（免費下載）GB/T 13870．2-2016 電流對人和家畜的效應(yīng) 第2部分：特殊情況
1 范 圍
1 范 圍
GB/T 13870的本部分闡述了頻率在100Hz以上的正弦交流電流通過人體的效應(yīng)。
本部分還給出了具有直流分量、具有相位控制和具有多周波控制的交流電流通過人體的效應(yīng)，但這些結(jié)論僅適用于頻率在15Hz～100Hz之間的交流電流。
注1：其他波形電流的效應(yīng)正在研究中。
本部分進一步闡述了單個單向波形的矩形脈沖、正弦脈沖和電容器放電引起的脈沖形式的電流通過人體的效應(yīng)。
注2：連續(xù)脈沖電流的效應(yīng)正在研究中。
所給出的數(shù)據(jù)適用于持續(xù)時間在0.1ms～10ms(包含10ms)之間的脈沖電流。對于持續(xù)時間在10ms以上的脈沖電流，應(yīng)參照GB/T 13870.1-2008圖20中的數(shù)據(jù)。
本部分僅考慮了軀體接觸電氣裝置而產(chǎn)生的傳導(dǎo)電流，這一點與GB/T 13870.1-2008和GB/T 13870.3相同。并未涉及暴露在外部電磁場下而產(chǎn)生的軀體感應(yīng)電流。
2 規(guī)范性引用文件
2 規(guī)范性引用文件
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GB/T 13870.1-2008 電流對人和家畜的效應(yīng) 第1部分：通用部分
GB/T 13870.3 電流對人和家畜的效應(yīng) 第3部分：電流通過家畜軀體的效應(yīng)
GB/T 12113 接觸電流和保護導(dǎo)體電流測量方法
3 術(shù)語和定義
3.1
頻率系數(shù) frequency factor
Ff
頻率為f時產(chǎn)生相應(yīng)生理效應(yīng)的閾電流值與50Hz/60Hz時的閾電流值之比。
注：對于感知、擺脫和心室纖維性顫動，其頻率系數(shù)是各不相同的。
3.2
相位控制 phase control
改變電子閥器件或閥臂在周期內(nèi)導(dǎo)電開始時刻的過程。
[GB/T 2900.33-2004，551-16-23]
3.3
相位控制角(電流延遲角) phase control angle(current delay angle)
電流導(dǎo)通的起始瞬間由于相位控制而延遲的時間間隔，以電角度表示。
[GB/T 2900.33-2004，551-16-32]
3.4
多周波控制 multicycle control
改變導(dǎo)電周波數(shù)與不導(dǎo)電周波數(shù)之比的過程。
[GB/T 2900.33-2004，551-16-31]
3.5
多周波控制因數(shù) multicycle control factor
p
多周波控制的情況下，導(dǎo)通周波數(shù)對導(dǎo)通與不導(dǎo)通周波數(shù)之和的比。
[GB/T 2900.33—2004，551-16-37](同時參見圖12)
3.6
比致顫能量 specific fibrillating energy
Fe(W·s/Ω或A2·s)
在給定條件(電流通路、心臟時相)下，引起一定概率的心室纖維性顫動的短時單向脈沖電流的最小I2t值。
注：Fe系根據(jù)脈沖的波形積分求出：
其中，ti的定義見圖17和圖18。
Fe與人體電阻的乘積即為在脈沖期間耗散在人體內(nèi)的能量。
3.7
致顫電荷量 specific fibrillating charge
Fq(C或A·s)
在給定條件(電流通路、心臟時相)下，引起一定概率的心室纖維性顫動的短時單向脈沖電流的最小It值。
注：Fq系根據(jù)脈沖的波形積分求出：
其中ti的定義見圖17和圖18。
3.8
時間常數(shù) time constant
場量分量的振幅隨時間呈指數(shù)衰減至1/e＝0.367 9所需要的時間。
[GB/T 2900.86-2009，801-21-45]
3.9
電容器放電的電擊持續(xù)時間 shock duration of a capacitor discharge
ti
由放電開始到放電電流降到其峰值的5％時所需要的時間(見圖17和圖18)。
注：當(dāng)電容器的時間常數(shù)為T時，電容器放電的電擊持續(xù)時間等于3T。在電容器放電的電擊持續(xù)時間內(nèi)，脈沖的所有能量幾乎都被消耗掉。
3.10
復(fù)合近似波形的電擊持續(xù)時間 shock duration for complex asymptotic waveform
包含有95％全部脈沖能量的那部分脈沖的最短持續(xù)時間。
3.11
感知閾 threshold of perception
在給定條件下，通過人體可引起任何感覺的電荷量的最小值。
注：用于第11章。
3.12
痛覺閾 threshold of pain
以脈沖形式施加于手握大電極的人可引起痛覺的電荷量(It)或比能量(I2t)的最小值。
注：用于第11章。
3.13
痛覺 pain
使人不愿再次接受的一種不適的感受。
注：例如超出11.3所述痛覺閾的電擊、蜜蜂蟄或香煙燙的感受。
4 頻率100HZ以上的交流電流的效應(yīng)
4.1 概 述
注：50Hz/60Hz交流電流的效應(yīng)見GB/T 13870.1。
在現(xiàn)代電氣設(shè)備中，越來越多地使用頻率高于50Hz/60Hz的交流電，例如飛機(400Hz)、電動工具及電焊(多數(shù)用到450Hz)、電療設(shè)備(多數(shù)使用4000Hz～5000Hz)以及開關(guān)電源(20kHz～1MHz)。
由于可用于本章的實驗數(shù)據(jù)不多，因此，本章所提供的資料只應(yīng)看作是暫定的，但可以用來評估所涉及的各頻率范圍內(nèi)電流的風(fēng)險程度(見參考文獻)。同時還要注意到以下事實，對于約為幾十伏的接觸電壓，人體皮膚阻抗大致與頻率成反比降低，因此，500Hz時的皮膚阻抗大約僅為50Hz時的十分之一，在很多情況下是可以忽略不計的。因此在這些頻率時，人體阻抗降為其內(nèi)阻抗Zi(參見GB/T 13870.1-2008)。
注：峰值測量方法的應(yīng)用。當(dāng)非正弦和混合頻率周期電流足以引起感知、驚跳和無力擺脫等生理效應(yīng)時，該電流產(chǎn)生的生理效應(yīng)能夠很好地由測量回路輸出信號的峰值所指示，該測量電路包含一個類似于GB/T 12113中所述及的頻率加權(quán)網(wǎng)絡(luò)。
這些頻率加權(quán)網(wǎng)絡(luò)依據(jù)本章中所述的頻率系數(shù)減弱某些信號，使得輸出信號對應(yīng)于恒定水平的生理效應(yīng)。這些調(diào)節(jié)針對于引起較小生理效應(yīng)的窄脈沖，因為窄脈沖的峰值持續(xù)時間很短?？赏ㄟ^該網(wǎng)絡(luò)的輸出端讀取一個與波形或混合頻率無關(guān)的固定數(shù)值，以方便對泄漏電流的確定和危險程度的評估。
通過這種測量方法產(chǎn)生相同峰值的非正弦和正弦電流會引起類似的生理效應(yīng)。
有代表性的網(wǎng)絡(luò)參見GB/T 12113和參考文獻[16]。
5 特殊波形電流的效應(yīng)
5.1 概 述
正如預(yù)期的那樣，特殊波形電流對人體的效應(yīng)介于直流電流效應(yīng)和交流電流效應(yīng)之間；由此就能夠確定其引起心室纖維性顫動的等效電流值。
第5章～第7章分別給出了下列電流通過人體的效應(yīng)
——具有直流分量的正弦交流電流
——具有相位控制的正弦交流電流
——具有多周波控制的正弦交流電流
注：其他的波形正在研究中。
第5章～第7章中給出的資料僅適用于頻率為15Hz～100Hz的交流電流。
5.2 等效的量值、頻率和閾值
在第5章～第7章中，與特殊波形電流具有類似效應(yīng)的等效純正弦交流電流Iev具有下列特性：
——量值等效性
下列各電流值應(yīng)加以區(qū)分：
Irms——所涉及的特殊波形電流的方均根值；
Ip——所涉及的特殊波形電流的峰值；
Ipp——所涉及的特殊波形電流的峰-峰值；
Iev——與所涉及的特殊波形具有相同效應(yīng)的等效正弦電流的方均根值。
注：用電流Iev來代替GB/T 13870.1的圖20和圖22中的電流IB，以評估心室纖維性顫動的危險。
大多數(shù)生理效應(yīng)與由頻率系數(shù)F決定的自然人體濾波器濾過的峰值電流(在量級和持續(xù)時間上)有關(guān)。除電流的方均根值和峰值有確定關(guān)系的情況(例如純正弦電流)外，此峰值電流適用于所有情況。
——頻率等效性
所研究的波形與等效正弦波形的周期相同。
——閾值等效性
含有特定交直流比率的電流波形的不同電流閾值(感知閾、擺脫閾和心室纖維性顫動閾)分別等同于具有Iev特征值的純正弦交流電流的相應(yīng)閾值。但是對于不同的反應(yīng)閾，他們的Iev值互不相同。
6 具有相位控制的交流電流的效應(yīng)
6.1 波形、頻率和電流閾值
圖11表示對稱和不對稱控制的波形：
6.2 驚跳反應(yīng)閾和擺脫閾
如5.3.2和5.3.3所述，這些閾值取決于不同的參數(shù)。
此類電流在產(chǎn)生感覺或妨礙擺脫方面的效應(yīng)與具有相同峰值Ip的純交流電流的效應(yīng)大致相同。相位控制角大于120°時，峰值電流隨著電流持續(xù)時間的減少而增大。
這些效應(yīng)與電流的峰值有關(guān)[13]并且需要將不同頻率的電流逐個疊加以評估總效應(yīng)。通過GB/T 12113的測量電路很容易做到這一點。
7 具有多周波控制的交流電流的效應(yīng)
7.1 波形和頻率
圖12表示功率控制度p＝0.67的波形。
a 適用于電擊持續(xù)時間＞1.5倍心搏周期且p＜＜1或電擊持續(xù)時間＜0.75倍心搏周期的情況。
b 適用于電擊持續(xù)時間＜0.75倍心搏周期且p≈1的情況。
p＝ts/(ts＋tp)
式中：
ts＝導(dǎo)通時間 ts＋tp＝工作周期
tp＝不導(dǎo)通時間 p＝功率控制度
I1rms＝Ip/
＝電流導(dǎo)通期間電流的方均根值
注：勿將I1rms與工作周期期間的電流的方均根值(I2rms＝I1rms
)相混淆。
圖12 具有多周波控制的交流電流的波形
7.2 驚跳反應(yīng)閾和擺脫閾
如5.3.2，5.3.3和6.2所述，這些閾值取決于不同的參數(shù)。
這些效應(yīng)與電流的峰值有關(guān)[13]，并且需要將不同頻率的電流逐個疊加以評估其總效應(yīng)。
8 混合頻率下等效電流閾值的估算
8.1 感知閾及擺脫閾
這些效應(yīng)與電流的峰值有關(guān)[13]并且需要將不同頻率的電流逐個疊加以評估其總效應(yīng)。
8.2 心室纖維性顫動閾
有著多種頻率的電流引起的心室纖維性顫動危險可粗略地用具有下列特征的純交流電流引起的危險作等效評估：
——其頻率為基波頻率；
——其電流幅值Iev等于受相應(yīng)頻率系數(shù)(見圖3)影響的所有電流分量的方均根。
用此方法疊加電流得出的結(jié)果僅推測出復(fù)合波形的方均根值與峰值的幅值關(guān)系。而生理效應(yīng)還取決于不同頻率的電流分量之間的相角關(guān)系，這種關(guān)系是需要了解的，但在本章的估算中并未考慮。
9 重復(fù)脈沖電流對心室纖維性顫動閾的影響
9.1 脈沖間隔為1s及以上的多重脈沖的心室纖維性顫動閾
當(dāng)電流大小和持續(xù)時間位于GB/T 13870.1-2008圖20及圖22中所示的c1曲線以下，單個不重復(fù)脈沖電流通過心臟形成通路時，不太可能發(fā)生心室纖維性顫動。圖20適用于單個不重復(fù)的15Hz～100Hz的交流脈沖，而圖22適用于單個不重復(fù)的不含交流分量的直流脈沖。
脈沖之間的時間間隔等于或大于一個正常心搏周期時，對心臟不會產(chǎn)生累積效應(yīng)，因此可以作為單個不重復(fù)的脈沖電流分別處理。當(dāng)連續(xù)脈沖中脈沖之間的相互間隔至少為1s時，可分別將每個脈沖電流的大小及持續(xù)時間與c1曲線相比較，以確定心室纖維性顫動的危險性。人類的一般心率是每分鐘70次，因此人類的心搏周期稍低于1s。
10 電流通過浸入水中人體的效應(yīng)
10.1 概述
本章論述了當(dāng)人體浸入不同電阻率的水中時，電流通過人體的效應(yīng)。本章給出了50Hz/60Hz正弦電流和直流的效應(yīng)，其他頻率的電流所引起的效應(yīng)可通過GB/T 13870的其他部分所給出的資料估算得出。
注1：除特別注明者外，電壓和電流均為正弦量，以方均根值(r.m.s.)表示。
注2：本標(biāo)準(zhǔn)中，用名詞“水”來表示純水或是純水與鹽類及其他雜質(zhì)混合后的水溶液。
10.2 水溶液和人體的電阻率
純水本身是非導(dǎo)電體，但當(dāng)有鹽類等雜質(zhì)加入時，水溶液的電阻率會大幅降低。表2給出了典型水溶液的電阻率值，人體可能部分或全部浸入這些水溶液中。
當(dāng)人體浸入到導(dǎo)電的水中，電流在水中的通路受到人體相對于水的電阻率的影響，而人體各部分的電阻率是不同的。如果水的電阻率低于人體電阻率(例如海水)，大部分電流會在人體周圍通過而不是穿過人體。但當(dāng)水的電阻率高于人體電阻率時(例如淡水湖泊)，大部分電流會沿著電阻最小的路徑集中通過人體。人體的出現(xiàn)使得水中電場和電流的分布發(fā)生了扭曲。當(dāng)人體電阻率與水的電阻率接近時，電流分布的扭曲程度最小。但是，由于人體各部分的電阻率并不相同，人體的出現(xiàn)總會在一定程度上使得電場和電流通路的分布發(fā)生變化。
電場強度(V/cm)等于電阻率(Ω·cm)與電流密度(A/cm2)的乘積。因此，對于有著相同電場穿過的并聯(lián)路徑，其電阻率較低者將按比例具有較高的電流密度。
表3給出了在正常體溫下人體不同部分的電阻率近似值[22]，[23]。這些數(shù)據(jù)可用于低頻交流和直流電流。
10.3 通過浸入水中人體的傳導(dǎo)電流
為水溶液提供電流的電源其輸出阻抗大小不定，取決于電源的自身特性和設(shè)計方案。如果電源的輸出阻抗與水溶液和人體的阻抗相比而言較小，則該電源可以看做為一個恒壓源。在這種情況下，通過人體和水溶液的電流大小取決于水中各個并聯(lián)路徑上的阻抗值，而不受電源輸出阻抗的影響和限制。通過人體的電流與并聯(lián)于人體的其他電流回路的關(guān)系不顯著。由于電源的輸出阻抗值較小，每個并聯(lián)回路通過的電流原則上只與本回路的阻抗值有關(guān)。
如果電源的輸出阻抗與水溶液和人體的阻抗相比而言較大，則該電源可以看做為一個恒流源。在這種情況下，通過水和人體的總電流值由電源電壓和電源輸出阻抗的比值決定。電源的外部阻抗值與電源內(nèi)阻抗相比而言較小，對電流值的影響也較小。水中的電流在人體及其周圍的路徑間分配。大部分電流在阻抗最小的通路上流過。極端情況下，如果水是理想導(dǎo)體，浸入水中的人體內(nèi)將不會有電流通過，因為所有的電流都會從導(dǎo)電性極佳的水中通過。另一種極端情況下，如果水的電阻率很高，那么幾乎所有的電流都會集中在人體內(nèi)通過。
表4定性地說明了不同的水溶液電阻率(相對于浸入水中人體的電阻率)和電源阻抗特性(相對于水溶液和浸入水中人體的阻抗)條件下通過人體的電流狀況。
10.4 電流通過浸入水中人體的生理效應(yīng)
當(dāng)人體完全浸入水中，電流通過時不大可能發(fā)生感知和驚跳的反應(yīng)。由于整個身體浸入水中并傳導(dǎo)電流，盡管在體內(nèi)聚集并流過某些組織(肌肉、血液、神經(jīng)等)的電流會很大，但通過皮膚的電流密度通常情況下會比較低。正是由于通過皮膚的電流密度較低，能夠造成傷害的電流可能流過浸入水中人體的內(nèi)部而并不引起電擊的感覺。
對于浸入水中的人體，通過人體的電流所產(chǎn)生的包括肌肉痙攣在內(nèi)的生理效應(yīng)尤其危險，因為它會影響人的游泳能力，或者會使人不能將頭部伸出水面以上。人體正常的肌肉控制能力受到妨礙會導(dǎo)致溺死。
當(dāng)足夠大的電流通過人體心臟區(qū)域時會發(fā)生心室纖維性顫動。在水中人體相對于電場的方位不一定是固定的，而且還可能不斷地改變。因此，在分析此問題時必須假定電流能夠以使得流過心臟的電流密度最大的方式進入和流出人體，并且能在最不利的方向上流過。例如，當(dāng)人體與水中電極處于某種位置關(guān)系時，電流可能直接流進胸部然后從左臂流出。
當(dāng)一個人浸入與大地絕緣的水體之中，由于電源的作用其相對于大地的電位會升高，但是由于水中的電位處處相同(水中不存在電場)，不會有電流通過人體。但當(dāng)此人伸出水體之外并接觸到與大地相連的導(dǎo)體時，電流會從水中通過較大面積的濕潤皮膚進入人體，從接觸或握緊接地導(dǎo)體的肢體流出。人在此時有可能無法擺脫該接地的導(dǎo)體，如果流過軀干的電流足夠大，有可能影響到呼吸或引起心室纖維性顫動。
當(dāng)人體浸入水中時電灼傷不大可能發(fā)生，因為水對皮膚有冷卻作用。
如果人體完全浸入水中，流過頭部的電流可能產(chǎn)生一些其他的生理效應(yīng)[24]。較小的電流會在皮膚上產(chǎn)生刺痛或叮咬的感覺。較大的電流可能刺激面部的肌肉。更大的電流會刺激視覺神經(jīng)而使人產(chǎn)生光幻視。光幻視是由外部刺激(不包括光)引起的視覺圖像，此處的外部刺激指的是電流(施加于閉合眼睛上的機械壓力也可能產(chǎn)生光幻視)。盡管光幻視本身無害，但它會讓沒有思想準(zhǔn)備的人產(chǎn)生恐懼，也可能引起一些失常的反應(yīng)，甚至是驚慌失措，這些都會導(dǎo)致其他的危險包括溺死。電流引起的直接效應(yīng)在電流停止后一般可立刻消失，但較大的電流可能在面部表層引起持續(xù)的疼痛。這種疼痛會在持續(xù)幾分鐘至幾小時后才消失。人的平衡功能可能受到這些電流的影響，該效應(yīng)同樣可逆但有可能會持續(xù)幾天的時間。
10.5 電流閾值
浸入水中的人體其生理效應(yīng)的電流閾值并非固定不變的。很多因素能夠不斷的改變?nèi)梭w阻抗值，并且當(dāng)人體相對于水中電極發(fā)生位置移動時電流流通的路徑和每條路徑上的電流幅值都會發(fā)生變化。當(dāng)人體浸入到較低電阻率的水中時，在實踐中用了下面的數(shù)據(jù)作為保守的電流限值。測定這些數(shù)據(jù)的試驗是在電阻率為22Ω·cm的水中進行的，該水溶液代表了海水，是通過向自來水中添加NaCl配置而成的[25]。
一般情況下，如果有超過5mA的50Hz/60Hz的電流通過浸入水中的人體，會引起肌肉痙攣從而影響人的游泳能力和呼吸能力，甚至引起心室纖維性顫動。當(dāng)人體浸入水中時，電流能夠不通過肢體而從水中直接進入胸部。另外，保留下來的肌肉控制能力對免于溺死是很重要的。5mA的電流限值與GB/T 13870.1-2008圖20中的曲線b沒有關(guān)聯(lián)。浸入水中的情況與通常的電擊過程是不一樣的，應(yīng)有不同的考慮。
為測定較高輸出阻抗的電源在水中產(chǎn)生的電流值，常用一50Ω的電阻來模擬人體阻抗。但這個電阻值可能過大，難以合適地模擬人體的阻抗。當(dāng)電源輸出阻抗相對較低時這一問題變得尤為突出。此時，人體模型的阻抗值會對電流值產(chǎn)生比較大的影響，應(yīng)該采用更準(zhǔn)確的模型來模擬人體阻抗。
當(dāng)5mA的電流通過胸部區(qū)域直接進入孩子的軀體時，50Hz/60Hz電流的密度可能達到30μA/cm2[26]。
10.6 本質(zhì)安全電壓值
在有人體浸入水中情況發(fā)生的場合，例如游泳池和溫泉池，所用電氣設(shè)備的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)通常會限制電流值而不是限制電壓值。如果需要規(guī)定一個本質(zhì)安全的電壓值，那么該值將會非常低，可能只有幾伏，因為浸入水中的人體電流通路的阻抗值非常低。
11 短時單向單脈沖電流的效應(yīng)
11.1 概 述
在裝有電子元件的電器發(fā)生絕緣故障的情況下或當(dāng)觸及這類設(shè)備的帶電部分時，矩形和正弦脈沖或電容器放電產(chǎn)生的短時單向單脈沖電流可能是一種危險源。因此，確定這類電流的危險界限至關(guān)重要。
當(dāng)電擊持續(xù)時間為10ms時，本章所述效應(yīng)相當(dāng)于GB/T 13870.1-2008所給出的效應(yīng)，因此GB/T 13870.1-2008和GB/T 13870.2包括了電擊持續(xù)時間由0.1ms～10s的整個范圍內(nèi)幾乎所有具有技術(shù)意義的電流波形。本章的內(nèi)容以科學(xué)研究得出的如下推論為依據(jù)，即對于持續(xù)時間不大于10ms的電擊而言，各種形式的單向脈沖電流引發(fā)心室纖維性顫動的主要因素是It或I2t值[8]。
11.3 電容器放電的感知閾和痛覺閾
這些閾值取決于電極的形狀、脈沖的電荷量及其電流峰值。圖19表示人用干燥的手握住大電極時，隨電容器電荷量和充電電壓而變的感知閾和痛覺閾。
電流通路通過手腳和大接觸面積時，以比能量表示的痛覺閾約為50×10-6A2·s～100×10-6A2·s。
