Ochrona przeciwporażeniowa

1.1 Zagrożenia towarzyszące występowaniu elektryczności statycznej i energii elektrycznej

Powszechne stosowanie urządzeń zasilanych energią elektryczną niesie ze sobą rożnego rodzaju zagrożenia zarówno dla

człowieka jak i jego środowiska, np.:

·         szkodliwe oddziaływanie elektryczności statycznej na człowieka i procesy technologiczne

·         porażenia oraz oparzenia prądem i łukiem elektrycznym

·         zagrożenia pożarowe i wybuchowe

·         szkodliwe oddziaływania silnych pól elektrycznych i elektromagnetycznych

·         organizacyjne i techniczne metody zapobiegania zagrożeniom.

Zagrożeń tych nie zawsze można uniknąć, ale można i trzeba zmniejszać zarówno ryzyko ich występowania, jak i skutki

wypadków elektrycznych. Przyczyną ok. 70% wypadków elektrycznych jest niewłaściwe postępowanie człowieka, wynikające

najczęściej z braku umiejętności lub lekkomyślności. W celu eliminacji zagrożeń i ograniczenia skutków wypadków stosuje

się organizacyjne i  techniczne środki zapobiegawcze.

1.2 Organizacyjne środki zapobiegawcze to:

1.3 Techniczne środki zapobiegawcze można podzielić na:

1) środki dotyczące budowy urządzeń i instalacji elektrycznych,

2) środki ochrony przeciwporażeniowej:
  a) równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i przy dotyku pośrednim,
  b) ochrona przed dotykiem bezpośrednim,
  c) ochrona przy dotyku pośrednim.

3) sprzęt ochronny izolacyjny i narzędzia izolowane, użytkowane przez elektryków obsługujących urządzenia elektryczne.

Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach elektrycznych do 1 kV to przede wszystkim ochrona przed:
- porażeniem prądem elektrycznym,
- prądami przeciążeniowymi i zwarciowymi,
- przepięciami łączeniowymi i pochodzącymi od wyładowań atmosferycznych
- skutkami cieplnymi.

      Miarą skuteczności stosowanych ochron przeciwporażeniowych jest liczba śmiertelnych wypadków porażeń prądem elektrycznym

oraz liczba pożarów, będących następstwem wad lub nieprawidłowej eksploatacji instalacji elektrycznych.

      Zasadniczy wpływ na dużą liczbę śmiertelnych porażeń prądem elektrycznym oraz pożarów w Polsce ma na ogół zły stan techniczny instalacji elektrycznych w obiektach budowlanych, w szczególności w obiektach mieszkalnych oraz w gospodarstwach rolniczych

i ogrodniczych, a także stosowanie w instalacjach elektrycznych niedoskonałych i niewystarczających środków ochrony.

      Zagrożeniem dla odbiorców użytkujących stare (ponad 30-letnie) instalacje elektryczne wykonane przewodami z aluminium, materiału o słabych właściwościach fizykochemicznych: niskiej temperaturze topnienia, dużej łamliwości

i skłonnościach do pokrywania się tlenkiem powodującym, że połączenia wykonane przewodami aluminiowymi mają z upływem czasu coraz większy opór, przegrzewają się zwiększając straty. Te właściwości aluminiowych przewodów są najczęstszą przyczyną awarii instalacji: łamania, kruszenia i upalania się końcówek przewodów, a co się z tym wiąże - uciążliwych przerw w zasilaniu odbiorników. 

      I chociaż od ponad 15 -tu lat, w nowo budowanych lub modernizowanych obiektach budowlanych w Polsce, instalacje elektryczne wykonuje  się przewodami (do 10 mm²) wyłącznie z miedzi, a więc materiału posiadającego wysoką temperaturę topnienia i minimalną oporność, dobre własności mechaniczne i dużą trwałość, to problem instalacji elektrycznych wykonanych z aluminium, nadal jest poważny. Pomimo potencjalnych zagrożeń życia i zdrowia człowieka, nadal użytkowanych jest w kraju około 80 % starych niebezpiecznych instalacji.

1.5 Poprawę stanu bezpieczeństwa w instalacjach elektrycznych należy upatrywać:

- w poprawie jakości produkowanych i użytkowanych urządzeń elektrycznych,

- w sferze norm i przepisów elektrycznych dla nowo budowanych, przebudowywanych i modernizowanych instalacji

  elektrycznych,

- w coraz powszechniejszym stosowaniu w odbiorczych instalacjach elektrycznych, wysokoczułych wyłączników

  różnicowoprądowych,

- w ogólnej poprawie kultury technicznej i coraz większej znajomości zagrożeń związanych z niewłaściwym wykonaniem

  i  użytkowaniem urządzeń i instalacji elektrycznych,

- w odpowiedzialności właścicieli i zarządców obiektów budowlanych za właściwe ich utrzymanie i użytkowanie zgodnie z  zasadami, o których mowa w art. 5 ust.2 oraz art. 62 ust. 1-6 ustawy z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane.

Przepisy ochrony przeciwporażeniowej, zawarte w normie PN-HD 60364-4-41:2007 Instalacje elektryczne niskiego napięcia - Część 4.41. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa - Ochrona przeciwporażeniowa, są przede wszystkim odzwierciedleniem rozpoznania skutków przepływu prądu elektrycznego przez ciało ludzkie oraz dostępnych środków ochrony.

1.6 Zagrożenia od elektryczności statycznej

      Początki nauki o elektryczności sięgają starożytności. Dwadzieścia pięć wieków temu grecki filozof i matematyk Tales

z Miletu (620-540 p.n.e.) spostrzegł, że potarty suknem bursztyn przyciąga drobne, lekkie ciała jak cząsteczki drewniane,

wiórki, słomki, puch itp..

     Nazwa elektryczność pochodzi od greckiego słowa "elektron", a elektron po grecku oznacza bursztyn. Naelektryzowanie przedmiotu może nastąpić przez: potarcie, dotknięcie przez inny naelektryzowany przedmiot, indukcję elektryczną (zbliżenie naładowanego przedmiotu).

     Beniamin Franklin (1706-1790) stwierdził, że są dwa rodzaje ładunków elektrycznych: ładunki gromadzące się na

potartym szkle nazwał dodatnimi, zaś na potartym ebonicie – ujemnymi. Ładunki elektryczne oddziałują na siebie, przy czym

ładunki jednoimienne odpychają się, a ładunki różnoimienne – przyciągają z siłą F.  Zgodnie z prawem Coulomba:

1.7 Elektryzowanie obiektów i wyładowania elektrostatyczne

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) jest to wytwarzanie w danym ciele nadmiaru ładunków elektrycznych jednego znaku, które

następuje zwykle w warunkach zetknięcia ciał lub ich zbliżenia.

Elektryzowanie obiektów występuje zwykle w warunkach zetknięcia i następującego po nim rozdzielenia dwóch nie naelektryzowanych ciał, przy czym mogą to być: ciało 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 taka następuje w wyniku tworzenia się na granicy zetknięcia dwóch ciał elektrycznej warstwy podwójnej,

składające] się z warstwy ładunków dodatnich i ujemnych. Nośnikami ładunku mogą być elektrony i jony.

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 zaabsorbowanej warstewki wody, częściowo dysocjowanej 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

Rozładowanie elektrostatyczne obiektów

Naelektryzowany obiekt z materiału dielektrycznego podlega rozładowaniu na drodze: upływu skrośnego (w objętości obiektu),

upływu powierzchniowego oraz upływu przez powietrze.

Przy dużych wartościach natężenia pola elektrycznego występują wyładowania elektrostatyczne:

·         niezupełne –  ulotowe lub snopiaste,

·         zupełne – iskrowe.

Wyróżnia się następujące wyładowania elektrostatyczne;

Wyładowania międzyelektrodowe występują najczęściej pomiędzy odizolowanym a uziemionym elementem metalowym.

Wyładowania elektroda - dielektryk są to wyładowania inicjowane pomiędzy naelektryzowanym obiektem z materiału

dielektrycznego a zbliżoną do niego uziemioną elektrodą.

Wyładowania bezelektrodowe występują pomiędzy dwoma obiektami z materiałów dielektrycznych w warunkach ich

rozdzielania, przy rozdrabnianiu itp. Wyładowania tego rodzaju powstają np. podczas: odwijania folii z bębna, ślizgania taśm przenośników po wałkach z materiałów dielektrycznych, strzepywania filtrów workowych itp.

Wyładowania piorunopodobne są to wyładowania iskrowe, charakteryzujące się znaczną długością kanału iskrowego,

inicjowane przez duże chmury naelektryzowanego pyłu.

Energia wyładowań elektrostatycznych z odizolowanych od ziemi materiałów lub obiektów przewodzących jest praktycznie

równa energii naładowania, natomiast energia wyładowania z powierzchni materiału nieprzewodzącego stanowi tylko część

energii naładowania.

1.8 Rodzaje zagrożeń elektrycznością statyczną

Zagrożenia elektrycznością statyczną są spowodowane bezpośrednim oddziaływaniem pola elektrycznego wytwarzanego przez naelektryzowane obiekty lub oddziaływaniem  wyładowań elektrostatycznych.

Wyróżnia się trzy rodzaje zagrożeń:

·         niekorzystne oddziaływanie na człowieka

·         zakłócenia procesów technologicznych

·         pożarowo – wybuchowe

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 tych 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 naładowany

i dotyka tych elementów.

Ładunki elektrostatyczne mogą powstawać na ludziach drogą kontaktową w czasie chodzenia, zdejmowania odzieży albo wykonywania czynności domowych lub zawodowych.

Ciało człowieka może gromadzić ładunki elektryczne, jeśli jest odpowiednio odizolowane od ziemi, np. przez nieprzewodzące

obuwie lub podłogę. Elektryzacja ludzi może również nastąpić przez indukcję

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 średnia wartość

pojemności człowieka C = 150 pF. Maksymalne napięcia elektrostatyczne występujące  zwykle na ludziach może osiągać

wartość kilkunastu kV.

Oddziaływanie elektryczności statycznej na ludzi jest następujące:

·         przebywanie pod wpływem pola elektrostatycznego przez dłuższy czas ma ujemny wpływ na stan zdrowia i samopoczucie

      ludzi,

·         wyładowania elektrostatyczne powstają przy zbliżeniu do uziemionego  obiektu; poza niemiłym lub groźnym uczuciem,

      wyładowania mogą prowadzić do urazów mechanicznych przy występujących odruchach. Wyładowanie zwykłe jest słabo odczuwalne lub nieodczuwalne, a przy wyższych poziomach napięcia i  energii (o energii ok. 250 mJ) może spowodować wystąpienie ciężkiego szoku, niebezpieczeństwo inicjacji wybuchu przy wyładowaniu z człowieka w warunkach zagrożenia wybuchowego lub pożarowego.

1.9 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 do odprowadzania ładunków elektryczności statycznej metalowych i przewodzących części obiektu

lub  urządzeń.

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 (wykładziny antyelektrostatyczne) powoduje zwiększenie skrośnej lub powierzchniowej przewodności elektrycznej.

Przykłady antystatyzacji:

·         Preparacja antystatyczna objętościowa jest stosowana zwykle do cieczy, ma również zastosowanie do materiałów

      sypkich oraz tworzyw stałych,

·         preparację antystatyczną powierzchniową, stosuje się przy produkcji i stosowaniu nieprzewodzacych materiałów

      stałych oraz folii, płyt, itp.,

·         antystatyzację trwałą tkanin uzyskuje się przez odpowiedni dobór struktury włókien mieszanin tworzyw sztucznych

      z bawełną lub lnem. Antystatyzację okresową otrzymuje się przez preparację powierzchniową włókien w procesie produkcji.

      Po kilkunastu praniach (co najmniej 10) właściwości antystatyczne okresowe zanikają i tkaniny podlegają znowu elektryzacji. Powszechna jest również antystatyzacja doraźna, uzyskiwana przez płukanie tkanin i odzieży.

3) Zwiększanie wilgotności powietrza - jest skutecznym środkiem ochrony przed gromadzeniem się ładunków

elektrostatycznych tylko na tych materiałach, które wykazują właściwości powierzchniowego adsorbowania wody.

Dla materiałów niehigroskopijnych, np. większości typowych tworzyw sztucznych, ten środek ochrony jest nieskuteczny.

Zwiększenie wilgotności względnej powietrza (co najmniej do 70%) dokonuje się poprzez nawilżanie pomieszczeń lub stanowisk produkcyjnych (nawilżanie miejscowe).

4) Neutralizatory ładunku służą do eliminacji ładunków elektrostatycznych występujących na powierzchniach płaskich lub

walcowych, pasów napędowych itp. poprzez ich neutralizację zjonizowanym powietrzem.

5) Ekranowanie elektrostatyczne polega na umieszczaniu uziemionej siatki metalowe] na powierzchniach izolacyjnych w celu zmniejszenia natężenia pola elektrycznego na stanowisku pracy,

6) Zmiany procesów technologicznych umożliwiające eliminację zagrożeń to:

·         zmniejszenie szybkości procesów, np. zmniejszenie szybkości przepływu cieczy,

·         zwiększenie pojemności obiektów względem ziemi,

·         korekta procesów w celu pozbycia się źródeł generacji ładunków, np eliminacja rozbryzgiwania cieczy, pylenia materiałów

      sypkich,

·         prowadzenie procesów w atmosferach obojętnych, np. nie zagrożonych wybuchem,

·         dobór tworzyw na wykładziny, konstrukcje maszyn i urządzeń produkcyjnych w celu zmniejszenia elektryzacji stykających

      się z nimi obiektów oraz materiałów.

Zakłócenia procesów technologicznych

·         Silne pola elektrostatyczne mogą powodować zakłócenia w działaniu aparatury kontrolno – pomiarowej, komputerów oraz

      we wszystkich urządzeniach elektronicznych zawierających elementy półprzewodnikowe.

·         Wyładowania elektryczności statycznej mogą uszkodzić elementy półprzewodnikowe.

·         Wyładowania te może spowodować sam człowiek, kiedy jest naładowany i dotyka tych elementów.

Środki ochrony:

·         prowadzenie procesów w atmosferach obojętnych, np. nie zagrożonych wybuchem,

·         dobór tworzyw na wykładziny, konstrukcje maszyn i urządzeń produkcyjnych w celu zmniejszenia elektryzacji stykających

      się z nimi obiektów oraz materiałów.

Zagrożenie pożarowo-wybuchowe sprowadza się do tego, że wyładowanie elektrostatyczne jest jednym z możliwych źródeł 

inicjacji zapłonu. Przyjmuje się, że zagrożenie występuje, jeśli jest spełniony warunek:

 W_w > kW_zmin

gdzie:

        W_w – energia wyładowania elektrostatycznego;

         k  - współczynnik bezpieczeństwa

        W_zmin – minimalna energia zapłonu

2. Czynniki wpływające na stopień porażenia

W ostatnich 30 latach nastąpił znaczny postęp w rozpoznaniu skutków rażenia człowieka prądem. Prowadzone w tym

zakresie badania na ludziach i zwierzętach były przedmiotem szczegółowych analiz oraz raportów Międzynarodowej Komisji

Elektrotechnicznej (IEC). W kolejnych wydaniach raportu 479 Komisji IEC opublikowane zostały uzgodnione poglądy,

dotyczące reakcji organizmu człowieka na przepływ prądu przemiennego i stałego.

2.1 Oddziaływanie prądu na organizm ludzki może być pośrednie lub bezpośrednie:

Działanie pośrednie - to działanie bez przepływu prądu przez ciało człowieka, powoduje takie urazy, jak:

- oparzenia ciała wskutek pożarów wywołanych zwarciem elektrycznym,

     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. 1. Fibrylacja komór sercowych

     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.

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.

W poszczególnych strefach czasowo-prądowych reakcje organizmu są  następujące:

Strefy czasowo-prądowe oddziaływania prądu przemiennego

             Rys. 2a. Strefy skutków oddziaływania prądu przemiennego o częstotliwości 50/60 Hz
                na ciało ludzkie, na drodze lewa ręka - stopy

   Na rys.2a przedstawiono strefy czasowo-prądowe reakcji organizmu człowieka przy porażeniu prądem przemiennym drogą rażenia: lewa ręka - stopy lub dowolna stopa. Reakcje organizmu są następujące:

·       strefa AC-1: nie występują żadne reakcje patologiczne. Wartość progowa prądu odczuwania, przy której z małym prawdopodobieństwem występuje odczuwanie przepływu prądu przez większość mężczyzn, wyrosi

      0,5 mA (prosta a, dla kobiet  wartość ta wynosi 0,3 rnA);

·         strefa AC-2: w miarę wzrostu wartości prądu występuje: mrowienie w palcach drętwienie, skurcze włókien mięśniowych

      i uczucie bólu (l > 3 rnA). Im wyższa wartość prądu rażeniowego i dłuższy czas jego przepływu, tym liczniejsze włókna  mięśni dłoni ulegają skurczowi. Przy tężcowym skurczu mięsni dłoni porażony nie jest już zdolny sam rozewrzeć palców. Wartość progowa prądu samouwolnienia, przy której jest tu jeszcze praktycznie możliwe, wynosi 10 mA. (dla kobiet 6 rnA);

·         strefa AC-3: występuje nasilenie bólu, , wzrost ciśnienia krwi  oraz skurcze tężcowe mięsni poprzecznie prążkowanych i skurcze mięśni oddechowych (mięśni płuc – powyżej 20 mA, dla kobiet – 15 mA), 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. Pojawiała 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;

·         streta AC -4: obserwuie 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 c_3.

     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.

                                    Strefy czasowo-prądowe oddziaływania prądu stałego