Łuk elektryczny i skutki jego działania na człowieka
Właściwości fizyczne, wypadki elektryczne, uszkodzenia ciała
Zabezpieczenia łukochronne
ENERGOTEST
W artykule opisano fizyczne właściwości łuku elektrycznego. Omówiono sprawy związane z wypadkami elektrycznymi, w wyniku których poszkodowani doznali urazów oparzenia ciała. Przedstawiono również zmiany patologiczne w tkankach organizmu człowieka powodowane łukiem elektrycznym.
Zobacz także
prof. dr hab. inż. Stanisław Czapp Ochrona przeciwporażeniowa i działanie wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach prądu stałego (część 2.)
Poprawna detekcja prądu ziemnozwarciowego (różnicowego) przez zabezpieczenie różnicowoprądowe jest możliwa tylko wtedy, gdy jest ono właściwie dobrane z punktu widzenia spodziewanego kształtu tego prądu....
Poprawna detekcja prądu ziemnozwarciowego (różnicowego) przez zabezpieczenie różnicowoprądowe jest możliwa tylko wtedy, gdy jest ono właściwie dobrane z punktu widzenia spodziewanego kształtu tego prądu. W tabeli 1. podano podział zabezpieczeń różnicowoprądowych ze względu na zdolność wykrywania określonego kształtu przebiegu prądu różnicowego.
prof. dr hab. inż. Stanisław Czapp Ochrona przeciwporażeniowa i działanie wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach prądu stałego (część 1.)
Obwody prądu stałego w instalacji niskiego napięcia do niedawna stanowiły niemal wyłącznie końcowe jej odcinki pomiędzy prostownikiem a odbiornikiem. W ostatnich latach zauważa się jednak wykorzystanie...
Obwody prądu stałego w instalacji niskiego napięcia do niedawna stanowiły niemal wyłącznie końcowe jej odcinki pomiędzy prostownikiem a odbiornikiem. W ostatnich latach zauważa się jednak wykorzystanie na szerszą skalę odnawialnych źródeł energii, w szczególności fotowoltaicznych, a to przyczynia się do większego zainteresowania instalacjami prądu stałego, również w kontekście rozdziału energii. Instalacje DC w budynkach ułatwiają integrację odnawialnych źródeł i magazynów energii oraz mogą służyć...
mgr inż. Julian Wiatr, dr inż. Kazimierz Herlender Ochrona przeciwporażeniowa w obwodach zasilających urządzenia przeciwpożarowe
W artykule przedstawiono wpływ temperatury pożaru na rezystancję przewodów elektrycznych, zasilających urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru. Wykazano nieprzydatność wyłączników różnicowoprądowych do...
W artykule przedstawiono wpływ temperatury pożaru na rezystancję przewodów elektrycznych, zasilających urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru. Wykazano nieprzydatność wyłączników różnicowoprądowych do zabezpieczania obwodów zasilających urządzenia elektryczne, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru. Omówiono możliwe do wykorzystania w tych obwodach sposoby ochrony przeciwporażeniowej, zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41:...
Ciepło łuku elektrycznego działające na ciało człowieka może spowodować w nim zmiany patologiczne nazywane oparzeniem elektrycznym. Wypadkom poparzenia łukiem ulegają głównie elektrycy podczas wykonywania napraw i przeglądów urządzeń.
Łuk elektryczny powstaje najczęściej na skutek zwarć w urządzeniach elektrycznych, których przyczyną są zarówno uszkodzenia, jak i błędne postępowanie człowieka. Energia termiczna łuku elektrycznego uszkadza podczas wypadków najczęściej odsłonięte części ciała poszkodowanych lub słabiej chronione przez odzież. Zazwyczaj jest to skóra rąk i twarz poszkodowanych. Groźne są oparzenia łukiem przy urządzeniach elektrycznych o napięciu większym niż 6 kV. W tych przypadkach na człowieka działa większa energia cieplna łuku niż w urządzeniach niskiego napięcia, a oparzenia są na ogół bardziej rozległe.
Uszkodzenia skóry i tkanek podskórnych przez łuk elektryczny zazwyczaj rozprzestrzeniają się poza pierwotny obszar oparzeń. Często występuje pożar ubrania.
Łuk elektryczny i jego właściwości
Powstawanie łuku jest związane z jonizacją kanału wyładowania elektrycznego, który przekształca się w strumień plazmy o bardzo wysokiej temperaturze. Łuk wytwarza ciśnieniową falę uderzeniową, która gwałtownie nagrzewa powietrze wzdłuż osi łuku. Powstający gorący strumień gazów unosi z powierzchni przewodnika roztopione cząsteczki metali, które podczas oparzenia wnikają w głąb skóry poszkodowanego wywołując jej metalizację. Następuje wtedy elektroliza płynu tkankowego, w której kwasy tłuszczowe reagują ze związkami metalu tworząc sole metaliczne, przenikające do głębszych warstw skóry. Poszkodowani czują ból pochodzący od oparzenia skóry cząsteczkami metalu oraz napięcie skóry pochodzące od obecności ciał obcych na naskórku.
Palący się w powietrzu łuk elektryczny charakteryzuje się wysoką temperaturą, dużą gęstością prądu oraz małym spadkiem napięcia na jego długości. Łuk elektryczny w powietrzu nie ogranicza swojej długości tylko do przestrzeni między elektrodami, lecz wydłuża się pod działaniem siły powstałej od własnego pola elektromagnetycznego.
Przy przejściu prądu przemiennego przez zero rezystancja łuku dąży do nieskończoności i łuk powinien zgasnąć. Jednak przy dostatecznie wysokim i szybko narastającym napięciu powrotnym następuje natychmiastowy ponowny zapłon łuku. Jest to przypadek łuku swobodnego występującego przy napięciu większym od 300 V oraz dwukrotnie wyższym od amplitudy spadku napięcia na łuku, zwanego napięciem łuku. Jeśli te warunki nie są spełnione, łuk staje się niestabilny i samogasnący.
Spadek napięcia na jednostkę długości łuku, zwany gradientem łuku, jest stały o wartości około 15 V/cm przy prądzie 5 kA i wzrasta do ok. 20 V/cm przy prądzie 20 kA. W przypadku łuku intensywnie chłodzonego jego gradient może być większy, a lepsze chłodzenie powoduje wzrost strat energii łuku do otaczającego gazu. Zwiększenie chłodzenia łuku pociąga za sobą wzrost jego mocy, a temperatura łuku chłodzonego jest wyższa niż łuku swobodnego. Energię łuku elektrycznego E wyznacza się całką oznaczoną, którą określa równanie:
Wzór 1
gdzie:
E – energia łuku,
u – napięcie łuku,
i – natężenie prądu zwarcia płynącego w łuku,
t – czas palenia się łuku.
Napięcie łuku (u) jest napięciem wzdłuż rdzenia łuku, które jest zmienne w czasie i rośnie wraz ze wzrostem długości łuku. Czas palenia się łuku (t) trwa od chwili wystąpienia łuku aż do chwili jego zgaśnięcia. Moc elektryczna doprowadzona do rdzenia łuku jest rozpraszana do otoczenia przez promieniowanie, przewodnictwo i konwekcję, a niewielka jej część przetwarzana jest na energię fali akustycznej i to tylko w przypadku, gdy chwilowa moc łuku ulegnie zmianie. Przyjmuje się, że moc promieniowania z rdzenia łuku stanowi od 50 do 75 % całkowitej mocy doprowadzonej.
Po zapłonie łuk elektryczny wytwarza ciśnieniową falę uderzeniową, która powstaje na skutek gwałtownego nagrzania powietrza wzdłuż osi łuku. Amplitudę (A) tej fali ciśnieniowej można w przybliżeniu oszacować ze wzoru:
Wzór 2
gdzie:
i – prąd zwarcia w miejscu łuku, w [kA],
t – czas palenia się łuku, w [s],
d – długość łuku, w [m].
W zależności od odległości od łuku, ludzie doznają obrażeń bądź od fali ciśnieniowej lub od odłamków urządzeń elektrycznych zniszczonych przez tę falę. Jednak najwięcej szkody powoduje termiczne działanie łuku na otoczenie. Temperatura łuku osiąga wartość 10 000 - 15 000 K. Zgodnie z prawem Boltzmana, energia wypromieniowana ze źródła o temperaturze q jest proporcjonalna do θ4.
Ilość ciepła otrzymana przez ciało zależy od gęstości wypromieniowanej energii, która maleje z kwadratem odległości od osi łuku. Wydzielona energia cieplna w ciele dotkniętego człowieka powoduje wzrost jego temperatury, której wartość zależy od ciepła właściwego ciała człowieka. Średnia wartość ciepła właściwego tkanek ciała człowieka wynosi 3,3 J/g·°C.
Materiały organiczne będące w styczności z łukiem ulegają pirolizie. Są to procesy endotermiczne pochłaniające pewne ilości energii doprowadzonej przez łuk. Powstają wówczas różne gazy, przeważnie chemicznie aktywne, które wchodzą w reakcje egzotermiczne z tlenem powietrza wytwarzając niekiedy duże ilości dodatkowego ciepła.
Zmiany patologiczne w oparzonej skórze
Zmiany patologiczne spowodowane wydzielonym ciepłem występują w wyniku parowania płynów wewnątrzkomórkowych. Jeżeli temperatura przekracza 43°C, to ulega ścięciu białko 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, a ich działanie toksyczne prowadzi w skrajnych przypadkach do śmierci porażonego. Uszkodzenia termiczne mięśni i kości mogą mieć charakter oparzeń lub zwyrodnienia.
Istota oparzeń termicznych spowodowanych łukiem elektrycznym nie różni się od oparzeń płomieniem. W przypadku łuku elektrycznego dodatkowo należy uwzględnić skutki działania fali ciśnieniowej oraz promieniowania podczerwonego i nadfioletowego. Różnorodność obrazu morfologicznego oparzonych tkanek sprawia wiele kłopotów w jego ocenie. W diagnozie oparzonej powierzchni ciała istotna jest głębokość oparzenia, co jest zwykle trudne do określenia zaraz po urazie.
Przyjęto rozróżniać cztery stopnie oparzeń termicznych (tab. 1.):
- oparzenia I stopnia – powodowane energią większą od 10 J/cm2. Występują uszkodzenia zewnętrznych części skóry, głównie naskórka. Są to zmiany obrzękowo-rumieniowe (zaczerwienienie powierzchni skóry) znikające po kilku dniach. Po 3 - 4 dniach rumień blednie, a uszkodzony naskórek złuszcza się. Nowo wytworzony naskórek pozostaje przez następne 2 - 3 tygodnie różowy, delikatny, wrażliwy na urazy mechaniczne. Po 7 dniach oparzenie jest zagojone. Dolegliwości chorego polegają na pieczeniu oraz niezbyt silnym bólu,
- oparzenia II stopnia – powodowane energią większą od 20 J/cm2. Występują w skórze zmiany rumieniowe, w obrębie których tworzą się bolesne pęcherze, gojące się w ciągu kilku tygodni. Oparzenia II stopnia są bardzo bolesne, gdyż dochodzi do podrażnienia licznych w skórze zakończeń nerwów czuciowych. Zazwyczaj ból ten nasila się przy poruszaniu kończyny. W rozległych oparzeniach II stopnia występuje: zamroczenie, spadek ciśnienia krwi i temperatury ciała, a niekiedy drgawki. Oparzenia stopnia II są rozdzielone na podgrupę IIa oraz IIb:
– oparzenia stopnia IIa – są oparzeniami powierzchownych warstw skóry właściwej. Na powierzchni skóry pojawiają się pęcherze wypełnione płynną lub galaretowatą treścią. Pęcherz jest odwarstwionym naskórkiem, pod którym gromadzi się płyn przesączający się z oparzonych tkanek. Po uszkodzeniu pęcherza pozostają strzępki naskórka o nierównych brzegach i widoczna jest czerwona skóra właściwa. Zabarwienie jej pochodzi z rozszerzonych naczyń krwionośnych i przekrwienia tkanek. Obrzęk tkanek po kilku dobach zmniejsza się. Okres narastania nowego naskórka trwa na ogół do 14 dni od urazu. Klinicznie stwierdza się suchą powierzchnię bez wydzieliny,
– oparzenia stopnia IIb – są oparzeniami głębszymi niż w stopniu IIa, w których uszkodzeniu uległ naskórek i skóra właściwa całej grubości. Mogą pojawiać się pęcherze, a przy ich uszkodzonym widoczna jest biaława, nieukrwiona skóra właściwa. Zagojenie samoistne jest znacznie dłuższe. Najpierw oddzielają się niedokrwione tkanki martwicze, później pojawiają się wysepki nowego naskórka. Oddzielenie tkanek martwiczych wiąże się z ropieniem rany oparzeniowej. Im głębsze warstwy skóry właściwej są uszkodzone, tym proces usuwania tkanek oparzonych trwa dłużej. Okres potrzebny na samoistne zagojenie oparzenia stopnia IIb trwa od 4 do 6 tygodni, a niekiedy dłużej. Po całkowitym oddzieleniu martwych tkanek następuje wytwarzanie zastępczej tkanki – ziarniny, która nie zawsze jest zdolna do samoistnego zamknięcia ubytku. Bladnięcie blizny i jej zmniejszanie trwa do dwóch lat, - oparzenia III stopnia – powodowane energią większą od 40 J/cm2. Są to zmiany martwicze, bardzo powoli gojące się. Wygląd zewnętrzny oparzenia III stopnia jest bardziej charakterystyczny niż oparzenia stopnia IIb. Uszkodzeniu ulega cała grubość skóry, a niekiedy również tkanki podskórne i mięśnie. Powierzchnię tworzy sucha, twarda powłoka przybierająca kolor ciemnobrunatny do czarnego. Niekiedy pod naskórkiem widoczna jest biaława skóra, która po kilku dobach przybiera ciemniejszą barwę. Prześwitują przez nią zakrzepnięte naczynia w tkance podskórnej. Uszkodzone tkanki, jako martwe wpływają toksycznie na cały organizm. Dolegliwości bólowe w oparzeniu III stopnia są mniejsze niż w przypadku oparzeń II stopnia. W oparzeniu dochodzi do natychmiastowego zniszczenia zakończeń nerwowych, dlatego oparzona powierzchnia jest niebolesna, sprawia wrażenie drętwych tkanek. Przy oparzeniu III stopnia obrzęk w skórze może być niewielki lub nie pojawiać się wcale. Znacznie mniejsze jest sączenie z powierzchni oparzenia. Przy małych oparzeniach o średnicy do 3 - 5 cm, istnieje możliwość samoistnego zagojenia przez rozrost naskórka z otaczającej zdrowej skóry. Gojenie takie jest długotrwałe i poprzedzone całkowitym oddzieleniem się martwych tkanek. W rozleglejszym oparzeniu niemożliwe jest zagojenie bez przeszczepiania skóry,
- oparzenia IV stopnia – są to głębokie, nieodwracalne uszkodzenia tkanek, w których występuje zwęglenie tkanek skórnych. W przypadku kończyn, oparzenie może spowodować uszkodzenie tkanki podskórnej, naczyń, nerwów, mięśni, a nawet kości. W takim przypadku nie jest możliwe uratowanie kończyny. Zmiany w tym stopniu oparzenia są nieodwracalne.
Instytut Hematologii wprowadził stosowaną klasyfikację Birkego, która dzieli oparzenia na lekkie, średnie i ciężkie.
Oparzenia lekkie – których rozległość nie przekracza 15% powierzchni całego ciała oparzenia I i II stopnia lub 5% oparzenia III stopnia.
Oparzenia średnie – obejmują chorych, u których w oparzeniu I lub II stopnia uległo 15 - 20% powierzchni ciała, a w przypadku oparzenia III stopnia 5 - 15% powierzchni. Istnieje możliwość wystąpienia wstrząsu oparzeniowego.
Oparzenia ciężkie – obejmują chorych, u których oparzeniu I i II stopnia uległo ponad 30% powierzchni ciała lub oparzeniu III stopnia uległo ponad 15%. W tej grupie chory popada we wstrząs i wymaga natychmiastowego intensywnego leczenia.
Zabarwienie skóry oparzonej zależy od czynnika parzącego. Przy oparzeniach głębokich łukiem elektrycznym, skóra jest koloru ceglastego, brązowego lub szarego. Natomiast przy poparzeniach parą lub gorącym płynem skóra jest blada i biała.
Skóra oparzonego jest zazwyczaj blada na całym ciele, może wystąpić sinica na wargach, palcach rąk, skóra pokryta jest zimnym potem. Doraźną pomocą podczas przegrzania tkanek jest odprowadzenie ciepła przez oziębianie miejsc oparzonych.
W rozległych oparzeniach ciała często dochodzi do zaburzeń ogólnoustrojowych, zwanych wstrząsem oparzeniowym. Pojawienie się wstrząsu zależy od rozległości oparzenia. Oparzenia obejmujące do 10% powierzchni ciała zazwyczaj nie powodują wstrząsu. Gdy oparzenie obejmuje 20 % powierzchni ciała, wstrząs występuje często.
Oparzenie 70 % powierzchni ciała jest śmiertelnie. Przyczyną jego wystąpienia jest utrata przez poparzonego osocza krwi, wskutek gromadzenia się płynu w pęcherzach oparzeniowych. Wstrząs jest wynikiem nagłego zmniejszenia dopływu krwi do tkanek, co powoduje ich niedotlenienie. We wstrząsie występują zaburzenia hemodynamiczne, metaboliczne oraz czynności niektórych narządów.
Zaburzenia hemodynamiczne występują w układzie krążenia i powodują zmniejszenie objętości krwi krążącej. Charakterystycznym zjawiskiem jest zagęszczanie krwi, którego wykładnikiem jest poziom hemoglobiny i wartość hematokrytu. Obserwuje się przyśpieszoną czynność serca i spadek ciśnienia tętniczego oraz żylnego.
Zaburzenia metaboliczne obejmują zmiany równowagi kwasowo-zasadowej, w gospodarce wodno-elektrolitowej oraz przemianie węglowodanowej, tłuszczowej i białkowej. W początkowej fazie wstrząsu obserwuje się zwiększenie stężenia cukru we krwi. Niedotlenienie tkanek powoduje, iż przemiana glukozy ulega redukcji do kwasu mlekowego. Zmiany patofizjologiczne występują również w nerkach, gdzie występujące upośledzenie jest spowodowane zmniejszeniem objętości krwi napływającej. Pojawia się ostra niewydolność nerek i zmniejszenie ilości wydalania moczu.
Łuk elektryczny ze względu na oddziaływanie termiczne jest niebezpieczny dla oczu, powiek i twarzy. Duża luminancja łuku elektrycznego wywołuje światłowstręt, łzawienie i stan zapalny spojówek. W relacji porażonych łukiem elektromonterów często opisywana jest wyraźnie widoczna świetlna kula. Zjawisko to jest nazwane „księżycem elektryków”.
Uszkodzenia wzroku powodowane działaniem świetlnym łuku elektrycznego są wywołane przez promieniowanie podczerwone i nadfioletowe. Promieniowanie dociera aż do siatkówki, powodując ogrzewanie płynu soczewkowego, zawierającego białka. W niekorzystnej sytuacji może dojść do lokalnych uszkodzeń siatkówki powodując ślepotę.
Promieniowanie nadfioletowe łuku elektrycznego uszkadza rogówkę, która absorbuje ten typ promieniowania. W oparzeniach rogówki powstaje jej obrzęk i zmętnienie. Leczenie rogówki jest długotrwałe i skomplikowane, czasem nie daje rezultatu. Urazy wzroku spowodowane działaniem łuku często są przyczyną zachorowań na zaćmę. Rozwija się ona zwykle z opóźnieniem wynoszącym od kilku miesięcy do 2 lat.
W początkowym okresie oparzenia u poszkodowanych występują czynniki emocjonalne – strach i ból, a dopiero po kilku godzinach następuje uspokojenie.
Podsumowanie
Oparzenia spowodowane działaniem cieplnym łuku elektrycznego powodują metalizację nieosłoniętej skóry poszkodowanych. Wszystkie rodzaje oparzeń są groźne nie tylko ze względu na opisane skutki, ale również dlatego, że w wielu przypadkach skutki te są nieodwracalne.
Znajomość zagrożeń, jakie może w organizmie wywołać energia elektryczna, jest istotna zarówno dla osób udzielających poszkodowanym pierwszej pomocy, jak i dla lekarzy, do których poszkodowani trafiają z racji odniesionych obrażeń.
Literatura
- Z. Ciok, Procesy łączeniowe w układach elektroenergetycznych, WNT, Warszawa 1983.
- S. Gierlotka, Urazy oparzenia prądem i łukiem elektrycznym podczas wypadków w górnictwie, „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa” (334) 1998 nr 6.
- S. Gierlotka, Elektropatologia porażeń prądem elektrycznym, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 2005.
- G. Rassner, Dermatologie-Lehrbuch und Atlas, U&S München 1992.
- W. Rudowski, W. Nasiłowski, W. Ziętkiewicz, K. Zienkiewicz, Oparzenia jako problem badawczy i leczniczy, PZWL, Warszawa 1984.
