一种人体工频感应电流的检测装置的制作方法

本实用新型涉及电力工程技术，具体涉及一种人体工频感应电流的检测装置。

背景技术：

高压架空输电线路在其带电导体周围空间会产生电场，处于工频电场中的物体（尤其是电导率较高的物体，包括人体）会在工频电场的作用下产生数十至数十千伏的电位升高。当人体与其他物体以及大地保持绝缘时，人体中部分自由电荷通过线路对人体耦合分布电容、人体自身、人体对大地分布电容构成的回路向大地移动，从而在人体内部产生持续的工频感应电流；当人体与其他被感应物体保持接触时，若其他被感应物体的电位高于人体电位，则被感应物体的自由电荷通过线路对被感应物体耦合分布电容、人体、人体对大地分布电容构成的回路在人体内部产生间接的感应电流与人体自身的感应电流合并产生总的感应电流。人体与大地之间或人体与被感应物体之间在工频电场作用下可产生数千伏的电位差，在人体与被感应物体或大地的接触面中存在自然的空气间隙，在数千伏的电位差作用下，这些空气间隙发生“击穿-熄弧-充电-击穿”的循环往复的充放电过程，根据空气间隙的大小，放电电流频率可达到百兆赫兹，使得人体感应电流中增加了大量高频分量。

人体表面对地杂散电容对高频电流近似相当于“短路”，高频电流分量容易通过人体表面对地杂散电容形成回路，基本不穿越人体内部组织，因此对人体的伤害较小；但人体表面对地杂散电容对工频电流分量相当于“开路”，人体数千欧的内阻对工频电流分量近似相当于“短路”，工频电流分量大部分都要穿越人体内部比如心脏等重要器官才能进入大地，因此工频电流分量对人体可能造成的伤害远大于高频分量。GB/T 13870.1-2008《电流对人和家畜的效应 第一部分：通用部分》中详细论述了工频电流对人体的效应，其推荐有效值为500μA的工频电流为人体的反应电流阈值，有效值为5000μA的工频电流为人体的摆脱电流阈值。因此准确定量地检测人体工频感应电流对保障输电线路周边居民的安全与健康至关重要，对输电线路的场强控制设计也具有十分重要的指导意义。

在电工/电子技术领域中，通过交流电流表可方便地检测流经某一支路的交流电流有效值；或者通过电流互感器采集某一支路交流电流信号并接入示波器亦可较为方便的观察支路电流波形，可借鉴该领域的技术用于人体感应电流的检测。但是，在电工/电子技术领域中，通过交流电流表可检测微安级交流电流的有效值但无法滤除感应电流中的高频分量；通过低通电流互感器可采集支路电流的工频信号，但检测微安级别的电流精度较差。目前，在相关技术领域中暂无已公开的可同时实现排除高频电流分量干扰并精确测试工频电流分量的技术方案。

综上所述，现有方法的缺点体现在无法在高频电流信号的干扰下以较高的精度提取出微安级的工频电流信号。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种人体工频感应电流的检测装置，本实用新型能够有效滤除高电场强度环境下人体感应电流信号中因暂态电击产生的高频干扰信号，同时将微安级的工频电流信号进行放大，可精确量化地检测出流经人体工频感应电流的有效值，能够在高频电流信号的干扰下以较高的精度提取出微安级的工频电流信号，具有检测准确可靠、反应灵敏、分辨率高、抗干扰能力强、接线简单、制造成本低等优点。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种人体工频感应电流的检测装置，包括电流采集组件、信号电缆、电流信号放大检测单元和接地装置，所述电流采集组件包括依次层叠布置且相互紧固连接的上层金属板、中间层绝缘板和下层金属板，所述信号电缆包括相互绝缘隔离的内芯和屏蔽外壳，所述上层金属板和信号电缆的内芯连接导通、所述下层金属板和信号电缆的屏蔽外壳连接导通并接地，所述电流信号放大检测单元包括与信号电缆的屏蔽外壳连接导通的金属屏蔽外壳，所述金属屏蔽外壳内设有相互并联布置且均与金属屏蔽外壳保持绝缘隔离的精密电阻Rx和交流数字电压表，所述交流数字电压表的正极端子与信号电缆的内芯连接导通、负极端子通过带有绝缘表皮的导线、接地装置接地。

优选地，所述中间层绝缘板的介电常数为3～4之间，所述上层金属板、中间层绝缘板和下层金属板依次层叠布置形成的等效集总参数电容Cx为100pF～10nF之间。

优选地，所述精密电阻Rx的阻值为10kΩ～1000kΩ之间。

优选地，所述上层金属板和下层金属板均为铝制板。

优选地，所述中间层绝缘板为环氧树脂绝缘板。

优选地，所述上层金属板、中间层绝缘板和下层金属板均为方形板。

优选地，所述接地装置为接地铜棒。

本实用新型人体工频感应电流的检测装置具有下述优点：本实用新型人体工频感应电流的检测装置能够从高频、工频混合电流中精准放大并采集微安级别的工频电流信号，上述检测装置所测得的工频电流有效值大小可为强工频电场下人体的安全性评价提供准确、定量的数据参考，能够有效滤除高电场强度环境下人体感应电流信号中因暂态电击产生的高频干扰信号，同时将微安级的工频电流信号进行放大，可精确量化地检测出流经人体工频感应电流的有效值，能够在高频电流信号的干扰下以较高的精度提取出微安级的工频电流信号，具有抗干扰能力强、检测准确、分辨率高、携带方便、制造成本低等优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例检测装置的应用原理示意图。

图2为本实用新型实施例检测装置的结构示意图。

图3为本实用新型实施例应用方法的基本流程示意图。

图4为本实用新型实施例得到的流经人体总电流测试波形。

图5为本实用新型实施例得到的流经人体工频感应电流测试波形。

具体实施方式

下文将以被感应带电物体为位于500kV紧凑型输电线路正下方的金属骨架雨伞为例，对本实用新型的人体工频感应电流的检测装置及其应用方法进行进一步详细说明。

如图1和图2所示，本实施例的人体工频感应电流的检测装置包括电流采集组件1、信号电缆2、电流信号放大检测单元3和接地装置4，电流采集组件1包括依次层叠布置且相互紧固连接的上层金属板11、中间层绝缘板12和下层金属板13，信号电缆2包括相互绝缘隔离的内芯和屏蔽外壳，上层金属板11和信号电缆2的内芯连接导通、下层金属板13和信号电缆2的屏蔽外壳连接导通并接地，电流信号放大检测单元3包括与信号电缆2的屏蔽外壳连接导通的金属屏蔽外壳31，金属屏蔽外壳31内设有相互并联布置且均与金属屏蔽外壳31保持绝缘隔离的精密电阻Rx和交流数字电压表32，交流数字电压表32的正极端子与信号电缆2的内芯连接导通、负极端子通过带有绝缘表皮的导线321、接地装置4接地。图1中，C1表示高压输电线路与被感应物体间的耦合分布电容，C2表示高压输电线路与人体之间的耦合分布电容，C3表示被感应带电物体的对地分布电容，C4表示人体等值电路（无法定量，因此采用黑箱模型表示），C5表示人体与被感应物体接触面等值电路（无法定量，因此采用黑箱模型表示），Cx表示电流汇集装置的对地等值电容，Rx表示电流放大装置的精密电阻。值得注意的是，图1中的所有集总电容参数仅在原理上表达该系统的等效电气特征，并不代表该系统的实际回路。

如图2所示，电流采集组件1包括依次层叠布置且相互紧固连接的上层金属板11、中间层绝缘板12和下层金属板13，上层金属板11、中间层绝缘板12和下层金属板13三者通过四角的螺丝紧固组合构成等值电容Cx，同时兼作机械支撑结构。中间层绝缘板12的介电常数一般为3～4之间，本实施例中，中间层绝缘板12的介电常数为4，上层金属板11、中间层绝缘板12和下层金属板13依次层叠布置形成的等效集总参数电容Cx为100pF～10nF之间。上层金属板11和下层金属板13均为铝制板。本实施例中，中间层绝缘板12为环氧树脂绝缘板。上层金属板11、中间层绝缘板12和下层金属板13均为方形板，具体厚度2.5mm，上层金属板11和下层金属板13面积均为336mm×336mm，

本实施例中，精密电阻Rx的阻值为10kΩ～1000kΩ之间。

本实施例中，交流数字电压表32采用Fluke数字万用表交流mA档。

本实施例中，接地装置4为接地铜棒。

本实施例的人体工频感应电流的检测装置的工作原理如下：测试者站立于电流采集组件1上层铝制金属板之上，与被感应带电物体保持自然接触，参见图1，通过高压输电线路与被感应物体间耦合分布电容C1（等效集总参数）并经人体与被感应物体接触面间接流入测试者人体的工频感应电流、通过高压输电线路与被感应物体间耦合分布电容C1（等效集总参数）并经人体与被感应物体接触面间接流入测试者人体的高频感应电流、通过高压输电线路与测试者间的耦合分布电容C2（等效集总参数）直接传递进入测试者人体的工频感应电流共计三部电流分流经测试者人体的工频感应电流汇集于上层金属板11上，耦合分布电容C1经人体与被感应物体接触面间接流入测试者人体的感应电流含工频分量和高频分量，耦合分布电容C2直接传递进入测试者人体的感应电流以工频分量为主，电流采集组件1的对地电容Cx（等效集总参数）对于高频电流近似“短路”可将大部分高频电流分量直接通过Cx引入大地，工频电流分量则经过电流信号放大检测单元3的精密电阻Rx（集中参数元件）进入大地同时被Rx采集并转化和放大为合适大小的电压信号供交流数字电压表32检测和显示，因此能够从高频、工频混合电流中精准放大并采集微安级别的工频电流信号，具有抗干扰能力强、检测准确、分辨率高、携带方便、制造成本低等优点，上述检测装置所测得的工频电流有效值大小可为强工频电场下人体的安全性评价提供准确、定量的数据参考。

参见图1，本实施例在测试过程中，高压输电线路通过线路与被感应物体间的耦合电容C11、C12、C13，人体与被感应物体接触面，测试者人体本身以及大地构成的回路将一部分感应电流间接传递至人体；在此过程中，由于人体与被感应物体之间的接触面存在大量极小的空气间隙，感应电流无法通过有效接触点而是通过接触间隙电容传递进入人体，这些微小的空气间隙在人体与被感应物体电位差的作用下不断发生击穿-熄弧-充电-击穿的充放电过程（即暂态电击现象），导致感应电流中掺杂了大量的高频分量；这些高频分量的电流与间接工频感应电流分别经过人体对地杂散电容和人体内部组织汇入电流汇集装置1的上层铝制金属板11；另外，高压输电线路通过线路与测试者间的耦合电容C21、C22、C23，测试者人体本身以及大地构成的回路将另一部分感应电流直接传递至人体，通过人体内部组织汇入电流汇集装置1的上层铝制金属板11；因此，电流汇集装置1上层铝制金属板11汇集了包括直接工频感应电流、间接工频感应电流和高频暂态电击电流在内的三部分分量。通过合理设计上层铝制金属板11、下层铝制金属板13的面积和中间层环氧树脂绝缘板12的厚度、介电常数等参数，即可调整电流汇集装置构成的等值电容Cx的数值，使得等值电容Cx将三部分电流中绝大多数高频分量“短路”后引入大地；通过合理设置电流放大装置2中精密电阻Rx 22的数值，可将剩余微安级的工频电流分量精准转化和放大为合适大小的电压信号供交流数字电压表32检测和显示。等值电容Cx和精密电阻Rx并联构成的等值电路与C1、C2、人体与被感应物体接触间隙等值电路、测试者人体的等值电路为串联关系，仅对入地总电流进行筛分，由于Cx与Rx并联构成的等值阻抗与系统耦合电容C1、C2的等值阻抗存在数量级的差别，且并未改变电流的总体流向，因此等值电容Cx与精密电阻Rx的串入基本不会改变原系统构电气参数，相应的也基本不会改变流经人体真实工频电流分量的幅值和相位。

参见图3，本实施例人体工频感应电流的检测装置的应用方法的实施步骤包括：

1）预先根据被感应物体选择精密电阻Rx的电阻值，基于选择好电阻值的精密电阻Rx在三相高压输电线路的下侧安装布置本实施例的人体工频感应电流的检测装置，并将电流采集组件1放在地面上；

2）测试者手持被感应物体立于电流采集组件1上并与被感应物体保持自然接触；

3）参见图1，通过高压输电线路与被感应物体间耦合分布电容C1（等效集总参数）并经人体与被感应物体接触面间接流入测试者人体的工频感应电流、通过高压输电线路与被感应物体间耦合分布电容C1（等效集总参数）并经人体与被感应物体接触面间接流入测试者人体的高频感应电流、通过高压输电线路与测试者间的耦合分布电容C2（等效集总参数）直接传递进入测试者人体的工频感应电流共计三部电流分流经测试者人体的工频感应电流汇集于上层金属板11上，耦合分布电容C1经人体与被感应物体接触面间接流入测试者人体的感应电流含工频分量和高频分量，耦合分布电容C2直接传递进入测试者人体的感应电流以工频分量为主；

4）电流采集组件（1）的对地电容Cx对于高频电流的近似“短路”将大部分高频电流分量直接通过对地电容Cx引入大地、同时工频电流分量则依次经过信号电缆2、电流信号放大检测单元3和接地装置4引入大地，最终通过三相高压输电线路中性点回流至输电线路；

5）精密电阻Rx将流过的电流转换为两端电压信号并放大，两端的电压信号通过带有绝缘表皮的软铜线分别接入交流数字电压表32的正、负极端子，通过交流数字电压表32检测出交流电压有效值U_x并显示输出；

6）根据精密电阻Rx的电阻值，将交流电压有效值U_x换算为流经测试者人体的工频感应电流的有效值I_x。

需要说明的是，等效集总参数可大致理解为等效参数。高压输电线路的三相与人体之间、高压输电线路与被感应物体（比如金属骨架的雨伞）之间存在无数的杂散分布电容，这些电容是无法定量计算的，甚至进行定性分析都不好描述。考虑到输电线路、金属骨架的雨伞为金属物体，将其分割为多个部分后，其各部分的电位都是相等的，这是金属的固有特性；人体不是金属，但实际上人体表面上各部分的电位差别并不大，近似将人体表面各部分当成等电位也是可以的。在上述假设下，输电线路的某相导线、金属骨架的雨伞、人体可直接等效为电路中3个不同电位的节点，这些节点之间的电容就是所谓的集总参数电容。由于本装置的检测并不依赖于以上的假设，所以测试结果并不是近似的，而是精确的。

参见图3，步骤1）中根据被感应物体选择精密电阻Rx的电阻值的具体步骤包括：

1.1）将被感应物体与交流数字电流表正极端子连接，将交流数字电流表负极端子与接地装置连接，读取被感应物体短路电流有效值；

1.2）根据被感应物体短路电流有效值选择精密电阻Rx的电阻值：当被感应物体短路电流测试值小于0.1mA时，选择精密电阻Rx的电阻值为1000kΩ；当被感应物体短路电流测试值为0.1～1mA时，选择精密电阻Rx的电阻值为100kΩ；当被感应物体短路电流测试值大于1mA时，选择精密电阻Rx的电阻值为10kΩ。

本实施例中，步骤5）中将交流电压有效值U_x换算为流经测试者人体的工频感应电流的有效值I_x时，如果选择精密电阻Rx的电阻值为1000kΩ，则流经测试者人体的工频感应电流的有效值Ix的大小为Ux；如果选择精密电阻Rx的电阻值为100kΩ，则流经测试者人体的工频感应电流的有效值Ix的大小为10×Ux；如果选择精密电阻Rx的电阻值为10kΩ，则流经测试者人体的工频感应电流的有效值Ix的大小为100×Ux，其中U_x为交流数字电压表（32）输出的交流电压有效值。

本实施例中，采用Fluke数字万用表交流mA档作为交流数字电压表32测试被感应物体短路电流，测得被感应物体短路电流有效值为0.124mA，即124μA；选择精密电阻Rx的电阻值为Rx=100 kΩ；本实施例中，交流数字电压表32的显示数据为U_x=15.63V，因此实际流经测试者的工频感应电流测试值（有效值）为I_x=10³×U_x/R_x=10³×15.63/100=156.3μA。由此可见，本实施例人体工频感应电流的检测装置及其应用方法能够克服高频电流干扰并精确采集工频电流信号，具有准确可靠、反应灵敏、分辨率高的优点。

为验证本实施例人体工频感应电流的检测装置的检测性能，本实施例进行了电流信号放大装置输出信号比对测试：

S1）将电流信号放大检测单元3正负极端子短路，将宽频电流互感器夹套于带有绝缘表皮的软铜线321上，通过示波器采集不接入本实施例人体工频感应电流的检测装置时流经人体总电流的原始电流信号波形，如图4所示，由于人体感应电流中高频电流分量的影响，原始电流信号波形含有大量高频干扰分量，即在波形上出现大量“毛刺”；

S2）按照前述步骤1）和2）正常接入本实施例人体工频感应电流的检测装置，将电流信号放大检测单元3的正极端子的信号通过电压探头接入示波器，采集本实施例人体工频感应电流的检测装置正极端子的电压信号波形，按放大倍数还原成实际工频感应电流波形，如图5所示，与图4进行比对，可发现图5为标准正弦工频感应电流波形，人体感应电流中高频电流分量基本得到消除；

S3）根据示波器采集的数据进行后续分析，图4对应波形的有效值为744.2μA，远大于感应电流检测装置测得的数值156.3μA，图5对应波形的有效值为156.1μA，与本实施例人体工频感应电流的检测装置测得的数值156.3μA基本一致。

经过验证，本实施例人体工频感应电流的检测装置能够有效消除人体感应电流中高频电流分量，实现能够有效滤除高电场强度环境下人体感应电流信号中因暂态电击产生的高频干扰信号，同时将微安级的工频电流信号进行放大，可精确量化地检测出流经人体工频感应电流的有效值，具有检测准确、分辨率高、抗干扰能力强、接线简单、制造成本低等优点。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。