Пороговые значения токов

Главным и определяющим фактором воздействия является величина электрического тока. Чем больше величина ток, тем опаснее его действие.

Человек начинает ощущать воздействие проходящего через него тока при его значениях:

I_ощ = (0,6 - 1,5)mА - для переменного тока частотой f = 50 Гц;

I_ощ = (5 - 7)mА - для постоянного тока.

Эти значения называются пороговыми ощутимыми токами. Для переменного тока характер ощущения проявляется в виде пощипывания, дрожания пальцев, для постоянного тока – в виде зуда, ощущения нагрева.

При дальнейшем увеличении величины тока возникает второе пороговое значение – это неотпускающие или удерживающие токи. При этом происходит судорожное сокращение мышц рук и человек не в состоянии разжать пальцы и отпустить токопровод, за который он взялся.

Для переменного тока частотой f=50 Гц – I_неотп=(10 - 15) mА, для постоянного тока I_неотп=(50 - 80) mА. Причем у разных людей значения неотпускающих токов будут различны. Нижние значения неотпускающих токов приведены для женщин, верхние значения – для мужчин.

При значениях токов (20 – 25) mА (переменное напряжение f=50 Гц) действие тока распространяется и на мышцы грудной клетки, что ведет к затруднению и даже прекращению дыхания, а при длительном воздействии таких величин токов возможен летальный исход.

При значениях переменного тока 100 mА его воздействие передается непосредственно на мышцу сердца. При длительности воздействия 0,5 сек может наступить остановка или фибрилляция сердца. В последнем случае, за счет беспорядочного (хаотичного) сокращения волокон сердечной мышцы (фибрилл) сердце перестает выполнять функцию насоса, что ведет к прекращению в организме кровообращения. Это третье пороговое значение токов – токов фибрилляции: для переменного напряжения, f = 50 Гц – I_ф = 100 mА, для постоянного напряжения - I_ф = 300 mА .

Рис. 1

Вероятность наступления фибрилляции сердца зависит от длительности протекания тока. Здоровое сердце сокращается (60 – 80) раз в минуту, то есть длительность одного кардиоцикла составляет одну секунду. Каждый цикл сердечной деятельности состоит из двух периодов: диастолы, когда желудочки сердца находятся в расслабленном состоянии и заполняются кровью, и систолы, когда сердце, сокращаясь, выталкивает кровь в артериальные сосуды. Экспериментально установлено, что чувствительность сердца к раздражителю в форме электрического тока неодинакова в разные фазы его деятельности. Наиболее уязвимым сердце оказывается в фазе Т, продолжительность которой равна 0,2 сек (рис. 1).

Если время действия тока не совпадает с фазой Т, большие величины токов не вызывают фибрилляцию, но могут привести к остановке сердца. При длительности протекания тока, соизмеримой с периодом кардиоцикла, ток через сердце проходит также и в течение фазы Т. При этом вероятность наступления фибрилляции наибольшая. И чем меньше длительность действия тока, тем меньше вероятность наступления фибрилляции сердца.

Электрическое сопротивление тела человека

При прикосновении к токоведущим частям, находящимся под напряжением, человек включается в электрическую цепь и может рассматриваться как элемент цепи. Тело человека является проводником электрического тока. Однако в отличии от обычных проводников проводимость живой ткани обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи. В силу этого сопротивление тела человека является переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от состояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов, состояния окружающей среды.

Электрическое сопротивление различных тканей тела человека неодинаково. Кожа, кости, жировая ткань имеют относительно большое значение – ρ_кож ≈ ρ_кост = (3^.10³ – 3^.10⁴) Ом^.м. Мышечная ткань, кровь, лимфа и, особенно, спинной и головной мозг – малое значение удельного сопротивления – ρ_мышц = (1,5 – 3)Ом^.м; ρ_кр = (1 – 2)Ом^.м; ρ_мозг = (0,5 – 0,6) Ом^.м.

Рис. 2. К определению сопротивления тела человека.

а) – схема измерения сопротивления;

б, в) – эквивалентные схемы сопротивления тела человека;

г) – упрощенная эквивалентная схема.

1 – электроды; 2 – наружный слой кожи – эпидермис (роговой и ростковый слои);

3 – внутренние ткани тела (внутренний слой кожи и подкожные ткани).

Таким образом, обладая большим удельным сопротивлением, кожа определяет сопротивление тела человека в целом. Кожа состоит из двух основных слоев: наружного – эпидермиса (верхний слой кожи толщиной 0,2 мм, состоящий из мертвых ороговевших клеток), обладающего большим сопротивлением и внутреннего – дерма, имеющего относительно малое сопротивление, близкое по значению к сопротивлению внутренних тканей.

Таким образом, в соответствии с приведенной на рис. 2 а схемой включения человека в электрическую цепь между двумя электродами, сопротивление тела человека состоит из трех последовательно включенных сопротивлений: двух одинаковых сопротивлений наружного слоя кожи – эпидермиса (роговой и ростковый слои) и одного сопротивления внутренних подкожных тканей, называемого внутренним сопротивлением. Оно включает два сопротивления внутреннего слоя кожи и сопротивления подкожных тканей тела и составляет величину – R_вн = (300 – 500) Ом. Сопротивление тела у различных людей, измеренное в разное время и в различных условиях неодинаково. Электрическое сопротивление сухой, чистой, неповрежденной кожи, измеренное при напряжении (15 – 20) В, составляет (3 – 100)·10³ Ом.

Если на участках, где прикладываются электроды, снять роговой слой, сопротивление тела упадет до (1 – 5)·10³ Ом; при удалении всего наружного слоя эпидермиса – (500 – 700) Ом. Эквивалентные схемы сопротивления тела человека представлены на рис. 2б, в. Сопротивление эпидермиса Z_э состоит из активного R_э и емкостного сопротивлений, включенных параллельно. Емкостное сопротивление обусловлено тем, что в месте прикосновения электрода к телу человека образуется конденсатор, обкладками которого являются электрод и хорошо проводящие внутренние ткани тела, а диэлектриком – наружный слой кожи, обладающий большим сопротивлением. Эквивалентная схема рис. 2 в позволяет написать полное сопротивление тела человека в комплексной форме: , или в действительной форме:

.

Из приведенного выражения следует, что с уменьшением частоты сопротивление тела возрастает, а на постоянном токе имеет наибольшие значения:

,

где - сопротивление тела человека постоянному току. С ростом частоты сопротивленияZ_h уменьшается за счет уменьшения емкостного сопротивления и при (5-10) кГц можно считать, что Z_h = R_вн =(300-500) Ом.

Эквивалентную схему можно упростить, представив сопротивление тела как параллельное соединение сопротивления R_h=2R_э+R_в и емкости С_h=0,5C_э (рис. 2 г). Для этого случая: .

При частота f = 50 Гц переменного напряжения учитывается лишь активная составляющая полного сопротивления и при раcчетах принимается R_h = 1000 Ом. Однако на самом деле Z_h величина переменная и зависит от многих факторов. Так, в зависимости от места приложения электродов, с увеличением площади касания сопротивление уменьшается. Значение тока и длительность его прохождения через тело человека непосредственно влияют на электрическое сопротивление Z_h . С увеличением тока и времени его прохождения сопротивление уменьшается, что связано с нарушением процессов терморегуляции в организме: за счет усиления местного нагрева кожи и внутренних органов сосуды расширяются, усиливается снабжение этих участков кровью, что увеличивает потовыделение. Сопротивление влажной кожи уменьшается, ток еще более возрастает, усиливая нагрев и т.д.

Аналогичным образом ведет себя зависимость сопротивления от величины приложенного напряжения. Повышение напряжения уменьшает сопротивление тела человека в десятки раз: во-первых, за счет нарушения процессов терморегуляции из-за увеличения тока, как это было рассмотрено выше; во-вторых, за счет развития процессов пробоя кожи при величине приложенного напряжения выше 50 вольт. При этом величина сопротивления Z_h стремится к значению R_вн = (300-500) Ом.

Установлено, что для отпускающих токов - Z_h = (2-3)^. 10³ Ом; при неотпускающих токах - Z_h = 1^. 10³ Ом; при смертельном токе - Z_h = 500 Ом.

Факторы, влияющие на исход поражения.

Путь тока в теле человека. Если на пути тока оказываются жизненно важные органы, опасность поражения очень высока. Если же ток проходит по другим путям, минуя сердце, легкие, мозг, то воздействие может быть рефлекторным, через ЦНС. Ток в теле не всегда проходит по кратчайшему пути, так как различные участки тела имеют различное удельное сопротивление, как это было показано выше. Наибольшую опасность представляет продольный путь тока. Отмечено, что через сердце проходит:

• по пути «рука – рука» - 3,3% I_h;

• по пути «левая рука – нога» - 3,7% I_h;

• по пути «правая рука – нога» - 6,7% I_h;

• по пути «голова – нога» - 6,8% I_h;

• по пути «голова – рука» - 7% I_h;

• по пути «нога – нога» - 0,4% I_h..

Статистика показывает, что наибольшая потеря трудоспособности (87% случаев) наблюдается при поражениях «правая рука – ноги», наименьшая (15% случаев) при поражениях «нога – нога». Однако, если ток велик, судорожное сокращение ног приведет к падению с возможным летальным исходом.

Род и частота тока. Установлено, что переменный ток более опасен, чем постоянный ток. Как следует из сопоставления пороговых значений токов, одни и те же воздействия вызываются большими значениями постоянного тока, чем переменного. Однако даже небольшой постоянный ток (ниже порога ощущения) при быстром разрыве цепи дает очень сильные удары, вплоть до судорог мышц рук. Так же установлено, что в электроустановках с уровнем напряжения выше 500 В опаснее постоянный ток. Увеличение частоты ведет к увеличению опасности поражения, так как уменьшается полное сопротивление Z_h. Наибольшую опасность представляет переменный ток частотой от 20 до 1000 Гц. При частотах ниже 20 Гц и выше 1000 Гц опасность поражения уменьшается, так как величины предельно допустимых токов I_неотп изменяются от значения 20 mА в большую сторону. Выпрямленные токи содержат постоянную и переменную составляющие, которые оказывают совместное действие на организм человека, в то время как приборы показывают только постоянную составляющую. При однополупериодном выпрямлении пороговые значения тока по постоянной составляющей в 1,5 раза ниже, чем для переменного тока. При двухполупериодном выпрямлении пороговые значения переменного и выпрямленного токов одинаковы.

Состояние окружающей среды. Изменение влажности, температуры от оптимальных условий, наличие токопроводящей пыли, паров кислот увеличивает опасность поражения, так как во всех помещениях, кроме сухих и чистых сопротивление тела человека уменьшается, а в пыльных помещениях с токопроводящей пылью, с химически и биологически активной средой происходит разрушение изоляции.

Согласно ПУЭ все производственные помещения по опасности поражения электрическим током подразделяются на три категории:

1. Помещения без повышенной опасности – помещения сухие.

2. Помещения с повышенной опасностью, характеризуются наличием одного из следующих признаков:

а) высокая температура (> 30⁰С);

б) влажность выше 75%;

в) токопроводящий пол;

г) токопроводящая пыль;

д) наличие возможности одновременного прикосновения к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, механизмам – с одной стороны и к металлическим корпусам электрооборудования – с другой стороны.

3. Помещения особо опасные, характеризуются наличием одного из трех условий:

а) 100% влажность, особая сырость;

б) химически и биологически активная среда, разрушающе действующая на изоляцию и токоведущие части оборудования;

в) два и более признаков одновременно, свойственных помещениям с повышенной опасностью.

Предельно допустимые значения токов. Как показывает статистика электротравматизма, безопасного тока нет, так как любое значение тока оказывает определенное воздействие на организм человека. Ток, вызывающий слабые ощущения у одного человека может быть неотпускающим током для другого. Характер воздействия при одной и той же величине тока зависит от состояния центральной нервной системы и всего организма в целом, массы человека, его физического развития. Приводимые выше данные для пороговых значений тока получены на основе статистических данных. Поэтому речь может идти лишь о допустимом значении тока. Исходя из пороговых значений тока, допустимым можно считать ток, при котором возникает реальная опасность поражения. Это возможно лишь при неотпускающем токе, когда человек не в состоянии самостоятельно освободиться от токоведущих частей. Поэтому недопустимо, чтобы через человека длительно протекал ток выше отпускающего. То есть, при случайном прикосновении в нормальных условиях наибольший длительно допустимый ток через человека равен порогу неотпускающего тока – около 10 mА.

При кратковременном действии тока судорожное сокращение мышц рук не имеет значения, паралич дыхания развивается за (15-30) сек и тоже не успеет развиться при кратковременном действии. Большие токи (несколько десятков mА) вызывают фибрилляцию сердца за (1-2) сек. Поэтому в качестве кратковременно допустимых токов принимаются наименьшие значения токов, вызывающих фибрилляцию сердца. Исходя из вышеизложенного, ГОСТ 12.1.038-82 устанавливает допустимые значения токов, протекающих через тело по пути «рука – рука», «рука – ноги» при нормальном режиме работы электроустановок производственного и бытового назначения постоянного и переменного тока частотой 50 Гц и 400 Гц. Нормируемые кривые приведены на рисунке.

Рис. 3