单元，用于实现加速工频电磁场衰减，提高计算的精度和效率，网格采用自由四面体网格，将导线、人体、钢架大棚及空气的电阻率或电导率和介电常数分别赋给相应的模型，对交流输电线路导线、人体、钢架大棚均建立单独的分割区域，用于提高计算精度和计算速度。

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钢架大棚对人体电击效应的计算方法，建模简单、计算结果精确、应用广泛，利用有限元软件不同物理场的设定，可以得出稳态电击电流及暂态电击电流，计算得出的结果值准确且直观，对预防线下人体遭受钢架大棚的暂态电击具有一定指导意义，模型参数便于调节，可以得出不同情况的对比值；使用comsol软件建立人体和钢架大棚的有限元模型，并通过有限元法计算出人体与钢架大棚在输电线路下的感应电压；建立人体接触钢架大棚的有限元模型，在频域场中通过有限元法计算人体接触钢架大棚瞬间的暂态感应电压、感应电流密度，在稳态场中通过有限元法计算人体接触钢架大棚后的稳态感应电压、感应电流密度，计算出暂态电击电流及稳态电击电流，计算出的结果准确直观；在建立模型后，在求解区域外围，额外建立一层区域紧贴求解区域，附加无限单元，以达到加速工频电磁场衰减的作用，提高计算的精度和效率；采用自由四面体网格，将导线、人体、钢架大棚和空气的电阻率、相对介电常数分别附给相应模型，在网格划分时对每根导线、人体、钢架大棚均建立单独的分割区域，可以提高计算精度和计算速度。

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钢架大棚对人体电击效应的计算方法流程框图；

图2为人体简化模型结构示意图；

图3为钢架大棚简化模型结构示意图；

图4为网格剖分图；

图5为线下人体感应电压分布图；

图6为线下大棚感应电压分布图；

图7为线下人体接触大棚的稳态感应电压分布图；

图8为线下人体接触大棚的稳态感应电流密度分布图；

图9为线下人体接触大棚的暂态感应电压分布图；

图10为线下人体接触大棚的暂态感应电流密度分布图。

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钢架大棚对人体电击效应的计算方法，建模简单、计算结果精确、应用广泛，利用有限元软件不同物理场的设定，可以得出稳态电击电流及暂态电击电流，计算得出的结果值准确且直观，对预防线下人体遭受钢架大棚的暂态电击具有一定指导意义。

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所示，本发明实施例提供的高压交流输电线路下钢架大棚对人体电击效应的计算方法，包括如下步骤：

步骤1，建立高压交流输电线路下人体、钢架大棚的有限元模型，并计算感应电压：

根据实际物体的尺寸，在有限元软件中分别建立高压交流输电线路下人体、钢架大棚的有限元模型，设定人体、钢架大棚的计算参数，进行网格划分，通过有限元法计算人体、钢架大棚分别在高压交流输电线路下的感应电压；

步骤2，建立人体接触钢架大棚的有限元模型：

根据步骤1中建立的人体与钢架大棚的有限元模型，在有限元软件中建立人体接触钢架大棚的有限元模型；

步骤3，计算钢架大棚对人体的暂态电击效应：

根据步骤2中的人体接触钢架大棚的有限元模型，在频域场通过有限元法计算人体接触钢架大棚瞬间的暂态感应电压、感应电流密度，分析接触前后感应电量的变化情况，根据感应电流密度计算暂态电击电流，并根据暂态电击电流计算钢架大棚对人体的暂态放电能量；

步骤4，计算钢架大棚对人体的稳态电击效应：

根据步骤2中的人体接触钢架大棚的有限元模型，在稳态场通过有限元法计算人体接触钢架大棚瞬间的稳态感应电压、感应电流密度，分析接触前后感应电量的变化情况，根据感应电流密度计算稳态电击电流，并根据稳态电击电流计算钢架大棚对人体的稳态放电能量。

步骤1中所述人体、钢架大棚的计算参数包括人体的介电常数和电导率、钢架大棚的电阻率和介电常数。

步骤3中，根据感应电流密度计算暂态电击电流，并根据暂态电击电流计算钢架大棚对人体的暂态放电能量，具体为：

根据感应电流密度及人体总表面积通过下列公式计算暂态电击电流i：

i＝∫jsds(1)

式中j为人体的感应电流密度，s为人体总表面积，根据暂态电击电流i计算钢架大棚对人体的暂态放电能量w为：

式中r为人体电阻，t为暂态电击时间。

步骤3中，根据感应电流密度计算稳态电击电流，并根据稳态电击电流计算钢架大棚对人体的稳态放电能量，具体为：

根据感应电流密度及人体总表面积通过下列公式计算稳态电击电流i：

i＝∫jsds(3)

式中j为人体的感应电流密度，s为人体总表面积，根据稳态电击电流i计算钢架大棚对人体的稳态放电能量w为：

式中r为人体电阻，t为稳态电击时间。

步骤1中所述进行网格划分，具体为：

建立高压交流输电线路下人体和钢架大棚的有限元模型，在求解区域外围，额外建立一层区域，紧贴求解区域，并附加无限单元，用于实现加速工频电磁场衰减，提高计算的精度和效率，网格采用自由四面体网格，将导线、人体、钢架大棚及空气的电阻率或电导率和介电常数分别赋给相应的模型，对交流输电线路导线、人体、钢架大棚均建立单独的分割区域，用于提高计算精度和计算速度。

本发明的一个实施例为：以1000kv特高压交流同塔双回输电线路为例，其中导线型号为8*lgj-630/45，输电线路的相序排列方式为逆相序排列，线路以80m为一个档距；将输电线路的弧垂参数考虑在内，自上向下每项导线的弧垂参数设置为6m、7m和7m，上相导线架设点高度为82.5m，中相导线架设点高度为61.5m，下相导线架设点高度为39.5m，上相、中相和下相导线间距分别为31m、40m和36m。本实施例的具体步骤包括：

1、线下人体和钢架大棚感应电压的计算：

1)人体模型的建立：

使用comsol软件建立高压交流输电线路下人体与钢架大棚的有限元模型，其中人体按照实际人体等比例简化，如图2所示，人体头部为圆球体，颈部为圆柱体，身体为矩形，手臂和腿部均为圆柱体，人体的总高度为170cm，人体的计算参数主要表现为介电常数和电导率，设置人体相对介电常数为1*106，电导率为0.05s/m。

2)钢架大棚模型的建立：

如图3所示，线下钢架大棚选用常见的种植用钢架大棚，宽为8m，边侧高度为1.8m，最高点为4.8m，钢架大棚的电气参数主要为外壳钢制材料的电阻率和介电常数，设置电阻率为1*10⁵，相对介电常数为1。

3)线下感应电压的仿真计算：

建立模型后，在求解区域外围，额外建立一层区域紧贴求解区域，并附加无限单元，以达到加速工频电磁场衰减的作用，提高计算的精度和效率；进行网格划分时先给建立好的模型定义单元，本实施例采用自由四面体网格，将导线、人体、钢架大棚和空气的2个参数(电阻率或电导率、相对介电常数)分别附给相应的模型，在网格划分时对每根导线、人体、钢架大棚均建立单独的分割区域，可以提高计算精度和计算速度，其中网格剖分示意图如图4所示。

如图5-6所示，通过有限元软件计算得出1000kv交流输电线路下方人体和钢架大棚的感应电压，其中1000kv交流输电线路下方人体和钢架大棚感应电压最大值如表1所示，

表1线下人体、大棚感应电压

2、人体接触钢架大棚的暂态电击电流及稳态电击电流的计算：

在有限元软件中建立人体接触钢架大棚的有限元模型，将人体手部与钢架大棚的表面设置成接触面，通过稳态场和频域场分别对人体接触钢架大棚的有限元模型进行计算，如图7-10所示，得出1000kv交流输电线路下方人体接触钢架大棚的电击效应，对结果进行处理和进一步计算，得出1000kv交流输电线路下方人体接触钢架大棚时的电击电流及电量如表2所示。

表2线路下方人体接触钢架大棚时的电击电流及电量

本发明提供的高压交流输电线路下钢架大棚对人体电击效应的计算方法，建模简单、计算结果精确、应用广泛，利用有限元软件不同物理场的设定，可以得出稳态电击电流及暂态电击电流，计算得出的结果值准确且直观，对预防线下人体遭受钢架大棚的暂态电击具有一定指导意义，模型参数便于调节，可以得出不同情况的对比值；使用comsol软件建立人体和钢架大棚的有限元模型，并通过有限元法计算出人体与钢架大棚在输电线路下的感应电压；建立人体接触钢架大棚的有限元模型，在频域场中通过有限元法计算人体接触钢架大棚瞬间的暂态感应电压、感应电流密度，在稳态场中通过有限元法计算人体接触钢架大棚后的稳态感应电压、感应电流密度，计算出暂态电击电流及稳态电击电流，计算出的结果准确直观；在建立模型后，在求解区域外围，额外建立一层区域紧贴求解区域，附加无限单元，以达到加速工频电磁场衰减的作用，提高计算的精度和效率；采用自由四面体网格，将导线、人体、钢架大棚和空气的电阻率、相对介电常数分别附给相应模型，在网格划分时对每根导线、人体、钢架大棚均建立单独的分割区域，可以提高计算精度和计算速度。

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。