电击基本与防护措施概述

注册电气工程师技术资质考试辅导教材(二)

14.2 电击基本知识和防护措施

14.2.1．电击的机理

如上节所述，电击所产生的电击电流通过人体或动物躯体将产生病理性生理效应，轻者受到伤害，重者将会死亡，所以必须采取防护措施。

触电分为直接接触和间接接触。直接接触和间接接触所造成的电击分别称为直接电击和间接电击。为了防止电击，必须先了解电击机理，然后对直接电击、间接电击以及兼有该两者的电击采取适当的防护措施，以保证人、畜及设备的安全。

14.2.1.1 人体阻抗的组成 电击电流大小由接触电压和人体阻抗所决定。人体阻抗主要与电流路径、皮肤潮湿程度、接触电压、电流持续时间、接触面积、接触压力、温度以及频率等有关。人体阻抗的组成如图14.2-1所示。

如将两个电极接触人体的两个部分，并将电极下的皮肤去掉，则该两电极问的阻抗为人体内阻抗 Zi。皮肤上电极与皮肤下导电组织之间的阻抗即为皮肤阻抗 ZPl和 ZP2 。Zi、ZP1、ZP2的矢量和为人体总阻抗 ZT。现将这些阻抗的特征说明如下：

①人体内阻抗 Zi 根据IEC测定的结果，Zi主要是电阻，只有少量电容，如图14.2-1中虚线所示，其数值主要决定于电流路径，一般与接触面积关系不大，但当接触面积小到几平方毫M数量级时，内阻抗才增大。

②皮肤阻抗 ZP1、ZP2 ZP1、ZP2是由半绝缘层和小的导电元件（如毛孔构成的电阻电容网络）组成，见图14.2-1。接触电压在 50V 及以下时，皮肤阻抗值随表面接触面积、温度、呼吸等显著变化；50～100V 时，皮肤阻抗降低很多；频率增高时，皮肤阻抗也随之降低；皮肤破损时，皮肤阻抗可忽略不计。

③人体总阻抗 ZTZT由电阻分量及电容分量组成。当接触电压在 500V 及以下时，ZT值主要决定于皮肤阻抗值；接触电压越高，ZT与皮肤阻抗关系越少；当皮肤破损后，ZT值接近于人体内阻抗。

④人体初始电阻 Ri 在接触电压出现的瞬间，人体的电容还未充电，皮肤阻抗可忽略不计，这时的电阻值称为人体初始电阻。该值限制短时脉冲电流峰值。当电流路径从手到手或手到脚而且接触面积较大时，5％分布秩（即 5％的人所呈现的最小初始电阻值）Z5％可认为等于 500

Ω。 14.2.1.2人体阻抗与接触状况的关系 通常划分为以下三类：

①状况 1 干燥或湿润的区域、干燥的皮肤、高电阻的地面，此时人体阻抗值：

Z1＝1000 ＋ 0.5*Z5％ （Ω）

式中：1000──鞋袜和地面两者电阻的随机值，Ω

0.5──考虑了双手至双脚的双重接触情况

Z5％──5％分布秩，即 5％的人呈现此最小阻抗值，Ω

②状况 2 潮湿的区域、潮湿的皮肤、低电阻的地面，此时人体阻抗值：

Z2 = 200 = 200 +0.55*Z％ （Ω）

式中；200──较低的地面电阻值，不计鞋袜的电阻，Ω

③状况 3 浸入水中的情况，此时皮肤电阻、环境介质的电阻可忽略不计。

交流电流的安全电压，IEC 规定直流（无纹波）的安全电压为：在状况 1，不大于 120V；在状况 2，不大于 60V。安全电压包括接地系统的相对地或极对地电压，或不接地和非有效接地的相间及极间电压。

14.2.2 电击电流对人体的生理效应

14.2.2.1 交流电流的电击效应IEC 经过多年的实验研究，认为心室纤维性颤动是电击致死的主要原因。一个心动周期如图 5所示，由产生兴奋期 P、兴奋扩展期 R 和兴奋复原期T所组成。图14.2-2中的数字表示兴奋传播的顺序。在兴奋复原期内有一个相对较小的部份称为易损期，在易损期内，心肌纤维处于兴奋的不均匀状态，如果受到足够幅度电流的刺激，心室纤维发生颤动，如图 14.2-3中 X 点受电流刺激．对心电图和血压的影响，如图 14.2-3中曲线所示。此时发生心室纤维性颤动和血压降低，如电流足够大将导致死亡。

当电流流过人体时，人身所察觉到的最小电流值称为感觉阈值。对于 15 ～100Hz 交流电流，此值为 0.5mA。人握电极能摆脱的电流最大值称为摆脱电流，对于 15～100Hz 交流电流为 10mA。当流过人体的电流继续增加时，人体电流 IB和电流流过的持续时间 t 的关系如图 14.2-4所示。图14.2-4是按电流流过人体的路径从左手到双脚的效应绘制的。当电流为 500mA、时间为 100ms 时，产生心室纤维性颤动的几率为 14％。图 14.2-4中的Ⅰ区通常无反应性效应；Ⅱ区通常无有害的生理效应；Ⅲ区通常无器官性损伤，但可能出现肌肉收缩和呼吸困难．在心脏中形成兴奋波和传导的可逆性紊乱，包括心房纤维性颤动及短暂心脏停跳；在Ⅳ区内．开始出现心室纤维性颤动，到曲线 c1，几率为 5％；到曲线 c2，几率为 50％；曲线 c3 以外则几率超过 50％。随着电流与时间的增加，可能发生心脏停跳、呼吸停止及严重烧伤。

上述的感觉阈值、摆脱阈值及图 14.2-4中的心室纤维性颤动阈值都是对 15～100Hz 交流电流而言的。

在工业企业和民用建筑中，有不少电气设备的使用频率超过 100Hz，例如有些电动工具和电焊机，可用到 450Hz；电疗设备大多数使用 4000～5000Hz；开关方式供电的设备则为 20kHz ～ 1MHz；微波及无线电设备还有使用更高的频率的。

对于这些 100Hz 以上交流电流，人体皮肤的阻抗，在数十伏数量级的接触电压下，大致与频率成反比，例如 500Hz 时皮肤阻抗，仅约为 50Hz 时皮肤阻抗的 1／10，在很多情况下，皮肤的阻抗可以忽略不计。但因为是高频电流，对人体的感觉和对心脏的影响都比 100Hz 以下交流电小。为了与 50Hz 时阈值相比，常采用频率系数 Ff 来衡量、频率系数 Ff 为频率f时产生相应生理效应的阈值电流与 50Hz 的阈值电流之比。

频率在 10kHz 及 100Hz 之间时，阈值大致由 10mA 上升到 100mA（有效值）；

频率在 100kHz 以上及电流强度在数百毫安数量级时，较低频率时有针刺的感觉，频率再高则有温暖的感觉。频率在 100kHz 以上时，既没有摆脱阈值和心室纤维性颤动阈值的实验数据．也没有这方面的事故报告。

频率在 100kHz 以上及电流在安培数量级时，可能出现烧伤，烧伤的严重程度随电流流通的持续时间而定。

14.2.2.2 直流电流的电击效应 电流对人体的效应，例如刺激神经和肌肉，引起心房或心室纤维性颤动等，与电流大小的变化有关，特别是在接通或断开电流的时候。电流幅度不变的直流电流要产生同样的效应，要比交流电流大得多。握持直流电器，事故时较易摆脱；当电击持续时间长于心动周期时，心室纤维性颤动阈值比交流的阈值高得多。直流电流从手到双脚，通过人体躯干的电流称为纵向电流；从手到手通过人体躯干的电流称为横向电流；以双脚为正极，流过人体的电流为向上电流；以双脚为负极，流经人体的电流为向下电流。直流电流与具有相同诱发心室纤维性颤动几率的等效交流电流（有效值）之比称为直流／交流等效系数。

直流电流的持续时间和电流幅值的关系见图 14.2-5。

图中Ⅰ区通常无反应性效应；Ⅱ区通常无有害的生理效应；Ⅲ区通常预期无器官损伤，随电流幅值和时间而增加其严重程度，可能出现心脏中兴奋波的形成和传导的可逆性紊乱；Ⅳ区可能出现心室纤维性颤动，随电流幅值和时间增加，除Ⅲ区的效应外，预计会发生严重烧伤等病理生理效应。关于心室纤维性颤动，该图所示为电流从左手到双脚，且为向上电流的效应。如为向下电流，应将电流乘以 2 的系数进行换算。当电流从手到手，不大可能产生心室纤维性颤动。在该图中，当电流流过的持续时间小于 500ms 时，尚无Ⅱ和Ⅲ区分界线的资料。

直流电流的感觉阈值取决于接触面积、接触状态（干湿度、压力、温度）、电流流过的持续时间和各自的生理特征等，与交流电不同的是：当电流以感觉阈值强度流过人体时，只是在接通和断开电流时有感觉，其它时间没有感觉。在与测定交流电流感觉阈值相等条件下，直流电流的感觉阈值约为 2mA。

直流的摆脱阈值与交流不同，约 300mA 以下的直流电流没有可以确定的摆脱阈值，只有在接通和断开电流时，才能引起疼痛性和痉挛似的肌肉收缩。当电流大干 300mA 时，可能摆脱不了，或仅在电击持续时间达几秒或几分种后才有可能摆脱不了。

通过人体的电流约为 30mA 时，人体四肢有暖热感觉。流经人体的电流为 300mA 及以下横向电流持续几分钟时，随着时间和电流增加，可能产生可逆性的心节律障碍。电流伤痕、烧伤、眩晕、有时失去知觉，超过 300mA 时，经常出现失去知觉的情况。

14.2.2.3 特殊波形电流的电击效应 特殊波形电流的电击效应这里仅考虑短持续时间单向单脉冲电流的效应，在工业企业和民用建筑所用的电气设备中，也经常遇到。

短持续时间单向单脉冲电流的效应在内装电子元件的电器绝缘损坏或直接接触其带电体时形成的矩形或正弦形脉冲；电容器放电的短持续时间单向脉冲。这些脉冲当其持续时间为 10ms 及以上时，对人体的效应与图 14.2-4相同；对于 0.lms～10ms 持续时间的脉冲，其效应按下列能量率来表征。

心室纤维性颤动能量率 Fe ：在电流路径、心脏时,相等（心脏跳动的幅值与时间的关系）给定条件下，引起一定几率的心室纤维性颤动的短持续时间单向脉冲的最小 I2t值，以积分形式表示为：

Fe =∫i2dt

Fe乘以人体电阻得出脉冲期间耗散在人体的能量。

心室纤维性颤动电荷率 Fq ：在给定的电流路径、心脏时,相等条件下，引起一定几率的心室纤维性颤动短持续时间单向脉冲最小 It 值，以积分形式表示为

Fq =∫idt

现以电容器放电为例。电容器由放电开始到放电电流降至其峰值的 5％的时间间隔为电容器放电的电击持续时间 t1。按指数衰减降到起初幅值 1／e = 0.3679 倍所需的时间为时间常数T 。当 ti = 3T时，所有脉冲能量几乎耗尽。

电容器放电的感觉阈值和痛苦阈值取决于电极的形式、脉冲的电荷及其电流峰值。以干手执大电极的人作为放电对象的感觉阈值及痛苦阈值．以能量率 Fe表示的痛苦阈值对于通过手脚的电流路径及大接触面积来说为(50～100)×10-6A2s 数量级。

心室纤维性颤动阈值取决于脉冲电流的形式、持续时间及幅度、脉冲开始时的心脏时相、通过人体的电流路径及人的生理特征。

IEC 曾在动物身上做过实验，其结果是：对于短持续时间的脉冲，心室纤维性颤动一般仅在脉冲落在心动周期易损时间内发生；对于电击持续时间小于 10ms 的单向脉冲，心室纤维性颤动的发生由 Fq或 Fe 所决定。图14.2-6示出心室纤维性颤动的阈值，对于 50％的纤维性颤动几率，Fq为 0.005As ，Fe 则由脉冲持续时间 t1 = 4ms 时的 0.01A2s 上升到 t1 = 1ms 时的 0.02A2s 。该曲线给出路径以左手到双脚流过的电流的心室纤维性颤动危险几率．对于其它电流途径，则乘以表2的心电流系数 F 。图中 c1 曲线以下，无纤维性出动；c1 曲线以上直到曲线 c2 以下，具有较低的心室纤维性颤动危险，几率直到 5％；c2 曲线以上直到 c3 曲线以下，具有中等纤维性颤动危险，几率直到 50％；c3 曲线以上，具有高纤维性颤动危险，大于 50％几率。