接触电流测量中使用的模拟人体网络的校准

1、学术论文Academic Papers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，引岀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，提岀了几种校准方法，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。关键词接触电流；模拟人体阻抗网络；校准；高频电流国内统一刊号 CN31-1424/TB2010/4总第218期学术论文Academic Papers国内统一刊号 CN31-1424/TB2010/4总第218期学术论文Academic Papers0引言接触电流是漏电流的一种 ，漏电流是

2、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H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

3、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1750 土 250 Q的电阻值模拟人体 电阻，用0.105 口 F0.1

4、60 口 F的电容量模拟人体 电容，总的原则是模拟时间常数为225 口 s 15 口 s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、反应电流时使用的测応端子Rs： 1 500 Q； RB: 500 Q； CS: 0.22 口 F图1电灼伤测量使用的模拟人体阻抗网络模拟人体阻抗网络 （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

5、流中使用。卸换电涯（感知电泓込应电流）Al测号崩子b?r;TU=nI(pCi *Rs: 1500 Q; Ri： 1000 Q; Rb： 500 Q; Ci： 0.022(i F; Cs: 0.22(i F图2感知电流、反应电流时使用的模拟人体阻抗网络fA *Rs: 1500 Q; Ri： 500 Q; R2： 10 000 Q; Ra： 20 000 Q;Cs: 0.22（1 F; C2： 0.062（1 F; C3： 0.0091（i Fn :iLJ 1cfHl权按触血沌摆腔血血） 5OTA：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

6、抗网络的上半部分 （尺II 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

7、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。测试 频率图1图2图3输入阻抗U/I传输阻抗U输入阻抗U/I传输阻抗U2/I输入阻抗U/I传输阻抗U3/I20 Hz19985001998500199850050 Hz19905001990499199049960 Hz198650019864981986499100 Hz196150019614951961496200 Hz18575001857480185848

8、4500 Hz1434500143340514344271 kHz9795009782849763402 kHz675500661162.96672515 kHz53350051268.3515144.310 kHz50950048534.448779.920 kHz50250047917.2147941.250 kHz5005004776.8947716.63100 kHz5005004763.454768.32200 kHz5005004761.7224764.16500 kHz5005004760.6894761.6661 MHz5005004760.3454760.833表1各模拟人体

9、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 乙 /Zb=U/U 2,可得出 Zb=（ZaX 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

10、乙、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。另外如果有咼频无感电阻（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。传输国内统一刊号 CN31-1424/TB2010/4总第218期学术论文Academic Papers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

11、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 （DC100 MHz 或频率更高）女口 Agolent 54624A、LCR 测 试仪（测试频率20 Hz1 MHz或频率更宽）如 Agolent 4284A、高稳定度的信号发生器（DC1MHz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 k Q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

12、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 DC1 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

13、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iR5M?SI tMT HSR ISMTTl瘫it -t測就频率，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测试频率标准值方法1方法1方法2数字多用表电子电压表LCR仪输入阻抗U/I输入阻抗U/I输入阻抗U/I输入阻抗U/I20 Hz199819991999200050 Hz199019911991

14、199160 Hz1986198519841985100 Hz1961196119631962200 Hz1857185218531857500 Hz14331431143114321 kHz9789759759762 kHz661660661 6625 kHz51250950851110 kHz48548348748620 kHz47947347747850 kHz477472475476100 kHz476469474475200 kHz476467474474500 kHz4764664734741 MHz4764594704723.2.3从表2可以看出两种方法测得结果相差不 大，在方法

15、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,

16、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国内统一刊号 CN31-1424/TB2010/4总第218期学术论文Academic Papers图5 传输阻抗直接测量法接线图输阻抗。332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

17、入与输出 端的电压，用2.3中推导出的公式 B=(A X 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

18、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表3测量图2模拟人体阻抗网络的数据测试 频率标准值直接测量间接测量数字多用表电子电压表数字多用表电子电压表输入阻抗U/I输入阻抗U/I输入阻抗U/I输入阻抗U/I输入阻抗U/I20 Hz50049949949950050 Hz49949949949849960 Hz498498498498498100 Hz495494495495496200 Hz4804794

19、79481481500 Hz4054044054064041 kHz2842832842822852 kHz162.9162.1162.6162.8162.75 kHz68.367.868.168.268.110 kHz34.434.134.334.634.520 kHz17.2117.3617.2617.3817.2450 kHz6.896.946.886.956.92100 kHz3.453.533.413.563.47200 kHz1.7221.7631.7361.7521.726500 kHz0.6890.7130.6920.7050.6881 MHz0.3450.3680.3520.

20、3550.348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。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

21、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国内统一刊号 CN31-1424/TB2010/4总第218期学术论文Academic Papers拟人体阻抗网络的校准。注：i类电器一一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

22、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类电器一一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。参考文献：1 中国电子技术标准化研究所.B/T12113-2003/IEC 60990:1999SS.北京：中国标准出版社，2003.2 全国建筑物电气装置标准化技术委员会.GB/T 13870.1-1992S.北京：中国标准出版社，1992.3 中国电子技术标准化研究所.

23、GB 8898-2001S. 北京：出版社，2001.4 江守和，满忠雷，周保华等.关于家电标准中“泄漏电流”的认识和浅析J. 日用电器，2007(02)： 52-53.http:/-7 -叩艸“口尸I丽时 W 下訥、电|wr工側量測诫5 李辛毅多网络通用型泄漏电流测试仪的设计J.科协论坛，2009 (02)： 49.6 刘宇.泄漏电流测试仪输入电阻的校准J.科技资讯，2009(05)： 51 .7 刘群兴.接触电流测量网络浅析EB/OL. / 中国赛宝实验室www .1 ightingchina.eom/_img_zhuanti/3/774/2008100842042673.Calibrat

24、i on of MDs used for measur ing touchcurre ntsNi hua Jin leimi ng(Shan ghai In stitute of Quality In spect ion and Tech ni cal ResearchAbstract : This essay ?rst de?nes the touch current, then introduces three kinds of measuring devices (MDs) according to relevant standards, and analyzes the measuri

25、ng attributes of the three MDs. After that, this essay 中国标 准puts forward several calibration methods. By comparing the calibration results, it concludes with the best calibration method and necessary instruments.Key words : touch current; measuring device (MD); calibration; high- frequency current国内

26、统一刊号 CN31-1424/TB2010/4总第218期学术论文Academic Papers国内统一刊号 CN31-1424/TB2010/4总第218期学术论文Academic Papers(上接第17页)4结论及建议通过对以上几组静电放电发生器进行校验比 较，可以得出以下结论：非接触方法校验的数据 与手持校验静电放电发生器有着明显的差异。利 用手持方式校验静电放电发生器，由于每个人的 个体不同，带来的校验结果千变万化，而使用非 接触方法校验，能一举消除外界的干扰，使得数 据更为真实、可靠、有效。即将出版的新版静电放电模拟器校准规 范2中明确规定“在校准过程中，静电放电模拟 器安装在三脚架或者等效的非金属的低损耗支持 物上。”所以，建议在校验静电放电发生器时， 严格按照校准规范中的规定操作。另外，在进行 静电放电发生器试验时，也可利用三角架或等效 的非金属的低损耗支持物，从而保证试验的有效 性、可靠性。参考文献：1全国电磁兼容标准化技术委员会 .GB/T 17626.2-2006S.北京：中国标准出版社，2007.2全国无线电计量技术委员会.静电放电模拟器校准规范(征求意见稿)S.Difference in calibrati on for electrostaticdischarge gen erator betwe