泄漏电流测试中人体阻抗网络频率响应的研究

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简介:泄漏电流|体阻抗网络
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泄漏电流测试中人体阻抗网络频率响应的研究

摘要:本文简要介绍了泄漏电流的定义和分类,叙述了泄漏电流测试的原理,重点分析了人体对泄漏电流频率的响应,依据不同的响应情况对人体阻抗网络进行计算分析,验证了人体阻抗网络频率响应的良好模拟性,对家电及其他设备的泄漏电流测试提供参考。关键词:泄漏电流;接触电流;人体阻抗网络;频率因数

装置和设备的通用部分》中,泄漏电流定义为“正常运行状态下,在不期望的可导电路径内流过的电流”。

就安全而言,泄露电流将主要考虑可能流过人体的有害电流。已经确定有两种类型的电流需要单独的测量方法:接触电流和保护导体电流。图1给出了接触电流和保护导体电流的示意。

接触电流是指当人体或动物体接触一个或者多个装置的或设备的可触及零部件时,流过他们身体的电流。

随着人民生活水平的提高,家用电器产品不断出现在各家各户,并且数量不断增加。一方面这些电器方便了人民的家庭生活,但另一方面这也导致了由于电器设备引发火灾及伤害事故使得人身及财产受到危害情况的加剧,其中泄漏电流是导致出现事故和危害的重要原因之一。每个电气产品制造商都应尽最大努力保证产品的安全性。同时,世界各国也制定了各自的安全标准来规范家用电器设备的安全,并

实施相关安规认证进行检测。在这些安全认证中,IEC及美国UL、加拿大CSA、德国VDE等都要求对产品进行泄露电流测试,我国的CCC认证也提出了同样的要求。

接触电流产生的四个要素包括电流、人或动物、接触和可触及部件。

保护导体电流是在设备接地线上流过的泄漏电流,即通常所说的地线(例如Ⅰ类设备的地极)电流。

一、泄漏电流的定义及分类

物理学上,泄漏电流可以定义为从带电部件(通过绝缘)流到导电部件的电流。在GB/

T 17045-2008(IEC 61140:2001)《电击防护

保护导体电流过大除了会使器具的漏电保护开关动作、影响供电系统的正常工作外,还可能造成保护导体上的压降变大、发热增加和地线电位增高等,进而对供电造成

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Standard标准检测

一定的影响。

在GB/T 12113-2003《接触电流和保护导体电流的测量方法》标准中规定,保护导体电流只需用一个内阻可以忽略不计的安培表来进行测量。例如内阻为0.5Ω的电流表,在设备和配电系统均处于正常工作状态下时,可以直接测量保护导体电流。本文中的人体效应主要由接触电流导致。

伤(>70mA有效值)。

这四种人体效应中任一种都具有唯一的阈值,其中感知、反应和摆脱电流的阈值与接触电流的峰值有关,也随电流频率产生差异性变化;而电灼伤电流的阈值与接触电流功率的有效值有关,与频率无关。图2给出了50/60Hz至10kHz频率范围内感知、摆脱电流阈值的变化。

人体本身对高频电流的效应可用频率因数

其中:

ZI——人体内阻抗;ZS——皮肤阻抗。

人体内阻抗ZI大部分可认为是阻性的,其数值主要由电流路径决定,与接触表面积的关系较小。

皮肤阻抗ZS可视为由半绝缘层上许多小的导电体(毛孔)组成的电阻和电容的网络。皮肤阻抗值取决于电压、频率、通电时间,接触的表面积、接触的压力、皮肤的潮湿程度、皮肤的温度和种类。

对较低的接触电压,即使是同一个人,其皮肤阻抗值也会随着条件的不同而具有很大的变化,如接触的表面积和条件(干燥、潮湿、出汗)、温度、快速呼吸等。对于较高的接触电压,则皮肤阻抗将显著下降,而当皮肤击穿时,变得可以忽略了。至于频率的影响,则是频率增加时皮肤阻抗减少。

在选用模拟网络时,主要考虑频率因素。人机接触点的位置、面积和电流的流向而所不同,这就需要我们选择合适的测量网络来反应不同情况下的人体阻抗ZT。

ZT=ZI+ZS

二、接触电流的人体效应

GB/T 13870.1-2008《电流对人和家畜的效应 第1部分:通用部分》(IEC/TS 60479-1:2005,IDT)标准中介绍了连续波形电流对人体最重要的几种效应。根据接触电流对人体的效应不同,接触电流又可分为感知电流、反应电流、摆脱电流和电灼伤电流。

感知(Perception)电流是指通过人体、能引起任何感觉的接触电流的最小值,限值一般为0.7mA峰值的正弦电流。

反应(Reaction)电流是指能引起肌肉不自觉收缩的接触电流的最小值。

摆脱(Let-go)电流是指人手握电极能自行摆脱电极时接触电流的最大值。该电流的阈值取决于若干参数,如接触面积、电极的形状和尺寸,以及个人的生理特性。例如,成年男性摆脱电流限值约为10mA,通常约5mA的电流适用于所有人。

电灼伤(Electric burn)电流是由于电流流过或穿过人体表皮而引起的皮肤或器官的灼

Ff表示,其意义是指:引起同样人体生理效应的频率为f的电流阈值与50/60Hz频率下的电流阈值之比。

如图2所示,人体对电流频率为50/60Hz的反应比更高电流频率的反应更为敏感。适用于人体惊跳反应频率特性的经验法则是:频率超过1kHz时,频率每增大10倍,产生神经/肌肉同样程度刺激的电流要增大10倍。

例如,如果在1kHz时0.7mA的电流会造成一定程度的神经肌肉刺激(相当于50/60Hz时 0.5mA电流产生的刺激),那么在10 kHz时,大约7mA的电流以及在100kHz时大约70mA的电流会产生相同程度的刺激。

三、人体阻抗网络(MD)的选择

由于接触电流测试不可能采用人体进行,因此只能根据不同的接触环境、接触路径采用适宜的模拟网络来模拟实际触电情况。这个模拟人体阻抗的电路称为“人体阻抗网络”,代表人体在不同情况下的阻抗。人体阻抗由于

随着频率的升高,同样大小的电流对人体的伤害相应减少,高频时对人体效应阈值会增大。以下对图2中涉及的不同频率网络进行分析。

1、未加权的人体阻抗网络

图3所示网络为基本人体阻抗网络,其中频率因数Ff=1,未考虑电流频率对人体的影

Standard标准

频率效应,摆脱电流限值的频率效应不同于感知和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。需要紧握部

件的Ⅰ类可移式灯具中采用该网络。

频率特性曲线 4、

图6、图7给出了模拟感知电流和反应电流以及摆脱电流的人体阻抗网络的频率特性曲线。该曲线与根据IEC 60479-1《电流对人类和家畜的影响 第1部分:一般特性》测得的人体实际频率特性数据是基本重合,只在中间300Hz—10kHz曲线拐点位置有一点偏差。


四、结束语

泄漏电流依据电流流经对象身体产生的效应存在不同的分类,我们在进行泄漏电流测试过程中,首先要对产品及泄漏电流类别进行判定,进而选择正确的测量网络进行测试。本文从人体阻抗网络频率响应的角度分析了测量网络的本质内涵,加深了试验人员对泄漏电流的

响,所以称为未加权接触电流,测量电灼伤电流时可以采用该网络。

图3测量网络中RB为模拟人体阻抗,RS和CS模拟两接触点间的总皮肤阻抗,CS的值由皮肤接触面积决定,对于较大的接触面积,可以使用较大的值如0.33μF。

部器官的电流引起的。为了测量这些效应,要求对反应随频率的变化进行研究和补偿。基于图3的人体阻抗网络模型,对于引起不自主反应的电流,图4给出了随人体频率特性的加权值。该网络应用范围广泛:包括家用电器、灯具、信息技术设备、音频、视频及类似电子设备的感知和反应电流测试都可采用图4网络进行。

3、加权接触电流(摆脱电流)的测量网络图5给出了模拟人体摆脱物体能力的阻抗,该摆脱电流是由流过人体内部(例如:通过肌肉)的电流所致,能引起肌肉痉挛(肌肉不自主的收缩)、丧失摆脱可握紧零部件的能

2、感知电流或反应电流的测量网络人体对电流的感知和反应是由流过人体内

力。

图5网络还额外加权以模拟人体对电流的

参考文献

[1] GB/T 17045-2008《电击防护 装置和设备的通用部分》

[2] GB/T 12113-2003《接触电流和保护导体电流的测量方法》

[3] GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 第1部分:通用要求》

[4] IEC 60479-1:2005 《电流对人类和家畜的影响 第1部分一般特性》

理解。将来,随着对人体电流效应研究的进一步深入,将会引入更精确的测量模拟网络和限

值。



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