2022年电与人体的关系 .pdf

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1、电与人体的关系附谈电话标准( UL 1459 ) 的 MIU 如果我们想要了解安规的标准是如何制定的，首先就必须了解人体和电之间究竟存在着什么样的关系。然而我们很难以人体实验的方式，去探究其对电的各种反应。因此，原则上有关的学者是经由下列两种途径来做此研究的。其一乃先以动物做为实验对象，在确定某个电流值不会对生命构成危险时，再以此电流值在人体重新测试；而对生命会造成威胁的值数范围，均只以等式换算的方式来表示之。其二则为搜集、集理以往触电事故资料而加以评估。本文试着将这种关系分为人体的阻抗模型、触电的程度及变数、以及电压的限制三部分来讨论。一、人体的阻抗模型人体的阻抗基本上可分为两种，一是皮肤阻

2、抗( SKIN Impedance )，一为体内阻抗( Internal Impedance ) ，人体阻抗的等效电路就如图一所示，其中ZP1及 ZP2，代表人身上任何两处的皮肤阻抗， Zi则是体内阻抗，而ZT则为以上阻抗的总和。将人体阻抗分为皮肤阻抗与体内阻抗的原因，乃是因为这两种阻抗无论是阻值或特性均有很大的差异：(1) 皮肤阻抗 人体的皮肤阻抗基本上非常近似于一个电阻和一个电容并联的等效阻抗，其中的电容大约在0.22到 0.05MF/cm2之间。影响皮肤阻抗的因素很多，如电压、频率、触电时间、接触面积、接触力度、皮肤湿度、甚至呼吸的状态都有关系。就电压的影响而言，当电压在50V 以下时，

3、皮肤的阻抗明显的受到接触面积、室温及呼吸状态的景响；但当电压在50V 以上时，皮肤阻抗则明显地下降到几乎可以忽视的地步。就频率影响而言，当频率越高时，皮肤阻抗则越低，这也是为什么皮肤阻抗的等效电路会采用一个电容和一个电阻并联的原因。至于时间，则是只要触电时间超过几个毫秒，阻抗就会明显的减少；而于湿度方面，若皮肤沾湿了水，阻抗亦将会趋近于零。综合上列之特点，我们可以简单而清楚地了解人体在触及一个50V 电压时的状况。首先由于皮肤的电容的充电特性使其阻阻抗几乎不存在，然后在电容充饱阻抗形成时，依然会在不到几个毫秒的时间内，阻抗明显地减少。(2) 体内阻抗 人体的体内阻抗在触电电源的频率不高 (约

4、1000 HZ以下) 的情况下，可以说几乎是一个纯电阻的阻抗，而其中电阻的大小则和电流的通路途径 ( Current Path )有着绝对的关系，请参考图二，1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 21 页 - - - - - - - - - 图二是由国际电工委员会 ( International Electrotechnical Commission ，简称 IEC )所公布的体内阻抗图，图中圆圈里的数字乃是百分比值，以左掌心至右掌心的阻值为百分之一百。举例

5、言，由左手掌心到头部的百分比值是50，则表示由左掌心到头部的阻抗是左掌心到右掌心阻抗的一半。另外，括号中的数字则是表示，由双掌到某部位的阻抗与由单掌到同一部位的阻抗之百分比值。图三是美国国家标准协会 ( American National Standards Institute ，简称 ANSI )及美国保险业试验所 ( Underwriters Laboratories Inc. )共同研究后所公布的图形，依图所示可以发现，其和图二的数字是颇吻合的，同时由图三中可以了解，为何一般的安规标准会体内阻抗以500?作为合理的参考值了。体内阻抗除了和上述所谈的通路途径有关外，接触面积亦是另一个影响体

6、内阻抗的重要因素。基本上，当接触面积小于几个平方毫米时，体内阻抗即会明显的增加。接下来我们看看图四，这是德国弗来贝尔格( Freiberger )的实验结果，其目的在于把人体的整体阻抗 ( 即皮肤阻抗加上体内阻抗 )对外在条件的反应做一整体性的说明。图中 X 轴的电阻是指由一手掌到脚部，或此一手掌到另一手掌的阻值。我们发现，当接触电压愈高时，人体的阻值就愈低，这是因为皮肤阻抗会因为接触电压的提高而降低之故，同时我们也发现，人体在干燥与潮湿情况下的阻抗整整相差了三倍，其因乃为皮肤在潮湿时几乎是没有阻抗的。整体而言，当人体处于高压高温的状况下，皮肤阻抗将不起任何效用，而仅余体内阻抗，即约在500

7、到 1000?之间。一、 触电的程度及变数在了解人体的阻抗模型后，接着我们来讨论触电的情形。根据研究结果，同时亦是必须掌握的重点是触电的危险程度取决于通过人体的电流大小及时间的长短，而不是电压或其他的因素。另外，当电流小于某个固定值时，触电时间长短将不起任何影响，意即通过人体的电流若是根小的话，则人体的安全就不受任何威胁了。德国的另一位学者卡本 ( Koeppen )，曾就此提出了以50mA? S 的电流和时间的乘积，作为通过人体电流的一个安全界限，超过此一界限，生命就有了死亡的要胁，如图五的A线所示。 A 线以左是属于安全范围， A 线以右的则反之，若用公式来表达，则可写成IT50mA? S

8、 。当然，我们也注意到，当电流小于50mA 时，时间的限制就不再存在了。至于图五中的 B 线，则是安规界 ( 特别是欧洲国家的安规界 )所普遍使用的一个基准，此线乃是对 A 线加入了 1.67倍的安全系数后而得到的。此外，美国加州大学的达汝茲( Dalziel )则认为人体的触电电流之限制，应该以功率的方式来表示，即I2T常数。达汝茲以羊做了许多的实验和计算，然后依此换算至体重70公斤的人类身上，就求出了图五中的C线。还好，无论是卡本的I T 或达汝茲的 I2T，其结果都相当的一致。 以上所提，主要在求出触电程度是否致死的界限，但事实上触电的程度至少可划分 2 名师资料总结 - - -精品资料

9、欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 21 页 - - - - - - - - - 为七种，其中最主要的有下列三种： 有感电流( Perception )，不随意或脱离临界流( Inability to let go )及心室微动或心室细动电流( Ventricular Fibrillation )。 有感电流当通过人体的电流在0.5 mA 到 5 mA 之间时，人体便会有剌麻的感觉，但对人体不会造成任何危险，且没有时间的限制。人体对有感电流的反应程度，除了和接触面积有关系外，电流的频率亦是主

10、要的因素，请见图六。由图中可知，当频率愈高时，人体的承受能力就愈强，换言之，对电流的灵敏度也就愈差了。这个特点是在任何的触电程度都一样的。另外我们也注意到，电流由线在斜率在1000Hz 时出现明显的变化，这个事实说明了为何有些安规标准，对操作频率为1000Hz以上的线路规定较为宽松的原因。以UL1950 为例，限流线路 ( Limited Current Circuit ) 的操作频率若在1000Hz以下时，流过2000电阻的电流不能超过0.7 mA；但线路的操作频率若在1000Hz以上时，则允许流过电阻的电流最高可以到70 mA。通常有感程度的电流都会引起人体的反射动作，就如人手在触及高温时

11、会间即将手抽回来一样。不随意或脱离临界电流当电流增加到10mA 以上时，人体的肌肉便开始有痉挛和收缩的现象，如果此时刚好是由手掌握着触电的电源时，便会因为肌肉的收缩而无法张开，导致通电时间太久，造成了生命的危险；同样的，如果在浴缸或水池里发生不随意电流程度的触电时，也会有溺毙的可能。这种程度的触电即使在状况解除后，人体仍存在着不舒适的感觉。心室微动或心室细动电流一旦电流增加到50mA 左右时，心脏的控制讯号系统便开始呈现混乱状况，心脏因此无法正常的进行泵浦( pump ) 动作，亦即心肌无法规则地膨胀收缩，而致整个血液循环系统瘫痪。实际上极大部份的触电死亡事故，尤其是电压在300V以下的案例，

12、心室微动是真正的致命原因，这是早在一八九九年就已经知道的事实。心室微动的影响程度受到通电途径、身体状况、电流频率、时间及波形的左右。就频率而言，图六中的折线即可明白地指出其影响。或许各位也注意到，心室微动的线形是折线，不像其他两条是曲条，这是因为这条线的数据，目前依然是以推算方式或由动物身上所做实验得来的，其余两条曲线则是直接从人体实验而取得的数据。接着我们来看看图七，图七是由IEC 所公布，适用于频率15 到 100Hz 之间的线路。图中分为四区，第一、二区即前面所提的感知电流区，第三、四区则分别是脱离临界区和心室微动区。另外，表一则是日本的小林动集合了各国资料而作成的一份表格。影响触电程度

13、的因素，除了以上所提及的，尚有许多其他变数上面所讨论的状况都是以交流电为基准，那么直流电的情形又如何呢？与交流电相较之下，直流似乎是安全多了。就心室微动电流而言，直流需比交流大上二到三倍时才会产生，因此直流所造成的触电致死事故是极其少数的，一般安规标准也因而将直流电压的最高限制核的两倍。造成这种差别的原因，主要是因为人体的肌肉运动，其实是以变化控制运动神经的电流大小来达成的；若换用直流来执行同样的运动，则须二到四倍的电流才行。另一方面，在直流3 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

14、 - 第 3 页，共 21 页 - - - - - - - - - 电流很小的时候，人是在触及电源或离开电源的那瞬间才有感觉，至于要达到不隋意电流的触电程度，则必须是通电电流超过300mA，且时间超过 500mS的情况下才会形成。心室微动电流有一个值得注意的现象，就是当直流电流是从脚流到手( 即脚接回路的正极 )，其危险程度将是从手流到脚的两倍，而由一手掌流到另一手掌的情况较不会造成危险。再来看看图八，这也是IEC 公布的分析图，用以说明直流电对人体的影响，其中第一、二区代表感知区，第三、四区分别代表不随意区及心室微动区。此图所得结果乃是以脚部为正极测之。人体的条件人体的各种条件，如高矮、轻重

15、、性别、甚至健康状况都会影响人体对电的反应。一般来说，又高又瘦的人，其身体的阻抗较高，这是因为人体的阻抗与身高的平方成正比，但却和体重成反比。而健康状况方面，住院病人的阻抗也远比一般人低，这点我们可以从美国医疗器材发展协会( Association for Advancement of Medical InstrumentationAAMI ) 所发表的一份标准中得知，请见图九。图中a 线是一般仪器的漏电限制， b 线是没有接地且不触及病人身体之医疗器材的漏电限制，而c线则是对有接地且触及病人之医疗器材的漏电限制。各位也许会发现三条图线同时在100KHz 的地方又折平了，这是因为在此图发表时，

16、人体对频率在100KHz 以上的电流反应尚无足够的资料可提供参考之故。另外，在性别上，女性亦比男性在触电时有较灵敏的反应。在达汝茲所发表的一份报告中，我们知道，当女性开始感觉到有感电流时，男性却必须将电流再提高百分之三十到五十才有知觉；有随意电流的形成状况也几乎有着相同的差别，举例而言，女性有 10.5mA 时就已可能出现不随意电流程度的触电，男性则需到20mA 时才会有同样的反应。公平的是，到了心室微动电流时，两性便没有差别了。二、电压的限制在明白人体阻抗的特性和真正造成死亡的原因是电流后，我们不难了解，其实电压的限制是一种被动式的。譬如说，一个人在浴缸、泳池或类似的地方时，为了避免造成不随

17、意电流程度的触电，那么此人应该避免触用多高的电压呢？首先，因为他是浸在水中，所以皮肤阻抗几乎不存在，剩下的就仅是体内500?左右的阻抗，如果我们将不随意电流考虑为 10 mA 的话，则最高电压就是500 ? 乘上 10mA，也就是 5V。当然了，这指的是交流电，若是直流电赤然是可以更高的。最后我们看看图十。就如前面人体的阻抗模型中所提到的，人体的阻抗会随着频率的增高而降低，如图十之上图所示；中间图所表示的则是人体在电流频率越高时，越见其忍受能力；至于最后的图乃是以上两个图的相乘。由此可见，人体的电压限制大致而言，还是与频率成反比的。现在，我们来讨论UL1459 中的 MIU ，即测试指示单位

18、( Measuring Indicator Unit )。相信有许多人在阅读此一标准时，都或多或少有些吃力的感觉，原因之一应是标准的写法相4 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 21 页 - - - - - - - - - 当繁琐；其二则是引进了新的漏电测试方法却未说明其中的原因，让人有一头雾水的感觉。以往在测漏电流的时候，都只用一颗1500 ?和一颗的电容并联之线路即可，也就是说，不论在任何情形下，都假设人体的阻抗只有1500? ，而.15 F的电容即算是人

19、体对频率的响应补偿。现在，UL1549 引进了另一项观念，我们在前面曾提到过的，即触电可以分为有感电流( Perception ，在 UL1459 中称为 Reaction，但其相同 )，不随意电流( Let- Go )等不同的层次，而不同的触电程度会有不同的考虑，其中又以外壳开孔的大小和频率的响应 ( Response ) 最为明显。就外壳的开孔大小而言，请参考图十一。首先看看上图，当外壳的开孔很小的时候，即使触及带有高压的导体，形成不随意程度的触电使手指麻痺了，手臂依然有机会将手指抽离电源；但中图和下图的情形就不同了，若开孔大得足以让整个手指伸进，只要一发生不随意程度的触电，尤其是手指勾住

20、电源或勾住外壳，手指因麻痹而无法解开的情况产生时，危险就大了。关于这点，就解释了为何UL1459 有两种测试手指 ( Test Finger )，如图十二。上图的测试手指较大，因此，一旦有超过额定电压的带电体能被此手指触及时，其漏电流就不能大于 0.5MIU- RR 。这里所谓的额定电压就是表二所示的电压值，其中干燥地区( Dry Location )指的是一般室内环境，潮湿地区( Wet Location )则指的是室外或水边的环境。那么 MIU 又是什么呢？ MIU 基本一可以看成相等于mA 的这个单位，只不过它是已经经过频率响应修正的一个值。UL1459 将 MIU 分为三种，即 MIU

21、- RR ，MIU-LR 及 MIU- LP，MIU 后面的第一个字母代表它是何种响应电路，R 表示有感电流 ( Reaction )，L 表示不随意电流 ( Let- Go )；而第二个字母就表示所用的是何种电压表，R 代表 RMS 表，P则代表峰值 ( Peak ) 表。以 MIU-RR 为例，就表示所得的值乃是用RMS 表在有感电流的响应线路上测试出来的。那频率响应又是什么呢？要说明这点，我们必须回顾看看图六。后图六中我们知道，人体在电流频率越高时，越能忍受更高的电流，若标准将漏电流限制得太低，则对高频线路会有要求过苛的情形，因此在制定标准时就必须考虑不同频率时的不同限制。为了方便测试者

22、，UL1459 分别供了两种频率响应线路，一个供有感电流用，另一个则是供不随意电流所用，各如图十三所示。这种线路的特点，是测试者不需另外计算，线路会自动将所测的值修正。现以MIU-RR 线路为例，假设产品的线路是10,000Hz ，其真正漏电流为 7.26mA，但在响应电路上，我们则只看到0.5MIU-RR，换句话说，当频率是10,000Hz时，最大的漏电流可以到7.26mA，而在低于 1,000Hz的线路，其漏电流是不能大于 0.5 mA 的。现在我们回头整理一下前面所谈的东西，当一个产品的开孔，大得足以让图十二之上图的手指 ( 较大的手指 )触及高于额定电压 ( 表二 )的线路时，其最大漏

23、电值不能大于5 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 21 页 - - - - - - - - - 0.5MIU-RR 。另外，当一个产品的开孔大小只能让图十二之下图的手指( 较小的手指 )触及高于额定电压 ( 表三 )的线路时，其最大漏电值不能大于7.1MIU-LP 。也许各位会有点疑惑，为何大手指是0.5，小手指是 7.1呢？其实第一个问题我们已于图十一中讨论了，也就是若开孔大得有勾住导体的可能时，导体的漏电流是有能太大的，因为一造成不随意电流就麻烦了，但较

24、小的孔则即使是不随意电流也无妨，故其漏电流可以比大孔大。第二个问题伯答案亦很明显，因为大孔只能有有感电流，故以RR 线路来测，小孔则可以有不随意电流，当然是用LP 线路来没了。接着我们简单的介绍响应路之基本架构，请再参阅图十三。有感线路( Reaction Circuit ) 和不随意线路 ( Let-Go Circuit )其实都是由两部份组成的，如图内虚线所划分的一样，左半边是人体阻抗的模型，右半边就是频率响应部分。左半图的500 ? 即为体内阻抗，而1500? 及 0.22 F则是人体一端的皮肤阻抗，此乃假设接触面积是2 到 3cm2 的一个值。也许各位会问，为何只见着一端的皮肤阻抗而不

25、见另一端的呢?基本上，标准是把另一端的情形考虑成接触而积很大，或因较潮湿( 如地面 ) 而使这端的皮肤阻抗几乎不存在。图中线路的右半边则是个别比对图六中的存有感电流曲线和不随意电流曲线而设计成的。当然，所谓 0.5MIU-RR 或 7.1MIU-LP 的限制并非绝对的，因为标准里另外提供了许许多多的例外条件 ( Exception )，因此我们在读标准时会看到很多不同的值，这些例外中较值得注意的是振铃跳脱继电器( Ring Trip Relay，简称 RTR )及监视电压 ( Monitoring Voltages ，简称 MV ) 。一般的公共电话网路，或RJ 11/50接头都含有两种电压，

26、一种即所谓的监视电压( 有时称为 Loop Voltage )，另一种则是响铃电压 ( Ring Signals Voltage )。监视电压一般为48Volts( DC )，具有两种功能，其一是用以侦测整个电话网路的直流阻抗，譬如有人拿起了话筒，它便会自动将响铃讯号切断；另一种功能则很特别，就是当有小孩误把RJN/50接头含进嘴里时， 48Volts 的电压可使小明友的嘴巴稍感不适继而拿掉它。这种电压因未超过 60V，所以即使被图十二的小手指触及也没关系的，而且RJN/50也不会被大手指所触及。至于响铃电压，因其在90 到 150Volts ( AC )之间，故须有振铃跳脱继电器来加以保护，

27、此继电器的功能就足当电流大于100mA 并超进一秒钟时，会自动将响铃电压切断。一般公共的电话网路都符合振铃跳脱继电器及监视电压的要求，但私人的交换系统则必须加以留意了。6 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 21 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 21 页 - - - - - - -

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