Факторы, определяющие действие электрического тока на организм человека

Опасное воздействие электрического тока на организм человека зависит главным образом от величины и длительности действия тока, протекающего через тело человека; пути протекания тока в теле человека; рода и частоты тока; состояния организма и физиологических особенностей человека; сопротивления тела человека; свойства электрической сети, т.е. режим работы ее нейтрали; факторов настороженности и повышенного внимания человека; факторов окружающей среды.

Величина тока. В зависимости от последствий воздействия тока на организм человека различают:

- ощутимый ток – наименьшее значение тока, который ощущается человеком (согласно опытам для разных людей этот ток колеблется в пределах: 0, 5-2 мА – при переменном токе частотой 50 Гц и 5-7 мА – при постоянном токе);

- отпускающий ток - наибольшее значение тока, при котором человек сохраняет способность самостоятельно освободиться от контакта с частями, находящимися под напряжением (это ток до 6-10 мА частотой 50 Гц и 30-40 мА постоянного тока);

- неотпускающий ток – наименьшее значение тока, при котором человек теряет возможность самостоятельно освободиться от действия электрического тока, величина которого при частоте 50 Гц составляет от 11-15 мА и 50-80 мА постоянного тока, и который вызывает сокращение мышц руки, удерживающей проводник с током;

- фибрилляционный ток – ток, при котором наступает фибрилляция сердца и остановка дыхания.

Фибрилляция сердца – это хаотичное самопроизвольное (аритмичное) сокращение волокон сердечной мышцы (фибрилл), при которых сердце теряет возможность нагнетать кровь в артерии и сосуды. Фибрилляция наступает при токах более 50 мА частотой 50 Гц и длительности действия 2-3 минуты.

При фибрилляции сердца дыхание может продолжаться еще 2-3 минуты, а т.к. вместе с кровообращением прекращается и снабжение организма кислородом, то у человека наступает быстрое резкое ухудшение общего состояния и дыхание прекращается. Фибрилляция продолжается короткое время и завершается полной остановкой сердца. Наступает клиническая смерть.

При токах 20-25 мА частотой 50 Гц человек начинает ощущать затруднение дыхания вследствие судорожного сокращения мышц грудной клетки, попавших в поле действия протекающего тока. В случае длительного протекания тока у человека наступает асфикция – состояние, вызываемое недостатком кислорода и накоплением в организме углекислоты, что влечет потерю сознания, чувствительности, прекращение дыхания, остановку сердца или его фибрилляцию, т.е. наступает клиническая смерть.

Верхним пределом фибрилляционного тока считается сила тока, равная 5 А. При таких и более высоких значениях тока имеет место резкое сокращение сердечной мышцы и остановка сердца, минуя стадию фибрилляции.

Продолжительность действия электрического тока на организм человека имеет существенное значение, т.к. под действием тока резко снижается сопротивление тела человека.

Зависимость величины кратковременного безопасного переменного тока от продолжительности его воздействия может быть определена в первом приближении выражением, полученным Дальзиелем [1] на основании проведенных им многочисленных опытов:

, А, (1)

где t – длительность действия тока, с.

По данным Дальзиеля, эта формула действительна для токов свыше 40-50 мА и длительности воздействия в пределах от 0, 03 до 3 с.

Необходимо отметить, что опыты Дальзиеля относятся к значениям тока, безопасным в отношении фибрилляции, т.е. прямого действия тока на сердечную мышцу. Однако смертельный исход в результате прекращения дыхания или рефлекторного шока может наступить и при меньших значения тока.

Специальная Комиссия, созданная Центральным правлением инженерно-технического общества энергетиков, на основании обобщения отечественных и зарубежных исследований предложила установить наибольшие допустимые для человека токи при различных длительностях их воздействия, которые приведены в табл. 1 и вошли в ГОСТ 12.1.038-82 (с изменениями от 1.07.88).

Таблица 1

Наибольшие допустимые для человека токи

В таблице приведены соответствующие этим токам значения расчетного сопротивления тела человека и напряжения прикосновения.

Путь протекания тока. Экспериментальные и опытные исследования показывают, что если на пути протекания тока через тело человека оказываются жизненно важные органы, такие как: сердце, легкие, головной мозг, то тяжесть поражения электрическим током существенно возрастает. Если же ток проходит другими путями, то его влияние на жизненно важные органы может быть только рефлекторным, а не непосредственным.

Возможных путей протекания тока через тело человека множество. Статистика показывает, что чаще всего случаи с тяжелыми и смертельными последствиями возникают при протекании тока по путям: «рука-рука» (40% случаев), «правая рука-нога» (20% случаев), «левая рука-нога» (17% случаев), «нога-нога» (6% случаев) [2].

Род тока. Действующие в настоящее время электротехнические нормы и правила не разграничивают в отношении опасности постоянный и переменный токи, хотя приведенные выше значения неотпускающего тока явно показывают меньшую опасность постоянного тока по сравнению с переменным. Ряд исследователей [3, 4] объясняют это в первую очередь тем, что из-за наличия в сопротивлении тела человека емкостной составляющей повышение частоты сопровождается снижением полного сопротивления (импеданса) и в силу этого – ростом тока.

Частота тока. На основании опытных данных установлено, что электрический ток промышленной частоты 50 Гц является наиболее опасным для человека. Увеличение частоты тока до 2000-2500 Гц мало влияет на снижение опасного воздействия на организм человека. Дальнейший рост частоты тока сопровождается снижением опасности поражения человека (т.к. не влечет прекращения работы сердца и других жизненно важных органов). Однако эти токи сохраняют опасность ожогов при прохождении их непосредственно через тело человека. Значение фибрилляционного тока при частотах 50-100 Гц практически одинаковы; при увеличении частоты до 200 Гц он возрастает почти в 2 раза, при частотах 400-500 Гц – более чем в 3 раза. А применяемые в медицине для глубокого прогрева токи частотой в сотни тысяч герц (диатермия) являются безопасными несмотря на то, что величина тока достигает 1 А и более.

Состояние организма и физиологические особенности человека. Действия электрического тока на человеческий организм в известной мере зависит от химического состава крови, количества проводящих щёзлочей и кислот, от психического состояния человека и ряда других факторов. В состоянии бодрствования или при напряженном внимании человека вредное действие тока ослабляется. В состоянии опьянения человека или при неожиданном его поражении действие тока становится более опасным. Особо восприимчивы к действию электрического тока люди, которые имеют заболевания кожи, сердечнососудистой системы, органов дыхания и внутренней секреции.

Квалификация и опыт, повышенное внимание и ответственность за свои действия позволяют снизить опасность поражения электрическим током.

Сопротивление тела человека зависит от множества факторов: места контакта, размеров поверхности соприкосновения, состояния кожи (толщина рогового слоя), ее влажности, загрязненности, величины приложенного напряжения и протекающего тока, под действием которого сопротивление тела человека, обладающего нелинейностью, сильно меняется.

При напряжении до 20-30 В сопротивление тела человека остается почти неизменным. С увеличением приложенного напряжения в пределах от 30 до 250 В сопротивление тела резко уменьшается. Объясняется это тем, что помимо нагрева и электролитических изменений при напряжении около 250 В наступает резко выраженный электрический пробой кожи, в связи с чем создается контакт с хорошо проводящими тканями тела человека; при этом сопротивление может снизиться от нескольких десятков и сотен тысяч до 1000 Ом и ниже. При напряжении порядка 250 В и выше величина сопротивления тела человека уже мало зависит от состояния кожи и степени ее влажности. В практических расчетах сопротивление тела человека принимается равным 1000 Ом.

Режим нейтрали электрической сети – одно из ее свойств, в значительной степени определяющее воздействие электрического тока на организм человека. Но независимо от режима нейтрали наиболее опасным в отношении поражения электрическим током является случай одновременного прикосновения человека к токоведущим частям двух фаз сети (рис. 1).

Рис.1. Цепь тока в случае прикосновения человека к двум фазам электрической сети.

Величина тока, протекающего через тело человека, в этом случае будет иметь максимальное значение:

, (2)

где - линейное напряжение сети;

- сопротивление тела человека.

Более частым случаем является прикосновение человека, стоящего на почве, к одной из фаз сети. Величина тока, протекающего в этом случае через человека, а следовательно, и опасность поражения током будет зависеть при прочих равных условиях от того, заземлена или изолирована нейтраль электрической сети.

Изолированной нейтралью называется нейтраль (нулевая точка) трансформатора или генератора, изолированная от земли или присоединенная к заземляющему устройству через аппаратуру компенсации емкостных токов сети, имеющей большое активное сопротивление. Прикосновение к одной из фаз такой сети не вызывает протекания тока через тело человека и поэтому сети с изолированной нейтралью являются менее опасными в отношении поражения человека электрическим током при условии, что данная сеть имеет весьма малую емкость на землю (рис. 2).

Рис.2. Цепь тока в случае прикосновения к сети с изолированной нейтралью (при с = 0).

Чаще сети с изолированной нейтралью, а особенно кабельные сети при большой протяженности, имеют достаточно существенную емкость фазных проводов относительно земли и это значительно повышает опасность поражения электрическим током человека в таких сетях (рис.3).

Рис.3. Схема электрической сети с изолированной нейтралью при наличии ёмкости.

В первом приближении и для упрощения анализа примем активные сопротивления изоляция фаз бесконечно большими, и исключим их из анализа.

Емкостное сопротивление фазного провода при Са = Св = Сс = 1 мкФ:

, (3)

где ω = 2π f угловая частота сети.

Тогда величина тока проходящего через тело человека в сети с напряжением фазы 220В при сопротивлении тела человека 1КОм равна:

, (4)

что является весьма опасным.

В сетях с глухозаземленной нейтралью, в которых нулевая точка трансфор- матора или генератора присоединена к заземляющему устройству непосредственно, любое прикосновение человека к фазным проводам сети ведет к тому, что человек попадает под фазное напряжение, при этом ток через тело человека:

, (5)

что явно превышает допустимые безопасные значения.

Наглухо заземляются нейтральные провода трехфазных четырехпроводных сетей переменного тока напряжения 220/127 и 380/220, а также один из полюсов постоянного тока напряжением до 440 В. Нейтрали установок напряжением 3, 6, 10, 20, 35 кВ не заземляется или заземляется через компенсирующие устройство.