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了解接触电流的原理首先应该了解接触电流的定义,所谓接触电流是指在正常条件下或故障条件下接触一个或多个可触及件时流过人体的电流(接触电流原来包含在术语
泄漏电流定义内)。电流通过人体的效应是研究电击防护措施和安全标准的基本依据之一,国内外科研人员对此进行了长期的大量的实验研究工作,IEC479《电流通过人体的效应》是最具权威性的研究成果。为了更好地帮助读者理解并掌握接触电流测试方法,本文在此先介绍关于人体阻抗及电流对人体的影响的一些基本概念。


一、人体阻抗
电流通过人体的路径确定之后,触电的危险主要取决于电流的量值和持续时间。研究表明,人体阻抗即人体电流和接触电压之间呈非线性关系,且取决于实际电流通路、接触电压、通电时间、频率、皮肤潮湿度、接触表面积、压力和温度等诸多因素。人体阻抗由内阻抗和皮肤阻抗组成。
①人体内阻抗(Zi
即与两个电极相接触的人体两个部分之间除去皮肤阻抗的阻抗。人体内阻抗存在较小的容性分量,大部分可认为是阻性的,与接触表面积关系不大。
皮肤阻抗(Zp
是皮肤上的电极与皮下导电组织之间的阻抗。接触电压和电流频率是影响皮肤阻抗的重要因素。当交流接触电压小于50V时,皮肤阻抗值变化较大;当接触电压大于50V时,皮肤阻抗值大大降低。
由于皮肤容性分量的存在,皮肤阻抗随着频率的增加而降低。
人体总阻抗(ZT) 
--- 50/60Hz
正弦交流时的ZT
人体总阻抗是人体内阻抗与皮肤阻抗的向量和,由阻性和容性分量组成。在接触电压为50V以下时,由于皮肤阻抗Zp的变化较大,使人体总阻抗具有很大变化。随着接触电压进一步增高,人体阻抗值将趋近于内阻抗Zi
--- 20kHz
及以下正弦交流时的ZT
由于皮肤电容的影响,人体总阻抗随着频率增加而下降。当频率大于5kHz时将接近人体内电阻Zi
---
直流电流时的阻抗(RT)
当接触电压为150V及以下时,由于皮肤的阻塞作用,人体直流总电阻RT比交流人体总阻抗要高。
人体初始电阻值R0
人体初始电阻值R0是接触电压出现的瞬间,限制电流峰值的电阻。当电流通路为手到手或手到脚时,在大接触面积条件下,无论是交流50/60Hz,还是直流时,多数人的人体初始电阻为500Ω


二、电流对人体的效应     
使用者在操作过程中可能会产生接触电流,由设备经人体到达大地。由于高频电流对人体的影响与普通工频电流不同,尤其是对人体造成危害的阈值不同,为了能够合适地评价测量结果对人体造成伤害的程度,一般采用对高频测试电流进行加权的方法,通过加权后的测试结果与工频下的人体阈值进行比较。
IEC60990采用频率因数的概念来表征测试网络对电流加权的程度,频率因数是指通过该测试网络的实际电流与测试结果的指示电流的比,相当于高频电流进行加权的倍数。同样,人体本身对高频电流的效应也适用于频率因数的概念,其意义是指引起同样人体生理效应的频率为f的电流阈值于50Hz的电流阈值之比。
人体触电时可视为一个电阻,一般情况下手脚之间的体内电阻约为500Ω,皮肤电阻则与皮肤类型、触电面积有很大关系。当电流流经人体时,按照不同人体呈现的反应略有差异。引起人体不同的生理反应的电流可分为三个等级:
1-
感知电流:是人体能感觉到的最小电流,通常在(0.52mA范围。
2-
摆脱电流:是人体触电后能自主摆脱的最大电流,通常在(622mA范围。
3-
致命电流:指在很短的时间内危及人体生命的最小电流,一般在50mA以上。触电致死的主要原因是电流引起心室颤动,从而使心脏丧失血液循环功能,导致血液停止循环而致命。
电流对人体的效应主要有以下几种:
1.
感知(Perception
2.
反应(Reaction
3.
摆脱(Let-go
4.
电灼伤(Burn hazard
这四种人体效应中任何一种都具有唯一的阈值,但其中的某些阈值随频率变化的差异是很大的。感知、反应和摆脱与接触电流峰值有关,并且随频率变化而不同。电灼伤与接触电流的有效值有关,而与频率无关。
在接触电流的测量中大都采用模拟人体阻抗的网络对电流(电压)的测量方法作为接触电流的测量方法。不同的国家,不同的产品,不同的标准,对模拟人体阻抗网络的定义不同。人体阻抗网络的制造工艺难度极大,而且对电阻、电容的精度、热稳定性要求高,电阻的功率大,高频特性要好。一般选用精密的金属密封大功率电阻(这种电阻在高温高压时呈极高的线性)和精密的高频电容。下面介绍几种常用的测量网络:
第一、 感知电流、反应电流测量网络
人体对电流的感知和反应是由流过人体内部器官的电流引起的。图一中Rb为模拟的人体内部阻抗。为了准确测量这些效应,要求对感知电流和反应电流随频率变化进行研究和补偿。对于因其感知或不自主的反应的电流,用图一的测试网络进行测量。图一的网络是模拟了人体阻抗,并给出了加权值,以符合人体(阻抗)的频率特性。(图一见GB/T12113图三)
为了设计测量网络,假定在正弦、混和频率正弦和50Hz60Hz的非正弦交流下,大约0.7mA峰值即可感知,对于电流从0.14mA峰值到相应的电灼伤效应的限制,该测量网络都是适用的。
对于较高限值电流的测量,如果涉及到摆脱能力,则该网络将因为考虑到摆脱电流对不同频率的加权而使网络使用受到限制。
对于感知和反应的接触电流,测量交流值是用U2峰值除以500Ω,测量直流值是用U1除以500Ω。在GB8898-2001标准中要求交流限制U2=0.35V(峰值)和直流限值U11.0V相当于交流限值0.7mA(峰值)和直流限值2.0mA。交流限值U1=35V(峰值)相当于频率大于100KHz时的交流限值70mA(峰值)。
第二、 摆脱电流测量网络(含人体阻抗)
人体丧失摆脱能力是由于流过人体内部(例如:通过肌肉)的电流所致。但是摆脱电流限值的频率效应不同于感知电流、反应电流或电灼伤电流的频率效应,特别是频率在1KHz以上时更是如此。图2的网络模拟人体阻抗,并额外加权以模拟人体对电流的频率效应。该电流应能引起肌肉收缩,丧失摆脱可握紧零部件的能力。表示摆脱阀值的接触电流是用U3峰值除以500Ω
如果满足如下三个条件,才能使用图二的摆脱电流测试网络(使用图一测试网络的除外)
1.
存在的电流是交流,而且在50-60Hz情况下的限值是大于2.8mA的峰值。
2.
设备上有一个可握紧的零部件。
3.
可以预料到,由于电流通过手和胳膊,因而很难将可握紧零部件摆脱掉。
可握紧零部件不难摆脱掉的原因包括:
A.
零部件的大部分由绝缘材料构成
B.
零部件(例如一根细线)由于人的反应动作而断裂
C.
零部件(例如:插入式探头)很易于摆脱
图二见GB/T12113图五
第三、 电灼伤
在电灼伤的测量时可以选用上面任何一个网络。电灼伤是由于电流流过或穿过人体表皮而引起皮肤或器官的灼伤。若规定了电灼伤的限值,也要在没有频率加权的情况下测量接触电流。如果超过电灼伤电流极限有效值先于超过感知、反应和摆脱的加权峰值电流限值,则使用电灼伤所确定的标准判断。如果发生电灼伤,通常也只是30-500KHz的范围内,并取决于电流的波形和所使用的限值。如果上述这些频率不是主要分量,则不必测量电灼伤限值。

 
总之,用于测量家用和类似用途电器的接触电流测试仪,必须能模拟人体对接触电流的反应,个别应用单片机技术生产漏电测试仪的厂家,如果注意到所规定测量网络的频率响应特性,可以适当降低电子线路通频带的限值,因而可以减少一些制造成本。对于测量像电子镇流器之类的电器产品时,为了准确获得输入电源电流测量结果,必须采用专门的真有效值数字化测试分析仪器仪表,并要求仪表有较宽的频率响应特性。标准关于接触电流的测试方法的改进,是以电流对人体产生的效应的研究结果为依据的。随着科学对人体效应研究的深入,测试方法会不断完善。合适的测量方法及要求既能保证产品的安全性能测量,又有利于生产企业避免由于过高的安全要求而增加的不必要的成本。

 



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