Rażenie człowieka prądem stałym
Rys. 1. Zależność rezystancji ciała człowieka od napięcia rażeniowego (przebiegi zmian odpowiadają kwantylom 5%, 50%, 95% prawdopodobieństwa wystąpienia wartości niższych)
W XX wieku pojawiły się pierwsze udokumentowane śmiertelne wypadki porażeń prądem elektrycznym w przemyśle. Początkowo uważano, że przyczyną śmierci porażonych jest uduszenie spowodowane zaprzestaniem oddychania.
Zobacz także
dr inż. Andrzej Książkiewicz - Astat Sp. z o.o. Wykorzystanie stacjonarnych analizatorów jakości energii PQI-DA Smart do raportowania stanu sieci elektroenergetycznej
Zapewnienie właściwej jakości energii elektrycznej, w tym brak przerw w dostawie energii oraz opłat za ponadumowny pobór energii elektrycznej, należą do zadań służb energetycznych w zakładzie przemysłowym....
Zapewnienie właściwej jakości energii elektrycznej, w tym brak przerw w dostawie energii oraz opłat za ponadumowny pobór energii elektrycznej, należą do zadań służb energetycznych w zakładzie przemysłowym. Aby móc wypełnić wskazane zadania, niezbędne są rzetelne dane o parametrach jakości energii elektrycznej. W tym celu można stosować stacjonarne analizatory jakości energii elektrycznej firmy A-Eberle typu PQI-DA Smart.
Aero7.pl Klimatyzator ścienny split do domu i mieszkania
Klimatyzatory ścienne split to idealne rozwiązanie do chłodzenia wnętrz zarówno w domach, jak i mieszkaniach. Umożliwiają efektywną regulację temperatury, zapewniając komfort nawet w najgorętsze dni.
Klimatyzatory ścienne split to idealne rozwiązanie do chłodzenia wnętrz zarówno w domach, jak i mieszkaniach. Umożliwiają efektywną regulację temperatury, zapewniając komfort nawet w najgorętsze dni.
De Dietrich Sanktuarium w Kałkowie-Godowie z nowoczesnym systemem ogrzewania marki De Dietrich
Zakończono półtoraroczny projekt termomodernizacji w Sanktuarium Matki Bożej Bolesnej, Pani Ziemi Świętokrzyskiej, zlokalizowanym w Kałkowie-Godowie. Obecnie zarówno duchowni, jak i pielgrzymi odwiedzający...
Zakończono półtoraroczny projekt termomodernizacji w Sanktuarium Matki Bożej Bolesnej, Pani Ziemi Świętokrzyskiej, zlokalizowanym w Kałkowie-Godowie. Obecnie zarówno duchowni, jak i pielgrzymi odwiedzający to miejsce, mają dostęp do zaawansowanego technologicznie systemu grzewczego.
StreszczenieW artykule opisano skutki występujące w organizmie człowieka powodowane działaniem prądu stałego. Uwzględniono wpływ czynników środowiska na wartość rezystancji ciała człowieka.AbstractElectric shock caused by direct currentThe paper presents the influence of the direct current on a human organizm. The influence of the climate, environment and the electrocuton voltage value on the human body resistance is taken into consideration. |
Wkrótce jednak stwierdzono, że przyczyną śmierci spowodowanej elektrycznością jest zakłócenie w pracy serca. W 1934 roku H. Freiberger opublikował w Niemczech pierwszą monografię o działaniu prądu elektrycznego na ludzi, która przez wiele lat była podstawą w ochronie przeciwporażeniowej. W końcu lat sześćdziesiątych XX w. pojawiły się dążenia w ramach Międzynarodowej Komisji Elektrotechniki IEC do ujednolicenia wiedzy z zakresu bezpieczeństwa użytkowania energii elektrycznej. Powołana komisja kierowana przez G. Biegelmeiera opracowała w 1974 roku raport IEC – Publikacja nr 479 pt. „Działanie prądu elektrycznego na ludzi”. Publikacja ta nie uwzględniała wszystkich wyników prowadzonych wtedy badań elektropatologicznych. Braki te usunięto w kolejnych nowelizacjach. Ostatni najaktualniejszy raport komisji IEC wydano w 2005 roku [9].
Skutki działania prądu stałego na organizm człowieka różnią się od skutków, które wywołuje prąd przemienny. W miejsce skurczów mięśni kończyn obserwuje się kłujące bóle tylko w chwilach włączenia i wyłączenia prądu stałego. Wypadki rażenia prądem stałym zdarzają się rzadziej niż rażenia prądem przemiennym, co jest związane z mniejszą liczbą stosowanych urządzeń stałoprądowych. Prąd stały oznacza prąd wolny od tętnień, w którym składowa okresowa stanowi nie więcej niż 15% składowej stałej.
Czynniki wpływające na rezystancję ciała człowieka
Skutki elektropatologiczne w organizmie człowieka powodowane prądem stałym rozpatrywać należy na podstawie rezystancji jego ciała. Dla rażeń prądem przemiennym uwzględniać należy impedancję ciała, która oprócz składowej rezystancyjnej zawiera reaktancję pojemnościową wynikającą z dielektrycznych właściwości błon komórkowych.
Bogate w elektrolity środowisko wewnątrz organizmu posiada bardzo małą rezystancję w porównaniu z rezystancją skóry, której wartość zmienia się pod wpływem czynników zewnętrznych. Szczególną właściwością tkanek żywych jest nieliniowa zmiana wartości ich rezystancji od napięcia rażeniowego. Wartości rezystancji ciała o suchym naskórku w zależności od napięcia opracowane przez Komitet IEC zostały podane w tabeli 1. Wartości te są kwantylami prawdopodobieństwa mniejszego niż 5%, 50% oraz 95% wartości rezystancji ciała w populacji. Podane w tabeli 1. wartości dotyczą rażenia na drodze ręka – ręka, natomiast dla drogi rażenia ręka – stopy, wartości rezystancji są o 10–30% niższe.
Wartość rezystancji ciała człowieka zależy nie tylko napięcia rażeniowego, ale również od klimatu środowiska. Podane w tabeli 1. wartości rezystancji ciała dotyczą naskórka suchego w normalnych warunkach klimatycznych. Podwyższona temperatura środowiska, jak i wysiłek pracy, powodują wzmożoną czynność gruczołów potowych skóry. Stopień napełnienia potem gruczołów potowych wpływa na wartość rezystancji skóry. Klimat środowiska zależy od temperatury, wilgotności i przepływu chłodzącego powietrza. Wartość klimatu mierzy się katatermometrem, a jednostką klimatu jest katastopień wilgotny [5]. Normalne warunki klimatyczne zawarte są w przedziale od 11 do 17 katastopni. Zmianę wartości rezystancji ciała (R) zależnie od klimatu (K) i napięcia rażeniowego (U) przedstawia równanie:
gdzie:
R – wartość rezystancji ciała człowieka, w [kΩ],
U – napięcie rażeniowe, w [V],
K – klimat określony w katastopniach, w [°Kw],
ξ – współczynnik zależny od drogi rażenia. Dla drogi rażenia: ręka–ręka ξ= 6, ręka–nogi x = 10, ręka – tułów ξ = 9.
Wartości spodziewane rezystancji ciała dla drogi rażeniowej ręka–ręka pokazano na rysunku 2.
Rezystancja ciała jest bardzo zróżnicowana i duży wpływ na jej wartość mają czynniki antropogenne, konstytucjonalne oraz skłonności patologiczne. Kobiety mają wartość rezystancji ciała większą niż mężczyźni. Spowodowane to jest bardziej rozwiniętą podskórną tkanką tłuszczową oraz mniejszą gęstością gruczołów potowych niż u mężczyzn. Mężczyźni pocą się silniej pod wpływem bodźców cieplnych, natomiast kobiety silniej pod wpływem bodźców emocjonalnych.
Istnieją u ludzi stany patologiczne, które zmieniają wartość rezystancji ich ciała, a tym samym podatność na działanie prądu elektrycznego. Niedobór witaminy A w organizmie powoduje wysychanie naskórka i tworzenie się grubej zrogowaciałej warstwy skóry o dużej wartości rezystancji. Nadczynność tarczycy powoduje większe pocenie się, co obniża wartość rezystancji skóry. Natomiast niedoczynność tarczycy powoduje wzrost rezystancji ciała, gdyż skóra jest sucha i chłodna.
Skutki rażenia człowieka powodowane prądem stałym
Prąd stały jest odczuwany przez człowieka tylko podczas załączania i wyłączania prądu rażeniowego. Zjawisko to występuje w odróżnieniu od prądu przemiennego, gdzie po przekroczeniu granicy percepcji osoba rażona odczuwa elektryzację jako mrowienie. Wartości natężenia prądu powodujące skutki patologiczne w organizmie człowieka są dla prądu stałego trzy do cztery razy wyższe niż dla prądu przemiennego. Odczucia i reakcje organizmu człowieka na działanie prądu stałego przedstawiono w tabeli 2.
Międzynarodowa Komisja IEC opracowała charakterystyki czasowo-prądowe rozdzielające strefy o różnych reakcjach organizmu na działanie prądu stałego. Zostały one ustalone na drodze przepływu prądu rażeniowego od lewej ręki do stóp spolaryzowanych biegunem dodatnim. Przedstawiona na rysunku 3. charakterystyka czasowo-prądowa skutków w organizmie jest oparta na ostatnim najaktualniejszym raporcie komisji IEC [9] opracowanym w 2005 roku.
W strefie DC-1 –leżącym pomiędzy początkiem układu współrzędnych i prostą „a” – nie występują żadne, odczuwalne reakcje organizmu. Prosta „a” określa granicę prądu percepcji, której przekroczenie powoduje reakcje czuciowe. Wartość prądu percepcji jest osobniczo zmienna, którą dla kobiet przyjmuje się średnio 1,5 mA, a dla mężczyzn 2,5 mA. Przy bardzo wolnym zwiększaniu natężenia prądu stałego, granica percepcji jest nieodczuwalna. Rażenie prądem stałym o wartości natężenia większej od prądu percepcji zostaje stwierdzone tylko podczas załączania i wyłączania napięcia.
W strefie DC-2 – pomiędzy prostą „a” i krzywą „b” – nie występują szkodliwe skutki rażenia. Podczas załączania i wyłączania prądu występuje przykre odczucie mrowienia, drętwienie, ból oraz skurcze włókien mięśniowych. Wartość prądu samouwolnienia (krzywa „b”) możliwa do ustalenia tylko w chwili załączania i wyłączania prądu stałego wynosi 25¸70 mA. Przekroczenie wartości tego prądu powoduje skurcz mięśni, których pokonanie staje się niemożliwe lub tylko prawdopodobne. Występujący próg skurczów przy rażeniu prądem stałym o wartości natężenia 25 mA (DC) odpowiada reakcji dla rażeń prądem przemiennym 50 Hz o natężeniu 10 mA (AC). Dla rażeń krótkotrwałych o czasie do 10 ms, krzywa „b” przyjmuje tą samą wartość 200 mA zarówno dla prądu przemiennego 50 Hz, jak i prądu stałego.
W strefie DC-3 – pomiędzy krzywymi „b” i „c” występują reakcje mięśniowe u osoby rażonej. Skurcz mięśni może być tak silny, że niemożliwe jest otwarcie dłoni. W miarę wzrostu wartości natężenia prądu i czasu rażenia dochodzi do zakłóceń w powstawaniu i przewodnictwie impulsów w obrębie mięśnia sercowego. Przy długotrwałym przepływie prądu rażeniowego mogą wystąpić zmiany termiczne w organizmie.
W strefie DC-4 – powyżej krzywej „c1” – oprócz nasilenia zjawisk patofizjologicznych, które wystąpiły w obszarze DC-3, dochodzi możliwość powstania oparzeń oraz prawdopodobieństwo wystąpienia fibrylacji komór serca. Krzywa graniczna „c1” określa granicę tolerowanego ryzyka wystąpienia migotania komór serca na poziomie prawdopodobieństwa poniżej 1% populacji. W strefie DC-4.1 występuje zagrożenie migotania komór serca z prawdopodobieństwem mniejszym niż 5%. W strefie DC-4.2 – występuje zagrożenie migotania komór serca z prawdopodobieństwem do 50%, a w DC-4.3 – powyżej 50%.
Dla rażeń prądem stałym zagrożenie wystąpienia migotania komór serca jest mniejsze niż podczas porażeń prądem przemiennym. Występuje jednak silniejszy stan skurczowy mięśni oddechowych z zatrzymaniem oddechu. Przyjmuje się dopuszczalną wartość 70 mA prądu rażeniowego DC, która nie powoduje szkodliwych skutków patofizjologicznych u człowieka.
Warunki środowiskowe mają decydujący wpływ na wybór dopuszczalnych wartości napięcia, uznawanego w danych warunkach jako napięcie bezpieczne. Dla prądu stałego napięcie dotykowe uważa się za bezpieczne, jeżeli jego wartość nie przekracza 120 V, a w warunkach zwiększonego zagrożenia czynnikami środowiskowymi napięcie jest obniżone do 60 V. Warunki zwiększonego zagrożenia czynnikami środowiskowymi są wtedy, gdy rezystancja ciała ludzkiego w stosunku do ziemi jest mniejsza od 1000 Ω.
Długotrwałe działanie prądu stałego na człowieka
Długotrwały przepływ prądu rażeniowego przez organizm człowieka może powodować w nim oparzenia elektrotermiczne. Prąd elektryczny płynący przez ciało człowieka powoduje wydzielanie energii cieplnej, która jest proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu rażeniowego oraz czasu jego przepływu i rezystancji tkanek. Wytwarzane ciepło na drodze przepływu prądu rażeniowego powoduje nagrzanie tkanek, które może doprowadzić do ich termicznego uszkodzenia. Największe uszkodzenia termiczne tkanek występują w okolicy powierzchni dotyku ciała do elementu pod napięciem. Przy rażeniu o dużej powierzchni dotyku ciała do elektrody mogą wystąpić szkodliwe skutki patologiczne wewnątrz organizmu, nawet gdy gęstość prądu jest niewielka.
Zmiany patologiczne spowodowane wydzielonym ciepłem występują w wyniku parowania płynów wewnątrzkomórkowych. Jeżeli temperatura przekracza 43°C, to ścięciu białko ulega zawarte w komórkach organizmu człowieka. Dochodzi wtedy do inaktywacji enzymów i zahamowania niektórych procesów metabolicznych oraz do denaturacji białek. Denaturacja jest nieodwracalnym procesem zmiany struktury cząsteczki białka i jego właściwości biologicznych. Działanie temperatury 50°C w ciągu 3 minut wywołuje martwicę naskórka, a w temperaturze 55°C takie zmiany następują po 1-minutowym przegrzaniu. Produkty rozpadu oparzonych tkanek są wchłaniane przez organizm i działają toksycznie. Uszkodzenia termiczne mięśni i kości mogą mieć charakter oparzeń lub zwyrodnienia. Prąd stały długotrwale przepływający przez organizm człowieka może spowodować zmiany patologiczne u rażonego nawet wtedy, gdy nie jest odczuwany.
Literatura
- H. Antoni, G. Biegelmeier, D. Kieback, Conventional threshold values of tolerable risiks for the appearance of ventricular fibrillation caused by electric shacks with alternating current 50/60 Hz and direct current repectively. ESF – Technical Publication Series No. 3E. ESF – Vienna 2002.
- G. Biegielmeier, H. Bachl, A. Mörx, G. Rabitsch, Neue Messungen des Körperwiderstands lebender Menschen mit Wechselstrom 50 Hz sowie mit höheren Frequenzen und mit Gleichstrom, Elektrotechnik und Informationstechnik 1991 nr 3.
- G. Biegielmeier, J. Graiss, A. Mörx, D. Kieback, Neues Wissen über die Wirkungen des elektrischen Stroms auf Menschen und Nutztiere, VEO Journal 1995 nr 11.
- S. Gierlotka, Elektropatologia porażeń prądem elektrycznym, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 2006.
- S. Gierlotka, Wpływ wysiłku oraz dyskomfortu cieplnego środowiska pracy na zmiany impedancji ciała człowieka, „Przegląd Elektrotechniczny” 2003, nr 2.
- S. Gierlotka, Rażenie człowieka prądem stałym i jego skutki, XVI Konferencja Naukowo-Techniczna ELSAF 2007 „Bezpieczeństwo elektryczne”. Szklarska Poręba, wrzesień 2007.
- H. Markiewicz, Bezpieczeństwo w elektroenergetyce, WNT, Warszawa 1999.
- IEC-Raport 479 – Part 1 – Draft February 2002: Effects of current on human beings and live stock, ESV – Vienna 2002.
- IEC-Raport IEC/TS 60479-1 ed4.0 Effects of current on human beings and livestock – Part 1: General aspects. 2005.