一种适用于动物触电的物理实验平台及触电阻抗建模方法与流程

本发明涉及配电网安全保护领域，具体涉及一种适用于动物触电的物理实验平台及触电阻抗建模方法。

背景技术：

电击事故是较为常见的恶性事故，其特征是突发性大，人员伤亡率大。鉴于目前运行的剩余电流保护装置，就动作特性而言，大多都无法真正辨识人体触电支路的汲出电流信号，常常出现大负荷时合不上闸、无法正确投运(此时的工频泄漏电流值已接近或超过整定值)；或在潮湿天气条件下，因电气回路绝缘水平显著降低，导致对地泄漏电流增大，造成因正常运行或扰动时的泄漏电流水平接近或超过动作边界而误动作；另外，在一定条件下，动物体触电或设备故障漏电不一定使剩余电流增加，反而会导致剩余电流减少，因此可能造成剩余电流保护装置失效拒动。

目前，为了解决剩余电流保护装置动作的灵敏性及误动作问题，国内外专家对剩余电流保护装置的硬件材料及控制电路进行了不断的改进，如检测装置结构的改进、传感元件材料的更新、零序电流互感器性能的提高等，但没有研究动物触电信息提取的问题，仍然建立在检测剩余电流大小的判据基础进行研究，也就没有从根本上解决触电电流与剩余电流保护装置间的直接关系。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供的一种适用于动物触电的物理实验平台及触电阻抗建模方法，该平台及方法能够准确且有效地识别动物触电信息；有效避免了因剩余电流减少而导致剩余电流保护装置失效拒动的问题；提高剩余电流保护装置动作的可靠性和准确性；进而提升了农网供电安全保障能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于动物触电的物理实验平台，所述平台包括依次串联的实验电源、互感器组件及负载；

所述互感器组件上依次连接有故障录波器及分析处理单元；

所述互感器组件与所述负载之间连接有阻抗组件。

优选的，所述阻抗组件包括并联的触电支路、线路对地分布阻抗及用户对地泄漏阻抗；

所述触电支路、线路对地分布阻抗及用户对地泄漏阻抗的一端依次连接在所述互感器组件与所述负载之间；

所述触电支路、线路对地分布阻抗及用户对地泄漏阻抗的另一端均接地。

优选的，所述实验电源包括三相电源及连接至所述三相电源的调压器。

优选的，所述互感器组件包括电压互感器和电流互感器，且所述电压互感器和电流互感器均安装在所述调压器的电流出口侧。

优选的，所述负载为实验箱灯泡负载；作为线路对地的绝缘阻抗的所述实验箱灯泡负载包括并联的大电阻和电容。

优选的，所述触电支路包括串联的大电阻和生物体；所述分析处理单元为安装在计算机中的分析处理程序。

一种适用于动物触电阻抗建模方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1.搭建动物触电物理实验平台并进行动物触电试验，获取动物触电电压电流实验数据；

步骤2.进行触电信号滤波及傅里叶分解，提取50Hz电压电流幅值和相位，得到触电信息；

步骤3.将所述触电信息根据统计方法拟合，得到动物触电总阻抗及相角期望值；

步骤4.根据弗莱贝尔格等值电路求取动物的皮肤电阻和皮肤电容；

步骤5.搭建所述动物触电物理实验平台的数字模型，对所述动物的皮肤电阻和皮肤电容进行仿真验证，并与试验数据进行比较分析，得到动物触电阻抗最终模型。

优选的，所述步骤1包括：

1-1.搭建动物触电物理实验平台；

1-2.在所述动物触电物理实验平台中进行动物触电试验；

1-3.采集并记录动物体发生单相触电时的相关电气参数，得到动物触电电压电流实验数据；所述相关电气参数包括通过动物体的电压电流波形及剩余电流波形。

优选的，，所述步骤2包括：

2-1.根据所述动物触电电压电流实验数据生成触电电压电流波形；

2-2.对触电电压电流信号进行滤波；

2-3.采用快速傅里叶变换提取滤波后的触电电压电流信号中的工频分量，得到触电信息；所述工频分量包括50Hz电压电流幅值和相位。

优选的，所述步骤4包括：

根据弗莱贝尔格等值电路求取动物的皮肤电阻R_S和皮肤电容C_S：

式中，Z为动物触电总阻抗值；R0为内电阻。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种适用于动物触电的物理实验平台及触电阻抗建模方法；平台包括依次串联的实验电源、互感器组件及负载；互感器组件上依次连接有故障录波器及分析处理单元；互感器组件与负载之间连接有阻抗组件。方法包括搭建动物触电物理实验平台并进行动物触电试验，获取动物触电电压电流实验数据；得到触电信息、动物触电总阻抗及相角期望值；求取皮肤电阻和皮肤电容；搭建动 物触电物理实验平台数字模型，得到动物触电阻抗最终模型。本发明提出的平台及方法能够准确且有效地识别动物触电信息；有效避免了因剩余电流减少而导致剩余电流保护装置失效拒动的问题；提高剩余电流保护装置动作的可靠性和准确性；进而提升了农网供电安全保障能力。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明所提供的技术方案中，平台包括依次串联的实验电源、互感器组件及负载；互感器组件上依次连接有故障录波器及分析处理单元；互感器组件与负载之间连接有阻抗组件。该系统能够准确且有效地识别动物触电信息；有效避免了因剩余电流减少而导致剩余电流保护装置失效拒动的问题。

2、本发明所提供的技术方案，方法包括搭建动物触电物理实验平台并进行动物触电试验，获取动物触电电压电流实验数据；得到触电信息、动物触电总阻抗及相角期望值；求取皮肤电阻和皮肤电容；搭建动物触电物理实验平台数字模型，得到动物触电阻抗最终模型。该方法能够可靠且有效地识别动物触电信息；提高剩余电流保护装置动作的可靠性和准确性；进而提升了农网供电安全保障能力。

3、本发明所提供的技术方案，方法可进行动物触电阻抗建模，模型可应用于剩余电流保护装置中进行生物体触电信号识别，为提高新一代剩余电流保护装置的可靠性和准确性提供技术支撑。

4、本发明所提供的技术方案，平台根据本专利提供的方法可进行动物体阻抗建模，模型可直接应用于配电数字仿真软件中进行暂态动物触电短路故障计算。

5、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种适用于动物触电的物理实验平台的结构示意图；

图2是本发明的一种适用于动物触电阻抗建模方法的流程图；

图3是本发明的触电阻抗建模方法中的步骤1的流程示意图；

图4是本发明的触电阻抗建模方法中的步骤2的流程示意图；

图5是本发明的一种应用在一种适用于动物触电的物理实验平台上的触电阻抗建模方法的具体应用例的流程图；

图6是本发明的具体应用例的弗莱贝尔格等值电路图；

图7是本发明的具体应用例的利用Simulink搭建动物触电实验平台的数字模型示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，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。

如图1所示，本发明提供一种适用于动物触电的物理实验平台，平台包括依次串联的实验电源、互感器组件及负载；

互感器组件上依次连接有故障录波器及分析处理单元；

互感器组件与负载之间连接有阻抗组件。

其中，阻抗组件包括并联的触电支路、线路对地分布阻抗及用户对地泄漏阻抗；

触电支路、线路对地分布阻抗及用户对地泄漏阻抗的一端依次连接在互感器组件与负载之间；

触电支路、线路对地分布阻抗及用户对地泄漏阻抗的另一端均接地。

其中，实验电源包括三相电源及连接至三相电源的调压器。

互感器组件包括电压互感器和电流互感器，且电压互感器和电流互感器均安装在调压器的电流出口侧。

负载为实验箱灯泡负载；作为线路对地的绝缘阻抗的实验箱灯泡负载包括并联的大电阻和电容。

触电支路包括串联的大电阻和生物体；分析处理单元为安装在计算机中的分析处理程序。

如图2所示，本发明提供一种适用于动物触电阻抗建模方法，包括如下步骤：

步骤1.搭建动物触电物理实验平台并进行动物触电试验，获取动物触电电压电流实验数据；

步骤2.进行触电信号滤波及傅里叶分解，提取50Hz电压电流幅值和相位，得到触电信息；

步骤3.将触电信息根据统计方法拟合，得到动物触电总阻抗及相角期望值；

步骤4.根据弗莱贝尔格等值电路求取动物的皮肤电阻和皮肤电容；

步骤5.搭建动物触电物理实验平台的数字模型，对动物的皮肤电阻和皮肤电容进行仿真验证，并与试验数据进行比较分析，得到动物触电阻抗最终模型。

如图3所示，步骤1包括：

1-1.搭建动物触电物理实验平台；

1-2.在动物触电物理实验平台中进行动物触电试验；

1-3.采集并记录动物体发生单相触电时的相关电气参数，得到动物触电电压电流实验数据；相关电气参数包括通过动物体的电压电流波形及剩余电流波形。

如图4所示，步骤2包括：

2-1.根据动物触电电压电流实验数据生成触电电压电流波形；

2-2.对触电电压电流信号进行滤波；

2-3.采用快速傅里叶变换提取滤波后的触电电压电流信号中的工频分量，得到触电信息；工频分量包括50Hz电压电流幅值和相位。

其中，步骤4包括：

根据弗莱贝尔格等值电路求取动物的皮肤电阻R_S和皮肤电容C_S：

式中，Z为动物触电总阻抗值；R0为内电阻。

本发明提供一种应用在一种适用于动物触电的物理实验平台上的触电阻抗建模方法的具体应用例，包括：

步骤1、根据图1触电物理平台实验原理图搭建动物触电物理实验平台。实验主要由实验电源、用户对地泄漏阻抗、用电阻和电容表示的线路对地分布阻抗、故障录波器和零序电流互感器等部分组成。其中，采用三相电源作为实验电源，通过调压器向负载直接供电；负载为实验箱灯泡负载；以大电阻和电容的并联来作为线路对地的绝缘阻抗；剩余电流感应线圈安装在调压器的出口处；触电支路是采用大电阻和生物体的串联来实现；单相剩余电流保护装置直接串联在触电支路中。实验平台搭建成功后，通过动物触电实验，采用录波仪获取动物体发生单相触电时通过动物体的电压电流波形、剩余电流波形等相关电气参数，每个触电时刻取电压电流采样点各3000个。

步骤2、在matlab中，将录波仪中获取的动物触电数据生成触电电压电流波形；再用加hamming窗FIR低通滤波器对触电电压电流信号滤波，其中通带截止频率选择50Hz，阻带起始频率选择1000Hz，阶数为54；最后采用快速傅里叶变换提取滤波后的触电电压电流信号中的工频分量。由于录波仪一个周期的采样点是200个，在触电信号达到稳态后，取一个周期的波形提取50Hz的电压电流的幅值和相位。流程图如图5所示。

步骤3、将获取的多组触电电压电流信息采用最小二乘法拟合，得到动物触电总的阻抗值Z。

步骤4、动物模型采用弗莱贝尔格等值电路如图6所示，R_s、C_s分别为皮肤电阻、皮肤电容，R₀为内电阻，在计算中，内电阻取值为50。求取动物的皮肤电阻和皮肤电容R_s、C_s；

步骤5、利用Simulink搭建动物触电实验平台的数字模型如图7所示，对求取的动物阻抗模型进行仿真验证，并与实验数据进行比较分析，完善动物触电阻抗模型。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。