Oddziaływanie prądu elektrycznego na organizm żywy
Pierwsze odnotowane porażenie śmiertelne wydarzyło się w roku 1879 i dotyczy stolarza z Lyonu, który dotknął przewodu pod napięciem 250 V.
Prąd elektryczny przepływający przez ciało człowieka jest nazywany prądem rażeniowym lub prądem dotykowym (ang. touch current). Skutki przepływu tego prądu zależą od:
rodzaju i częstotliwości prądu;
wartości natężenia prądu i czasu jego przepływu przez organizm;
drogi przepływu prądu;
chwilowego stanu organizmu;
indywidualnych właściwości organizmu.
Prąd (a.c.)
Efekt
1 A
Zatrzymanie akcji serca
75 mA
Wystąpienie migotania komór
30 mA
Zatrzymanie oddychania
10 mA
Skurcz mięśni
0,5 mA
Słabe odczucie prądu
Mimo tego, że o skutkach rażenia decyduje wartość prądu rażeniowego w praktyce do oceny zagrożenia i skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przyjęto posługiwać się wartościami napięć dotykowych.
Rysunek obok pokazuje fizjologiczne efekty pradu w zależności od częstotliwości.
W warunkach normalnych (PN-IEC 60364 "Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych") najwyższe napęcie dotykowe dopuszczalne długotrwale UL wynosi 50 V a.c. lub 120 V d.c. W warunkach zwiększonego zagrożenia porażeniowego UL wynosi 25 V a.c. lub 60 V d.c., a w warunkach zagrożenia szczególnego 12 V a.c. lub 30 V d.c.
Rezystancja całkowita ciała ludzkiego w Ω na drodze dłoń-dłoń lub dłoń lewa-stopa/stopy w środowisku suchym wg IEC Raport 479
Napięcie dotykowe [V]
Prąd przemienny 50 Hz
Prąd stały
Procent populacji
Procent populacji
5%
50%
95%
5%
50%
95%
25
1750
3250
6100
2200
3875
8800
50
1450
2625
4375
1750
2990
5300
75
1250
2200
3500
1510
2470
4000
100
1200
1875
3200
1340
2070
3400
125
1125
1625
2875
1230
1750
3000
220
1000
1350
2125
1000
1350
2125
700
750
1100
1550
750
1100
1550
1000
700
1050
1500
700
1050
1500
Graniczne
650
750
850
650
750
850
Impedancja ciała ludzkiego zależy od wielu czynników, w tym także od przyłożonego napięcia (co pokazuje tablica powyżej), od wilgotności skóry, powierzchni styczności, ciśnienia atmosferycznego i temperatury. Impedancja ta jest określana przy przepływie prądu od ręki lewej do stopy lub od ręki do ręki, przy dużych i suchych powierzchniach styku rzędu od 50 cm2 do 100 cm2 dla osób dorosłych, a także i dla dzieci. Dla napięcia dotykowego 50 V, przy zwilżonym dotyku ręki, wartość impedancji jest od 10% do 25% mniejsza niż przy dotknięciu suchą ręką. Rysunek obok przedstawia graniczne wartości impedancji dla odpowiednio 95%, 50% i 5% całej populacji. Impedancja ciała ludzkiego Zc jest przedstawiona w funkcji napięcia dotykowego UT (ang. touch voltage).
Na rysunku przedstawiono cztery strefy oddziaływania prądu przemiennego przy częstotliwości 15 - 100 Hz. Strefa 1 jest ograniczona wartością prądu 0,5 mA, która jest uważana za próg odczuwalności. Prądy o większej wartości w obrębie strefy 2, wywołują mrowienie i skurcze mięśni. Krzywa łamana z prawej strony tej strefy przedstawia granicę samouwolnienia. Dalszy wzrost prądu zwiększa ryzyko niebezpiecznych dla organizmu zjawisk, ale są one jeszcze odwracalne. Po przekroczeniu ok. 40 mA przy czasie powyżej 2 s i 500 mA przy czasie krótszym, może wystąpić fibrylacja (migotanie komór) serca, powodująca praktycznie zgon osoby porażonej (strefa 4). W tej sytuacji bowiem ratunek jest możliwy tylko w warunkach szpitalnych.
Prąd stały ma generalnie wyższe progi oddziaływania na organizm ludzki. Jego oddziaływanie jest również uzależnione od kierunku przepływu. Ze względu na występowanie migotania komór prąd wzdłużny zstępujący płynący do stóp o niższym ujemnym potencjale ma wartość progową ok. dwa razy większą, niż prąd wstępujący, który występuje przy dodatnim wyższym potencjale stóp i jest bardziej niebezpieczny.
Dla prądu stałego przyjmuje się próg odczuwalności przepływu prądu o wartości ok. 2 mA. Prąd o wartości większej od 300 mA praktycznie uniemożliwia samouwolnienie (ang. let-go current). Dla prądu przemiennego próg ten wynosi ok. 10 mA.
Niebezpieczne są dla człowieka również skutki wyładowań elektrostatycznych. Stopień zagrożenia zależy tutaj od pojemności obiektu naelektryzowanego, wartości napięcia do jakiej został on naładowany i czasu przepływu prądu wyładowania. Energię wyładowania można w tych warunkach określić z zależności (wg norm brytyjskich):
WE=0,5 T Ic2
gdzie: Ic - wartość szczytowa prądu wyładowania impulsowego; T - stała czasowa wyładowania.
Próg odczuwalności wyładowania impulsowego pojemności zależy od kształtu elektrod, nagromadzonego ładunku, rezystancji zestyku i wartości szczytowej prądu. Próg bólu występuje dla wartości WE równej (50 ÷ 100) ·10-6 [A2s]. Próg występowania migotania komór serca zależy od kształtu impulsu prądowego, czasu jego trwania, drogi przepływu prądu przez ciało i momentu cyklu pracy serca. Z rysunku przedstawiającego progi fibrylacji serca przy przepływie prądu impulsowego, wynika, że niebezpieczne może być rozładowanie przez ciało pojemności ok. 200 nF, naładowanej do 10 kV dla rezystancji uziemienia ok. 20 kΩ. T=R·C, po podstawieniu danych: T = 4 ms; Ic=U/R tj. wg danych Ic=0,5A; WE=500·10-6[A2s]. Na rysunku krzywa krzywa ciągła oddziela obszar o praktycznie zerowym prawdopodobieństwie wystąpienia tego zagrożenia. Krzywa przerywana przedstawia granicę 50% prawdopodobieństwa wystąpienia fibrylacji serca. Rysunek obok, przedstawia elektrokardiogram (EKG) - zapis aktywności elektrycznej serca. Jest to metoda rejestracji zmian prądów i różnic potencjałów czynnościowych, wytwarzanych i przewodzonych w mięśniu sercowym podcza jego pracy. Na przykładowym przebiegu zaznaczono pięć charakterystycznych załamków oznaczonych literami od P do T. Załamek P powstaje w momencie depolaryzacji mięśniówki przedsionków.
Odstęp PR przedstawia czas potrzebny na przewiedzienie bodźca elektrycznego z przedsionków do komór serca za pośrednictwem węzła przedsionkowo - komorowego , który działa jako regulator przewodzenia.
Załamek Q odpowiada depolaryzacji przegrody międzykomorowej , która normalnie przebiega od strony lewej do prawej (tzw. przegrodowy załamek Q).
Zespół QRS odpowiada depolaryzacji mięśniówki komór serca, a
załamek T repolaryzacji komór. Na podstawie rozmieszczenia załamków ocenia się m.in. rytm serca, stan układu przewodzącego serca, stan mięśnia sercowego, ukrwienie i stan naczyń wieńcowych. Najniebezpieczniejszym momentem podczas przepływu prądu rażenia, z uwagi na dużą wrażliwość serca, jest czas narastającego zbocza do załamka T (ok. 0,15 s). Jeśli czas przepływu prądu obejmuje ten fragment cyklu pracy serca, to jednocześnie zwiększa się prawdopodobieństwo wystąpienia fibrylacji.
Ine skutki przepływu prądu rażeniowego przez organizm człowieka
Prąd rażenowy powoduje zaburzenia układu nerwowego i wzrost ciśnienia krwi. Przy dużych warościach prądu występują urazy w wyniku działania cieplnego. Mogą to być oparzenia zewnętrzne i wewnętrzne. Temperatura łuku przekracza często 2500°C. Przepływając przez mięśnie prąd powoduje wydzielanie się do krwi barwnika mięśniowego, tzw. miogloiny, która hamuje wydzielanie moczu i powoduje uszkodzenie nerek. Większe ilości miogloiny powodują śmiertelne zatrucie nawet po kilku dniach od porażenia.
Literatura
Zbigniew Ciok: Ochrona środowiska w elektroenergetyce, PWN Warszawa 2001
Henryk Markiewicz: Bezpieczeństwo w elektroenergetyce, WNT Warszawa 2002
Witold Jabłoński: Ochrona przeciwporażeniowa w urządzeniach elektroenergetycznych niskiego i wysokiego napięcia, WNT Warszawa 2005
Jan Strojny: Bezpieczeństwo użytkowania urządzeń elektrycznych, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, AGH Kraków 2003
Jan Strojny, Jan Strzałka: Elektroenergetyka, Wydawnictwo EUROPEX, Kraków 2003
Henryk Markiewicz: Zagrożenia i ochrona od porażeń w instalacjach elektrycznych, WNT Warszawa 2000
Stefan Niestępski, Mirosław Parol, Janusz Pasternakiewicz, Tadeusz Wiśniewski: Instalacje elektryczne. Budowa, projektowanie i eksploatacja, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2001
Impedancja ciała ludzkiego zależy od wielu czynników, w tym także od przyłożonego napięcia (co pokazuje tablica powyżej), od wilgotności skóry, powierzchni styczności, ciśnienia atmosferycznego i temperatury. Impedancja ta jest określana przy przepływie prądu od ręki lewej do stopy lub od ręki do ręki, przy dużych i suchych powierzchniach styku rzędu od 50 cm2 do 100 cm2 dla osób dorosłych, a także i dla dzieci.
częstotliwości 15 - 100 Hz. Strefa 1 jest ograniczona wartością prądu 0,5 mA, która jest uważana za próg odczuwalności. Prądy o większej wartości w obrębie strefy 2, wywołują mrowienie i skurcze mięśni. Krzywa łamana z prawej strony tej strefy przedstawia granicę samouwolnienia. Dalszy wzrost prądu zwiększa ryzyko niebezpiecznych dla organizmu zjawisk, ale są one jeszcze odwracalne. Po przekroczeniu ok. 40 mA przy czasie powyżej 2 s i 500 mA przy czasie krótszym, może wystąpić fibrylacja (migotanie komór) serca, powodująca praktycznie zgon osoby porażonej (strefa 4). W tej sytuacji bowiem ratunek jest możliwy tylko w warunkach szpitalnych.
Ze względu na występowanie migotania komór prąd wzdłużny zstępujący płynący do stóp o niższym ujemnym potencjale ma wartość progową ok. dwa razy większą, niż prąd wstępujący, który występuje przy dodatnim wyższym potencjale stóp i jest bardziej niebezpieczny.
Próg występowania migotania komór serca zależy od kształtu impulsu prądowego, czasu jego trwania, drogi przepływu prądu przez ciało i momentu cyklu pracy serca. Z rysunku przedstawiającego progi fibrylacji serca przy przepływie prądu impulsowego, wynika, że niebezpieczne może być rozładowanie przez ciało pojemności ok. 200 nF, naładowanej do 10 kV dla rezystancji uziemienia ok. 20 kΩ.
Rysunek obok, przedstawia elektrokardiogram (EKG) - zapis aktywności elektrycznej serca. Jest to metoda rejestracji zmian prądów i różnic potencjałów czynnościowych, wytwarzanych i przewodzonych w mięśniu sercowym podcza jego pracy. Na przykładowym przebiegu zaznaczono pięć charakterystycznych załamków oznaczonych literami od P do T. Załamek P powstaje w momencie depolaryzacji mięśniówki przedsionków.