基于LABVIEW的泄漏电流人体阻抗计算模型

刘晨，沈介明

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏 苏州 215011）

0 引言

随着科学技术的不断发展，各类电子产品应用到各个领域，因此产品的安全性能需要引起重视。根据国家质量监督检验检疫总局发布的JJG 843-2007《泄漏电流测试仪检定规程》，在对电子产品进行计量检测时，泄漏电流是必检项目，泄漏电流是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。泄漏电流的大小是衡量电子产品绝缘性能的指标之一，同时也关系到使用者的人身安全。

在工业设备、信息设备和家用电器等国家检测标准中，通常是使用泄漏电流测试仪来测量电子产品在工作状态下通过绝缘或分布参数阻抗产生的与工作无关的泄漏电流，其输入阻抗为模拟人体的阻抗[1]。在对被测设备进行计量时，通常通过模拟人体阻抗模型来模拟人体对泄漏电流的感知特性，当人体触摸到被测设备时流过的电流即为泄漏电流。测量泄漏电流时主要测量绝缘电阻、输入阻抗和频率特性等指标[2]。内置在泄漏电流测试仪的人体阻抗模型是不可拆卸的，无法取出对其进行计量校准。而根据不同的模拟人体阻抗网络，利用公式推导出不同频率下的传输特性的方法，由于推导过程复杂，并且没有统一的计算公式，因而也有一定的不足。因此，利用LABVIEW建立计算模型，提供一种快速且具备普适性的方法是十分必要的。

1 人体阻抗网络模型

测量泄漏电流的原理是利用一个“电阻-电容”网络来模拟人体阻抗，目前国际上对灯具、医疗设备、家用电器和电动工具等进行了人体阻抗模型的定义，随着更加深入地对泄漏电流的研究，定义的人体阻抗模型需要更加科学、准确地反映阻抗特性。人体阻抗主要分为皮肤阻抗和人体内部阻抗，影响人的皮肤阻抗的因素有很多，包括：电压、频率、触电时间、接触面积、接触力度和皮肤湿度等。因为是模拟人体的阻抗，所以会有男性和女性的差异，同时健康状态与生病状态体现出的阻抗结构也会有所不同。

根据人体对泄漏电流的不同反应效应，将泄漏电流分为4种：感知电流、反应电流、摆脱电流和电灼伤电流。感知电流指通过人体引起感觉的最小电流，一般在0.5 mA左右。摆脱电流指人触电后可以自主摆脱的最小电流，一般情况下电流超过10 mA时，触电人会因肌肉收缩而抓紧带电体，无法摆脱带电体。电灼伤电流是指经过人体时由于功率消耗而使人体产生电灼伤的地电流，一般电流密度在300～400 mA/cm2时人体会被灼伤。根据IEC 60990：1999《接触电流保护导体电流的测试方法》[3]，电灼伤电流、感知电流、反应电流和摆脱电流的人体模拟网络如图1-3所示。除此之外，不同行业对测试泄漏电流时模拟人体网络也给出了各自的标准，例如：信息产品标准IEC 60950、家用电器标准IEC 60335、医疗器械标准IEC 60065、美国医疗和牙齿设备标准UL 544等。

图1 电灼伤电流的人体阻抗模型

图2 感知电流、反应电流的人体阻抗模型

图3 摆脱电流的人体阻抗模型

在人体接触电源频率不高的情况下，人体阻抗可以看成是一种纯电阻，但是，随着接触电源频率的升高，人体阻抗不再是纯电阻，而是随着频率的升高而不断地变化。目前新型泄漏电流测试仪的泄漏电流测试范围已达到1 MHz[4]，因此，根据实际情况确定好所选择的模拟人体阻抗网络后，需要对人体阻抗模型频响进行校准，通常将此网络在不同频率下的输入阻抗作为衡量标准。

人在触电时整个人身体的阻抗的大小，即为从模拟人体阻抗网络的输入端（A端-B端）输入的阻抗的大小[5]。通过对IEC 60990：1999所规定的模拟人体阻抗网络进行研究可得，为了满足各种电器安全要求中的规定，输入的阻抗值应如表1所示。

表1 不同频率下人体阻抗模型的输入阻抗

2 基于LABVIEW的人体阻抗网络模型框架及计算过程

2.1 利用LABVIEW建立模型的优势

LABVIEW提供了一种图形化编程方法，可直观地显示应用的各个方面，包括硬件配置、测量数据和调试。这种可视化方法可让用户轻松地集成任何供应商的测量硬件，使用程序框图直观地表示复杂的逻辑，开发数据分析算法，以及设计自定义工程用户界面。根据上面对模拟人体阻抗网络的分析，评价泄漏电流的关键是对应模拟人体阻抗网络的输入阻抗的性能分析，而实际上因为个体差异及环境因素等多方面的影响，模拟人体阻抗网络中的参数各不相同，而对应不同的网络其计算也是十分复杂的，通过LABVIEW建立人体阻抗模型是快速、高效地计算人体阻抗网络模型参数的重要途径之一，其可节省计算时间，可以为测试提供不同的人体阻抗网络所对应的标准值。

2.2 人体阻抗模型的搭建

2.2.1 程序设计

通过LABVIEW搭建计算平台，运行主界面（前面板）包括模块选择、频率设定、电路选择和阻抗计算结果4个部分。人体阻抗模型可以简化成多个并联电路串联在一起，模块选择器选择简化后并联电路的数量，模块数量最多可选3个。频率设定选择中系统设定默认频率为20 Hz～1 MHz，也可自定义频率，计算特定频率的传输阻抗。电路选择部分是将人体网络模型拆分为几个模块后，选择每个模块的电路，程序涵盖所有可能的电路组成，包括单电阻串联、电阻电容并联、二阶并联含电容电阻串联、三阶并联含电容电阻串联、三阶并联和二阶并联-串并联混合。选择电路后，将各个元器件的参数输入到表格中。结果显示部分用来显示所计算出的人体网络模型的阻抗值。

2.2.2 结果分析

将图1-3所示的电路图进行简化，程序输入对应的参数，进行阻抗结果计算，计算结果如图4-6所示。

图4 电灼伤电流网络的输入阻抗计算结果

由结果可知，通过LABVIEW建立模型的方式计算出的人体网络传输特性与IEC 60990：1999所给出的结果一致，从而验证了模型建立的准确性。与传统的通过公式计算传输阻抗的方法相比，此建模方法不需要进行繁琐的公式推导，只需正确地分析电路并将其简化，即可快速地计算出传输特性。

图5 感知电流、反应电流网络的输入阻抗计算结果

图6 摆脱电流网络的输入阻抗计算结果

3 结束语

本文提出了一种新的计算人体阻抗网络传输特性的方法，改进了传统的、通过公式推导的计算方法。除以上人体阻抗模型外，当需要根据身体的实际情况进行模拟时，则人体阻抗模型里的参数需要适当地改变，以更科学、实际地反映人体阻抗。此方法适用于任何人体阻抗模型传输阻抗的计算，为正确测量泄漏电流提供了有力的保障，对提高产品的安全性起到了至关重要的作用。