2.1 雷电对人体的生理效应
2.1.1 雷电流对人体的作用机理
2.1.1.1 人体阻抗的组成
图2-1 弗莱贝尔加等值电路模型
雷击电流的大小由接触电压和人体阻抗所决定，合理地考虑人体阻抗的取值是防雷减灾工程设计的需要。我国一般采用弗莱贝尔加等值电路模型分析人体阻抗，电路模型如图2-1所示。人体总阻抗Z由电阻分量和电容分量组成，它表现为皮肤阻抗Zp和人体内阻抗Zi的串联。
人体内阻抗Zi主要取决于电流路径，与接触面积关系不大，只有当接触面积小到几平方毫米数量级时，内阻抗才会增大。一般情况下，取人体内阻抗为500Ω，而皮肤阻抗Zp随表面接触面积、温度、频率、潮湿程度等显著变化。人体触电面积越大，接触电压越高，环境温度越高或者电源频率越高时皮肤阻值越小。此外，当通电电流较大且持续时间较长，触电者的发热出汗或皮肤炭化都会使得皮肤阻抗值下降。当皮肤破损时，皮肤阻抗则可忽略不计。
我国相关标准取人体阻抗的范围为1000～1500Ω，但在涉及触电保安类电器的设计时，则应考虑最坏情况，取人体内阻抗为500Ω。大量雷击事故研究表明，人体总阻抗一般是500～1000Ω。由于直击雷击或旁侧闪络一般是从头或肩着雷，雷电流从人的两脚流入地面，所以这个电阻取值500～1000Ω合理。
2.1.1.2 雷电对人体造成危害的四种方式
雷电对人体造成危害的方式主要有四种：直接雷击、旁侧闪击、接触雷击和跨步电压雷击。
2.1.1.3 雷电对人体的伤害类型
1．心室纤维性颤动
心室纤维性颤动是受到雷击伤害时最常见的生理效应，也是电击致死的主要原因。人的心脏有两个心室，左心室使血液流经全身，右心室使血液流经肺部，正常人的两个心室的肌肉同时收缩或同时舒张以保证血液正常的循环流动。当雷电流流经心肌时，心脏正常搏动的电信号便受到干扰而被打乱，心脏不再作有规律的收缩，变成单独的以各自的速率进行无规则的颤动（医学上称之为纤维性颤动），这样心室里就不能产生足够的压力把血液输送到全身各部。若血液循环停止，约4min之内可导致死亡。
一个心动周期包括产生兴奋期、兴奋扩展期和兴奋复原期。在兴奋复原期内有一个相对较短的时期称为易损期，在这个时期内，心肌纤维处于兴奋的不均匀状态，受到足够幅度的雷击电流刺激，心室纤维发生颤动，血压降低。如果电流足够大甚至会使心脏停止供血，造成死亡。因此，电击现象发生在心动周期中的兴奋复原期容易导致死亡。
2．电击伤
雷击电流迅速通过人体，会引起呼吸中枢麻痹、心室纤维或心跳骤停，以及致使脑组织及一些主要器官受到严重损害，出现休克或突然死亡，这种现象称为电击伤。电击伤导致人停止呼吸可分为两种情况：当雷电流流经脑下部的呼吸中枢时，会导致呼吸停止，这种情况不可自己恢复；当电流流经胸部时，使胸肌收缩造成呼吸障碍，导致呼吸停止，但这种情况下，呼吸可能自己恢复。
3．电伤
闪电对人体还会产生热效应、化学效应、机械效应，伤害人体外部组织或器官，造成电伤。与电击伤相比，电伤属于局部伤害，一般包括电烧伤、电烙印、机械损伤等形式，受伤程度主要取决于受伤面积、受伤深度、受伤部位等因素。
常见的电伤种类主要有以下几种：
（1）电烧伤指电流通过人体产生热电效应、电生理效应、电化学效应和电弧、电火花等致人体以及皮肤、皮下组织、深层肌肉、血管、神经、骨关节和内部脏器的广泛损伤。当一个人遭遇雷击，有瞬间脉冲电流流经人体，人体从头到脚间就会产生很高的电位差。这样高的电压足以击穿空气，对周围与地面等电位的任何近物发生闪络电弧，因此会造成皮肤闪弧处的灼伤。雷电流幅值越大，通过的时间越长，人体的阻抗越小，则灼伤越为严重。人体由于躯体表面有汗或雨水导致皮肤表面潮湿时，汗水中含有大量的盐分使得皮肤表面呈现出良好的导电特性。由于集肤效应，电流瞬间经过体表，没有伤及内脏，这种情况就不一定导致死亡，但全身各部位，尤其是有钥匙、腰带等金属物的部位会留下严重的电灼伤。
（2）电烙印是人体不被直接电击，但与带电体有良好接触的情况下，在接触部位留下的斑痕。它会使斑痕处的皮肤变硬，失去原有的弹性和光泽，表层破坏失去知觉。
（3）皮肤金属化是由于高温电弧使周围金属熔化、蒸发并飞溅渗透到皮肤表层所形成的。金属化后的皮肤表层变得粗糙坚硬，而且因接触的金属元素不同而呈现不同颜色，如接触铅呈现灰黄色、接触紫铜呈现绿色、接触黄铜呈现蓝绿色。金属化后的皮肤经过一段时间能自行脱离，不会有不良后果。
（4）机械损伤是当闪电电流作用于人体，肌肉会不由自主地剧烈收缩造成的肌腱、皮肤、血管、神经组织断裂以及关节脱落乃至骨折等伤害。
（5）电光眼是指发生弧光放电时，由红外线、可见光、紫外线对眼睛的伤害。
4．其他
除了上述雷击电击人体现象外，也有其他一些特殊的情况。在极少数情况下，雷电流流经神经系统也带来意想不到的后果，如有些人会出现失忆等症状，但也有人会在受到雷击后身上的顽疾不治而愈。
2.1.2 影响雷电对人体生理效应的因素
1．瞬间脉冲电流的大小
致命电流是指在较短的时间内危及生命的最小电流。一般情况下，通过人体的工频电流超过50mA时，心脏就会停止跳动，发生昏迷，并出现致命的电灼伤，因此，50mA的电流一般被认为是致命电流。当通过人体的工频电流超过100mA时，这样的电流短时间内足以使人致命。而雷击对人产生的生理效应中最为常见的心室纤维性颤动程度也与电流强度相关。可见，雷电的瞬间脉冲电流越大，致命的危险越大。为了更好地理解不同的电流强度对人体的影响，可以参照表2-1。
表2-1 电流强度对人体的影响
2．闪电电流流通途径
闪电电流通过人体，电流通过心脏、脊椎和中枢神经等要害部位时，电击对人体造成的伤害最为严重。因此，最危险的电流途径是从左手到胸部以及从左手到右脚，而从右手到胸部或从右手到脚、从手到手等也都是很危险的电流途径。因为电流流经心脏会引起心室颤动而致死，电流幅值较大时候甚至会使心脏即刻停止跳动。
从电流方向的角度看，电流纵向通过人体时要比横向通过人体时更易造成人体心室颤动，因此纵向电流危险性更大一些。除了导致人体心室颤动以外，电流通过中枢神经系统时，会引起中枢神经系统失调而造成呼吸抑制，导致死亡；电流通过头部，会使人昏迷，严重时会造成死亡；通过脊髓时会使人截瘫。
电流流通途径与通过心脏的比例见表2-2。
表2-2 电流流通途径与通过心脏的比例
3．雷电流持续时间的长短
雷电流持续的时间越长，对人体造成的危害越大，原因有以下几点：
（1）由于人体发热出汗和皮肤角质层破坏等，人体电阻会随闪电电流流过人体的时间的增长而逐渐降低，因此，在闪电电压一定的情况下，会使电流增大，对人体组织的破坏更大，后果更严重。
（2）通电时间越长，能量积累增加，就更易引起心室颤动。
（3）在心脏搏动周期中，有约0.1s的特定相位对电流最敏感。因此，通电时间越长，与该特定相位重合的可能性就越大，引起心室颤动的可能性也越大。
4．电压的高低
电压越高其穿透机体的能力越强，对人的危害越大。在电网中，高电压与低电压一般以1000V为界。在高电压工程中有更加细的区分：0.22～1kV的为低压，3～35kV的为中压，35kV以上到110kV的为高压，而220kV、500kV、750kV为超高压，1000kV及以上的交流电压为特高压。国内日常触电事故以110～380V交流电最常见，故也以380V以上称为高压电。雷击电压一般都比较高，达到数千伏特甚至数百万伏特，因此雷击人体造成的后果都很严重。
除此之外，人体阻抗大小、电流频率高低还有人体本身状况等因素都影响雷击对人体的生理效应。