人體阻抗模型分析

盧岳俊 葉青 錢雪偉

摘 要：從人體的構成，結合泄漏電流測試，分析常見的四種人體阻抗模型。

關鍵詞：人體阻抗模型；泄漏電流；頻率因數

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、結締組織、肌肉組織、神經組織組成的，不同的組織導電性不同。人體含有碳、氮、氫、氧、鈣、鈉等50多種元素，這些元素構成人體的五個主要成分，即水、糖、脂肪、蛋白質、無機鹽。由此可見，人體的體液實質上是一種比較復雜的特殊電解質。人體內部大部分是導電能力較強的體液， 表面則是一層導電能力較差的皮膚。[ 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雜組合。[ 2 ]角質層在人皮膚最外層的表皮，導電性能較差。大量的血管分布在表皮下面的真皮和皮下組織里，導電性能較好。在觸電電極和導電性能較好的真皮之間夾了一層導電性較差的表皮，這結構相當于電容，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。皮膚下由無數細胞組成，含有各種不同的物質。細胞內有細胞液，導電性較好，細胞膜由脂類物質組成，導電性差，細胞間有組織液，導電性較好，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。人體中有無數個細胞，則存在無數類似的電容。

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成的復雜的串并聯電路。[ 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、環境濕度都有著密切關系。在正常或故障情況下，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，由器具經人體到大地的電流或由器具經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，根據實際情況選擇合適的人體阻抗模型是測量泄漏電流的關鍵之一。同時因為電氣設備的不同，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，兩者并聯為皮膚的接觸阻抗，RB為人體內部阻抗，沒有考慮高頻電流的補償。阻抗數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，泄漏電流加權效果是不同的。采用頻率因數來進行描述測量線路網絡對交流電流加權的情況。頻率因數是指通過該測量網絡的實際與測試結果的電流比值，這個數值就是對交流電流情況下進行加權的倍數。

該模型的頻率因數：

4.2 感知與反應電流人體阻抗模型

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是流過人體內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上考慮補償頻率對人體效應閾值的影響，增加了R1、C1低通濾波網絡。其中，Rs、Cs兩者并聯為皮膚的接觸阻抗，RB為人體內部阻抗，R1、C1組成的電阻電容分壓網絡實現加權。頻率越高，則流過人體的電流效應閾值越大。

該網模型的頻率因數：

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，適用于照明設備、試驗室電氣設備的泄漏電流測試。

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，兩者并聯為皮膚的接觸阻抗，RB為人體內部阻抗。通過R1、C1、R2、C2與進來高頻補償，這與感知與反應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程度不同。

該模型的頻率因數：

4.4 醫用電氣設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，適用于醫用電氣設備的泄漏電流測試。

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組成的加權網絡，考慮了頻率的加權影響。

該模型的頻率因數：

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.預防電對人體的損害——對人體阻抗的認識.醫療設備信息，2003，18（2）.

[2] 李亞芳，劉美玉，王保珩.人體阻抗特性產生的物理機制.數理醫學雜志，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.中國醫藥導報，2010，7（13）.