倪 華 金雷鳴/上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

該文通過介紹接觸電流，引出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)的測(cè)試接觸電流所需的三種模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其計(jì)量屬性進(jìn)行分析，提出了幾種校準(zhǔn)方法，并對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇最佳的校準(zhǔn)方法以及所必需配置的儀器。

0 引言

接觸電流是漏電流的一種，漏電流是指設(shè)備在外界施加電壓的作用下，相互絕緣的金屬部件之間或帶電部件與接地部件之間，通過其周圍的介質(zhì)或絕緣表面所形成的電流。泄漏電流可分為兩種：1型電流，在正常條件或單一故障條件下，當(dāng)人體接觸連接到不同電源系統(tǒng)的接地或不接地的Ⅰ類或Ⅱ類設(shè)備時(shí)流過人體的電流；2型電流，在正常條件下流過Ⅰ類設(shè)備的保護(hù)導(dǎo)體的電流。將流過人體的電流（1型電流）稱為接觸電流。因此對(duì)接觸電流的定義是：當(dāng)人體或動(dòng)物接觸一個(gè)或多個(gè)裝置的或設(shè)備的可觸及零部件時(shí)，流過他們身體的電流。

接觸電流對(duì)人體的效應(yīng)主要有四種：感知、反應(yīng)、擺脫和電灼傷。感知閾值是能引起人體任何感覺的最小電流值；反應(yīng)閾值是通過人體能引起肌肉不自覺收縮的最小電流值；擺脫閾值是手握電極的人能自行擺脫電極的最大電流值；電灼傷是電流流過或穿過人體表皮而引起的皮膚或器官的灼傷的電流值。

四種人體效應(yīng)中，感知、反應(yīng)和擺脫與接觸電流的峰值有關(guān)，并且隨頻率變化而不同；電灼傷與接觸電流的有效值有關(guān)，而與頻率無關(guān)。所以對(duì)于電擊而言是測(cè)量電流的峰值，對(duì)電灼傷則是測(cè)量電流的有效值。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)

接觸電流簡單地說是流過人體的電流，為能測(cè)量電子、電氣產(chǎn)品所產(chǎn)生的接觸電流，就需要使用模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)來模擬測(cè)量流過人體的電流。人體總阻抗由阻性分量和容性分量組成，經(jīng)研究分析采用1750Ω±250Ω的電阻值模擬人體電阻，用0.105μF～0.160μF的電容量模擬人體電容，總的原則是模擬時(shí)間常數(shù)為225μs±15μs為前提，這樣使測(cè)得的電流既模擬了人體阻抗又具有可比性。

根據(jù)GB/T12113-2003/IEC 60990:1999 《接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流的測(cè)試方法》，規(guī)定了在各種情況下的三種模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)。

圖1為模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，在電灼傷測(cè)量中使用，圖2為測(cè)量感知電流、反應(yīng)電流時(shí)使用的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)（含模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)），圖3是擺脫電流模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)（含模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)），在測(cè)量擺脫電流中使用。

圖1 電灼傷測(cè)量使用的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)

圖2 感知電流、反應(yīng)電流時(shí)使用的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)

圖3 擺脫電流使用的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)

以上三種模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)都有A、B測(cè)量端和輸出電壓Ui，模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的上半部分（Rs∥Cs）為人體皮膚阻抗，RB為人體內(nèi)部阻抗，而判斷是否有觸電的各種反應(yīng)都和輸出電壓Ui有關(guān)。本文認(rèn)為A、B是模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入端，輸出電壓Ui處是模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸出端。

2 模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的計(jì)量屬性

在GB/T12113-2003/IEC 60990:1999 的附錄中，給出了各個(gè)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)從20Hz-1MHz的輸入輸出的校準(zhǔn)特性，可以根據(jù)這些表格的數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)來判斷各模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)是否合格。表1是各模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的特性。

2.1 頻率

現(xiàn)在電子開關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電源系統(tǒng)和各種儀器設(shè)備中，因而不可避免地會(huì)產(chǎn)生高頻諧波電壓和高頻泄漏電流。GB/T12113-2003的主要目的是為解決由此產(chǎn)生的安全問題。從表1和表2中的數(shù)據(jù)可看出，各個(gè)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的頻率特性都需要測(cè)量到1 MHz，因此對(duì)于各個(gè)人體模擬阻抗網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量儀表都需要有高達(dá)1 MHz的頻率響應(yīng)。

表1 各模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的特性

2.2 輸入阻抗

輸入阻抗可以認(rèn)為是人在觸電時(shí)的整個(gè)人身體的阻抗，即從模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入端（上圖中的A、B端）看入的阻抗大小，可用高頻儀器直接測(cè)量輸出端的阻抗值。

2.3 傳輸阻抗

傳輸阻抗是模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)輸出端的電壓與人體觸電電流的比值。由于傳輸阻抗的特殊定義，一般無法用現(xiàn)有的儀器設(shè)備直接測(cè)得，但是可以通過測(cè)量一些相關(guān)的數(shù)據(jù)來計(jì)算出傳輸阻抗。以圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)為例：

假設(shè)輸入阻抗為Za，傳輸阻抗為Zb，即Za=U/I；Zb=U2 /I，因此Za /Zb=U/U2，可得出Zb=(Za×U2)/U。在2.2中提到輸入阻抗可以用儀器直接測(cè)量而得到，因此在上述公式中的Za、U2、U是已知的，通過計(jì)算就能十分容易地得到傳輸阻抗Zb的值。

另外如果有高頻無感電阻（測(cè)試頻率DC ～ 1 MHz或更高），可以用其作為取樣電阻串聯(lián)在測(cè)量回路中，測(cè)量無感電阻兩端的電壓再換算成電流，在輸入端就能直接測(cè)量出電流值I，同時(shí)再測(cè)量出U2的值，就能很容易地計(jì)算出傳輸阻抗。

根據(jù)圖2、圖3的計(jì)算公式，加權(quán)接觸電流是由模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)輸出端的比值計(jì)算出的，所以判斷是否觸電和傳輸阻抗有很大關(guān)系。傳輸阻抗的校準(zhǔn)是整個(gè)接觸電流模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)，也是比較困難和復(fù)雜的測(cè)量項(xiàng)目。

3 模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)

3.1 設(shè)備

根據(jù)以上對(duì)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的頻率、輸入阻抗、傳輸阻抗的分析，選擇高精度高頻響的數(shù)字多用表如FLUKE 8508A、示波器（DC～100 MHz或頻率更高）如Agolent 54624A、LCR測(cè)試儀（測(cè)試頻率20 Hz～1 MHz或頻率更寬）如Agolent 4284A、高穩(wěn)定度的信號(hào)發(fā)生器（DC～1 MHz或更高）、雙通道高精度電子電壓表（測(cè)試頻率DC～ 1 MHz或更高）、高頻無感電阻（測(cè)試頻率DC～ 1 MHz或更高，阻抗在1 kΩ以上）。

選用菊水的TOS 3200的內(nèi)置模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)作為被校準(zhǔn)對(duì)象，因?yàn)樵搩x器的內(nèi)置模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)輸入與輸出端都有校準(zhǔn)端口，可以很方便地對(duì)輸入端施加電壓，同時(shí)也可以方便地測(cè)量輸出端的電壓，得到所需的測(cè)量數(shù)據(jù)。

3.2 輸入阻抗的校準(zhǔn)

輸入阻抗的校準(zhǔn)比較方便，只要在輸入端直接測(cè)量就可以，有兩種方法。

3.2.1 方法1需要使用信號(hào)發(fā)生器、無感電阻、數(shù)字多用表或電子電壓表（圖4）。

圖4 輸入阻抗的校準(zhǔn)接線

根據(jù)圖4進(jìn)行接線，信號(hào)發(fā)生器輸出DC～1 MHz的電壓信號(hào)，施加到模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入端（A、B），數(shù)字多用表或電子電壓表(2)測(cè)量輸入端的電壓值，即為U。數(shù)字電壓表或電子電壓表(1)監(jiān)測(cè)高頻電阻兩端的電壓，根據(jù)歐姆定律可計(jì)算出流過電阻的電流，同時(shí)也是流入模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的電流，即為I。所以可以根據(jù)U/I計(jì)算出輸入阻抗。改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，測(cè)量在不同頻率下模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。

3.2.2 方法2是使用LCR儀對(duì)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入端A、B兩端直接測(cè)量，改變LCR的測(cè)試頻率，測(cè)量在不同頻率下模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。

表2是分別使用兩種方法對(duì)圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量所得到數(shù)據(jù)。

表2 使用兩種方法對(duì)圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)所得數(shù)據(jù)

3.2.3 從表2可以看出兩種方法測(cè)得結(jié)果相差不大，在方法1中，使用數(shù)字多用表測(cè)得在高頻時(shí)的結(jié)果與其他兩個(gè)的結(jié)果略有區(qū)別，主要是數(shù)字多用表的頻響不是很高，但還是在誤差的允許范圍之內(nèi)。方法2相對(duì)于方法1，測(cè)得的數(shù)據(jù)更接近于理論值，主要是LCR使用4線法測(cè)試，接線比較短，基本不受干擾；數(shù)據(jù)直接讀出，不需要計(jì)算，也避免了計(jì)算所產(chǎn)生的誤差。因此方法2是既簡單，測(cè)量精度又高。

3.3 傳輸阻抗的校準(zhǔn)

傳輸阻抗校準(zhǔn)也有兩種方法，在2.3的推導(dǎo)中，可知其中一種方法需要在測(cè)得輸入阻抗后才能得出傳輸阻抗。

3.3.1 直接測(cè)量法，這種方法與3.2.1所需要的設(shè)備一樣，按圖5接線。

由信號(hào)發(fā)生器給出某個(gè)頻率的信號(hào)，用數(shù)字多用表或電子電壓表（2）測(cè)得電壓值Ux，然后除以數(shù)字多用表或電子電壓表（1）測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出輸入端的電流I，得到這個(gè)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)在該頻率下的傳輸阻抗。改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，測(cè)得不同頻率時(shí)的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)傳輸阻抗。

圖 5 傳輸阻抗直接測(cè)量法接線圖

3.3.2 間接測(cè)量法，這種方法前提是要在測(cè)得各個(gè)輸入阻抗數(shù)據(jù)后，通過對(duì)所測(cè)量輸入輸出端的電壓值來計(jì)算求得傳輸阻抗。使用設(shè)備（除不用取樣電阻外）與直接測(cè)量法基本相同，接線如圖6。

圖 6 傳輸阻抗間接測(cè)量法接線圖

在信號(hào)發(fā)生器發(fā)出不同頻率的同時(shí)，分別由2個(gè)數(shù)字多用表或電子電壓表記錄下輸入與輸出端的電壓，用2.3中推導(dǎo)出的公式B=(A×Ui ) / U，計(jì)算出傳輸阻抗。

表3是用上述兩種方法測(cè)量圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)所得到的數(shù)據(jù)，其中間接測(cè)量法使用的輸入阻抗的數(shù)據(jù)為LCR直接測(cè)量所得的。

3.3.3 在兩種測(cè)量方法中，使用數(shù)字多用表測(cè)量電壓時(shí)，隨著測(cè)量頻率的增高測(cè)量誤差也逐漸增大，特別是在測(cè)量圖2和圖3模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的情況。因?yàn)槟M人體阻抗網(wǎng)絡(luò)在高頻時(shí)輸出端的電壓特別小，只有幾個(gè)毫伏，一般數(shù)字多用表最小量程也要幾十毫伏，因此會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，同時(shí)在頻率增大時(shí)又會(huì)產(chǎn)生一些附加誤差以及高頻干擾等，所以無論直接測(cè)量還是間接測(cè)量，使用數(shù)字多用表所得到的測(cè)量結(jié)果其誤差都會(huì)比較大。

在兩種測(cè)量方法中，使用電子電壓表所得到的測(cè)量結(jié)果比較令人滿意，而且一般電子電壓表都是雙通道的，只需使用一臺(tái)就能同時(shí)測(cè)量出兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的電壓值，相對(duì)于數(shù)字多用表方便了許多。但是直接測(cè)量中需要使用高頻電阻作為電流測(cè)量時(shí)的取樣電阻來得到模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入電流，由于接入了取樣電阻使得A、B端的輸入電壓因?yàn)榉謮憾鴾p小，從而輸出端的電壓也會(huì)隨之降低，造成最后的測(cè)量結(jié)果誤差變大。為了提高輸出端電壓的測(cè)量準(zhǔn)確度，適當(dāng)提高A、B輸入端的輸入電壓，以便間接提高輸出端的測(cè)量精度。

表3 測(cè)量圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

通過以上的分析，校準(zhǔn)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)比較簡單方法是：使用LCR測(cè)量模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗，再使用信號(hào)發(fā)生器與電子電壓表結(jié)合測(cè)量其傳輸阻抗。這個(gè)方法不僅能對(duì)GB/T12113-2003中規(guī)定的三種模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校準(zhǔn)，也能對(duì)IEC規(guī)定的一些其他模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)開展校準(zhǔn)，如模擬人體濕手的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)療設(shè)備及其他科學(xué)儀器的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)等。

但是，通過以上方法校準(zhǔn)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)只是第一步，現(xiàn)在市場(chǎng)上一些接觸電流測(cè)試儀的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)是直接內(nèi)置在儀器里，并沒有為校準(zhǔn)而預(yù)留出相應(yīng)的輸入輸出端的測(cè)量端口，所以無法直接使用上述方法來進(jìn)行測(cè)量，需要在上述方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的探索和研究，以解決沒有預(yù)留校準(zhǔn)端口的接觸電流測(cè)試儀內(nèi)置模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)。

注：

I 類電器——該類電器的防觸電保護(hù)不僅依靠基本絕緣，而且還有一個(gè)附加預(yù)防措施，其方法是將易觸及的導(dǎo)電部件與已安裝在固定線路中的保護(hù)接地導(dǎo)線連接起來，使易觸及的導(dǎo)電部件在基本絕緣損壞時(shí)不成為帶電體。例如，國產(chǎn)電冰箱多為 I 類電器。

II 類電器——該類電器在防止觸電保護(hù)方面，不僅依靠基本絕緣，而且還具有附加的安全預(yù)防措施。其方法是采用雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣結(jié)構(gòu)，但沒有保護(hù)接地或依靠安裝條件的措施。例如，國內(nèi)生產(chǎn)的電熱毯多為 II 類電器。

[1] 中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所. B/T12113-2003/IEC 60990:1999S[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[2] 全國建筑物電氣裝置標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 13870.1-1992[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

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