人體阻抗模型分析

盧岳俊 葉青 錢雪偉

摘 要：從人體的構(gòu)成，結(jié)合泄漏電流測試，分析常見的四種人體阻抗模型。

關(guān)鍵詞：人體阻抗模型；泄漏電流；頻率因數(shù)

Abstract：From the composition of the human body， combined with leakage current test， analysis four kinds of common human body impedance model.

Key words：Human body impedance model；Leakage current；Frequency factor

1 人體

人體是由上皮組織、結(jié)締組織、肌肉組織、神經(jīng)組織組成的，不同的組織導(dǎo)電性不同。人體含有碳、氮、氫、氧、鈣、鈉等50多種元素，這些元素構(gòu)成人體的五個主要成分，即水、糖、脂肪、蛋白質(zhì)、無機鹽。由此可見，人體的體液實質(zhì)上是一種比較復(fù)雜的特殊電解質(zhì)。人體內(nèi)部大部分是導(dǎo)電能力較強的體液， 表面則是一層導(dǎo)電能力較差的皮膚。[ 1 ]

2 人體阻抗

人體阻抗是皮膚阻抗和皮下其它組織阻抗之和， 它是大小不同的電阻和電容的復(fù)雜組合。[ 2 ]角質(zhì)層在人皮膚最外層的表皮，導(dǎo)電性能較差。大量的血管分布在表皮下面的真皮和皮下組織里，導(dǎo)電性能較好。在觸電電極和導(dǎo)電性能較好的真皮之間夾了一層導(dǎo)電性較差的表皮，這結(jié)構(gòu)相當于電容，而表皮有汗腺孔，會有少量離子通過，因此皮膚阻抗相當于漏電的電容。皮膚下由無數(shù)細胞組成，含有各種不同的物質(zhì)。細胞內(nèi)有細胞液，導(dǎo)電性較好，細胞膜由脂類物質(zhì)組成，導(dǎo)電性差，細胞間有組織液，導(dǎo)電性較好，這樣三個部分也組成了電容。同時細胞膜具有選擇透過性，可以通過一些特定離子，因此細胞的阻抗相當于漏電的電容。人體中有無數(shù)個細胞，則存在無數(shù)類似的電容。

3 人體阻抗模型

人體阻抗模型是利用電阻和電容元器件，模擬真實人體阻抗的模型。人體阻抗模型相當于一個由電阻和電容器構(gòu)成的復(fù)雜的串并聯(lián)電路。[ 3 ]多種人體阻抗模型適用不同的情況。人體的阻抗有性別、身體健康的差異，同時與觸電的電壓、頻率、接觸面積、接觸時間、環(huán)境濕度都有著密切關(guān)系。在正?；蚬收锨闆r下，器具的帶電部件與絕緣表面形成的電流稱為泄漏電流。泄漏電流包括人體觸及器具時，由器具經(jīng)人體到大地的電流或由器具經(jīng)人體又回到器具的電流。在泄漏電流的試驗中，使用人體阻抗模型來測量流過人體電流的情況，根據(jù)實際情況選擇合適的人體阻抗模型是測量泄漏電流的關(guān)鍵之一。同時因為電氣設(shè)備的不同，不同標準中推薦使用的人體阻抗模型也不盡相同。

4 常見的四種人體阻抗模型

4.1 電灼傷電流人體阻抗模型

圖1是IEC60990等標準中采用的人體阻抗模型，該模型為電灼傷電流人體阻抗模型。電灼傷是當電流通過人體表皮和人體構(gòu)成的阻抗時，因為消耗功率所造成。該模型只考慮了人體模擬阻抗，用于測量電灼傷電流，其中CS為接觸電容，RS為接觸電阻，兩者并聯(lián)為皮膚的接觸阻抗，RB為人體內(nèi)部阻抗，沒有考慮高頻電流的補償。阻抗數(shù)值是考慮最常見的觸電情況下，從手到腳和手到手的接觸情況，而計算出來的。

不同測量線路在高頻情況下，泄漏電流加權(quán)效果是不同的。采用頻率因數(shù)來進行描述測量線路網(wǎng)絡(luò)對交流電流加權(quán)的情況。頻率因數(shù)是指通過該測量網(wǎng)絡(luò)的實際與測試結(jié)果的電流比值，這個數(shù)值就是對交流電流情況下進行加權(quán)的倍數(shù)。

該模型的頻率因數(shù)：

4.2 感知與反應(yīng)電流人體阻抗模型

在GB 4706、IEC 60335、UL 60335、IEC 60065等系列標準中采用的人體阻抗模型如圖2，這也是IEC 60990中的感知與反應(yīng)電流人體阻抗模型，適用于家用及類似用途電器的泄漏電流測試。

人體對電流的感知和反應(yīng)是流過人體內(nèi)部器官的電流引起的。為了準確測量這些電流，此模型是電灼傷人體阻抗模型的基礎(chǔ)上考慮補償頻率對人體效應(yīng)閾值的影響，增加了R1、C1低通濾波網(wǎng)絡(luò)。其中，Rs、Cs兩者并聯(lián)為皮膚的接觸阻抗，RB為人體內(nèi)部阻抗，R1、C1組成的電阻電容分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)加權(quán)。頻率越高，則流過人體的電流效應(yīng)閾值越大。

該網(wǎng)模型的頻率因數(shù)：

4.3 擺脫電流人體阻抗模型

在IEC 60598.1、IEC 61010、UL 61010等標準中采用的人體阻抗模型如圖3。該模型為IEC 60990中提供的擺脫電流人體阻抗模型，適用于照明設(shè)備、試驗室電氣設(shè)備的泄漏電流測試。

人體喪失擺脫物體的能力是流過人體內(nèi)部的電流所致，該模型用于測量擺脫電流，其中CS為接觸電容，RS為接觸電阻，兩者并聯(lián)為皮膚的接觸阻抗，RB為人體內(nèi)部阻抗。通過R1、C1、R2、C2與進來高頻補償，這與感知與反應(yīng)電流的人體阻抗模型相比，對于高頻情況時泄漏電流的加權(quán)程度不同。

該模型的頻率因數(shù)：

4.4 醫(yī)用電氣設(shè)備標準人體阻抗模型

在GB 9706、IEC 60601等標準中采用模擬人體阻抗模型如圖4，適用于醫(yī)用電氣設(shè)備的泄漏電流測試。

該模型主要用于直流、交流及頻率≤1MHz的混合波形。該模型未考慮接觸阻抗，但增加了R2與C1組成的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，考慮了頻率的加權(quán)影響。

該模型的頻率因數(shù)：

5 綜述

以上分析了常見的四種模擬人體阻抗模型，針對不同的情況，人體阻抗不同，不同標準泄漏電流測試所用的人體阻抗模型也是相應(yīng)的不同。通過對人體阻抗模型的分析，來加深對人體阻抗和人體阻抗模型產(chǎn)生、運用的理解，同時提升泄漏電流測試的理解與能力。

參考文獻：

[1] 陸林越，魏王越，馬飛.預(yù)防電對人體的損害——對人體阻抗的認識.醫(yī)療設(shè)備信息，2003，18（2）.

[2] 李亞芳，劉美玉，王保珩.人體阻抗特性產(chǎn)生的物理機制.數(shù)理醫(yī)學雜志，2007，20（6）.

[3] 萬永剛，金成，王曉東.低頻電流下人體阻抗模型的研究.中國醫(yī)藥導(dǎo)報，2010，7（13）.