Фактори, що впливають на наслідки ураження електричним струмом

Сила струму. Зі зростанням сили струму небезпека ураження ним тіла людини зростає. Розрізняють порогові значення струму (при частоті 50 Гц):

— пороговий відчутний струм — 0,5—1,5 мА при змінному струмі і 5—7 мА при постійному струмі;

— пороговий невідпускний струм (струм, що викликає при проходженні через тіло людини нездоланні судомні скорочення м'язів руки, в котрій затиснений провідник) — 10—15 мА при змінному струмі і 50—80 мА при постійному струмі;

— пороговий фібриляційний струм (струм, що викликає при проходженні через організм фібриляцію серця) — 100 мА при змінному струмі і 300 мА при постійному струмі.

Опір тіла людини проходженню струму. Тяжкість ураження організму людини електричним струмом за­лежить від цілого ряду фізіологічних та фізичних чинників і умов.

Наслідки ураження струмом залежать від такого фізіологічно­го чинника, як опір тіла людини. Тіло людини є провідником елек­тричного струму. Однак провідність тіла людини відрізняється від провідності звичайних провідників і напівпровідників. Це обумов­люється не тільки його фізичними властивостями, але і складними біологічними і фізико-хімічними явищами, які притаманні живим організмам.

Електричний опір тіла складається з опору шкіри та опору вну­трішніх органів. Опір тіла людини є змінною величиною, що має не­лінійну залежність від багатьох чинників, у т. ч. від стану шкіри, па­раметрів електричної мережі, фізіологічних чинників і стану навко­лишнього середовища.

Опір шкіри становить основну частину опору тіла людини. Еле­ктричний опір епідермісу (зовнішнього шару шкіри) у 1000 разів більший за опір дерми (внутрішнього шару). Зовнішній шар епідер­місу складається з кількох шарів, верхній, як правило, найтовщий називається роговим. Він складається з мертвих ороговілих клітин, що не мають кровоносних судин і нервів, і є шаром неживої ткани­ни, яка вкриває все тіло.

Товщина рогового шару на різних ділянках тіла різна (0,02-0,2 мм). Найтовщим роговий шар буває в місцях, які підлягають по­стійній механічній дії, на підошвах і долонях, де, потовщуючись, він може утворювати мозолі.

Роговий шар має високу механічну міцність. Він погано прово­дить теплоту і електричний струм. У сухому непошкодженому стані він може розглядатись як діелектрик, його питомий опір досягає 10^бОм, тобто в сотні і тисячі разів перевищує опір інших ділянок шкіри і внутрішніх органів.

Опір однієї і тієї ж самої ділянки шкіри змінюється в широких ме­жах залежно від її стану. При сухій чистій і непошкодженій шкірі опір тіла людини коливається в широких межах, приблизно від 3000 до 100 000 Ом, а іноді і більше; якщо ж зіскоблити роговий шар, опір зни­жується до 1000-5000 Ом. Порізи, подряпини та інші мікротравми мо­жуть знизити опір тіла людини до значення близького внутрішньому опору. Все це збільшує небезпеку ураження людини струмом.

Небезпеку ураження людини струмом збільшує також зволоже­ність шкіри, оскільки волога, яка потрапила на шкіру людини, роз­чиняє на її поверхні мінеральні речовини і жирні кислоти, що вийш­ли з потом і шкіряним салом. Внаслідок цього електропровідність шкіри значно підвищується.

Забрудненість шкіри різними речовинами, особливо тими, що добре проводять струм (металевий або вугільний пил, окалина та ін.) знижує її опір, тому що пил, бруд потрапляють у протоки пото­вих і сальних залоз, створюють у шкірі струмопровідні канали. Тому особи, у яких руки забруднюються струмопровідним пилом і бру­дом, піддаються більшій небезпеці ураження струмом, ніж ті, які працюють сухими і чистими руками.

Внутрішній опір тіла людини — це опір внутрішнього шару шкіри, внутрішніх тканин і органів та систем людини. Внутрішній опір має різні значення. Наприклад, жирова тканина — 30-60 Ом, м'язова — 1,5-3,0, кров — 1-2, спинномозкова рідина — 0,5-0,6 Ом.

Отже опір тіла людини — це змінна величина, яка може коли­ватися в широких межах. Однак при доборі захисних та технічних засобів захисту від ураження електричним струмом при розрахунках за опір тіла людини беруть 1000 Ом.

Наслідки ураження організму струмом залежать від місця кон­такту електрода з тілом людини, оскільки опір шкіри неоднаковий на різних ділянках тіла. Найменший опір має шкіра обличчя, шиї, тильної сторони кисті руки, підпахової впадини.

На тілі людини є цілий ряд точок, в яких опір шкіри в багато разів менший від опору сусідніх ділянок. Майже всі ці ділянки спів­падають зі старовинною топографією голковколювання. Пояснити це цікаве явище поки що неможна.

Значно меншою мірою на опір тіла людини впливають такі чин­ники, як стать або вік людини. У жінок, як правило, опір тіла мен­ший, ніж у чоловіків, у дітей і молодих людей — менший, ніж у до­рослих. Пояснюється це, мабуть, тим, що у деяких осіб шкіра тонша і ніжніша, а у інших — товща.

Вид та частота струму

Змінний струм. Через наявність в опорі тіла людини ємнісної складової зростання частоти прикладеної напруги супроводжується зменшенням повного опору тіла та зростанням струму, що проходить через тіло людини. Можна було б припустити, що зростання частоти призведе до підвищення цієї небезпеки. Однак це припущення справедливе лише в діапазоні частот до 50 Гц. Подальше ж підвищення частоти, незважаючи на зростання струму, що проходить через людину, супроводжується зниженням небезпеки ураження, котра повністю зникає при частоті 450—500 Гц, тобто струм такої та більшої частоти — не може викликати смертельного ураження внаслідок припинення роботи серця або легенів, а також інших життєво важливих органів. Однак ці струми зберігають небезпеку опіків при виникненні електричної дуги та при проходженні їх безпосередньо через тіло людини. Значення фібриляційного струму при частотах 50—100 Гц практично однакові; при частоті 200 Гц фібриляційний струм зростає приблизно в два рази в порівнянні з його значенням при 50—100 Гц, а при частоті 400 Гц — більше, ніж в 3 рази.

Постійний струм. Постійний струм приблизно в 4—5 разів безпечніший, ніж змінний струм частотою 50 Гц. Цей висновок випливає з порівняння значень порогових невідпускаючих струмів (50—80 мА для постійного та 10—15 мА для струму частотою 50 Гц) і гранично витримуваних напруг: людина, тримаючи циліндричні електроди в руках, в змозі витримати (за больовими відчуттями) прикладену до неї напругу не більше 21—22 В при 50 Гц і не більше 100—105 В для постійного струму. Постійний струм, проходячи через тіло людини, викликає слабші скорочення м'язів і менш неприємні відчуття порівняно зі змінним того ж значення. Лише в момент замикання і розмикання ланки струму людина відчуває короткочасні болісні відчуття внаслідок судомного скорочення м'язів. Порівняльна оцінка постійного та змінного струмів справедлива лише для напруг до 500 В. Вважається, що при більш високих напругах постійний струм стає небезпечнішим, ніж змінний частотою 50 Гц.

Тривалість проходження струму через організм істотно впливає на наслідок ураження: зі зростанням тривалості дії струму зростає ймовірність важкого або смертельного наслідку. Така залежність пояснюється тим, що зі зростанням часу впливу струму на живу тканину підвищується його значення, накопичуються наслідки впливу струму на організм. Зростає також імовірність співпадання моменту проходження струму через серце з уразливою фазою серцевого циклу (кардіоциклу). Зростання сили струму зі зростанням часу його дії пояснюється зниженням опору тіла людини внаслідок місцевого нагрівання шкіри та подразнювальної дії на тканини. Це викликає рефлекторну, тобто через центральну нервову систему, швидку зворотну реакцію організму у вигляді розширення судин шкіри, а відтак — посилення постачання її кров'ю і підвищення потовиділення, що й призводить до зниження електричного опору шкіри в цьому місці.

Наслідки впливу струму на організм полягають в порушенні функцій центральної нервової системи, зміні складу крові, місцевому руйнуванні тканин організму під впливом тепла, що виділяється, в порушенні роботи серця, легенів. Зі зростанням часу дії струму ці негативні фактори накопичуються, а згубний їх вплив на стан організму посилюється. Встановлено, що чутливість серця до електричного струму неоднакова протягом різних фаз його діяльності. Найбільш уразливе серце в фазі Т, тривалість котрої близько 0,2 с. Тому, якщо протягом фази Т через серце проходить струм, то при деякому його значенні виникає фібриляція серця. Якщо ж час проходження цього струму не співпадає з фазою Т, то ймовірність фібриляції різко знижується.

Шлях протікання струму через людину. Практика та експерименти показують, що шлях протікання струму через тіло людини має велике значення з огляду на наслідки ураження. Якщо на шляху струму виявляються життєво важливі органи — серце, легені, головний мозок, то небезпека ураження досить велика, оскільки струм безпосередньо впливає на ці органи. Якщо ж струм проходить іншими шляхами, то його вплив на життєво важливі органи може бути лише рефлекторним, а не безпосереднім. При цьому, хоч небезпека важкого ураження і зберігається, але ймовірність його знижується. До того ж, оскільки шлях струму визначається місцем прикладання струмопровідних частин (електродів) до тіла потерпілого, то його вплив на наслідок ураження зумовлюється ще й різним опором шкіри на різних ділянках шкіри.

Небезпека напруги кроку та розтікання струму при замиканні на землю

Електричним замиканням на землю називають випадкове електричне з’єднання частин електрообладнання, яке знаходиться під напругою, безпосередньо з грунтом або з металевими неструмопровідними частинами, не ізольованими від землі.

Замикання на землю може виникнути внаслідок появи контакту між струмопровідними частинами та заземленим корпусом або конструктивними частинами обладнання, при падінні на землю обірваного дроту, при пробої ізоляції обладнання високої напруги тощо. У всіх цих випадках струм від частин, що знаходяться під напругою, проходить у землю крізь електрод, який здійснює контакт із грунтом. Спеціальний металевиий електрод називають заземлювачем.

Розміри електрода можуть бути різними (від кількох до десятків та сотен метрів); його форма буває дуже складною, і тоді закон розподілу потенціалів в електричному полі електрода визначається складною залежністю. Склад, а також електричні якості грунту – неоднорідні, особливо якщо взяти до уваги шарову будову грунту. З метою спрощення картини електричного поля і його аналізу зробимо припущення, що струм стікає до землі крізь окремий заземлювач напівкульової форми занурений у однорідний і ізотропний грунт з питомим опором ρ, який у багато разів перевищує питомий опір матеріалу заземлювача

Для такого заземлювача, за умови однорідності й електричної ізотропності ґрунту, можна вважати, що струм у всіх напрямках буде розтікатись рівномірно - як показано стрілками на рисунку, а його величина в будь-якому поперечному перетині провідника "земля" буде дорівнювати І_зз. Кожна точка поверхні землі буде під певним потенціалом.

При переміщенні людини в зоні розтікання струму в землі її ноги будуть торкатися ділянок землі з різними потенціа­лами, а на людину буде діяти напруга, яка визначається різницею цих потенціалів і відома під назвою напруга кроку (U_К) - різниця потен­ціалів між двома точками на поверхні землі в зоні розтікання струму які знаходяться на відстані кроку (0,8 м) одна від одної. З наближен­ням до місця замикання на землю величина напруги кроку буде зро­стати, і вона може досягти небезпечних для людини значень вже при напрузі електроустановок 0,4 кВ, а в сиру погоду та за зволоженого ґрунту і при меншій напрузі. Тому Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів за наявності замикання на землю за­бороняють наближатися до місця замикання ближче 8 м поза при­міщенням і 4 м в приміщенні без застосування засобів захисту - ді­електричні боти, галоші, суха дошка, сухе гумове взуття тощо.

Чисельно крокова напруга дорівнює різниці потенціалів точок, на котрих знаходяться ноги людини U_К = φ₁-φ₂ =βU_ф

де β коефіцієнт крокової напруги, котрий залежить від виду заземлювачів, відстані від заземлювача та ширини кроку (чим ближче до заземлювача і чим ширший крок, тим більша величина β . Коефіцієнт крокової напруги β<0,3

Напруга дотику — це напруга між двома точками ланки струму, котрих одночасно торкається людина. Чисельно вона дорівнює різниці потенціалів корпуса φ_к та точок грунту, в котрих знаходяться ноги людини φ_н U_дот =φ_к -φ_н =αU_ф.

U_дот =φ_к -φ_н =αU_ф. Де α- коефіцієнт напруги дотику(α<1,0).

Небезпека ураження в електричних мережах різного типу

Оцінка безпеки дотику до струмопровідних частин зводиться до визначення струму, що протікає крізь людину, і порівняння його з допустимими значеннями.

Безпека ураження при дотику до струмопровідних частин залежить від номінальної напруги електроустановки і режиму нейтралі джерела живлення. За напругою ПУЕ розрізняють електроустановки (мережі) напругою до 1 кВ та електроустановки напругою вище 1 кВ. За режимом нейтралі бувають електроустановки (мережі) з ізольованою нейтраллю джерела живлення (генератора або трансформатора) і глухозаземленою нейтраллю джерела живлення.

Глухозаземлена нейтраль – нейтраль генератора або трансформатора, приєднана до заземлювального пристрою безпосередньо або через малий опір (наприклад, через трансформатори струму).

Ізольована нейтраль – нейтраль генератора або трансформатора, не приєднана до заземлювального пристрою або приєднана до нього через великий опір приладів сигналізації, вимірювання та інших подібних до них пристроїв, наявність яких практично не впливає на струм замикання на землю.

ПУЕ дозволяють використовувати трифазні трипровідні мережі з ізольованою нейтраллю та трифазні чотирьохпровідні мережі з глухозаземленою нейтраллю.

Дія електричного струму залежить від умов включення людини в електричну мережу. Схема включення тіла людини в електричне коло може бути однофазною, коли людина дотикається до однієї фа­зи електроустановки, що перебуває під напругою, і двофазною, коли людина дотикається до двох фаз.

Двохфазне доторкання, як правило, більш небезпечне, оскільки до тіла людини прикладається найбільша в даній мережі напруга — лінійна, а струм має, незалежно від режиму нейтралі, найбільше значення, А:

Випадки двофазного дотикання відбуваються дуже рідко — при роботі на щитках, повітряних лініях з несправними засобами захис­ту (монтерські інструменти з пошкодженою ізоляцією, діелектричні рукавиці з проколом).

Однофазне дотикання є менш небезпечним, ніж двофазне, але воно виникає набагато частіше.

Випадки дотикання людини до проводів трифазної електри­чної мережі: а — двофазне; б і в — однофазне дотикання; Z1 Z2 Z3 - повний опір дротів відносно землі, Uф — фазна напруга, I_h — струм, що проходить крізь тіло людини

Небезпека електричних мереж з ізольованою чи глухозаземленою нейтраллю залежить від напруги та режиму (аварійний чи нор­мальний) роботи електричного устаткування. У електричних устано­вках напругою до 1000 В при нормальному режимі (без обривів та пошкодженої ізоляції) мережа з ізольованою нейтраллю безпечніша, ніж із глухозаземленою, а при аварійному режимі (обірваний прові­дник, що дотикається землі, або пошкоджена ізоляція) безпечнішою є мережа з глухозаземленою нейтраллю. При напрузі понад 1000 В однаково небезпечні електроустановки з ізольованими і з глухозаземленими нейтралями. Будь-яке одно- або двофазне дотикання до цих мереж є дуже небезпечним.

Схема мережі, а відтак і режим нейтралі джерела струму, що живить цю мережу, вибирається за технологічними вимогами, а та­кож за умовами безпеки.

Мережі з глухозаземленою нейтраллю треба використовувати там, де неможливо забезпечити добру ізоляцію дротів та постійний контроль за станом ізоляції або коли не можна швидко знайти та усунути пошкодження ізоляції, коли ємнісні струми великі (кабельні лінії). Це міські та сільські мережі, мережі крупних підприємств, портів та ін.

Мережі з ізольованою нейтраллю треба використовувати там, де можливо забезпечити добру ізоляцію дротів та постійний контроль за станом ізоляції та коли можна швидко знайти та усунути пошкодження ізоляції, коли можна компенсувати ємнісні струми. Усіма класифікаційними товариствами на морських суднах дозволяються тільки мережі з ізольованою нейтраллю.