4. CONDUCTOARE BIOLOGICE. EFECTELE TRECERII CURENTULUI ...retele.elth.ucv.ro/Mircea Paul...

Electrosecuritatea instalaţiilor energetice Tema nr. 4

1

4. CONDUCTOARE BIOLOGICE. EFECTELE TRECERII CURENTULUI

ELECTRIC PRIN CONDUCTOARE ELECTROBIOLOGICE (ORGANISME VII)

4.1. Efectele periculoase ale trecerii curentului electric prin corpul uman Trecerea curentului electric printr-un conductor biologic, în particular prin corpul omului

este însoţită de fenomene al căror efecte se manifestă sub forme multiple şi complexe ce duc la compromiterea funcţiilor vitale. Aceste fenomene se produc atunci când intensitatea curentului depăşeşte valoarea limită tolerată de organism.

Moartea se datorează fibrilaţiei ventriculare: ea este provocată de o dereglare a interdependenţei dintre elementele miocardului.

Pericolul producerii fibrilaţiei ventriculare este mai mare la acţiunea curentului electric alternativ de frecvenţă industrială de intensitate mare peste 30 mA (diagrama nr. 4.3.).

Deoarece s-au descris cazuri experimentale de fibrilaţie ventriculară sub acţiunea curentului electric ce a trecut prin membrele inferioare („traseu” membru inferior-membru inferior), deci nu a trecut prin inimă, se poate confirmă faptul că fibrilaţia ventriculară se datorează atât unei acţiuni directe dar şi unei acţiuni indirecte, pe cale reflexă.

Intensitatea curentului trebuie să aibă o anumită mărime pentru a fi susceptibilă de a

produce excitaţii. Omul, conform diagramelor din figurile nr. 4.3. şi nr. 4.4., nu percepe curenţi ale căror valori sunt mai mici de 2 mA în cazul curentului continuu şi de 0,5mA în cazul curentului alternativ a cărei frecvenţă este de 50 Hz.

Valoarea curentului care trece prin corpul omului, la atingerea unui element aflat sub tensiune, depinde in mare masura de tipul retelei la care este racordat elementul respectiv.

Limitele maxime admise ale curenţilor prin corpul uman, s-au stabilit în funcţie de felul curentului (continuu sau alternativ), de numărul sistemelor de eliminare a defectelor, de timpul de deconectare al protecţiei de bază, stabilită conform documentaţiei tehnice specifice.

Frecvenţa cea mai periculoasă este frecvenţa de 50 Hz care se utilizează în mod curent

în instalaţiile electrice de utilizare. Odată cu creşterea frecvenţei, curentul alternativ este mai puţin periculos, astfel, curentul

electric alternativ cu frecvenţa de 100 – 270 Hz este mai puţin periculos decât curentul cu frecvenţa de 50 Hz.

Scăderea importantă a acţiunii biologice a curenţilor electrici începe de la frecvenţa de peste 70.000 Hz, iar peste 100.000 Hz curentul electric nu mai prezintă nici un pericol.

Energia electrică sub formă de curent alternativ cu frecvenţă mai mare de 50/60 Hz este din ce în ce mai mult utilizată la echipamentele electrice moderne, de exemplu la maşinile portabile şi la sudarea electrică (în general până la 450 Hz), în electroterapie (în general între 4000 Hz şi 5000 Hz) şi în comutaţia electronică a circuitelor de alimentare (de putere) (de la 20 kHz până la 1 MHz).

Efectele curentului alternativ cu frecvenţe mai mari de 100 Hz sunt puţin cunoscute pentru că există puţine date experimentale, astfel încât informaţiile cunoscute până la ora actuală pot fi considerate doar provizorii, dar ele pot fi utilizate pentru evaluarea riscurilor în domeniile de frecvenţe avute în vedere.

Durata de acţiune a curentului este, de asemenea, un factor care influenţează indirect acţiunea curentului electric asupra omului. Cu cât durata de acţiune a curentului electric este mai mare cu atât rezistenţa corpului omenesc scade. In momentul trecerii curentului electric prin


organism se produce contracţia unor grupe musculare, care pot avea drept consecinţă:

− fie desprinderea cu forţa a persoanei de sursa de curent, întrerupând astfel trecerea curentului electric prin organism

− fie fixarea şi mai puternică a victimei (de ex. mâinii) de elementul sub tensiune, prelungind astfel timpul de acţiune a curentului electric prin organism

Pentru un acelaşi traseu al curentului prin corpul omului, pericolul asupra persoanelor depinde în primul rând de intensitatea şi de durata trecerii 'curentului.

Traseul parcurs de curentul electric prin corpul uman este traseul parcurs de curentul

electric de la punctul de intrare la punctul de ieşire Curentul electric are acţiune asupra organismului numai atunci când omul devine un circuit al curentului electric.

Curentul electric nu parcurge un drum liniar, care uneşte punctul de intrare cu punctul de ieşire, ci parcurge traseele cele mai „uşoare” ce poate cuprinde, uneori, toate părţile organismului.

In general, curentul urmează totuşi traseul cel mai scurt între punctul de intrare şi cel de ieşire şi iar cel mai defavorizant traseu este traseul ce trece prin cord şi centrii nervoşi.

Traseul de la un picior la celălalt picior, este considerată mai puţin periculos decât traseul de la o mână la cealaltă mână. Traseul cel mai periculos fiind cel prin extremităţile superioare şi inferioare, deoarece în acest caz curentul electric va trece prin inimă.

Pentru a pune in evidenţă care este cel mai periculos traseu al curentului electric prin corpul uman s-a definit factorul de curent de cord F.

Factorul F este raportul dintre curentul Iref, care trece prin corpul uman pe traseul mână stângă cele două picioare, şi curentul Ih care trece prin corp pe diverse trasee, curenţi care prezintă acelaşi pericol:

IIF

h

ref= (4.1.)

FII ref

h = (4.2.)

În tabelul nr. 4.1. este redat factorul de curent de cord F pentru diferite trasee de curent

Tabelul 4.1. - Factorul de curent de cord F pentru diferite trasee de curent. Traseu de curent Factorul de

curent de cord F

Mână stângă la piciorul stâng, la picior drept sau la ambele picioare

1,0

Ambele mâini la picioare 1,0 Mâna stângă la mâna dreaptă 0,4 Mână dreaptă la piciorul stâng, la piciorul drept sau la ambele

picioare 0,8

Spate la mâna dreaptă 0,3 Spate la mâna stângă 0,7 Piept la mâna dreaptă 1,3 Piept la mâna stângă 1,5 Şezut la mâna stângă, mâna dreaptă sau la ambele picioare 0,7

2


Starea fizică a omului. S-a constatat că şocul electric se manifestă mult mai puternic

dacă omul se află în stare de oboseală fizică sau în stare de ebrietate. De asemenea, s-a constatat că femeile şi copii sunt mai sensibili la şocul electric decât bărbaţii.

Factorul ,,surpriza” are un rol foarte important prin afectarea sistemului nervos. In

aceleasi conditii, moartea electrocutatului se poate produce intr-un timp mai scurt si la valori de curent mici, daca acesta nu se astepta sa fie supus unui soc electric.

Rezistenţa electrică a corpului uman este un factor important pentru determinarea

pericolului generat de energia electrică dar şi un factor important în stabilirea valorii limită a rezistenţei dielectrice a echipamentelor de protecţie.

Valoarea rezistenţei electrice a corpului uman are valori diferite şi depinde de ţesutul

muscular, sistemul osos, aparatul circulator, organele interne, de sistemul nervos şi de procesele biofizice şi biochimice care au loc în organism.

Rezistenţa electrică totală a corpului uman, depinde de rezistenţa electrică a stratului din

piele. Rezistenţa electrică Rp a pielii poate fi exprimată prin relaţia:

SdR p⋅

=ρ

, (4.3.)

în care: ρ este rezistivitatea electrică a pielii, corespunzătoare suprafeţei de contact; d − grosimea pielii; S − aria suprafeţei de contact. Rezistenţa electrică Rp a pielii depinde şi de aria suprafeţei de contact şi de partea a

corpului cu care s-a atins elementul sub tensiune, elemente de care trebuie să se ţină cont pentru a determina valoarea rezistenţei dielectrice a echipamentelor de protecţie electroizolante.

Valorile ρ şi d pot fi extrem de diferite nu numai pentru persoane diferite, dar chiar şi la

aceeaşi persoană; ele pot să se modifice în limite largi, în raport cu locul contactului. Impedanţa omului ce se poate considera un conductor electric neomogen, numită şi

impedanţa biologică Zh, este o combinaţie de rezistenţe electrice R şi reactanţe capacitive 1/ω⋅C, care se poate scrie sub forma:

222

ω1C

RZh⋅

+= , (4.4)

în care: C reprezintă capacitatea electrică totală a corpului uman, compusă dintr-o capacitate

electrostatică care apare la aplicarea unei tensiuni pe suprafaţa exterioară a pielii şi o capacitate de polarizare datorate fenomenului de polarizare la trecerea curentului electric prin organismul uman.

În calculele practice se neglijează influenţa capacităţilor, astfel încât, în final, impedanţa

biologică este considerată ca o rezistenţă electrică echivalentă.

3


Schema electrică echivalentă a impedanţei biologice între două puncte de contact ale

pielii este indicată în figura nr. 4.1.

Piele Tesut Piele

Contact 1

Contact 2

RT

CT

RT

CP2

RP1

RP2

CP1

Figura 4.1. − Schema electrică echivalentă a circuitului electric prin organismul uman Rezistenţa electrică totală a corpului uman se compune, pe de o parte, din rezistenţa

electrică a pielii şi a ţesuturilor profunde ale acesteia, numită rezistenţă exterioară şi, pe de altă parte, rezistenţa organelor interne, numită rezistenţă interioară.

Dacă tensiunea aplicată are o valoare cunoscută şi deci măsurabilă, nu acelaşi lucru se poate afirma despre rezistenţa electrică exterioară a conductorului electrobiologic care se modifică în limite extrem de largi, în raport cu o serie de factori: valoarea tensiunii aplicate, locul de pe corpul uman în care se produc contactul cu sursa de tensiune, aria suprafeţei de contact, presiunea de contact, umiditatea mediului înconjurător, durata de acţiune a curentului electric.

Valoarea rezistenţei electrice a corpului uman e diferită de la persoană la persoană. Din datele statistice s-a constat că bărbaţii au o rezistenţă electrică mai mare decât femeile sau copii. S-a constat de asemenea ca persoanele care sunt grase au rezistenţă electrică mai mare decât o persoană slabă.

Tabelul 4.2. indică valorile aproximative ale rezistivităţii pentru diferite părţi ale corpului omului la o temperatură normală a corpului. Valorile se aplică pentru curenţii alternativi de joasă frecvenţă sau pentru curentul continuu.

Tabelul 4.2. – Rezistivitatea ţesuturilor corpului omului

Ţesuturile corpului omului Rezistivitate Ω⋅cm

Sânge Fluid cerebrospinal Braţ (parte a corpului) Muşchii scheletului Gât (parte a corpului)

62,9 * 64,6 160 240 280

4


Degete şi mână (parte a corpului) Torace (parte a corpului) Trunchi (parte a corpului) Creier Cap (parte a corpului) Muşchiul cardiac Os

280 375 – 455

415 588 840

925 – 1150 16 000

* Această valoare se aplică în acest exemplu plasmei fără celule. Când, în acest exemplu, numărul celulelor creşte, rezistivitatea creşte până la o valoare care poate atinge 300 Ω⋅cm. NOTA – Corpul omului nu este omogen în constituţia sa şi de asemenea rezistivitatea sa. Valorile date în acest tabel, mai ales cele care corespund părţilor corpului trebuie să fie considerate ca valori medii.

De asemenea, rezistenţa electrică depinde şi de traseul căii de curent electric: este mai

mare în cazul unei căi de curent electric mână – mână (fig. 4.2 a)) decât în cazul unei căi de curent electric mână – picior (fig. 4.2 b)) şi cu mult mai mare decât o cale de curent electric mâini – picioare (fig. 4.2 c)).

6000 Ω

4000 Ω 2000 Ω

a) b) c) Fig. 4.2.− Rezistenţa electrică a corpului uman faţă de un circuit electric, pe diferite căi de curent electric: a) fază − neutru sau fază − fază ale unui circuit electric cu calea mână − mână; b) fază − pământ, cu calea de curent

electric mână − picior; c) fază − pământ, cu calea de curent electric, ambele mâini − picioare.

De subliniat şi faptul că rezistenţa electrică depinde de momentul intercalării în circuitul

electric (noaptea sau ziua, iarna sau vara), cât şi de particularităţile reflexului psihologic. Valorile cele mai mici sunt atinse în orele de intensă activitate.

Umiditatea, transpiraţia, substanţele chimice bune conductoare, praful bun conductor din metal sau cărbune etc., în contact cu corpul uman, scad rezistenţa electrică a conductorului electrobiologic. Această rezistenţă electrică poate să se micşoreze şi ca urmare a temperaturii mediului ambiant sau a duratei trecerii curentului.

4.2. Efectele curentului de frecvenţă industrială (15 HZ ... 100 Hz) În funcţie de parametri de mai sus, pentru fiecare caz în parte, se poate trasa o diagramă

timp-curent, împărţită în zone de curbe-prag, în fiecare zonă având loc un anumit fenomen datorat trecerii curentului electric prin corpul uman.

5


Diagrama nr. 4.3. – Zone curent-timp ale efectelor curentului alternativ (15 Hz până la 100 Hz) asupra persoanelor [80].

În diagrama nr. 4.3. sunt prezentate zonele timp-curent ale efectelor curentului electric

de frecvenţă industrială (15 Hz .... 100 Hz), pentru traseul curentului de la mâna stângă la ambele picioare.

În general aceste zone sunt caracterizate prin următoarele efectele fiziologice: Zona 1 - omul nu simte trecerea curentului; Zona 2 - în mod normal nici un efect fiziologic periculos; Zona 3 - în mod normal nici un pericol organic, efectele fiziologice având caracter

reversibil; Zona 4- în plus apare fibrilaţia ventriculară. Se poate produce oprirea inimii, oprirea

respiraţiei şi arsuri grave. Curbele ce delimitează zonele curent – timp reprezintă: - pragul de percepţie, adică valoarea minimă a curentului pe care-l simte omul prin care

trece acest curent - curba “a”. - pragul de nedesprindere, adică valoarea maximă a curentului pentru care omul poate

să se desprindă de piesa prin care este în contact cu curentul electric - curba “b”. - pragul de fibrilaţie ventriculară, adică valoarea minimă de curent care provoacă

fibrilaţie ventriculară. Probabilitatea apariţiei fibrilaţiei ventriculare creşte până la 5 % (curba c1), pâna la 50 % (curba c2), peste 95 % (curba c3) - curbele “c” .

În curent alternativ de 50 de Hz se disting următoarele praguri: .

curentul minim de percepere a curentului: mAI percepþie 5,0=

6


curentul considerat nepericulos, indiferent cât timp trece prin corpul omului: mAI snepericulo 10=

curentul maxim la care omul se poate desprinde singur de piesa sub

tensiune: mAI edesprinder 30=

4.4. Efectele curentului continuu Accidentele în curent continuu sunt mai rare decât la frecvenţă industrială, deoarece în

curent continuu este mai uşor de a abandona piesele ţinute în mână, iar pragul de fibrilaţie ventriculară este mai ridicat decât în curent alternativ.

Principalele diferenţe între efectele curentului alternativ şi cele ale curentului continuu asupra corpului omului sunt:

− excitaţiile de curent (stimularea nervilor şi a muşchilor care provoacă fibrilaţie inimii) sunt legate de variaţiile de intensitate, în special la stabilirea şi întreruperea curentului;

− pentru a provoca aceeaşi excitaţie, intensităţile de curent sunt de 2....1 ori mai mari în curent continuu decât în curent alternativ.

Factor de echivalare (k) între curentul continuu şi curentul alternativ este raportul între

curentul continuu şi valoarea eficace a curentului alternativ care prezintă aceeaşi probabilitate de a provoca fibrilaţia ventriculară. .

Pentru durata de şoc superioară duratei unui ciclu cardiac, factorul de echivalare este aproximativ egal cu:

75,3==−

−

effibrilatieca

fibrilatiecc

II

k (4.5.)

Efectele curentului continuu de la trecerea prin corpul depinde polul care este atins si

traseul pe care curentul. În diagrama nr. 4 sunt prezentate zonele timp-curent în curent continuu ascendent, pentru

traseul mână stângă picioare. La nivelul pragului de percepţie sunt percepute doar stabilirea şi întreruperea curentului.

În timpul trecerii curentului la nivelul pragului de percepţie nu se percepe nici o senzaţie. Pragul de percepţie este în jur de 2 mA.

Nu există cazuri de nedesprindere în curent continuu pentru o intensitate de curent inferioară valorii de circa 300 mA. Doar stabilirea şi întreruperea curentului provoacă dureri şi contracţii muşchiulare. Pentru curenţii superiori intensităţii de 300 mA, posibilitatea de desprindere apare după câteva secunde sau chiar minute după şoc, sau poate să nu apară deloc.

Pragul de fibrilaţie pentru un curent longitudinal descendent este de două ori mai mare decât pentru un curent ascendent. Pentru, curenţii transversali mână-mână, este puţin probabil să se producă fibrilaţia ventriculară. Curenţii transversali de intensitate mare sau egală cu 300 mA, care trec prin corpul omului timp de mai multe minute provoacă aritmii cardiace reversibile, mărci de curent, arsuri, ameţeli şi câteodată pierderea conştiinţei. Peste 300 mA, pierderea conştiinţei se produce în mod frecvent.

De menţionat că pentru curenţii inferiori valorii de circa 300 mA, în timpul trecerii curentului, se simte o senzaţie de căldură la extremităţii.

7


În curent continuu se disting următoarele praguri:.

curentul minim de percepere a curentului: mAI percepþie 2=

curentul considerat nepericulos, indiferent cât timp trece prin corpul omului: mAI snepericulo 50=

Diagrama nr. 4.4. – Zonele timp/curent ale efectelor curentului continuu asupra persoanelor [80]. Curentul continuu a fost considerat întotdeauna mai puţin periculos decât curentul

alternativ şi în special faţă de curentul alternativ cu frecvenţa industrială de 50 Hz. Explicaţia constă în faptul că, în cazul curentului industrial de 50 Hz, se produc convulsii care fac ca omul să nu se poată elibera de sub acţiunea curentului de valori relativ mici. Atât la noi, cât şi în alte ţări, numărul de accidente mortale la curent continuu este redus.

4.5. Efectele curentului electric asupra pielii Un alt tip de accident datorat curentului electric sunt arsurile cauzate de arcurile

electrice, care au, de obicei, consecinţe grave. Uneori pot produce numai distrugerea stratului de piele, alteori sunt mai profunde şi pot distruge muşchii, grăsimea, nervii, oasele. Dacă s-au produs pe o suprafaţă mare a corpului sau dacă au atins organe importante pentru viaţa omului ele pot duce la moartea accidentatului.

In general arsurile datorate curentului electric sunt mai periculoase decât arsurile din alte cauze. Ele sunt provocate de căldura dezvoltată în corp de curentul care-l străbate şi sunt cu atât mai grave cu cât valoarea curentului şi timpul de trecere sunt mai mari.

Degradarea pielii umane depinde de densitatea curentului is (mA/ mm2) şi de durata trecerii curentului.

8


9

Tabelul 4.3. – Efectele curentului electric asupra pielii

sub 10 mA/mm2 În general nu se observă nici o modificare a pielii. Pentru durate mai mari ale trecerii curentului (mai multe

secunde) pielea de sub electrod poate deveni albă – gri cu o suprafaţă rugoasă (zona 0);

între 10 mA/mm2 şi 20 mA/mm2

Poate apare o roşeaţă a pielii cu o umflătură discretă de culoare deschisă, de-a lungul marginilor electrozilor(zona 1);

între 20 mA/mm2 şi 50 mA/mm2

Se dezvoltă o culoare brună sub electrodul amplasat sub piele.

Pentru durate mai mari alte trecerii curentului (de mai multe

zeci de secunde), pot fi observate în jurul electrodului (zona 2), mărci de curent (băşici)

peste 50 mA/mm2 Se poate produce o carbonizare (zona 3)

Arsurile se datorează în general căldurii mari dezvoltate de arcul electric. Sunt şi arsuri

produse de trecerea unui curent foarte mare prin corpul omului. În figura nr. 4.5. este prezentată dependenţa deteriorărilor pielii omului funcţie de

densitatea curentului (mA/mm2) şi de durata trecerii curentului Metalizările pielii pot avea loc în general când omul se află în apropierea unui arc

electric sau când atingerea unui element aflat sub tensiune se produce prin intermediul unui arc electric

Metalizarea pielii se datorează pătrunderii în tegument a stropilor de metal topit; ea devine gravă numai dacă substanţele intrare în piele dau infecţii.

In cele mai numeroase cazuri, arsurile şi metalizările pielii au loc la elemente aflate normal sub tensiune astfel încât pot fi considerate accidente prin atingere directă. Ca urmare mijloacele folosite pentru protecţia împotriva electrocutărilor prin atingere directă sunt în general suficiente şi pentru înlăturarea pericolelor de arsuri sau metalizare a pielii.

Echipamentele de protecţie pentru lucru sub tensiune cum sunt protectoarele flexibile

(teci electroizolante) sau cele fixe (manşoane electroizolante) şi in special cele care manevrea siguranţelor fuzibile tip MPR trebuie să fie rezistente la efectele arcului electric şi inclusiv la stropi de metal.


Zona 3: carbonizarea pielii Zona 2: mărci de curent Zona 1: înroşirea pielii Zona 0: nici un efect

Figura nr. 4.5. - Dependenţa degradării pielii omului în funcţie de densitatea curentului iT şi de t durata de trecere a curentului

4.6. Alte efecte generate de energia electrică asupra corpului uman Din studiile efectuate s-a constata si alte acţiuni ale curentului electric asupra corpului

uman ca:

Acţiunea electrolitică: La trecerea curentului electric prin corpul uman se poate produce fenomenul de

electroliză intracelulară (mai ales în cazul curentului continuu în protoplasma celulară), prin disocierea sărurilor de sodiu şi potasiu, apar acizi şi baze puternice (acid clorhidric, hidroxid de sodiu, hidroxid de potasiu) care provoacă coagularea proteinelor şi moartea celulei.

Dacă celulele lezate fac parte dintr-un organ vital (centrii nervoşi superiori, centrii nervoşi ai automatismului cardiac, etc.) se produc tulburări importante în funcţionarea acestora, care pot avea drept consecinţe moartea întregului organism.

Acţiunea mecanică:

La trecerea curentului electric prin corpul uman se pot produce rupturi ale ţesutului muscular, ale vaselor sanguine, a pielii, ţesut nervos. Aceste rupturi nu se deosebesc de loviturile cu un corp dur şi se cunosc cazuri când curentul electric a rupt pielea sau alt organ, fără să fi lăsat cea mai mică urmă de arsură.

Acţiune termică:

In urma studiilor s-a că trecerea curentului electric prin corpul uman se pot produce arsuri pe interiorul vaselor sangvine.

Dereglarea proceselor bioelectrice interne (în muşchi, în special în timpul contracţiei miocardului, în sistemul nervos central şi periferic) apar mereu biocurenţi electrici, care sunt dereglaţi de acţiunea curentului electric exterior, aceste dereglări sunt legate strâns de funcţiile

10


11

vitale ale ţesutului viu şi se manifestă în special la nivelul sistemului nervos central, producând excitaţia sau inhibiţia lui.

Ar trebui luate în considerare rănirile neelectrice asociate, cum sunt rănirile traumatice. Câmpurile electrice de valoare ridicată traversând membranele celulelor pot produce

deteriorarea celulelor cum sunt cele ale muşchilor scheletului. Acesta nu este un efect termic. S-a observat aceasta, de exemplu, la curenţi mari şi de durată scurtă (cum este curentul de atingere cu liniile de distribuţie de tensiune înaltă). Un câmp electric de valoare ridicată care traversează membranele celulelor poate forma găuri în membrane. Acest efect este denumit electroporaţie. Aceste găuri se pot forma şi se pot închide imediat, sau se pot lărgi, devenind instabile şi ca urmare să producă o rupere a membranelor celulelor. Ţesuturile sunt definitiv distruse. Se poate produce o necroză în ţesuturi. Electroporaţia nu este limitată la o valoare a curentului, la un anumit traseu al curentului sau la o durată de trecere.

4. CONDUCTOARE BIOLOGICE. EFECTELE TRECERII CURENTULUI ...retele.elth.ucv.ro/Mircea Paul...

Documents

Transcript of 4. CONDUCTOARE BIOLOGICE. EFECTELE TRECERII CURENTULUI ...retele.elth.ucv.ro/Mircea Paul...