Czynniki wpływjące na porażenie

Spis treści

1.Wstęp

     W ostatnich latach nastąpił znaczny postęp w rozpoznaniu skutków rażenia człowieka prądem elektrycznym. Prowadzone w tym zakresie badania na ludziach i zwierzętach były przedmiotem szczegółowych analiz oraz raportów Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC). W raporcie IEC opublikowane zostały poglądy, dotyczące reakcji organizmu człowieka na przepływ prądu przemiennego i stałego.

     Oznaczenia stosowane w opracowaniu

Ud – napięcie dotykowe,
IF – prądy zwarć doziemnych,
UE – napięcie uziomowe,
Ik – prądy zwarć międzyprzewodowych,
UT – napięcie dotykowe rażeniowe,
UST – napięcie dotykowe rażeniowe spodziewane,
IE – prąd uziomowy,
tF – czas przepływu prądu rażeniowego,
IB – prąd rażeniowy,
ZB – impedancja ciała człowieka,
Ra – dodatkowa rezystancja w obwodzie rażenia,
Ro – rezystancja przejścia w obwodzie zwarciowym,
Ip – minimalna odczuwana przez człowieka wartość prądu (próg odczuwania – percepcji),
UTp – największe dopuszczalne napięcie dotykowe rażeniowe.

▲ do góry

2. Działanie prądu na organizm człowieka

     Skutki działania prądu elektrycznego na organizm ludzki zależą od rodzaju prądu, jego wartości, drogi i czasu przepływu oraz od właściwości osobniczych rażonego ustroju (np. od stanu fizycznego i psychicznego, czynników zaskoczenia i uwagi, itp.).
     Prąd przemienny o częstotliwości sieciowej 50 Hz i napięciu 400/230 V jest najbardziej rozpowszechnionym środkiem przenoszenia energii elektrycznej. Z tego powodu większość porażeń i oparzeń ludzi prądem elektrycznym, nazywanych „wypadkami elektrycznymi”, występuje przy styczności człowieka z urządzeniami elektrycznymi prądu przemiennego, przy czym najczęstsze są rażenia na drodze ręka – nogi lub ręka – ręka.
     Prąd przemienny o częstotliwości od 15 do 100 Hz powoduje najgroźniejsze dla życia reakcje organizmu, stąd skutki rażenia nim rozpatruje się szczególnie wnikliwie.

2.1. Rozróżnia się dwa rodzaje oddziaływania prądu elektrycznego na organizm ludzki:

1) Działanie bezpośrednie – spowodowane napięciem roboczym, w wyniku bezpośredniego dotknięcia przez człowieka części czynnych urządzeń znajdujących się normalnie pod napięciem. Dotyk bezpośredni może wywołać wiele zmian fizycznych, chemicznych i biologicznych w organizmie (a nawet śmierć człowieka), poprzez oddziaływanie na układ nerwowy oraz w wyniku elektrolizy krwi i płynów fizjologicznych;
2) Działanie pośrednie – spowodowane napięciem dotykowym w następstwie zetknięcia się człowieka z częściami urządzeń, które normalnie nie są pod napięciem, a na których napięcie pojawiło się na skutek uszkodzenia izolacji podstawowej. Dotyk pośredni może wywołać u człowieka takie urazy, jak:

a) uszkodzenia mechaniczne ciała w wyniku upadku z wysokości lub upuszczenia trzymanego przedmiotu,
b) oparzenia ciała wskutek pożarów wywołanych zwarciem elektrycznym,
c) groźne dla życia oparzenia ciała łukiem elektrycznym,
d) uszkodzenia wzroku wskutek dużej jaskrawości łuku elektrycznego.

2.2. Rażenie napięciem dotykowym i krokowym
     Na rysunku 1. przestawiono dwie sytuacje rażenia człowieka napięciem dotykowym i napięciem krokowym. Na skutek uszkodzenia izolacji podstawowej w urządzeniu elektrycznym nastąpiło galwaniczne połączenie części czynnej z obudową urządzenia, na której pojawił się potencjał wyższy w stosunku do potencjału ziemi.
     W przypadku dotknięcia obudowy przez stojącego na ziemi człowieka dochodzi do rażenia napięciem dotykowym (Ud) na drodze ręka – stopy.
     Gdy człowiek styka się jednocześnie z dwoma punktami na powierzchni ziemi (Rys. 1), odległymi od siebie o 1m (jeden krok), znajdującymi się pod różnymi potencjałami, to zamyka się obwód elektryczny dla prądu rażeniowego. Dochodzi wówczas do rażenia napięciem krokowym (Uk); występuje spadek napięcia na rezystancji ciała na drodze noga – noga.


Rys. 1. Możliwości rażenia człowieka napięciem dotykowym i napięciem krokowym
Oznaczenia: Ud – napięcie dotykowe, Uk – napięcie krokowe, Ra – rezystancja przejścia,
UE – napięcie uziomowe, IB – prąd rażeniowy, IF – prąd zwarcia doziemnego.


Rys. 2. Schemat zastępczy zwarcia doziemnego w układzie TT

     W przypadku rażenia prądem elektrycznym zachodzi istotna relacja między napięciem dotykowym rażeniowym UT a napięciem dotykowym spodziewanym UTS (rys. 3).
     Podstawowym kryterium oceny skuteczności ochrony przeciwporażeniowej jest wartość napięcia dotykowego rażeniowego UT, czyli napięcia przypadającego na impedancję ciała człowieka podczas przepływu prądu rażeniowego IB.
     Napięciem dotykowym spodziewanym UTS jest największa wartość napięcia dotykowego w urządzeniach lub w instalacji elektrycznej w razie uszkodzenia izolacji podstawiwej, gdy wartość impedancji w miejscu zwarcia jest pomijalna.
     Jeżeli w obwodzie rażeniowym występuje dodatkowa rezystancja przejścia Ra = Ra1 + Ra2,
gdzie: Ra1 – rezystancja obuwia człowieka, a Ra2 – rezystancja podłoża (stanowiska) na którym człowiek stoi (Rys. 3), to dopuszczalna wartość napięcia dotykowego spodziewanego UTS ulega zwiększeniu o spadek napięcia, jaki prąd rażeniowy wywołuje na tych rezystancjach (ITRa).
     Może to oznaczać nawet wielokrotne zwiększenie dopuszczalnej wartości napięcia dotykowego spodziewanego UTS.


Rys. 3. Rażenie napięciem dotykowym – relacje miedzy napięciem
dotykowym rażeniowym UT a napięciem dotykowym spodziewanym UTS

Napięcie dotykowe Ud można zdefiniować, jako napięcie między dwoma punktami nienależącymi do obwodu elektrycznego, których może dotknąć człowiek (Rys. 4).

     Prąd rażeniowy IB, który płynie pod wpływem napięcia dotykowego na drodze ręka – stopy, można wyznaczyć ze wzoru:


Rys. 4. Rażenie napięciem dotykowym

gdzie:
RB – rezystancja człowieka, w Ω;
Ud – napięcie dotykowe. w V;
UT – napięcie dotykowe rażeniowe, w V;
Ra – rezystancja przejścia – składa się z rezystancji obuwia człowieka Ra1, oraz rezystancji podłoża (stanowiska) Ra2 na którym człowiek stoi, czyli:

Ra = Ra1 + Ra2

przy czym wartość Ra1 dla niektórych rodzajów obuwia wynosi:
a) obuwie na spodach gumowych – 200 x 106 Ω,
b) obuwie na spodach skórzanych – 0,8 x 106 Ω,
c) obuwie tekstylne – 0,1 x 106 Ω,
d) obuwie tekstylne wilgotne – 25 Ω.

     Stosunek napięcia dotykowego Ud do napięcia uziomowego Uz nazywa się współczynnikiem dotyku:

     W ogólnym przypadku UdUE, więc α ≤ 1.

2.2.1. Rażenie napięciem dotykowym rażeniowym UT
Napięcie dotykowe rażeniowe UT jest to spadek napięcia na rezystancji ciała człowieka przy przepływie przez niego prądu rażeniowego IB, na drodze ręka-nogi lub ręka-noga albo ręka-ręka.

UT = IB RB, czyli UT = Ud – 0,5IB Ra

     W ogólnym przypadku UTUdUE

     przy czym UE – napięcie uziomowe, w V.

2.2.2. Rażenie napięciem krokowym Uk:
     Napięcie krokowe jest to napięcie między dwoma punktami na powierzchni ziemi lub na powierzchni stanowiska pracy, odległymi od siebie o 1 m (tj. długość kroku).
     Zjawisko porażenia ma miejsce wówczas, gdy występuje droga przepływu dla prądu rażeniowego IB i istnieje źródło napięcia wymuszającego przepływ takiego prądu (Rys. 5). W praktyce dochodzi do tego, gdy człowiek styka się jednocześnie z dwoma punktami znajdującymi się pod różnymi potencjałami i zamyka się w ten sposób elektryczny obwód dla prądu rażeniowego.


Rys. 5. Rażenie napięciem krokowym

2.2.3. Rażenie napięciem fazowym nastąpi w wyniku bezpośredniego dotknięcia przez człowieka części czynnej urządzenia znajdującego się pod napięciem (jednej fazy). Wówczas prąd rażenia wynosi:

2.2.4. Rażenie napięciem międzyprzewodowym nastąpi w wyniku bezpośredniego dotknięcia przez człowieka jednocześnie dwóch części czynnych urządzeń znajdujących się pod napięciem (jednocześnie dwóch faz).
Wówczas prąd rażenia wynosi:

     gdzie;
      Uo – napięcie fazowe względem ziemi, w V.

2.3. Porażenie elektryczne w organizmie człowieka może objawiać się:

a) odczuwaniem przepływu prądu, uczuciem bólu, lekkimi kurczami mięśni,
b) silnymi kurczami mięśni dłoni uniemożliwiającymi samouwolnienie się porażonego,
c) zatrzymaniem oddechu, zaburzeniami krążenia krwi,
d) zaburzeniami wzroku, słuchu i zmysłu równowagi,
e) utratą przytomności,
f) migotaniem komór sercowych – bardzo groźnym dla życia człowieka,
g) oparzeniami skóry i wewnętrznych części ciała.

     Bezpośrednio po rażeniu prądem, tzn. po przerwaniu przepływu prądu, może wystąpić wstrząs elektryczny objawiający się przerażeniem, bladością, drżeniem ciała lub kończyn, nadmiernym wydzielaniem potu, stanem apatii lub euforii. Może również wystąpić obrzęk mózgu i utrata przytomności połączona z zatrzymaniem krążenia krwi i brakiem oddechu. Skutki te mogą się ujawnić także po pewnym czasie – od kilku minut do kilku miesięcy.
     Każdy z powyższych skutków, z wyjątkiem odczuwania przepływu prądu, może doprowadzić do śmierci rażonego.

▲ do góry

3. Skutki rażenia prądem elektrycznym

Skutki rażenia prądem elektrycznym zależą od:
1) rodzaju prądu, a więc czy jest to rażenie: prądem przemiennym o małej częstotliwości (15 -100Hz), prądem przemiennym o dużej częstotliwości, krótkotrwałymi jednokierunkowymi impulsami prądowymi, prądem stałym. Badania wykazały, że ludzie są mniej wrażliwi na działanie prądu stałego (w zależności od kierunku jego przepływu) niż prądu przemiennego o takiej samej wartości (w zależności od częstotliwości);
2) wartości napięcia i natężenia prądu rażeniowego oraz czasu jego przepływu
Wartość progowa prądu samouwolnienia przy prądzie stałym wynosi I = 30 mA (dla kobiet 20 mA).
Przy tych wartościach prądów rażeniowych samodzielne uwolnienie się od elektrod mimo bolesnych
skurczów mięśni rąk, jeszcze jest możliwe. Wartość progowa prądu samouwolnienia przy prądzie
przemiennym wynosi 10 mA (dla kobiet. 6 rnA);
3) drogi przepływu prądu przez ciało człowieka – mają istotny wpływ na skutki porażenia prądem elektrycznym, przy czym największe znaczenie ma to, jaka część prądu przepływa przez serce i przez
układ oddechowy.
4) stanu psychofizycznego porażonego – kondycja psychofizyczna człowieka ma duży wpływ na bezpieczeństwo porażenia, np. stan podniecenia powoduje wydzielanie się potu, co z kolei wpływa na zmniejszenie rezystancji ciała i w konsekwencji wzrost natężenia prądu rażenia.
Takie stany psychiczne jak: roztargnienie, zdenerwowanie, zamroczenie alkoholem, zmniejszają zdolność reagowania. Stan fizyczny rażonego ma wpływ na odporność organizmu, np. na stan
osłabienia lub wyczerpania chorobowego;
5) czasu przepływu prądu rażenia przez ciało człowieka. Ma on istotny wpływ na skutki rażenia prądem elektrycznym, a w szczególności na migotanie komór sercowych.

▲ do góry

3.1. Kryteria bezpieczeństwa organizmu człowieka przy rażeniu prądem elektrycznym

3.1.1. Fibrylacja komór sercowych
     Przepływ prądu elektrycznego bezpośrednio przez mięsień sercowy człowieka może spowodować zatrzymanie obiegu krwi wskutek wystąpienia fibrylacji (migotania) komór sercowych. Podczas fibrylacji komór sercowych ulega zmianie przebieg elektrokardiogramu i następuje spadek ciśnienia krwi (Rys. 6).


Rys. 6. Przebieg czynności bioelektrycznych mięśnia sercowego

     W zasadzie fibrylacja może nastąpić jedynie przy zaistnieniu bodźca elektrycznego w fazie względnej refrakcji pracy serca, odpowiadającej załomkowi T przebiegu EKG. Czas trwania tej fazy wynosi według różnych autorów 5 ÷ 90 ms, a nawet do 150 ms. Jeżeli przepływ prądu przez serce rozpoczyna się w przedziale czasu między końcem fazy T a początkiem załomka Q, to może on wywołać tylko tzw. skurcz dodatkowy.
     Podczas fibrylacji komór sercowych zamiast miarowych okresowych skurczów komór serca (60 — 70 na min) pojawiają się niemiarowe nieokresowe skurcze o częstotliwości 6 -10 Hz (400 – 600 na min).
     Jednocześnie ciśnienie krwi gwałtownie maleje i przepływ krwi może zostać zatrzymany, co może spowodować w pierwszej kolejności niedotlenienie mózgu, a po czasie około 10 s – utratę przytomności. Jeżeli proces ten trwa dłużej, to po dalszych 20 s nastąpi zatrzymanie oddychania i początek śmierci klinicznej.
     Rażonego człowieka można jeszcze uratować, jeżeli udzieli mu się skutecznej pomocy przed upływem 3 – 5 min, tzn. przed upływem czasu, jaki bez dopływu tlenu może przeżyć kora mózgowa.
     Fibrylacja komór sercowych może ustąpić pod wpływem bardzo silnego bodźca elektrycznego. Urządzenia służące do tego celu zwane są defibrylatorami.
     Prowadzone od wielu lat liczne badania na ludziach i zwierzętach oraz dokonywane analizy wypadków elektrycznych pozwoliły na dość dokładne scharakteryzowanie wartości prądów wywołujących fibrylację komór sercowych. Badania te wykazały, że wartości prądu fibrylacyjnego zależą głównie od następujących czynników i okoliczności:

a) drogi przepływu prądu przez ciało,
b) masy ciała,
c) czasu trwania przepływu,
d) rodzaju prądu: przy prądzie stałym – od kierunku jego przepływu, a przy przemiennym – od częstotliwości.

3.1.2. Graniczne wartości prądów rażeniowych przemiennych i stałych

1) Próg odczuwania (percepcji) – jest to minimalna odczuwana przez człowieka wartość prądu:

a) przemiennego 50 Hz: Ip = 0.5 mA,
b) stałego: Ip = 2mA;

2) Próg samouwolnienia – jest to maksymalna wartość prądu, przy której osoba trzymająca elektrodę może samodzielnie uwolnić się spod napięcia:

a) przemiennego 50 Hz: Is = 10 mA,
b) stałego: Is = 30 mA – tylko przy skokowych zmianach kierunku przepływu prądu;

3) Próg fibrylacji – jest to maksymalna wartość prądu, przy której nie wystąpi fibrylacja komór serca:

a) przemiennego 50 Hz: dla t < 0,1s If = 500 mA i dla t >1s If = 30 mA,
b) stałego: dla t < 0,1s If = 500 mA, dla t >1s If = 120 mA.

     Najgroźniejsze drogi rażenia ze względu na możliwość wystąpienia fibrylacji to te, którymi duża część prądu przepływa przez serce. Są to kolejno: lewa ręka – pierś, pierś – prawa ręka, lewa ręka – nogi, prawa ręka – nogi i ręka – ręka. Ustalono, że im mniejsza masa ciała człowieka, tym mniejsze są wartości prądów wywołujących fibrylację komór sercowych.
     Strefy czasowo-prądowe reakcji organizmu przy rażeniu człowieka, na drodze od lewej ręki do obu stóp , prądem przemiennym o częstotliwości 15 – 100 Hz przedstawia rysunek 7.

3.1.3. Strefy czasowo-prądowe oddziaływania prądu przemiennego


Rys. 7.Strefy czasowo-prądowe reakcji organizmu przy rażeniu człowieka,
na drodze od lewej ręki do obu stóp, prądem przemiennym o częstotliwości 15 – 100 Hz

     Reakcje organizmu są następujące:
1) strefa AC-1 – nie występują żadne reakcje patologiczne. Wartość progowa prądu odczuwania, przy której z małym prawdopodobieństwem występuje odczuwanie przepływu prądu przez większość mężczyzn, wynosi 0,5 mA (dla kobiet < 0,3 mA);
2) strefa AC-2 – w miarę wzrostu wartości prądu występuje: mrowienie w palcach, drętwienie, skurcze włókien mięśniowych i uczucie bólu (>3 rnA). Im wyższa wartość prądu rażeniowego i dłuższy czas jego przepływu, tym liczniejsze włókna mięśni dłoni ulegają skurczowi. Przy tężcowym skurczu mięśni dłoni porażony nie jest już zdolny sam rozewrzeć palców.
Wartość progowa prądu samouwolnienia, przy której jest to jeszcze praktycznie możliwe (linia b), wynosi 10 mA. (dla kobiet 6 rnA);
3) strefa AC-3 – występuje nasilenie bólu, wzrost ciśnienia krwi oraz skurcze tężcowe mięśni poprzecznie prążkowanych i skurcze mięśni oddechowych (mięśni płuc – powyżej 20 mA dla mężczyzn i 15 mA dla kobiet), co może wywołać niedotlenienie organizmu, trudności z oddychaniem, zwiększenie ilości dwutlenku węgla we krwi i zakwaszenie tkanek, skutkiem czego może być sinica skóry i błon śluzowych. Zwykle są to odwracalne skutki fizjologiczne – bez uszkodzeń organizmu. Pojawiają się także odwracalne zakłócenia w pracy serca (fibrylacja lub przejściowa blokada). W skrajnych przypadkach mogą występować skurcze naczyń wieńcowych i w rezultacie zawał mięśnia sercowego. Krzywa c1 oznacza graniczne wartości prądów niefibrylacyjnych;
4) strefa AC-4 – obserwuje się te same skutki rażenia, co w strefie AC -3, nasilające się wraz ze wzrostem natężenia prądu i czasu jego przepływu. Prawdopodobieństwo wystąpienia fibrylacji komór sercowych wzrasta do około 5% – krzywa c2, 50% – krzywa c3 i ponad 50% – w obszarze powyżej krzywej c3.
     Wartości prądów odczuwania, samouwolnienia i wywołujących migotanie komór serca zależą od częstotliwości – najmniejsze wartości występują przy częstotliwości około 50 Hz, wzrastają dla niższych i wyższych.
     Przykładowo dla częstotliwości 1000 Hz wartości tych prądów są większe: dla reakcji odczuwania – 1,6 razy, samouwolnienia – 2,1 oraz fibrylacji -14-krotnie.
     W urządzeniach elektronicznych, zarówno powszechnego użytku, jak i przemysłowych, jest wiele obwodów elektrycznych, w których płyną prądy niesinusoidalne także w postaci jednokierunkowych impulsów o różnym kształcie. W przypadku rażenia takim prądem mogą wystąpić skutki jak wyżej omawiane.
     Wartości prądów stałych wywołujące wyżej wymienione skutki są mniejsze niż w przypadku prądów o częstotliwości 50 Hz. Wyraźnie odczuwalne reakcje organizmu następują dopiero wtedy, kiedy obwód przepływu prądu stałego zostanie przerwany (otwarty) i, bezpośrednio po tym, ponownie zamknięty.
     Na rysunku 8. przedstawiono strefy czasowo-prądowe reakcji organizmu człowieka przy porażeniu prądem stałym drogą rażenia: lewa ręka – stopy lub dowolna stopa.

3.1.4. Strefy czasowo-prądowe oddziaływania prądu stałego


Rys. 8. Strefy skutków oddziaływania prądu stałego na ciało człowieka, na drodze lewa ręka – stopy

     Reakcje organizmu są następujące:
1) strefa DC-1:
nie występują żadne, odczuwalne przez zmysły i układ nerwowy reakcje. Długotrwały przepływ prądu stałego, przy braku odczuwania tego przepływu, może być przyczyną ciężkich zatruć organizmu, gdyż na skutek elektrolizy może nastąpić rozkład płynów ustrojowych. Wartość progową prądu odczuwania równą 2 mA (dla kobiet 1,5 mA) wyznaczono dokonując wyłączania i załączania obwodu rażeniowego;
2) strefa DC-2: skutki rażenia takie same, jak w poprzedniej strefie; dodatkowo występuje reakcja odczuwania przy załączeniu i wyłączaniu obwodu rażeniowego. Wartość progowa prądu samouwolnienia wynosi I = 30 mA (dla kobiet 20 mA). Przy tych wartościach prądów rażeniowych samodzielne uwolnienie się od elektrod, mimo bolesnych skurczów mięśni rąk, jeszcze jest możliwe, wzrasta prawdopodobieństwo wystąpienia takich skurczów mięśni rąk, które uniemożliwią samouwolnienie się porażonego. Mogą pojawiać się odwracalne zakłócenia w pracy serca;
3) strefa DC-3: wzrasta prawdopodobieństwo wystąpienia takich skurczów mięśni rąk, które uniemożliwią samouwolnienie się porażonego. Mogą pojawiać się odwracalne zakłócenia w pracy serca;
4) strefa DC-4.1, występują podobne skutki przepływu prądu, jak w strefie DC-3. Oprócz tego wzrasta prawdopodobieństwo wystąpienia fibrylacji komór sercowych (krzywa 02 – 5% i 03 – 50%) oraz utraty przytomności i wystąpienia oparzeń skóry.

     Wartości prądów stałych wywołujących fibrylację komór sercowych są dla długotrwałych rażeń 2- 4-krotnie większe od wartości prądów fibrylacyjnych o częstotliwości 50 Hz.
     Skutki termicznego oddziaływania prądu elektrycznego na skórę człowieka zależą głównie od gęstości prądu i czasu przepływu.
     Przy gęstości prądu od 20 do 50 mA/mm2 po czasie trwania rażenia rzędu kilkudziesięciu sekund tworzą się wokół elektrody pęcherze oparzeniowe.
     Przy większych gęstościach prądu i dłuższym czasie jego przepływu może wystąpić zwęglenie skóry, martwica skóry, mięśni, nerwów, a także naczyń krwionośnych.
     Przy dużych wartościach prądu elektrycznego oparzenia mogą być tak głębokie, że tkanki skóry (a nawet kości) mogą ulec zwęgleniu.

▲ do góry

3.2. Impedancja ciała człowieka

     Ocena zagrożenia porażeniowego na podstawie granicznych (progowych) prądów rażeniowych wywołujących fibrylacje komór serca jest kłopotliwa (trudno jest zwykle wyznaczyć wartość prądu rażeniowego). Dlatego ocenę oparto na dopuszczalnym napięciu, które wywołuje przepływ prądu rażeniowego. Ustalenie tego napięcia wymaga znajomości statystycznej impedancji ciała człowieka, która zależy od napięcia przyłożonego do ciała, częstotliwości prądu, stanu wilgotności skóry, drogi przepływu prądu przez ciało, powierzchni elektrod przylegających do ciała oraz siły ich docisku do ciała człowieka.
     Impedancja naskórka (skóry) w dużym stopniu zależy od stanu fizycznego (gruby, cienki, zdarty, suchy, wilgotny, mokry) i od powierzchni styku z zewnętrznym obwodem elektrycznym. Wartość impedancji naskórka nie jest stała i zależy od:

– wartości napięcia dotykowego,
– wartości natężenia prądu,
– częstotliwości prądu,
– czasu przepływu prądu rażenia,
– temperatury i wilgotności skóry,
– powierzchni styku z przewodnikiem,
– siły docisku przewodnika do naskórka.

     Wartość impedancji naskórka zawiera się w szerokich granicach – od kilkuset do kilkunastu tysięcy omów. Przy małych napięciach dotykowych (od 0 do 150 V) ma ona znaczny wpływ na impedancję ciała. W miarę wzrostu wartości napięcia wpływ ten jest coraz mniejszy, aż do pomijalnie małego przy napięciach większych niż 150 V.
     Zmienność impedancji wypadkowej ZT jest wynikiem zmienności jej części składowych (Rys. 9). W zakresie napięć do ok. 500 V decydujące znaczenie ma impedancja skóry; przy napięciach wyższych jej wpływ staje się pomijalny (zjawisko przebicia), a impedancja wypadkowa przyjmuje wartości impedancji wewnętrznej. Największą impedancję dla przepływu prądu elektrycznego wykazuje wierzchnia warstwa naskórka o grubości 0,05÷0,2 mm.


Rys. 9. Schemat zstępczy impedancji ciała człowieka
Oznaczenia: Zs1, Zs1 -impedancja skóry w miejscu zetknięcia się z elektrodami,
Zw – impedancja wewnętrzna tkanek na drodze przepływu prądu, ZT – impedancja wypadkowa.

     Rezystancja wewnętrzna ciała zależy głównie od drogi przepływu i jest największa przy przepływie prądu na drodze ręka – ręka i ręka – noga (stopa), przy czym jej wartość jest równa około kilkuset omów. Najmniejsza wartość impedancji jest na drodze przepływu prądu ręka – kark.
     Zależność impedancji naskórka od stopnia zawilgocenia skóry czy częstotliwości prądu też jest zmienna, a więc zmienna jest też impedancja ciała. Przy wilgotności względnej otaczającego powietrza powyżej 75% impedancja ciała nie zależy od impedancji naskórka i jest równa praktycznie tylko rezystancji wewnętrznej.

▲ do góry

3.3. Urazy powodowane łukiem elektrycznym

     Łuk elektryczny albo wyładowanie łukowe jest to wyładowanie elektryczne w gazie (np, w powietrzu) o bardzo dużej wartości gęstości prądu (od 10 A/m2 do 100 kA/ m2).
     Łuk elektryczny powoduje jonizację gazu i termoemisję elektronów. Wskutek tego występuje strumień plazmy o bardzo dużej temperaturze (10000 – 20000 K). Powstaje ciśnieniowa fala uderzeniowa, wywołana gwałtownym nagrzaniem się powietrza wzdłuż łuku, której siła uderzeniowa może osiągać wartość kilkudziesięciu kiloniutonów. Podczas łuku elektrycznego wytwarzane jest promieniowanie podczerwone (o długości fali 780 – 4000 nm) i nadfioletowe (200 – 380 nm).
     Łuk elektryczny może wystąpić podczas zwarć w urządzeniach elektrycznych bądź wskutek braku ostrożności lub błędów człowieka, np. podczas przerywania obwodów elektrycznych.

Łuk elektryczny może powodować następujące urazy:

1) uszkodzenia ciała odłamkami zniszczonych urządzeń elektrycznych lub wskutek upadku;
2) oparzenia ciała, których rozległość i głębokość są zależne od gęstości energii cieplnej łuku:

– I stopnia – przy gęstości energii 10 J/cm2,
– II stopnia – 20 J/cm2,
– III stopnia – 40 J/cm2;

3) uszkodzenia siatkówki oka, z powodu wzrostu temperatury płynu soczewkowego;
4) metalizację nieosłoniętych części ciała oraz uszkodzenia rogówki oka, wywołane roztopionymi,
gorącymi cząstkami metali i materiałów izolacyjnych, unoszonymi gorącym strumieniem gazów;
5) uszkodzenia rogówki oka na skutek promieniowania nadfioletowego;
6) ogrzanie płynu soczewkowego oka na skutek promieniowania podczerwonego;
7) rozległe oparzenia, a nawet spalenia kończyn i innych części ciała ludzkiego, często kończące
się śmiercią na skutek rażenia skojarzonego (prąd łuku elektrycznego przepływa przez ciało ludzkie).

     Rażenia skojarzone zdarzają się w stacjach elektroenergetycznych wysokiego napięcia, gdy człowiek zbliży się do urządzenia elektroenergetycznego na odległość, przy której możliwe jest przebicie warstwy izolacyjnej powietrza. Wtedy następuje wyładowanie iskrowe, które inicjuje wystąpienie łuku elektrycznego pomiędzy tym urządzeniem i najbliższą od urządzenia częścią ciała ludzkiego.

▲ do góry

3.4. Elektryczność statyczna

     Elektryczność statyczna jest to zespół zjawisk towarzyszących pojawieniu się niezrównoważonego ładunku elektrycznego na materiałach o małej przewodności elektrycznej (dielektrykach, materiałach izolacyjnych) lub na odizolowanych od ziemi obiektach przewodzących, np. ciele człowieka.
     Ładunki te wytwarzają wokół siebie pole elektrostatyczne o natężeniu tym większym, im większa jest ich wartość.
     Jeżeli obiekt znajduje się w polu elektrostatycznym, to może pojawić się na jego powierzchni niezrównoważony ładunek elektryczny.
     Elektryzowanie (elektryzacja) występuje zwykle w warunkach zetknięcia i następującego po nim rozdzielenia dwóch nienaelektryzowanych ciał, przy czym mogą to być: ciała stałe, ciało stałe i ciecz, ciało stałe i gaz, ciecz i gaz. Warunki takie zachodzą np. przy ślizganiu, toczeniu, uderzaniu, rozdrabnianiu, przepływie, wypływie, mieszaniu ciał.
     Elektryzacja następuje w wyniku tworzenia się na granicy zetknięcia dwóch ciał elektrycznej warstwy podwójnej, składającej się z warstwy ładunków dodatnich i ujemnych. Nośnikami ładunku mogą być elektrony i jony. Na powierzchni granicznej może powstać także warstwa uporządkowanych dipoli.
     Elektryzację w warunkach kontaktowania dwóch ciał stałych wyjaśnia się przemieszczeniem elektronów bądź jonów. Model elektronowy elektryzacji opiera się na teorii pasmowej ciała stałego.      Mechanizm jonowy elektryzacji jest tłumaczony obecnością na powierzchni dielektryka zaadsorbowanej warstewki wody, częściowo zdysocjowanej i zawierającej rozpuszczone zanieczyszczenia.

      Stopień naelektryzowania albo stopień naładowania obiektu charakteryzuje się przez:

– wartość ładunku elektrostatycznego,
– gęstość powierzchniową lub objętościową tego ładunku,
– wartość wytworzonego napięcia elektrostatycznego,
– wartość natężenia pola elektrostatycznego.

     Naelektryzowany obiekt z materiału dielektrycznego podlega rozładowaniu na drodze: upływu skrośnego (w objętości obiektu), upływu powierzchniowego oraz upływu przez powietrze.

3.4.1. Rodzaje zagrożeń elektrycznością statyczną

     Wyróżnia się trzy rodzaje zagrożeń:

1) Niekorzystne oddziaływanie na człowieka (np. pogorszenie samopoczucia i stanu zdrowia, obniżenie sprawności psychofizycznej, słaba wydajność pracy, zmęczenie);
2) Zakłócenia procesów technologicznych (np. błędne wskazania przyrządów pomiarowych, układów elektronicznych, pogorszenie jakości wyrobów, zwiększenie liczby wadliwych wyrobów);
3) Pożarowo-wybuchowe (wyładowanie elektrostatyczne jest jednym z możliwych źródeł zapłonu atmosfery wybuchowej).

     Ad.1. Powstawanie ładunku elektrostatycznego na ludziach
     Ładunki elektrostatyczne mogą powstawać na ludziach drogą kontaktową w czasie chodzenia, zdejmowania odzieży albo wykonywania czynności domowych lub zawodowych.
     Elektryzacja ludzi może również nastąpić przez indukcję. Ciało człowieka może gromadzić ładunki elektryczne, jeśli jest odpowiednio odizolowane od ziemi, np. przez nieprzewodzące obuwie lub podłogę.
     Stopień naelektryzowania w odniesieniu do ludzi określa się zwykle wartością napięcia względem ziemi:

U = Q/C

gdzie:
Q – ładunek elektrostatyczny na ciele człowieka;
C – pojemność człowieka względem ziemi.

     Pojemność ta zależy od odległości między ciałem człowieka a uziemionymi przedmiotami i podłożem. Przy grubości podeszwy buta 5 ÷ 10 mm pojemność C wynosi zwykle od ok. 70 do 250 pF.
     Dla celów obliczeniowych przyjmuje się średnią wartość pojemności człowieka C = 150 pF.
     Maksymalne napięcia elektrostatyczne występujące zwykle na ludziach może osiągać wartość kilkunastu kilowoltów.

1) Oddziaływanie elektryczności statycznej na ludzi:

a) przebywanie pod wpływem pola elektrostatycznego przez dłuższy czas ma ujemny wpływ na stan zdrowia i samopoczucie pracowników;
b) wyładowania elektrostatyczne powstają przy zbliżeniu do uziemionego obiektu; poza niemiłym lub groźnym uczuciem, wyładowania mogą doprowadzić do urazów mechanicznych przy występujących odruchach.

     Wyładowanie zwykle jest słabo odczuwalne lub nieodczuwalne, a przy wyższych poziomach napięcia i energii (do 250 mJ) może spowodować wystąpienie ciężkiego szoku, niebezpieczeństwo inicjacji wybuchu przy wyładowaniu z człowieka w warunkach zagrożenia wybuchowego lub pożarowego.
     Energia związana z naładowaniem elektrostatycznym człowieka wynosi od kilku do kilkudziesięciu mJ. Wartości te znacznie przekraczają minimalne energie zapłonu wielu mieszanin wybuchowych.

2) Ochronę pracowników przed skutkami elektryzowania można osiągnąć przez:

a) zapewnienie podłóg i obuwia o rezystancji elektrycznej upływu Ru ≤ 1 MΩ;:
b) stosowanie odzieży roboczej i ochronnej wykonanych z tkanin zawierających co najmniej 30% włókna naturalnego; jeżeli w miejscach pracy stosowane są substancje o energii zapłonu 0,1 mJ < Wzmin ≤ 100 mJ.

     Ad.2. Zakłócenia procesów technologicznych
     Podczas procesów technologicznych, w których występuje elektryzacja, wytwarzane jest pole elektrostatyczne o natężeniu rzędu 10 ÷ 100 kV/m.
     Izolowane przedmioty metalowe znajdujące się w tym polu oraz same układy technologiczne mogą być źródłem porażeń elektrycznych człowieka, gdy dotknie on tych przedmiotów. Skutki takich porażeń są takie same jak przy rażeniach krótkotrwałymi jednokierunkowymi impulsami prądu stałego.
     Silne pola elektrostatyczne mogą powodować zakłócenia w działaniu aparatury kontrolno-pomiarowej, komputerów oraz we wszelkich urządzeniach elektronicznych zawierających elementy półprzewodnikowe.
     Wyładowania elektryczności statycznej mogą uszkadzać elementy półprzewodnikowe. Wyładowania te może powodować sam człowiek, kiedy jest naelektryzowany i dotyka tych elementów.
     Zagrożenia wywołane elektryzowaniem się ciał stałych w postaci zwartej występują w wielu procesach przemysłowych, np. takich jak: przewijanie, walcowanie, kalandrowanie, powlekanie oraz przy przenoszeniu napędu przez paski klinowe i pasy transmisyjne, toczeniu się kół pojazdów, itp.
     Intensyfikacja elektryzowania ciał rozdrobnionych zwiększa się ze wzrostem prędkości przemieszczania się tych ciał, stopnia ich rozdrobnienia oraz przy zawirowaniach. Wraz ze stopniem rozdrobnienia maleje wartość minimalnej energii zapłonu mieszanin.
     Kryteria oceny zagrożenia pożarowo-wybuchowego w instalacjach transportu pneumatycznego ciał rozdrobnionych są znormalizowane. O zagrożeniu wewnątrz instalacji decyduje wartość natężenia pola elektrostatycznego E w niej wytworzonego.
     Elektryzowanie się cieczy następuje podczas takich operacji, jak: przepływ przez rurociągi, napełnianie i opróżnianie zbiorników – w szczególności połączone z rozbryzgiwaniem, falowanie cieczy w zbiorniku będącym w ruchu, rozpylanie, mieszanie, filtrowanie itp. Natężenie prądu elektryzacji wzrasta ze wzrostem prędkości przepływu, średnicy rurociągu oraz stopnia szorstkości powierzchni wewnętrznej.
     Gazy, pary lub ich mieszaniny elektryzują się tylko wtedy, kiedy znajdują się w nich zanieczyszczenia w postaci cząstek ciał stałych i/lub ciekłych, takie jak: rdza, kropelki wody, skroplony gaz, mgła itp. Elektryzowanie następuje w wyniku kontaktowania się tych cząstek ze sobą, ze ściankami naczynia, przewodu, itp., bądź rozrywania kropelek. Strumień naelektryzowanego gazu może również indukować ładunek na elementach przewodzących.
     W wyniku elektryzowania się gazów możliwe jest zainicjowanie zapłonu, jak również dokuczliwe oddziaływanie wyładowań elektrostatycznych na personel. W praktyce należy liczyć się z elektryzowaniem wszystkich gazów technicznych w warunkach ulatniania się lub wypływu gazu pod ciśnieniem. Ostrożność należy zachować w przypadku wodoru i acetylenu, z uwagi na ich małe minimalne energie zapłonu.
     W przypadkach gdy wskutek naelektryzowania gazu może wystąpić zagrożenie, należy przede wszystkim uziemić wszystkie przewodzące elementy, które mogą znaleźć się na drodze strumienia gazu. W takich warunkach należy unikać stosowania elementów izolacyjnych.
     Według PN-E-05204:1994 – wersja polska. Ochrona przed elektrycznością statyczną–Ochrona obiektów, instalacji i urządzeń – Wymagania:

1) Ochrona obiektów, instalacji i urządzeń przed elektrycznością statyczną w strefach zagrożonych wybuchem wymaga :

a) tworzenia w instalacjach technologicznych układów ekwipotencjalnych przez wprowadzenie wspólnego systemu uziemień ochrony przed elektrycznością statyczną w odniesieniu do elementów metalowych i elementów niemetalowych wykonanych z materiałów o podwyższonej przewodności elektrycznej;
b) metalicznego połączenia i uziemienia elementów metalowych urządzenia technologicznego o pojemności elektrycznej w stosunku do „ziemi” C > 3 pF (strefy zagrożenia wybuchem 0 i 1) oraz elementów wykonanych z materiałów o minimalnej energii zapłonu Wzmin ≤ 0,1 mJ;
c) metalicznego połączenia i uziemienia wszelkich elementów metalowych, tworzących pojemność w stosunku do ziemi C > 10 pF (w strefach zagrożenia wybuchem 2, 20, 21 i 22), w obecności mediów o minimalnej energii zapłonu W zmin > 0,1 mJ;
d) uziemienie przedmiotów / wyrobów niemetalowych, wykonanych z materiałów o odpowiednio zmodyfikowanym składzie i/lub strukturze, w celu zwiększenia ich przewodności elektrycznej (np. wykładziny, okładziny, posadzki, materiały odzieżowe, opakowania), których rezystywność elektryczna powierzchniowa ρp nie przekracza
1010 Ω m i/lub rezystywność elektryczna skrośna ρs nie przekracza 108 Ω·m.
Rezystancja upływu (rezystancja) Ru elementów wykonanych z materiału przewodzącego, nie metalowego, powinna spełniać warunek: Ru ≤ 1 MΩ: Rezystancja całkowitej sieci uziemiającej: Ruz ≤ 100 kΩ.

2) Środki ochrony przed elektrycznością statyczną powinny być stosowane zawsze, jeżeli jest to możliwe i dopuszczalne.

a) Wilgotności powietrza – wpływa na zwiększenie przewodności elektrycznej materiałów i przyspiesza zanik stanu naelektryzowania. Wilgotność powietrza należy utrzymywać możliwie najwyższą tzn. – technicznie osiągalną w danych warunkach i zarazem dopuszczalną przez technologię procesu. Pożądane jest utrzymanie wilgotności względnej powietrza powyżej 60%.
b) Zmniejszanie intensywności procesów i operacji technologicznych; polega na zmniejszaniu prędkości grawitacyjnego lub wymuszonego przemieszczania cieczy, gazów i materiałów stałych, zmniejszaniu ilości przelewanej jednorazowo cieczy lub przesypywanego materiału, spowolnieniu wszelkich wykonywanych czynności, unikaniu rozbryzgiwania cieczy lub pylenia się materiału sypkiego, ograniczeniu powierzchni wzajemnego kontaktu materiałów oraz występującego między nimi tarcia.

3) Środki ochrony przed elektrycznością statyczną, które nie mają z reguły uniwersalnych zastosowań, lecz są przydatne do zapobiegania niebezpiecznym skutkom elektryzacji, w niektórych procesach i urządzeniach technologicznych, np.:

a) dobór materiałów konstrukcyjnych ścian aparatury technologicznej, zmniejszających elektryzację stykających się z nimi mediów ciekłych lub sypkich;
b) ograniczanie gabarytów (pole powierzchni, średnica, grubość) elementów w aparaturze technologicznej, wykonanych z tworzyw nieprzewodzących.
     Powinny być spełnione następujące warunki:

– rezystancja skrośna warstwy materiału izolacyjnego (dielektryka) Riz ≤ 109 Ω,
– wytrzymałość na przebicie warstwy izolacyjnej U ≤ 4 kV (wg PN-EN 60243-1:2013-12),
– grubość warstwy materiału izolacyjnego (ścianki lub powłoki) d ≥ 8 mm.

     Ad.3 Zagrożenie pożarowo-wybuchowe sprowadza się do tego, że wyładowanie elektrostatyczne jest jednym z możliwych źródeł inicjacji zapłonu. Przyjmuje się, że zagrożenie takie występuje, jeśli jest spełniony warunek:

Ww > kWzmin

gdzie:
Ww – energia wyładowania elektrostatycznego;
k – współczynnik bezpieczeństwa;
Wzmin – minimalna energia zapłonu.

3.4.2. Środki ochrony przed elektrycznością statyczną
     Środki ochrony przed elektrycznością statyczną powinny eliminować możliwość elektryzacji obiektów lub, jeżeli to niemożliwe, zapewniać bezpieczne odprowadzanie ładunków elektrycznych.
     Najczęściej stosowane środki ochrony przed elektrycznością statyczną:

1) Uziemianie stosuje się w celu odprowadzania ładunków elektryczności statycznej z metalowych i przewodzących elementów i urządzeń. Uziemienia powinny zapewnić spływ ładunków bez wystąpienia zagrożenia wybuchowego lub pożarowego;
2) Antystatyzacja polega na zmianie właściwości materiałów i substancji w celu zmniejszenia ich elektryzacji i gromadzenia się ładunków. Wprowadzenie do danej substancji odpowiedniej domieszki (tzw. antystatyka) lub naniesienie antystatyka na powierzchnię materiału powoduje zwiększenie skrośnej lub powierzchniowej przewodności elektrycznej;
3) Preparacja antystatyczna objętościowa jest stosowana zwykle do cieczy, ma również zastosowanie do materiałów sypkich oraz tworzyw stałych;
4) Preparacja antystatyczna powierzchniowa jest używana przy produkcji, przetwórstwie i stosowaniu nieprzewodzących materiałów stałych oraz folii, płyt itp. Powszechnie stosowana jest antystatyzacja tkanin i odzieży.
5) Zwiększanie wilgotności powietrza jest skutecznym środkiem ochrony przed gromadzeniem się ładunków elektrostatycznych tylko na tych materiałach, które wykazują właściwości powierzchniowego absorbowania wody.
Dla materiałów niehigroskopijnych, np. większości typowych tworzyw sztucznych, ten środek ochrony jest nieskuteczny. Zwiększenie wilgotności względnej powietrza (co najmniej do 70%) dokonuje się przez nawilżanie pomieszczeń lub stanowisk produkcyjnych (nawilżanie miejscowe);
6) Neutralizatory ładunku służą do eliminacji ładunków elektrostatycznych występujących na powierzchniach płaskich lub walcowych, pasów napędowych itp.- poprzez ich neutralizację zjonizowanym powietrzem.
7) Ekranowanie elektrostatyczne polega na umieszczaniu uziemionej siatki metalowe] na powierzchniach izolacyjnych w celu zmniejszenia natężenia pola elektrycznego na stanowisku pracy;
8) Zmiany procesów technologicznych umożliwiające eliminację zagrożeń to:

a) zmniejszenie szybkości procesów, np. zmniejszenie szybkości przepływu cieczy,
b) zwiększenie pojemności obiektów względem ziemi,
c) korekta procesów w celu pozbycia się źródeł generacji ładunków, np eliminacja rozbryzgiwania cieczy, pylenia materiałów sypkich,
d) prowadzenie procesów w atmosferach obojętnych, np. nie zagrożonych wybuchem,
e) dobór tworzyw na wykładziny, konstrukcje maszyn i urządzeń produkcyjnych w celu zmniejszenia elektryzacji stykających się z nimi obiektów oraz materiałów,
f) wyeliminowanie z procesów źródeł silnych pól elektrostatycznych mogących powodować zakłócenia w działaniu aparatury kontrolno – pomiarowej, komputerów oraz we wszystkich urządzeniach elektronicznych zawierających elementy półprzewodnikowe.

▲ do góry