1. Berechnung des elektrischen Schlags unter Verwendung des Schaltungsmodells des Körpers
Bei der Auslegung elektrischer Systeme muss die Sicherheitsbewertung eine Bewertung der Auswirkungen des menschlichen Kontakts mit möglicherweise vorhandenen metallischen oder erregten Teilen oder Leitern umfassen.
Wann immer möglich, sollten Erdung, Isolierung und physische Distanz die Gefahr eines elektrischen Schlags verringern oder beseitigen. Während des Entwurfs kann die Wirkung des Kontakts mit Leitern anhand von Stromkreismodellen des menschlichen Körpers bewertet werden. Es wird viele Faktoren geben, die ein solches Modell beeinflussen, und unterschiedliche Grade der Komplexität des Modells, abhängig von der Anwendung und dem Grad des potenziellen Risikos, das vorhanden sein kann. In diesem Abschnitt wird eine Einführung in dieses Gebiet gegeben, das sich immer noch weiterentwickelt, wenn neue Forschungen durchgeführt und fortgeschrittenere mathematische Modellierungstechniken verwendet werden.
Das Schaltungsmodell eines menschlichen Körpers kann dann auf Basis des Hautmodells, der Gliedmaßen und des Rumpfes konstruiert werden. 1 zeigt die kombinierten Schaltungsmodelle unter der Annahme trockener Haut mit einer Kontaktfläche von 1 cm ^ 2 aus den vorherigen Beispielen, um den elektrischen Kontakt von Hand zu Fuß durch den Rumpf zu simulieren. FIGUR 2 zeigt die Schaltungsreduktion des Beispielkörpers mit trockener Haut. Die Schaltungsreduzierung wird in den folgenden Schritten durchgeführt:
Schritt 1. Kombinieren Sie doppelte Modelle. Es gibt zwei identische Bereiche des Hautkontakts. Für den Hautbereich liegen die Widerstände also in Reihe….
Die Kapazitäten in Reihe verbinden sich durch Kehrwerte:
Für die beiden identischen Glieder wird das gleiche Verfahren angewendet.
Schritt 2. Wandeln Sie Parallelschaltungen in Reihenschaltungen um, so dass alle resistiven und kapazitiven Elemente für alle Elemente summiert werden können …
ABB 1 Schaltungsmodell der Hand-zu-Fuß-Leitung, mit trockener Haut.
ABB. 2: Reduzierung der menschlichen Körperimpedanz bei trockener Haut.
Die Gesamtadmittanz des Elements wird aus der Leitfähigkeit und Suszeptanz berechnet.
e.1
…wobei und die Admittanz in Impedanz umgewandelt wird.
e.2
Die Impedanz ist in zwei Reihenelemente aufgeteilt.
e3
e.4
Schritt 3. Die Reihenelemente werden summiert.
e5
e.6
e.7
e.8
Schritt 4. Eine parallele Ersatzschaltung wird ebenfalls erstellt.
e.9
e.10
e11
Diese Auswertung zeigt, dass der kapazitive Effekt minimal ist, da…
Das Modell kann verwendet werden, um die Auswirkungen eines elektrischen Schlags zu simulieren. Bei 120 V Wechselstrom beträgt der Strom …
Dies erzeugt das „Kribbeln“, wenn die Hausverkabelung versehentlich berührt wird.
FIGUR 3 zeigt die Schaltungsreduktion des Beispielkörpers mit nasser Haut, wobei angenommen wird, dass der Hautwiderstand Null ist, so dass der einzige Faktor der innere Körperwiderstand ist. Bei 120 V Wechselstrom beträgt der Strom
Strom auf diesem Niveau kann Kammerflimmern und möglichen Tod verursachen.
ABB.3: Reduzierung der menschlichen Körperimpedanz bei nasser Haut.
2. Frequenzgang des menschlichen Körpers
Unter Verwendung des entwickelten Schaltungsmodells können die Induktivitäten als Elemente in Reihe mit den Widerständen addiert werden, und der Effekt der variierenden Frequenz kann gefunden werden. In Fortsetzung des vorherigen Beispiels wurden Induktivitäten für die Gliedmaßen und den Rumpf gefunden:
Die Widerstände und Kapazitäten waren Die Ersatzschaltung eines Körperteils, einschließlich Induktivität, ist in Abbildung 4 gezeigt.
FIG 4 Ersatzschaltung eines Körperteils.
Die Impedanz als Funktion der Frequenz kann als e berechnet werden.12
Für den Stamm, , und , und Resonanz existiert nicht. Für das Glied, , und , und Resonanz existiert nicht. Der maximale Widerstandswert, für den Resonanz besteht, ist…
e18
e.19.
Für den Rumpf , für das Glied.
Diese Widerstände liegen deutlich unter den für den menschlichen Körper typischen Werten. Die Impedanzgröße und die Winkeldiagramme sind in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt. Für alle Frequenzen im Kilohertz-Bereich, bestehend aus der Netzfrequenz und ihren Oberschwingungen, ist der Widerstand der einzige Schaltungswert, der verwendet werden muss. In Anbetracht der Hautimpedanz besteht die Haut aus einem Widerstand parallel zu einer Kapazität sowie einem Serienwiderstand . Die Impedanz kann berechnet werden als e.20
In der Beispielberechnung wurden die Widerstände und die Kapazität …
Die Impedanzgröße und die Winkeldiagramme sind in den Abbildungen 7 und 8 dargestellt. Für alle Frequenzen im Kilohertz-Bereich, bestehend aus der Netzfrequenz und ihren Oberschwingungen, ist der Widerstand der einzige Schaltungswert, der verwendet werden muss. Es gibt einen Schaltungspol, der deutlich unter der normalen Netzfrequenz liegt.
Das Schaltungsmodell für den gesamten Körper, einschließlich Widerstand, Kapazität und Induktivität, kann dann konstruiert werden. Da es sich um Resonanz handelt, wird das für die Widerstandselemente verwendete Serien-Parallel-Schaltungsreduzierungsverfahren den Frequenzgang nicht korrekt modellieren.
Daher wird der Ansatz der Summierung der Ersatzschaltungsmodelle verwendet.
ABB. 5 Impedanz-Frequenz-Diagramme für Rumpf und Gliedmaßen.
ABB. 6 Phasenwinkel gegen Frequenzdiagramme für Rumpf und Gliedmaßen.
ABB. 7 Impedanz-Frequenz-Diagramm für die Haut.
ABB. 8 Phasenwinkel versus Frequenzdiagramm für die Haut.
e.21
Die gesamte körper impedanz für niedrigen frequenzen ist die summe der widerstände
e.22
Die gesamte körper impedanz für hohe frequenzen ist zweimal die haut widerstand, als die widerstände in parallel mit kondensatoren sind umgangen:
e.23
Die interne körper impedanz für niedrigen frequenzen ist die summe der Widerstände…
e.24
Die interne Körperimpedanz für hohe Frequenzen ist Null, da die Widerstände parallel zu Kondensatoren umgangen werden:
e.25
Dem wirkt jedoch der Skin-Effekt entgegen, der in diesem Modell nicht enthalten ist, so dass bei hohen Frequenzen interne Körperimpedanzen nicht berücksichtigt werden. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 9 und 10 dargestellt. 26
Für das betrachtete Beispiel …
Es gibt Systempole für den Rumpf bei e.27 Für das betrachtete Beispiel,
ABB. 9 Gesamtkörper-Impedanz-Magnitude (ZBS) und interne Körper-Impedanz (ZB) gegen Frequenz. PTN ist der negative Trunkpol bei 18 kHz.
ABB.10 Gesamtimpedanzwinkel (ZBS) und Innenkörperimpedanz (ZB) gegenüber der Frequenz. PTN ist der negative Trunkpol bei 18 kHz.