人体阻抗模型分析

卢岳俊 叶青 钱雪伟

摘 要：从人体的构成，结合泄漏电流测试，分析常见的四种人体阻抗模型。

关键词：人体阻抗模型；泄漏电流；频率因数

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 人体

人体是由上皮组织、结缔组织、肌肉组织、神经组织组成的，不同的组织导电性不同。人体含有碳、氮、氢、氧、钙、钠等50多种元素，这些元素构成人体的五个主要成分，即水、糖、脂肪、蛋白质、无机盐。由此可见，人体的体液实质上是一种比较复杂的特殊电解质。人体内部大部分是导电能力较强的体液， 表面则是一层导电能力较差的皮肤。[ 1 ]

2 人体阻抗

人体阻抗是皮肤阻抗和皮下其它组织阻抗之和， 它是大小不同的电阻和电容的复杂组合。[ 2 ]角质层在人皮肤最外层的表皮，导电性能较差。大量的血管分布在表皮下面的真皮和皮下组织里，导电性能较好。在触电电极和导电性能较好的真皮之间夹了一层导电性较差的表皮，这结构相当于电容，而表皮有汗腺孔，会有少量离子通过，因此皮肤阻抗相当于漏电的电容。皮肤下由无数细胞组成，含有各种不同的物质。细胞内有细胞液，导电性较好，细胞膜由脂类物质组成，导电性差，细胞间有组织液，导电性較好，这样三个部分也组成了电容。同时细胞膜具有选择透过性，可以通过一些特定离子，因此细胞的阻抗相当于漏电的电容。人体中有无数个细胞，则存在无数类似的电容。

3 人体阻抗模型

人体阻抗模型是利用电阻和电容元器件，模拟真实人体阻抗的模型。人体阻抗模型相当于一个由电阻和电容器构成的复杂的串并联电路。[ 3 ]多种人体阻抗模型适用不同的情况。人体的阻抗有性别、身体健康的差异，同时与触电的电压、频率、接触面积、接触时间、环境湿度都有着密切关系。在正常或故障情况下，器具的带电部件与绝缘表面形成的电流称为泄漏电流。泄漏电流包括人体触及器具时，由器具经人体到大地的电流或由器具经人体又回到器具的电流。在泄漏电流的试验中，使用人体阻抗模型来测量流过人体电流的情况，根据实际情况选择合适的人体阻抗模型是测量泄漏电流的关键之一。同时因为电气设备的不同，不同标准中推荐使用的人体阻抗模型也不尽相同。

4 常见的四种人体阻抗模型

4.1 电灼伤电流人体阻抗模型

图1是IEC60990等标准中采用的人体阻抗模型，该模型为电灼伤电流人体阻抗模型。电灼伤是当电流通过人体表皮和人体构成的阻抗时，因为消耗功率所造成。该模型只考虑了人体模拟阻抗，用于测量电灼伤电流，其中CS为接触电容，RS为接触电阻，两者并联为皮肤的接触阻抗，RB为人体内部阻抗，没有考虑高频电流的补偿。阻抗数值是考虑最常见的触电情况下，从手到脚和手到手的接触情况，而计算出来的。

不同测量线路在高频情况下，泄漏电流加权效果是不同的。采用频率因数来进行描述测量线路网络对交流电流加权的情况。频率因数是指通过该测量网络的实际与测试结果的电流比值，这个数值就是对交流电流情况下进行加权的倍数。

该模型的频率因数：

4.2 感知与反应电流人体阻抗模型

在GB 4706、IEC 60335、UL 60335、IEC 60065等系列标准中采用的人体阻抗模型如图2，这也是IEC 60990中的感知与反应电流人体阻抗模型，适用于家用及类似用途电器的泄漏电流测试。

人体对电流的感知和反应是流过人体内部器官的电流引起的。为了准确测量这些电流，此模型是电灼伤人体阻抗模型的基础上考虑补偿频率对人体效应阈值的影响，增加了R1、C1低通滤波网络。其中，Rs、Cs两者并联为皮肤的接触阻抗，RB为人体内部阻抗，R1、C1组成的电阻电容分压网络实现加权。频率越高，则流过人体的电流效应阈值越大。

该网模型的频率因数：

4.3 摆脱电流人体阻抗模型

在IEC 60598.1、IEC 61010、UL 61010等标准中采用的人体阻抗模型如图3。该模型为IEC 60990中提供的摆脱电流人体阻抗模型，适用于照明设备、试验室电气设备的泄漏电流测试。

人体丧失摆脱物体的能力是流过人体内部的电流所致，该模型用于测量摆脱电流，其中CS为接触电容，RS为接触电阻，两者并联为皮肤的接触阻抗，RB为人体内部阻抗。通过R1、C1、R2、C2与进来高频补偿，这与感知与反应电流的人体阻抗模型相比，对于高频情况时泄漏电流的加权程度不同。

该模型的频率因数：

4.4 医用电气设备标准人体阻抗模型

在GB 9706、IEC 60601等标准中采用模拟人体阻抗模型如图4，适用于医用电气设备的泄漏电流测试。

该模型主要用于直流、交流及频率≤1MHz的混合波形。该模型未考虑接触阻抗，但增加了R2与C1组成的加权网络，考虑了频率的加权影响。

该模型的频率因数：

5 综述

以上分析了常见的四种模拟人体阻抗模型，针对不同的情况，人体阻抗不同，不同标准泄漏电流测试所用的人体阻抗模型也是相应的不同。通过对人体阻抗模型的分析，来加深对人体阻抗和人体阻抗模型产生、运用的理解，同时提升泄漏电流测试的理解与能力。

参考文献：

[1] 陆林越，魏王越，马飞.预防电对人体的损害——对人体阻抗的认识.医疗设备信息，2003，18（2）.

[2] 李亚芳，刘美玉，王保珩.人体阻抗特性产生的物理机制.数理医学杂志，2007，20（6）.

[3] 万永刚，金成，王晓东.低频电流下人体阻抗模型的研究.中国医药导报，2010，7（13）.