危险就在你脚下: 深入探讨接触电压和跨步电压

介绍

当我们想到电气危险时, 我们经常想象与高压电线或火花机械的直接接触. 然而, 电气工程中一些最隐蔽的危险是在不直接接触带电导体的情况下发生的. 变电站或电力线路发生接地故障时, 大电流涌入大地. 这种电流的涌入会在地面上产生电压梯度, 将人脚下的土壤变成潜在的死亡陷阱. 这种现象受到两个关键安全概念的控制: 阶跃电压 和接触电压.

理解这些概念不仅仅是一项学术练习; 它是变电站设计和公用设施安全的基石. 正如行业标准所指出的, 安全接地系统的主要目标是确保接地设施附近的人员不会面临严重电击的危险[1][3]. 本文探讨了这些电压的定义, 它们如何影响人体背后的科学, 规定安全限度的国际标准, 以及用于减轻这些无形威胁的工程方法.

定义危险: 步 vs. 接触电压

了解风险, 首先必须了解一个人在发生故障时可能遇到的两种电位差之间的区别.

阶跃电压 是一个人跨越一定距离时可能感受到的表面电势差 1 仪表 (大约一步) 用他们的脚, 无需接触任何接地 [1][4] . 想象一下电流消散到地面的故障. 电流进入大地的地方电压最高 (例如, 倒下的导体或输电塔) 并随着距该点的距离增加而减小[3] . 如果一个人在该区域行走, 一只脚可能处于更高电压的点 (离故障更近) 另一脚电压较低 (更远的地方). 这两点之间的电压差就是阶跃电压. 如果这个电压足够高, 它将驱动电流通过人的腿部和下半身, 可能导致肌肉失去控制或心室颤动[2][5]..

接触电压, 另一方面, 涉及从手到脚的路径. 它被定义为之间的电位差地电位上升 (探地雷达) 接地结构的 (例如变电站围栏或金属外壳) 以及人站立同时触摸该结构时的表面电势[1][4]. . 例如, 发生故障时, 变电站围栏可能会升到相对于危险的高电压 “真实的地球。” 如果站在几英尺外的人触碰了栅栏, 他们的身体完成了电路. 电压试图驱动电流通过他们的胸部 (从手到脚) 是接触电压[2].

第三个, 相关概念是传输电压, 接触电压的特殊情况. 当电压通过管道等导电路径从远程点传入或传出变电站时，就会发生这种情况, 导轨, 或沟通 [1][3] . 一个人触摸这个 “充满活力的” 站在本地地面上的远程物体可能会受到远程故障的全部影响.

冲击的物理学: 体电流和颤动

为什么这些电压很危险? 人体本质上就是一个大电阻. 当其两端出现电压差时, 电流流动. 触电死亡的主要原因是心室颤动, 心脏有节奏的泵血活动停止并开始混乱颤动的情况, 使其无法泵血[5][2].

触电的严重程度取决于三个主要因素: 电流的大小, 暴露的持续时间, 以及电流通过身体的路径 (手到脚是最危险的，因为它穿过心脏) .

IEEE 等标准 (电气与电子工程师学会) 和IEC (国际电工委员会) 建立了数学模型来根据这些因素确定安全电压限制. IEEE标准 80 使用源自 Dalziel 研究的公式, 假设体重和固定的身体阻力为1000 Ž  [1][5]. 允许的体电流 50 千克 (110 磅) 人计算为:

${我}_{乙}=\frac{0.116}{\sqrt{{ţ}_{\mathrm{小号}}}}\text{ 安培}$我乙​=ţ小号​​0.116​安培

哪里${ţ}_{\mathrm{小号}}$ts​ 是电击的持续时间（以秒为单位）. 对于一个 70 千克人, 不断的变化从 0.116 至 0.157[5] .

使用这个, 可以计算容许的接触电压和跨步电压. 该公式包含了身体抵抗力 (1000 Ž) 以及脚的阻力, 它被建模为一个导电盘. 足部电阻取决于表面材料的电阻率 ($r_{\mathrm{小号}}$r小号​) 人站立的地方. 标准方程是:

• 阶跃电压: ${它}_{\mathrm{小号}ţ和p}=(1000+6{Ç}_{\mathrm{小号}}{r}_{\mathrm{小号}})\frac{0.116}{\sqrt{{ţ}_{\mathrm{小号}}}}$它小号ţ和p​=(1000+6Ç小号​r小号​)ţ小号​​0.116​
• 接触电压: ${它}_{ţ该您ÇĤ}=(1000+1.5{Ç}_{\mathrm{小号}}{r}_{\mathrm{小号}})\frac{0.116}{\sqrt{{ţ}_{\mathrm{小号}}}}$它ţ该您ÇĤ​=(1000+1.5Ç小号​r小号​)ţ小号​​0.116​

的因素为 “6” 在步骤方程中考虑了串联的两个脚 (两只脚接触同一表面的电阻), 而因素 “1.5” 在触摸方程中占两脚平行 [1][3] .

IEC标准 (符合IEC 60479-1) 采取更复杂的方法, 将身体阻抗视为取决于电压和人口百分位数的变量, 并介绍了一个 “心电流因子” 对于不同的电流路径. 通常, IEC 标准允许对短于故障持续时间的更高安全限值 400 毫秒, 确认心脏脆弱的 T 波阶段的时间[2][5] .

工程缓解和设计

因为不能依靠地球本身来清除故障 (仅使用接地棒无法将接触电位降低至安全水平[3])), 工程师必须设计接地系统以主动保护人员. 设计过程涉及测量土壤电阻率, 计算最大故障电流, 然后设计一个接地网，确保实际接触电压和跨步电压保持在计算出的容许限值以下[1][3] .

为了实现这一目标，采用了几个关键策略:

1. 接地网: 主要防御是精心设计的接地网. 它由埋在网格图案中的裸铜导体网络组成 (经常间隔 10 至 20 双脚分开) 并牢固地粘合到所有地上金属结构上. 该网格有助于使整个区域保持更均匀的电位，并为故障电流提供低阻抗路径[1][3][4].

2. 高电阻率表面层: 这是最明显、最有效的缓解措施之一. 在变电站, 一层碎石 (碎石) 遍布整个表面. 这种材料具有非常高的电阻率 ($r_{\mathrm{小号}}$ρs​) 与普通土壤相比. 通过将这一层放置在人的脚和地下地球之间, 它给冲击电路增加了显着的串联电阻, 从而减少流过身体的电流[1][4]. 该层的有效性在安全方程中通过比例因子来解释${Ç}_{\mathrm{小号}}$CS​[1].

3. 等位区: 对于必须直接接触接地设备的工人, 创建一个等势区 很关键. 这通常是使用临时方法来实现的地垫 (金属网) 与设备绑定的. 当工人站在垫子上触摸设备时, 他们的脚和手具有相同的电位, 有效将接触电压降至零 [4] . 粘合直接工作区域中的所有导电物体具有类似的目的[3].

4. 更快的保护清除: 耐受电压限值与冲击持续时间的平方根成反比 ($\sqrt{{ţ}_{\mathrm{小号}}}$ţ小号​​). 因此, 保护继电器清除故障的速度越快, 理论上一个人可以生存的电压越高. 通过减少故障清除时间, 工程师可以显着提高安全边际.

结论

跨步电压和接触电压代表了电气安全方面的独特挑战: 危险是看不见的，存在于我们行走的地面上. 危险不是电源线本身的电压, 但是地球作为导体产生的电压梯度. 经过数十年对电对人体影响的研究, 标准如 IEEE Std 80 和IEC 60479 为工程师提供了量化这些风险并设计系统来减轻风险的工具[1][2]..

从变电站中我们脚下的高电阻率砾石到用于设计接地网的复杂计算机模型, 每个元素协同工作，以确保发生故障时, 不可见的电压梯度仍然是不可见的并且, 最重要的是, 无害. 随着分布式能源和智能电网的发展, 保持这些接地系统的完整性对于保护公众和公用事业工人仍然至关重要 [3][4].

参考文献

1. IEEE 标准 80，交流变电站接地安全指南 .
2. IEC 60479-1，*电流对人类和牲畜的影响 – 部分 1: 一般方面*.
3. IEEE 标准 81，地球电阻率测量指南, 接地阻抗, 和接地系统的地表电位 .
4. 职业安全与健康管理局 (职业安全与健康管理局) 电气安全指南.
5. 达尔齐尔, Ç. F., & 李, 在. ŕ. (1960s-1970s). 致命电流。IEEE 工业和通用应用汇刊 .
6. IEC 62305，防雷保护 .

内容由人工智能辅助起草并由作者根据以下内容进行验证 30 多年电能质量领域经验.