接触电流测量中使用的模拟人体网络的校准

倪 华 金雷鸣/上海市质量监督检验技术研究院

该文通过介绍接触电流，引出相关标准中对应的测试接触电流所需的三种模拟人体阻抗网络，对其计量属性进行分析，提出了几种校准方法，并对测得的数据进行分析，选择最佳的校准方法以及所必需配置的仪器。

0 引言

接触电流是漏电流的一种，漏电流是指设备在外界施加电压的作用下，相互绝缘的金属部件之间或带电部件与接地部件之间，通过其周围的介质或绝缘表面所形成的电流。泄漏电流可分为两种：1型电流，在正常条件或单一故障条件下，当人体接触连接到不同电源系统的接地或不接地的Ⅰ类或Ⅱ类设备时流过人体的电流；2型电流，在正常条件下流过Ⅰ类设备的保护导体的电流。将流过人体的电流（1型电流）称为接触电流。因此对接触电流的定义是：当人体或动物接触一个或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。

接触电流对人体的效应主要有四种：感知、反应、摆脱和电灼伤。感知阈值是能引起人体任何感觉的最小电流值；反应阈值是通过人体能引起肌肉不自觉收缩的最小电流值；摆脱阈值是手握电极的人能自行摆脱电极的最大电流值；电灼伤是电流流过或穿过人体表皮而引起的皮肤或器官的灼伤的电流值。

四种人体效应中，感知、反应和摆脱与接触电流的峰值有关，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。所以对于电击而言是测量电流的峰值，对电灼伤则是测量电流的有效值。

1 相关标准中的模拟人体阻抗网络

接触电流简单地说是流过人体的电流，为能测量电子、电气产品所产生的接触电流，就需要使用模拟人体阻抗网络来模拟测量流过人体的电流。人体总阻抗由阻性分量和容性分量组成，经研究分析采用1750Ω±250Ω的电阻值模拟人体电阻，用0.105μF～0.160μF的电容量模拟人体电容，总的原则是模拟时间常数为225μs±15μs为前提，这样使测得的电流既模拟了人体阻抗又具有可比性。

根据GB/T12113-2003/IEC 60990:1999 《接触电流和保护导体电流的测试方法》，规定了在各种情况下的三种模拟人体阻抗网络。

图1为模拟人体阻抗网络，在电灼伤测量中使用，图2为测量感知电流、反应电流时使用的模拟人体阻抗网络（含模拟人体阻抗网络），图3是摆脱电流模拟人体阻抗网络（含模拟人体阻抗网络），在测量摆脱电流中使用。

图1 电灼伤测量使用的模拟人体阻抗网络

图2 感知电流、反应电流时使用的模拟人体阻抗网络

图3 摆脱电流使用的模拟人体阻抗网络

以上三种模拟人体阻抗网络都有A、B测量端和输出电压Ui，模拟人体阻抗网络的上半部分（Rs∥Cs）为人体皮肤阻抗，RB为人体内部阻抗，而判断是否有触电的各种反应都和输出电压Ui有关。本文认为A、B是模拟人体阻抗网络的输入端，输出电压Ui处是模拟人体阻抗网络的输出端。

2 模拟人体阻抗网络的计量属性

在GB/T12113-2003/IEC 60990:1999 的附录中，给出了各个模拟人体阻抗网络从20Hz-1MHz的输入输出的校准特性，可以根据这些表格的数据与实际测量的数据来判断各模拟人体阻抗网络是否合格。表1是各模拟人体阻抗网络的特性。

2.1 频率

现在电子开关技术被广泛应用于电源系统和各种仪器设备中，因而不可避免地会产生高频谐波电压和高频泄漏电流。GB/T12113-2003的主要目的是为解决由此产生的安全问题。从表1和表2中的数据可看出，各个模拟人体阻抗网络的频率特性都需要测量到1 MHz，因此对于各个人体模拟阻抗网络的测量仪表都需要有高达1 MHz的频率响应。

表1 各模拟人体阻抗网络的特性

2.2 输入阻抗

输入阻抗可以认为是人在触电时的整个人身体的阻抗，即从模拟人体阻抗网络的输入端（上图中的A、B端）看入的阻抗大小，可用高频仪器直接测量输出端的阻抗值。

2.3 传输阻抗

传输阻抗是模拟人体阻抗网络输出端的电压与人体触电电流的比值。由于传输阻抗的特殊定义，一般无法用现有的仪器设备直接测得，但是可以通过测量一些相关的数据来计算出传输阻抗。以图2模拟人体阻抗网络为例：

假设输入阻抗为Za，传输阻抗为Zb，即Za=U/I；Zb=U2 /I，因此Za /Zb=U/U2，可得出Zb=(Za×U2)/U。在2.2中提到输入阻抗可以用仪器直接测量而得到，因此在上述公式中的Za、U2、U是已知的，通过计算就能十分容易地得到传输阻抗Zb的值。

另外如果有高频无感电阻（测试频率DC ～ 1 MHz或更高），可以用其作为取样电阻串联在测量回路中，测量无感电阻两端的电压再换算成电流，在输入端就能直接测量出电流值I，同时再测量出U2的值，就能很容易地计算出传输阻抗。

根据图2、图3的计算公式，加权接触电流是由模拟人体阻抗网络输出端的比值计算出的，所以判断是否触电和传输阻抗有很大关系。传输阻抗的校准是整个接触电流模拟人体阻抗网络的重点，也是比较困难和复杂的测量项目。

3 模拟人体阻抗网络的校准

3.1 设备

根据以上对模拟人体阻抗网络的频率、输入阻抗、传输阻抗的分析，选择高精度高频响的数字多用表如FLUKE 8508A、示波器（DC～100 MHz或频率更高）如Agolent 54624A、LCR测试仪（测试频率20 Hz～1 MHz或频率更宽）如Agolent 4284A、高稳定度的信号发生器（DC～1 MHz或更高）、双通道高精度电子电压表（测试频率DC～ 1 MHz或更高）、高频无感电阻（测试频率DC～ 1 MHz或更高，阻抗在1 kΩ以上）。

选用菊水的TOS 3200的内置模拟人体阻抗网络作为被校准对象，因为该仪器的内置模拟人体阻抗网络输入与输出端都有校准端口，可以很方便地对输入端施加电压，同时也可以方便地测量输出端的电压，得到所需的测量数据。

3.2 输入阻抗的校准

输入阻抗的校准比较方便，只要在输入端直接测量就可以，有两种方法。

3.2.1 方法1需要使用信号发生器、无感电阻、数字多用表或电子电压表（图4）。

图4 输入阻抗的校准接线

根据图4进行接线，信号发生器输出DC～1 MHz的电压信号，施加到模拟人体阻抗网络的输入端（A、B），数字多用表或电子电压表(2)测量输入端的电压值，即为U。数字电压表或电子电压表(1)监测高频电阻两端的电压，根据欧姆定律可计算出流过电阻的电流，同时也是流入模拟人体阻抗网络的电流，即为I。所以可以根据U/I计算出输入阻抗。改变信号发生器的输出频率，测量在不同频率下模拟人体阻抗网络的输入阻抗。

3.2.2 方法2是使用LCR仪对模拟人体阻抗网络的输入端A、B两端直接测量，改变LCR的测试频率，测量在不同频率下模拟人体阻抗网络的输入阻抗。

表2是分别使用两种方法对图2模拟人体阻抗网络进行测量所得到数据。

表2 使用两种方法对图2模拟人体阻抗网络所得数据

3.2.3 从表2可以看出两种方法测得结果相差不大，在方法1中，使用数字多用表测得在高频时的结果与其他两个的结果略有区别，主要是数字多用表的频响不是很高，但还是在误差的允许范围之内。方法2相对于方法1，测得的数据更接近于理论值，主要是LCR使用4线法测试，接线比较短，基本不受干扰；数据直接读出，不需要计算，也避免了计算所产生的误差。因此方法2是既简单，测量精度又高。

3.3 传输阻抗的校准

传输阻抗校准也有两种方法，在2.3的推导中，可知其中一种方法需要在测得输入阻抗后才能得出传输阻抗。

3.3.1 直接测量法，这种方法与3.2.1所需要的设备一样，按图5接线。

由信号发生器给出某个频率的信号，用数字多用表或电子电压表（2）测得电压值Ux，然后除以数字多用表或电子电压表（1）测得的数据，计算出输入端的电流I，得到这个模拟人体阻抗网络在该频率下的传输阻抗。改变信号发生器的输出频率，测得不同频率时的模拟人体阻抗网络传输阻抗。

图 5 传输阻抗直接测量法接线图

3.3.2 间接测量法，这种方法前提是要在测得各个输入阻抗数据后，通过对所测量输入输出端的电压值来计算求得传输阻抗。使用设备（除不用取样电阻外）与直接测量法基本相同，接线如图6。

图 6 传输阻抗间接测量法接线图

在信号发生器发出不同频率的同时，分别由2个数字多用表或电子电压表记录下输入与输出端的电压，用2.3中推导出的公式B=(A×Ui ) / U，计算出传输阻抗。

表3是用上述两种方法测量图2模拟人体阻抗网络所得到的数据，其中间接测量法使用的输入阻抗的数据为LCR直接测量所得的。

3.3.3 在两种测量方法中，使用数字多用表测量电压时，随着测量频率的增高测量误差也逐渐增大，特别是在测量图2和图3模拟人体阻抗网络的情况。因为模拟人体阻抗网络在高频时输出端的电压特别小，只有几个毫伏，一般数字多用表最小量程也要几十毫伏，因此会产生很大的测量误差，同时在频率增大时又会产生一些附加误差以及高频干扰等，所以无论直接测量还是间接测量，使用数字多用表所得到的测量结果其误差都会比较大。

在两种测量方法中，使用电子电压表所得到的测量结果比较令人满意，而且一般电子电压表都是双通道的，只需使用一台就能同时测量出两个测量点的电压值，相对于数字多用表方便了许多。但是直接测量中需要使用高频电阻作为电流测量时的取样电阻来得到模拟人体阻抗网络的输入电流，由于接入了取样电阻使得A、B端的输入电压因为分压而减小，从而输出端的电压也会随之降低，造成最后的测量结果误差变大。为了提高输出端电压的测量准确度，适当提高A、B输入端的输入电压，以便间接提高输出端的测量精度。

表3 测量图2模拟人体阻抗网络的数据

4 总结

通过以上的分析，校准模拟人体阻抗网络比较简单方法是：使用LCR测量模拟人体阻抗网络的输入阻抗，再使用信号发生器与电子电压表结合测量其传输阻抗。这个方法不仅能对GB/T12113-2003中规定的三种模拟人体阻抗网络进行校准，也能对IEC规定的一些其他模拟人体阻抗网络开展校准，如模拟人体湿手的模拟人体阻抗网络和医疗设备及其他科学仪器的模拟人体阻抗网络等。

但是，通过以上方法校准模拟人体阻抗网络只是第一步，现在市场上一些接触电流测试仪的模拟人体阻抗网络是直接内置在仪器里，并没有为校准而预留出相应的输入输出端的测量端口，所以无法直接使用上述方法来进行测量，需要在上述方法的基础上进行进一步的探索和研究，以解决没有预留校准端口的接触电流测试仪内置模拟人体阻抗网络的校准。

注：

I 类电器——该类电器的防触电保护不仅依靠基本绝缘，而且还有一个附加预防措施，其方法是将易触及的导电部件与已安装在固定线路中的保护接地导线连接起来，使易触及的导电部件在基本绝缘损坏时不成为带电体。例如，国产电冰箱多为 I 类电器。

II 类电器——该类电器在防止触电保护方面，不仅依靠基本绝缘，而且还具有附加的安全预防措施。其方法是采用双重绝缘或加强绝缘结构，但没有保护接地或依靠安装条件的措施。例如，国内生产的电热毯多为 II 类电器。

[1] 中国电子技术标准化研究所. B/T12113-2003/IEC 60990:1999S[S].北京：中国标准出版社，2003.

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