（免费下载）GB/T 13870．2-2016 电流对人和家畜的效应 第2部分：特殊情况
1 范 围
1 范 围
GB/T 13870的本部分阐述了频率在100Hz以上的正弦交流电流通过人体的效应。
本部分还给出了具有直流分量、具有相位控制和具有多周波控制的交流电流通过人体的效应，但这些结论仅适用于频率在15Hz～100Hz之间的交流电流。
注1：其他波形电流的效应正在研究中。
本部分进一步阐述了单个单向波形的矩形脉冲、正弦脉冲和电容器放电引起的脉冲形式的电流通过人体的效应。
注2：连续脉冲电流的效应正在研究中。
所给出的数据适用于持续时间在0.1ms～10ms(包含10ms)之间的脉冲电流。对于持续时间在10ms以上的脉冲电流，应参照GB/T 13870.1-2008图20中的数据。
本部分仅考虑了躯体接触电气装置而产生的传导电流，这一点与GB/T 13870.1-2008和GB/T 13870.3相同。并未涉及暴露在外部电磁场下而产生的躯体感应电流。
2 规范性引用文件
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GB/T 13870.1-2008 电流对人和家畜的效应 第1部分：通用部分
GB/T 13870.3 电流对人和家畜的效应 第3部分：电流通过家畜躯体的效应
GB/T 12113 接触电流和保护导体电流测量方法
3 术语和定义
3.1
频率系数 frequency factor
Ff
频率为f时产生相应生理效应的阈电流值与50Hz/60Hz时的阈电流值之比。
注：对于感知、摆脱和心室纤维性颤动，其频率系数是各不相同的。
3.2
相位控制 phase control
改变电子阀器件或阀臂在周期内导电开始时刻的过程。
[GB/T 2900.33-2004，551-16-23]
3.3
相位控制角(电流延迟角) phase control angle(current delay angle)
电流导通的起始瞬间由于相位控制而延迟的时间间隔，以电角度表示。
[GB/T 2900.33-2004，551-16-32]
3.4
多周波控制 multicycle control
改变导电周波数与不导电周波数之比的过程。
[GB/T 2900.33-2004，551-16-31]
3.5
多周波控制因数 multicycle control factor
p
多周波控制的情况下，导通周波数对导通与不导通周波数之和的比。
[GB/T 2900.33—2004，551-16-37](同时参见图12)
3.6
比致颤能量 specific fibrillating energy
Fe(W·s/Ω或A2·s)
在给定条件(电流通路、心脏时相)下，引起一定概率的心室纤维性颤动的短时单向脉冲电流的最小I2t值。
注：Fe系根据脉冲的波形积分求出：
其中，ti的定义见图17和图18。
Fe与人体电阻的乘积即为在脉冲期间耗散在人体内的能量。
3.7
致颤电荷量 specific fibrillating charge
Fq(C或A·s)
在给定条件(电流通路、心脏时相)下，引起一定概率的心室纤维性颤动的短时单向脉冲电流的最小It值。
注：Fq系根据脉冲的波形积分求出：
其中ti的定义见图17和图18。
3.8
时间常数 time constant
场量分量的振幅随时间呈指数衰减至1/e＝0.367 9所需要的时间。
[GB/T 2900.86-2009，801-21-45]
3.9
电容器放电的电击持续时间 shock duration of a capacitor discharge
ti
由放电开始到放电电流降到其峰值的5％时所需要的时间(见图17和图18)。
注：当电容器的时间常数为T时，电容器放电的电击持续时间等于3T。在电容器放电的电击持续时间内，脉冲的所有能量几乎都被消耗掉。
3.10
复合近似波形的电击持续时间 shock duration for complex asymptotic waveform
包含有95％全部脉冲能量的那部分脉冲的最短持续时间。
3.11
感知阈 threshold of perception
在给定条件下，通过人体可引起任何感觉的电荷量的最小值。
注：用于第11章。
3.12
痛觉阈 threshold of pain
以脉冲形式施加于手握大电极的人可引起痛觉的电荷量(It)或比能量(I2t)的最小值。
注：用于第11章。
3.13
痛觉 pain
使人不愿再次接受的一种不适的感受。
注：例如超出11.3所述痛觉阈的电击、蜜蜂蛰或香烟烫的感受。
4 频率100HZ以上的交流电流的效应
4.1 概 述
注：50Hz/60Hz交流电流的效应见GB/T 13870.1。
在现代电气设备中，越来越多地使用频率高于50Hz/60Hz的交流电，例如飞机(400Hz)、电动工具及电焊(多数用到450Hz)、电疗设备(多数使用4000Hz～5000Hz)以及开关电源(20kHz～1MHz)。
由于可用于本章的实验数据不多，因此，本章所提供的资料只应看作是暂定的，但可以用来评估所涉及的各频率范围内电流的风险程度(见参考文献)。同时还要注意到以下事实，对于约为几十伏的接触电压，人体皮肤阻抗大致与频率成反比降低，因此，500Hz时的皮肤阻抗大约仅为50Hz时的十分之一，在很多情况下是可以忽略不计的。因此在这些频率时，人体阻抗降为其内阻抗Zi(参见GB/T 13870.1-2008)。
注：峰值测量方法的应用。当非正弦和混合频率周期电流足以引起感知、惊跳和无力摆脱等生理效应时，该电流产生的生理效应能够很好地由测量回路输出信号的峰值所指示，该测量电路包含一个类似于GB/T 12113中所述及的频率加权网络。
这些频率加权网络依据本章中所述的频率系数减弱某些信号，使得输出信号对应于恒定水平的生理效应。这些调节针对于引起较小生理效应的窄脉冲，因为窄脉冲的峰值持续时间很短。可通过该网络的输出端读取一个与波形或混合频率无关的固定数值，以方便对泄漏电流的确定和危险程度的评估。
通过这种测量方法产生相同峰值的非正弦和正弦电流会引起类似的生理效应。
有代表性的网络参见GB/T 12113和参考文献[16]。
5 特殊波形电流的效应
5.1 概 述
正如预期的那样，特殊波形电流对人体的效应介于直流电流效应和交流电流效应之间；由此就能够确定其引起心室纤维性颤动的等效电流值。
第5章～第7章分别给出了下列电流通过人体的效应
——具有直流分量的正弦交流电流
——具有相位控制的正弦交流电流
——具有多周波控制的正弦交流电流
注：其他的波形正在研究中。
第5章～第7章中给出的资料仅适用于频率为15Hz～100Hz的交流电流。
5.2 等效的量值、频率和阈值
在第5章～第7章中，与特殊波形电流具有类似效应的等效纯正弦交流电流Iev具有下列特性：
——量值等效性
下列各电流值应加以区分：
Irms——所涉及的特殊波形电流的方均根值；
Ip——所涉及的特殊波形电流的峰值；
Ipp——所涉及的特殊波形电流的峰-峰值；
Iev——与所涉及的特殊波形具有相同效应的等效正弦电流的方均根值。
注：用电流Iev来代替GB/T 13870.1的图20和图22中的电流IB，以评估心室纤维性颤动的危险。
大多数生理效应与由频率系数F决定的自然人体滤波器滤过的峰值电流(在量级和持续时间上)有关。除电流的方均根值和峰值有确定关系的情况(例如纯正弦电流)外，此峰值电流适用于所有情况。
——频率等效性
所研究的波形与等效正弦波形的周期相同。
——阈值等效性
含有特定交直流比率的电流波形的不同电流阈值(感知阈、摆脱阈和心室纤维性颤动阈)分别等同于具有Iev特征值的纯正弦交流电流的相应阈值。但是对于不同的反应阈，他们的Iev值互不相同。
6 具有相位控制的交流电流的效应
6.1 波形、频率和电流阈值
图11表示对称和不对称控制的波形：
6.2 惊跳反应阈和摆脱阈
如5.3.2和5.3.3所述，这些阈值取决于不同的参数。
此类电流在产生感觉或妨碍摆脱方面的效应与具有相同峰值Ip的纯交流电流的效应大致相同。相位控制角大于120°时，峰值电流随着电流持续时间的减少而增大。
这些效应与电流的峰值有关[13]并且需要将不同频率的电流逐个叠加以评估总效应。通过GB/T 12113的测量电路很容易做到这一点。
7 具有多周波控制的交流电流的效应
7.1 波形和频率
图12表示功率控制度p＝0.67的波形。
a 适用于电击持续时间＞1.5倍心搏周期且p＜＜1或电击持续时间＜0.75倍心搏周期的情况。
b 适用于电击持续时间＜0.75倍心搏周期且p≈1的情况。
p＝ts/(ts＋tp)
式中：
ts＝导通时间 ts＋tp＝工作周期
tp＝不导通时间 p＝功率控制度
I1rms＝Ip/
＝电流导通期间电流的方均根值
注：勿将I1rms与工作周期期间的电流的方均根值(I2rms＝I1rms
)相混淆。
图12 具有多周波控制的交流电流的波形
7.2 惊跳反应阈和摆脱阈
如5.3.2，5.3.3和6.2所述，这些阈值取决于不同的参数。
这些效应与电流的峰值有关[13]，并且需要将不同频率的电流逐个叠加以评估其总效应。
8 混合频率下等效电流阈值的估算
8.1 感知阈及摆脱阈
这些效应与电流的峰值有关[13]并且需要将不同频率的电流逐个叠加以评估其总效应。
8.2 心室纤维性颤动阈
有着多种频率的电流引起的心室纤维性颤动危险可粗略地用具有下列特征的纯交流电流引起的危险作等效评估：
——其频率为基波频率；
——其电流幅值Iev等于受相应频率系数(见图3)影响的所有电流分量的方均根。
用此方法叠加电流得出的结果仅推测出复合波形的方均根值与峰值的幅值关系。而生理效应还取决于不同频率的电流分量之间的相角关系，这种关系是需要了解的，但在本章的估算中并未考虑。
9 重复脉冲电流对心室纤维性颤动阈的影响
9.1 脉冲间隔为1s及以上的多重脉冲的心室纤维性颤动阈
当电流大小和持续时间位于GB/T 13870.1-2008图20及图22中所示的c1曲线以下，单个不重复脉冲电流通过心脏形成通路时，不太可能发生心室纤维性颤动。图20适用于单个不重复的15Hz～100Hz的交流脉冲，而图22适用于单个不重复的不含交流分量的直流脉冲。
脉冲之间的时间间隔等于或大于一个正常心搏周期时，对心脏不会产生累积效应，因此可以作为单个不重复的脉冲电流分别处理。当连续脉冲中脉冲之间的相互间隔至少为1s时，可分别将每个脉冲电流的大小及持续时间与c1曲线相比较，以确定心室纤维性颤动的危险性。人类的一般心率是每分钟70次，因此人类的心搏周期稍低于1s。
10 电流通过浸入水中人体的效应
10.1 概述
本章论述了当人体浸入不同电阻率的水中时，电流通过人体的效应。本章给出了50Hz/60Hz正弦电流和直流的效应，其他频率的电流所引起的效应可通过GB/T 13870的其他部分所给出的资料估算得出。
注1：除特别注明者外，电压和电流均为正弦量，以方均根值(r.m.s.)表示。
注2：本标准中，用名词“水”来表示纯水或是纯水与盐类及其他杂质混合后的水溶液。
10.2 水溶液和人体的电阻率
纯水本身是非导电体，但当有盐类等杂质加入时，水溶液的电阻率会大幅降低。表2给出了典型水溶液的电阻率值，人体可能部分或全部浸入这些水溶液中。
当人体浸入到导电的水中，电流在水中的通路受到人体相对于水的电阻率的影响，而人体各部分的电阻率是不同的。如果水的电阻率低于人体电阻率(例如海水)，大部分电流会在人体周围通过而不是穿过人体。但当水的电阻率高于人体电阻率时(例如淡水湖泊)，大部分电流会沿着电阻最小的路径集中通过人体。人体的出现使得水中电场和电流的分布发生了扭曲。当人体电阻率与水的电阻率接近时，电流分布的扭曲程度最小。但是，由于人体各部分的电阻率并不相同，人体的出现总会在一定程度上使得电场和电流通路的分布发生变化。
电场强度(V/cm)等于电阻率(Ω·cm)与电流密度(A/cm2)的乘积。因此，对于有着相同电场穿过的并联路径，其电阻率较低者将按比例具有较高的电流密度。
表3给出了在正常体温下人体不同部分的电阻率近似值[22]，[23]。这些数据可用于低频交流和直流电流。
10.3 通过浸入水中人体的传导电流
为水溶液提供电流的电源其输出阻抗大小不定，取决于电源的自身特性和设计方案。如果电源的输出阻抗与水溶液和人体的阻抗相比而言较小，则该电源可以看做为一个恒压源。在这种情况下，通过人体和水溶液的电流大小取决于水中各个并联路径上的阻抗值，而不受电源输出阻抗的影响和限制。通过人体的电流与并联于人体的其他电流回路的关系不显著。由于电源的输出阻抗值较小，每个并联回路通过的电流原则上只与本回路的阻抗值有关。
如果电源的输出阻抗与水溶液和人体的阻抗相比而言较大，则该电源可以看做为一个恒流源。在这种情况下，通过水和人体的总电流值由电源电压和电源输出阻抗的比值决定。电源的外部阻抗值与电源内阻抗相比而言较小，对电流值的影响也较小。水中的电流在人体及其周围的路径间分配。大部分电流在阻抗最小的通路上流过。极端情况下，如果水是理想导体，浸入水中的人体内将不会有电流通过，因为所有的电流都会从导电性极佳的水中通过。另一种极端情况下，如果水的电阻率很高，那么几乎所有的电流都会集中在人体内通过。
表4定性地说明了不同的水溶液电阻率(相对于浸入水中人体的电阻率)和电源阻抗特性(相对于水溶液和浸入水中人体的阻抗)条件下通过人体的电流状况。
10.4 电流通过浸入水中人体的生理效应
当人体完全浸入水中，电流通过时不大可能发生感知和惊跳的反应。由于整个身体浸入水中并传导电流，尽管在体内聚集并流过某些组织(肌肉、血液、神经等)的电流会很大，但通过皮肤的电流密度通常情况下会比较低。正是由于通过皮肤的电流密度较低，能够造成伤害的电流可能流过浸入水中人体的内部而并不引起电击的感觉。
对于浸入水中的人体，通过人体的电流所产生的包括肌肉痉挛在内的生理效应尤其危险，因为它会影响人的游泳能力，或者会使人不能将头部伸出水面以上。人体正常的肌肉控制能力受到妨碍会导致溺死。
当足够大的电流通过人体心脏区域时会发生心室纤维性颤动。在水中人体相对于电场的方位不一定是固定的，而且还可能不断地改变。因此，在分析此问题时必须假定电流能够以使得流过心脏的电流密度最大的方式进入和流出人体，并且能在最不利的方向上流过。例如，当人体与水中电极处于某种位置关系时，电流可能直接流进胸部然后从左臂流出。
当一个人浸入与大地绝缘的水体之中，由于电源的作用其相对于大地的电位会升高，但是由于水中的电位处处相同(水中不存在电场)，不会有电流通过人体。但当此人伸出水体之外并接触到与大地相连的导体时，电流会从水中通过较大面积的湿润皮肤进入人体，从接触或握紧接地导体的肢体流出。人在此时有可能无法摆脱该接地的导体，如果流过躯干的电流足够大，有可能影响到呼吸或引起心室纤维性颤动。
当人体浸入水中时电灼伤不大可能发生，因为水对皮肤有冷却作用。
如果人体完全浸入水中，流过头部的电流可能产生一些其他的生理效应[24]。较小的电流会在皮肤上产生刺痛或叮咬的感觉。较大的电流可能刺激面部的肌肉。更大的电流会刺激视觉神经而使人产生光幻视。光幻视是由外部刺激(不包括光)引起的视觉图像，此处的外部刺激指的是电流(施加于闭合眼睛上的机械压力也可能产生光幻视)。尽管光幻视本身无害，但它会让没有思想准备的人产生恐惧，也可能引起一些失常的反应，甚至是惊慌失措，这些都会导致其他的危险包括溺死。电流引起的直接效应在电流停止后一般可立刻消失，但较大的电流可能在面部表层引起持续的疼痛。这种疼痛会在持续几分钟至几小时后才消失。人的平衡功能可能受到这些电流的影响，该效应同样可逆但有可能会持续几天的时间。
10.5 电流阈值
浸入水中的人体其生理效应的电流阈值并非固定不变的。很多因素能够不断的改变人体阻抗值，并且当人体相对于水中电极发生位置移动时电流流通的路径和每条路径上的电流幅值都会发生变化。当人体浸入到较低电阻率的水中时，在实践中用了下面的数据作为保守的电流限值。测定这些数据的试验是在电阻率为22Ω·cm的水中进行的，该水溶液代表了海水，是通过向自来水中添加NaCl配置而成的[25]。
一般情况下，如果有超过5mA的50Hz/60Hz的电流通过浸入水中的人体，会引起肌肉痉挛从而影响人的游泳能力和呼吸能力，甚至引起心室纤维性颤动。当人体浸入水中时，电流能够不通过肢体而从水中直接进入胸部。另外，保留下来的肌肉控制能力对免于溺死是很重要的。5mA的电流限值与GB/T 13870.1-2008图20中的曲线b没有关联。浸入水中的情况与通常的电击过程是不一样的，应有不同的考虑。
为测定较高输出阻抗的电源在水中产生的电流值，常用一50Ω的电阻来模拟人体阻抗。但这个电阻值可能过大，难以合适地模拟人体的阻抗。当电源输出阻抗相对较低时这一问题变得尤为突出。此时，人体模型的阻抗值会对电流值产生比较大的影响，应该采用更准确的模型来模拟人体阻抗。
当5mA的电流通过胸部区域直接进入孩子的躯体时，50Hz/60Hz电流的密度可能达到30μA/cm2[26]。
10.6 本质安全电压值
在有人体浸入水中情况发生的场合，例如游泳池和温泉池，所用电气设备的产品标准通常会限制电流值而不是限制电压值。如果需要规定一个本质安全的电压值，那么该值将会非常低，可能只有几伏，因为浸入水中的人体电流通路的阻抗值非常低。
11 短时单向单脉冲电流的效应
11.1 概 述
在装有电子元件的电器发生绝缘故障的情况下或当触及这类设备的带电部分时，矩形和正弦脉冲或电容器放电产生的短时单向单脉冲电流可能是一种危险源。因此，确定这类电流的危险界限至关重要。
当电击持续时间为10ms时，本章所述效应相当于GB/T 13870.1-2008所给出的效应，因此GB/T 13870.1-2008和GB/T 13870.2包括了电击持续时间由0.1ms～10s的整个范围内几乎所有具有技术意义的电流波形。本章的内容以科学研究得出的如下推论为依据，即对于持续时间不大于10ms的电击而言，各种形式的单向脉冲电流引发心室纤维性颤动的主要因素是It或I2t值[8]。
11.3 电容器放电的感知阈和痛觉阈
这些阈值取决于电极的形状、脉冲的电荷量及其电流峰值。图19表示人用干燥的手握住大电极时，随电容器电荷量和充电电压而变的感知阈和痛觉阈。
电流通路通过手脚和大接触面积时，以比能量表示的痛觉阈约为50×10-6A2·s～100×10-6A2·s。
