Czynniki wpływające na porażenie elektryczne

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 tej Komisji opublikowane zostały uzgodnione 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 elektroenergetycznymi 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:
          a) 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:
               - uszkodzenia mechaniczne ciała w wyniku upadku z wysokości lub upuszczenia trzymanego przedmiotu,
               - oparzenia ciała wskutek pożarów wywołanych zwarciem elektrycznym,
               - groźne dla życia oparzenia ciała łukiem elektrycznym,
               - uszkodzenia wzroku wskutek dużej jaskrawości łuku elektrycznego;

          b) 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.

      2.2. 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 nie należącymi do obwodu elektrycznego, których może dotknąć człowiek (Rys. 4).
      Pod wpływem napięcia dotykowego popłynie prąd rażeniowy IB na drodze ręka - stopy, równy:


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:
      - obuwie na spodach gumowych - 200 x 106 Ω,
      - obuwie na spodach skórzanych - 0,8 x 106 Ω,
      - obuwie tekstylne - 0,1 x 106 Ω,
      - obuwie tekstylne wilgotne - 25 Ω.

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

      W ogólnym przypadku UdUE, więc α ≤ 1.

      2.1.1. Rażenie napięciem dotykowym UT - nazywa się 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.

      2.1.2. 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

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

      2.1.4. 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.

      2.2. Porażenie elektryczne w organizmie człowieka może objawiać się:
      - odczuwaniem przepływu prądu, uczuciem bólu, lekkimi kurczami mięśni,
      - silnymi kurczami mięśni dłoni, uniemożliwiającymi samouwolnienie się porażonego,
      - zatrzymaniem oddechu, zaburzeniami krążenia krwi,
      - zaburzeniami wzroku, słuchu i zmysłu równowagi,
      - utratą przytomności,
      - migotaniem komór sercowych - bardzo groźnym dla życia człowieka,
      - 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.
         Przy przepływie prądu na drodze:
          - ręka-ręka - przez serce przepływa 3,3% ogólnego prądu rażenia,
          - lewa ręka-nogi - przez serce przepływa 3,7% ogólnego prądu rażenia,
          - prawa ręka-nogi - przez serce przepływ 6,7% ogólnego prądu rażenia,
          - noga-noga - przez serce przepływa 0,4% ogólnego prądu rażenia.
          Prawie dwukrotnie większy prąd przepływający przez serce na drodze prawa ręka - noga wynika z tego, że oś
          podłużna serca leży właśnie na tej drodze;
      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.

          Przy doborze i wymiarowaniu ochrony od porażeń elektrycznych zwykle uwzględnia się następujące skutki:
          - odczuwanie przepływu prądu,
          - skurcze mięśni rąk uniemożliwiające samouwolnienie się rażonego,
          - skurcze mięśni piersi powodujące zatrzymanie oddychania,
          - migotanie komór sercowych - najważniejsze kryterium,
          - oparzenia łukiem elektrycznym (w szczególności przy wyższych napięciach).

▲ do góry

      3.1. Kryteria bezpieczeństwa organizmu ludzkiego 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:
      - drogi przepływu prądu przez ciało,
      - masy ciała,
      - czasu trwania przepływu,
      - rodzaju prądu: przy prądzie stałym
      - od kierunku jego przepływu, a przy przemiennym,
      - od częstotliwości.

      3.1.2. Graniczne wartości prądów rażeniowych przemiennych i stałych
      a) Próg odczuwania (percepcji) Ip jest to minimalna odczuwana przez człowieka wartość prądu:
         - przemiennego 50 Hz: Ip = 0.5 mA,
         - stałego: Ip = 2mA.

      b) Próg samouwolnienia Is - jest to maksymalna wartość prądu, przy której osoba trzymająca elektrodę może
          samodzielnie uwolnić się spod napięcia:
        - przemiennego 50 Hz: Is = 10 mA,
        - stałego: Is = 30 mA – tylko przy skokowych zmianach;

      c) Próg fibrylacji If - jest to maksymalna wartość prądu, przy której nie wystąpi fibrylacja komór serca:
          - przemiennego 50 Hz: dla t < 0,1s If = 500 mA i dla t >1s If = 30 mA,
          - 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.
      Wpływ czasu trwania rażenia (droga rażenia lewa ręka - stopy lub dowolna stopa) na wartość prądu fibrylacyjnego o częstotliwości około 50-100 Hz, a także na wartości prądów przemiennych wywołujących inne skutki, przedstawiono na rysunku 7.
      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 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 ludzkie, 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.
      Impedancja ciała człowieka 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 naskórka (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.

      1) Przewodnictwo elektryczne żywych tkanek ciała człowieka ma głównie charakter jonowy oraz, w mniejszym stopniu, elektronowy. Poszczególne tkanki ciała różnią się znacznie zdolnością przewodzenia prądu elektrycznego. Płyn wewnątrzkomórkowy jest dobrym przewodnikiem, ponieważ jego skład chemiczny jest podobny do składu chemicznego  wody morskiej.
      Zasadniczy wpływ na impedancję ciała ludzkiego ma skóra człowieka. Składa się ona z dwóch głównych warstw: naskórka i skóry właściwej. Naskórek w stanie suchym charakteryzuje się bardzo dużą rezystywnością.
      Zrogowaciała część tego naskórka ma z kolei właściwości dielektryka (tworzy się więc na niej kondensator). Przez naskórek przechodzą gruczoły potowe, które z kolei charakteryzują się dobrym przewodnictwem.
      Opór elektryczny tkanki żywej, szczególnie skóry, maleje wskutek podrażnienia systemu nerwowego, także pod wpływem przepływu prądu rażeniowego.

     2) Wartość rezystancji przejścia prądu elektrycznego przez skórę zależy od bardzo wielu czynników. Do najistotniejszych należą: wartość napięcia rażeniowego i czas jego trwania, powierzchnia, kształt i siła nacisku elektrody oraz miejsce jej przyłożenia na ciele człowieka, a także stan zawilgocenia, zabrudzenia i uszkodzenia naskórka. Przy małych wartościach napięcia rażeniowego (do około 50 V) i suchym naskórku osiąga ona znaczne wartości - od kilku kiloomów dla powierzchni elektrody S = 82 cm2 do około stu kiloomów przy S = 1 cm2. Wartość tej rezystancji praktycznie staje się nieznacząca przy napięciu rażeniowym rzędu 1000 V (Rys.10) , niezależnie od wielkości powierzchni elektrody. Jeśli naskórek jest uszkodzony lub mokry, to wartość rezystancji przejścia przez skórę jest też bardzo mała, niezależnie od tego, czy występują lub nie inne czynniki wpływające na jej wartość.


Rys 10. Statyczne wartości wypadkowej impedancji ciała człowieka ZT
w zależności od napięcia rażeniowego Ur.

(dla drogi przepływu ręka - ręka, dla stanu suchego naskórka i przy dużej
powierzchni styczności elektrod z ciałem człowieka, tj. ok. 50 - 100 cm2)

      3) Wartość rezystancji wewnętrznej ciała człowieka jest dla określonego osobnika stabilna i zależy tylko od długości drogi przepływ prądu oraz przekrojów poprzecznych poszczególnych odcinków tej drogi. Opór elektryczny wewnętrznych tkanek ludzkich zawiera również nieznaczną składową pojemnościową.
      W technice ochrony przeciwporażeniowej rozpatruje się zazwyczaj impedancję ciała człowieka dla kilku najpowszechniej występujących dróg rażenia (ręka - ręka, ręka - nogi, ręce - nogi, ręka - noga, noga - noga) oraz trzech stanów naskórka (suchego, wilgotnego i mokrego).
      Wartość impedancji ciała człowieka ma charakter losowy (inna dla różnych ludzi). Na rysunku 10. przedstawiono zależność wybranych kwantyli tej impedancji od napięcia rażeniowego dla określonych warunków rażeniowych (suchy naskórek, droga rażenia ręka - ręka lub stopa - stopa, powierzchnia styku każdej z elektrod 80 cm2, 50 Hz).
      Często w praktyce przyjmuje się, że wartość impedancji ciała człowieka w normalnych warunkach środowiskowych (suchy naskórek) dla napięcia przemiennego o wartości 230 V i częstotliwości 50 Hz jest równa 1000 Ω. Zakładając, że wartość tej impedancji składa się tylko z impedancji kończyn, każdej równej 500 Ω, można łatwo obliczyć orientacyjne wartości impedancji dla różnych dróg rażenia. Są one w przybliżeniu równe: 1000 Ω dla dróg rażenia ręka - ręka i ręka - noga; 750 Ω dla ręka - obie nogi; 500 Ω obie ręce - obie nogi oraz 250 Ω obie ręce - plecy lub pierś.

      Bezpośrednie skutki rażenia ludzi i zwierząt hodowlanych zależą przede wszystkim od wartości prądu rażeniowego i czasu jego przepływu, a nie od wartości napięcia znamionowego urządzeń, przy których do rażenia dochodzi.
     4) W urządzeniach wysokiego napięcia obowiązują nieco inne zasady dotyczące stosowania i wymiarowania ochrony przeciwporażeniowej. Zgodnie z PN-EN 50522:20011 Uziemienie instalacji elektroenergetycznych prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV, wprowadzono następujące zmiany:
      - skorygowano dotychczasowe wartości impedancji ciała na drodze ręka - ręka przy suchej skórze (kwantyl 50%),
        w zależności od napięcia dotykowego rażeniowego (Tablica 1),
      - podano sposób obliczania największej dopuszczalnej wartości napięcia dotykowego rażenowego UTp w zalezności
        od czasu rażenia TF,
      - największe dopuszczalne wartości napięcia dotykowego rażeniowego UTp zostały określone już od czasu 10 ms (Tablica 2).

Tablica 1. Impedancja ciała na drodze ręka - ręka przy suchej skórze
(kwantyl 50%), w zależności od napięcia dotykowego rażeniowego

      Każda wynikowa wartość UTp jest średnią ważoną dla czterech przypadków drogi przepływu prądu rażeniowego: lewa ręka - obie stopy, prawa ręka - obie stopy, obie ręce - obie stopy oraz ręka - ręka. Wyniki tych obliczeń (zgodnie z 50522:11) przedstawiono na rysunku 11 i tablicy 2.


Rys. 11. Największe dopuszczalne napięcie dotykowe rażeniowe UTp
w zależności od czasu przepływu prądu rażeniowego tF

      Zgodnie z normą PN-EM 50522:2011 największe dopuszczalne wartości napięcia dotykowego rażeniowego UTp  w zależności od czasu rażenia tp przedstawiono w tablicy 2.

Tablica 2. Zestawienie największych dopuszczalnych napięć dotykowych
rażeniowych (UTp) w zależności od czasu rażenia (tp)

▲ 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.

      3.3.1. Łuk elektryczny powoduje urazy wskutek:
                - działania fali uderzeniowej,
                - oddziaływania termicznego i termiczno-mechanicznego,
                - promieniowania nadfioletowego i podczerwonego,
                - wystąpienia tzw. rażenia skojarzonego.

      3.3.2. 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

Menu serwisu