一种基于漏电安全的电炉短网冷却水系统设计方法与流程

本发明属于电气设计及安装技术领域，具体涉及一种基于漏电安全的电炉短网冷却水系统设计方法。

背景技术：

矿用电炉通过短网将变压器低压出线端与电炉的电极连接，由于流经短网的电流非常大(20ka以上)，因此短网上产生的热量也是非常惊人的。设计中我们一般会选用铜管作为短网，除了考虑到经济性外，便于冷却也是一个重要的因素。常用的铜管短网冷却方法是直接将自来水或脱盐水通过加压泵打入短网，并回收于一个集水池中，再通过换热器或其他散热方式将短网的热量带走。

铜管短网是裸铜导体，在与冷却水直接接触时，由于冷却水中有一定量的电解质，因此，将会在冷却水的引入/引出管(绝缘橡胶管)内产生一定的泄漏电流。当泄露电流足够大时，如果人体触摸到冷却水或集水池，可能造成触电危险。因此，在进行冷却水系统设计时，冷却水系统的漏电计算是非常必要的。通常三相变压器的低压出线端是三角形接线的，无中性线输出，因此，许多设计人员认为这样的接线是安全的，往往不进行冷却水系统泄露电流的计算。实际上，共用的集水池使得不同相之间具有了电气连接，电流是通过这种方式实现泄露的。当人体触摸到冷却水或集水池时，必然要承受一定的泄露电流及电压。

泄漏电流的大小主要取决于冷却水系统的电阻，电阻与电阻率及水管的截面积和长度有关。我们需要设计一个电阻足够大的冷却水系统，使得即便人体直接触摸集水池，在人体上的分压及漏电流也不会对人体造成危害。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新的设计方法，可以实现当人体直接接触集水池时，作用于人体上的电位差及泄露电流，对人体来讲是电气安全的。

本发明采取的技术方案是：

一种基于漏电安全的电炉短网冷却水系统设计方法，包括以下步骤：

s1：绘制短网冷却系统及人体触摸集水池的示意图，并标注各部位电阻符号；

s2：根据s1示意图，绘制以a、b相为例的等效电路图，并标注各部位电阻符号；

s3：对s2绘制的等效电路图进行电阻转化计算；

s4：计算作用于人体上的电位差及泄露电流；

s5：将s4计算的结果与安全电压及安全电流进行比较，当满足要求时结束计算；当不满足要求时，修正s2中水管参数，重复s2以后各步，直到满足要求为止。

优选的，s1中，各部位电阻符号为：

a相进水管等效电阻为r1a，a相短网等效电阻为r2a，a相回水管等效电阻为r3a；

b相进水管等效电阻为r1b，b相短网等效电阻为r2b，b相回水管等效电阻为r3b；

水池内冷却水等效电阻为rc，水池金属壁等效电阻为rb，人体等效电阻为rr。

优选的，s2中，等效电路中，输入电压为a相和b相的电压差uab，负载为串联的ra、rbcr、rb，其中：

ra＝r1a//(r2a+r3a)_rb＝r1b//(r2b+r3b)

rbcr＝rb//rc//rr。

优选的，s4中，人体上的电位差ur和泄露电流ir分别通过下式获得：

ur＝uab*rbcr/(ra+rb+rbcr)；

ir＝ibcr-ibc＝uab/(ra+rb+rbcr)-ur/rbc；

其中，rbc＝rb//rc。

优选的，s5中，通过增大水管电阻修正水管参数。

本发明的有益效果是：通过预设冷却水系统的参数，绘制出短网冷却水系统及人体触摸集水池示意图中各部位的电阻，计算出施加于人体的电位差及流经人体的泄露电流，以确定预设冷却水系统对于人体是否电气安全的。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是短网冷却系统示意图(以a相为例)

图2是基于图1的等效电路图(以a、b两相为例)

图3是在图2的基础上的电阻转化图

图4是在图3的基础上的电阻转化图

附图标记如下：

ua-短网a相电位；ub-短网b相电位；uab-短网a、b相间电位差；

r1a-a相进水管等效电阻；r2a-a相短网等效电阻；r3a-a相回水管等效电阻；

r1b-b相进水管等效电阻；r2b-b相短网等效电阻；r3b-b相回水管等效电阻；

rc-水池内冷却水等效电阻；rb-水池金属池壁等效电阻；rr-人体等效电阻；

ir-流过人体的电流；ur-施加在人体上的电压。

具体实施方式

一、下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

s1.图1以a相为例，绘制短网冷却系统及人体触摸集水池的示意图，并标注各部位电阻符号：冷却水进水管内水的等效电阻为r1a，短网的等效电阻为r2a，冷却水回水管内水的等效电阻为r3a，金属集水池池壁的等效电阻为rb，集水池内水的等效电阻为rc，人体等效电阻为rr。

s2.图2是基于图一绘制出等效的电路图。由于三相矿用电炉变压器的接线组别为y,d11型，无论a相还是b/c相与大地之间均无直接的电的联系(忽略电容电流)，图2以a、b相为例。图2增加了b相短网及冷却水系统的等效电阻：假设冷却水进水管内水的等效电阻为r1b，短网的等效电阻为r2b，冷却水回水管内水的等效电阻为r3b。我们接下来的主要目的是通过等效电路的转化，计算出人体等效电阻rr两端的电位差ur及流过它的电流ir。

s3.图3和图4是将图2的电路图的等效电路，计算各电阻的等效电阻：

3.1冷却水的等效电阻：ρ水.l/s

其中：

ρ水为冷却水电阻率(ohm.mm²/m)，可以通过水务公司发布的数据中得到。一般来讲一级自来水为10000，二级为1000，三级为200，计算时可根据实际需要选用。

l为水管的有效长度(m)，不含插入集水池的部分。

s为水管内腔截面积(mm²)，若d为管内径，则s＝3.14×(d/2)²

3.2lc为水池内冷却水的有效深度(m)，vc为水池内冷却水的有效体积(m³)，冷却水的等效面积(m²)sc＝vc/lc，水池内冷却水的等效电阻(ohm)rc＝ρ水.lc/sc。

3.3通过管状短网外径d2及内径d2，，计算出短网的实际截面积(mm²)s＝3.14×(d2/2)²-3.14×(d2，/2)²，短网有效长度(m)l，铜质短网的电阻率ρ铜取0.017593。根据以上数据分别计算出a相及b相短网等效电阻(ohm)r2＝ρ铜.l/s。

3.4正方形铁质集水池池壁高(m)lb，池壁周长(m)lb’(可自3.2条计算得出)，壁厚(mm)lb”，池壁等效截面积(mm²)sb≈1000×lb’×lb”，池壁等效电阻率ρ铁取0.0978，池壁等效电阻rb＝ρ铁.lb/sb。

3.5基于gb/t13870.1中400v接触电压数据，人体综合电阻(ohm)rr取700。

s4.电流及电压计算

4.1根据电炉参数，查出短网a/b相间最大电压(v)uab

4.2等效回路电阻进行如下转化：

ra＝rb＝(r2a+r3a)//r1a

rbc＝rc//rb

rbcr＝rc//rb//rr

回路总电阻r＝ra+rb+rbc//rr

4.3人体接触电压(mv)ur＝uab.rbcr/r，该数据与人体安全电压(取16v)进行比较。

4.4流过rbc的电流(ma)ibc＝ur/rbc

4.5人体纵向泄露电流(ma)ir＝ibcr-ibc，该数据与人体安全电流(取30ma)进行比较。

s5.s4.3中得到的人体接触电压数据与人体安全电压(取16v)进行比较；s4.5中得到的人体纵向泄露电流数据与人体安全电流(取30ma)进行比较。

如果满足要求时结束计算；如果经过计算后人体的接触电压或人体纵向泄露电流不满足人体安全数据，通过调整冷却水管的长度的办法解决(重复s2以后各步，直到满足要求为止)。

以三级自来水，进水管2m，回水管5m，管内径65mm为条件，进行的实际计算：

3.1冷却水的等效电阻：ρ水.l/s

其中：

ρ水为冷却水电阻率(ohm.mm²/m)＝200。

进水管的有效长度(m)＝2。

回水管的有效长度(m)＝5。

s为水管内腔截面积(mm²)，若d为管内径＝65，则s＝3.14×(d/2)²＝3316.625。则：

进水管等效电阻(ohm)r1a＝r1b＝ρ水*l/s＝0.12；

回水管等效电阻(ohm)r3a＝r3b＝ρ水*l/s＝0.30。

3.2lc为水池内冷却水的有效深度(m)＝1，vc为水池内冷却水的有效体积(m³)＝3，冷却水的等效面积(m²)sc＝vc/lc＝3，水池内冷却水的等效电阻(ohm)rc＝ρ水.lc/sc＝6.67e-5。

3.3通过管状短网外径d2＝90及内径d2＝60，计算出短网的实际截面积(mm²)s＝3.14×(d2/2)²-3.14×(d2，/2)²＝3532.5，短网有效长度(m)l，铜质短网的电阻率ρ铜取0.017593。根据以上数据分别计算出a相及b相短网等效电阻(ohm)r2＝ρ铜.l/s＝4.98e-05。

3.4正方形铁质集水池池壁高(m)lb＝1.5，池壁周长(m)lb’(可自3.2条计算得出)＝3.46，壁厚(mm)lb”＝5，池壁等效截面积(mm²)sb≈1000×lb’×lb”＝17320.51，池壁等效电阻率ρ铁取0.0978，池壁等效电阻rb＝ρ铁.lb/sb＝8.47e-06。

3.5基于gb/t13870.1中400v接触电压数据，人体综合电阻(ohm)rr取700。

s4.电流及电压计算

4.1根据电炉参数，查出短网a/b相间最大电压(v)uab＝420

4.2等效回路电阻进行如下转化：

ra＝rb＝(r2a+r3a)//r1a＝0.09

rbc＝rc//rb＝7.51e-06

rbcr＝rc//rb//rr＝7.51e-06

回路总电阻r＝ra+rb+rbc//rr＝0.17

4.3人体接触电压(mv)ur＝uab.rbcr/r＝18.3178。

4.4流过rbc的电流(ma)ibc＝ur/rbc＝2437504.5789

4.5人体纵向泄露电流(ma)ir＝ibcr-ibc＝2.62e-02。

s5.人体接触电压(mv)18.3178与人体安全电压(取16v)进行比较，属于安全范围内；人体纵向泄露电流(ma)2.62e-02与人体安全电流(取30ma)进行比较，属于安全范围内；结束。

以三级自来水，进水管10m，回水管15m，管内径25mm为条件，进行的实际计算：

3.1冷却水的等效电阻：ρ水.l/s

其中：

ρ水为冷却水电阻率(ohm.mm²/m)＝200。

进水管的有效长度(m)＝10。

回水管的有效长度(m)＝15。

s为水管内腔截面积(mm²)，若d为管内径＝25，则s＝3.14×(d/2)²＝490.625。则：

进水管等效电阻(ohm)r1a＝r1b＝ρ水*l/s＝4.08；

回水管等效电阻(ohm)r3a＝r3b＝ρ水*l/s＝6.11。

3.2lc为水池内冷却水的有效深度(m)＝1，vc为水池内冷却水的有效体积(m³)＝3，冷却水的等效面积(m²)sc＝vc/lc＝3，水池内冷却水的等效电阻(ohm)rc＝ρ水.lc/sc＝6.67e-5。

3.3通过管状短网外径d2＝90及内径d2＝60，计算出短网的实际截面积(mm²)s＝3.14×(d2/2)²-3.14×(d2，/2)²＝3532.5，短网有效长度(m)l，铜质短网的电阻率ρ铜取0.017593。根据以上数据分别计算出a相及b相短网等效电阻(ohm)r2＝ρ铜.l/s＝4.98e-05。

3.4正方形铁质集水池池壁高(m)lb＝1.5，池壁周长(m)lb’(可自3.2条计算得出)＝3.46，壁厚(mm)lb”＝5，池壁等效截面积(mm²)sb≈1000×lb’×lb”＝17320.51，池壁等效电阻率ρ铁取0.0978，池壁等效电阻rb＝ρ铁.lb/sb＝8.47e-06。

3.5基于gb/t13870.1中400v接触电压数据，人体综合电阻(ohm)rr取700。

s4.电流及电压计算

4.1根据电炉参数，查出短网a/b相间最大电压(v)uab＝420

4.2等效回路电阻进行如下转化：

ra＝rb＝(r2a+r3a)//r1a＝2.45

rbc＝rc//rb＝7.51e-06

rbcr＝rc//rb//rr＝7.51e-06

回路总电阻r＝ra+rb+rbc//rr＝4.89

4.3人体接触电压(mv)ur＝uab.rbcr/r＝0.6452。

4.4流过rbc的电流(ma)ibc＝ur/rbc＝85855.1766

4.5人体纵向泄露电流(ma)ir＝ibcr-ibc＝9.22e-04。

s5.人体接触电压(mv)0.6452与人体安全电压(取16v)进行比较，属于安全范围内；人体纵向泄露电流(ma)9.22e-04与人体安全电流(取30ma)进行比较，属于安全范围内；结束。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。