Основные понятия и определения. Действие электрического тока на организм человека

Электрические установки, приборы и агрегаты широко рас­пространены в различных отраслях техники и в быту. При рабо­те с ними необходимо соблюдать требования электробезопасно­сти, которые представляют собой систему организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества.

Напомним некоторые основные понятия, используемые при описании электрических явлений. Электрическим током назы­вают всякое упорядоченное движение носителей зарядов. В ме­таллах носителями зарядов являются электроны – отрицательно заряженные частицы с элементарным зарядом. За направление электрического тока условно принимается направление, проти­воположное направлению движения отрицательных зарядов. Силой тока i называют количество электричества dq, проходя­щее через поперечное сечение проводника за бесконечно малый промежуток времени dr

. (9.1)

Если за любые равные промежутки времени через попереч­ное сечение проводника проходят одинаковые заряды, ток назы­вают постоянным (по величине и направлению) и обозначают буквой I. За единицу тока в системе СИ принят ампер (А).

Переменным называется такой ток, сила или направление которого (или и то и другое) изменяются во времени. Токи, из­меняющиеся только по величине, называются пульсирующими.

Электрической дугой называют длительный самостоятельный электрический разряд в газах, поддерживающийся за счет термоэлектронной эмиссии с отрицательно заряженного электрода – катода.

Действия электрического тока на живую ткань в отличие от других материальных факторов (пара, химических веществ, излучения и т.п.) носит своеобразный характер. Проходя через организм человека, электрический ток производит термическое, электрическое и механическое (динамическое) действие, являющееся обычными физико-химическими процессами, присущими как живой, так и наживой материи; одновременно электрический ток производит и биологическое действие, которое является специфическим процессом, свойственным лишь живой ткани.

Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участках тела, нагрева до высокой температуры кровяных сосудов, сердца, мозга и других органов, находящихся на пути тока, что вызывает в них серьезные функциональные расстройства.

Электролитическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, в том числе и крови, что сопровождается значительными нарушениями их физико-химического состава.

Механическое действие тока выражается в расслоении, разрыве и других подобных повреждений различных тканей организма, в том числе мышечной ткани, стенок кровяных сосудов, сосудов легочной ткани и других, в результате электродинамического эффекта, а также мгновенного взрывоподобного образования пара от перегретой током тканевой жидкости и крови.

Биологическое действие тока проявляется в раздражении и возбуждении живой ткани организма, а также в нарушении внутренних биологических процессов, протекающих в нормально действующем организме и теснейшем образом связанных с его жизненными функциями.

Электрический ток, проходя через организм, раздражает живые ткани, вызывая в них ответную реакцию-возбуждение, являющейся одним из физиологических процессов и характеризующееся тем, что живые образования переходят из состояния относительно физиологического покоя в состояние специфической для них деятельности.

Так если электрический ток проходит через мышечную ткань, то возбуждение обусловлено раздражающим действием тока, проявляющееся в виде непроизвольного сокращения мышц. Это так называемое прямое, непосредственное, раздражающее действие тока на ткани, по которому он проходит.

Однако действие тока может быть не только прямым, но и рефлекторным, то есть через центральную нервную систему, иначе говоря, ток может вызывать возбуждение и тех тканей, которые находятся на его пути. Дело в том, что электрический ток, проходя через тело человека, вызывает раздражение рецепторов – особых клеток имеющихся в большом количестве во всех тканях организма и обладающих высокой чувствительностью к воздействию факторов внешней и внутренней среды.

Как известно, в живой ткани, и в первую очередь в мышцах, в том числе и в сердечной мышце, а также в центральной и периферической нервной системе постоянно возникают электрические потенциалы-биопотенциалы, которые связаны с возникновением и распространением процесса возбуждения, то есть с переходом живой ткани в состояние активной деятельности. Внешний ток, взаимодействуя с биотоками, значения которых весьма малы, может нарушить нормальный характер их воздействия на ткани и органы человека, подавить биотоки и тем самым вызвать специфические расстройства в организме вплоть до его гибели.

Указанные действия электрического тока на организм нередко приводит к различным электротравмам, под которыми понимается поражение электрическим током организма человека. На производстве число травм, вызванных электрическим током, относительно невелико и составляет 11 – 12% их общего числа, однако из всех случаев травм со смер­тельным исходом на долю электротравм приходится наибольшее количество (порядка 40%). До 80% всех случаев поражения электрическим током со смертельным исходом приходится на электроустановки напряжением до 1000 В (в первую очередь ра­ботающих под напряжением 220 – 380 В).

Электротравмы принято делить на общие (электрические удары) и местные, под которыми понимают четко выраженные местные повреждения тканей организма, вызванные воздействи­ем электрического тока или электрической дуги. Местные элек­тротравмы – это электрические ожоги, электрические знаки на коже, металлизация кожи, механические повреждения и элек­троофтальмия.

Электрические ожоги вызываются протеканием тока через тело человека, особенно при непосредственном контакте тела с электрическим проводом, а также под воздей­ствием на тело человека электрической дуги (дуговой ожог), температура которой достигает нескольких тысяч граду­сов. Приблизительно 2/3 всех электротравм сопровождается ожогами.

На коже в тех местах, где проходил электрический ток, по­являются электрические знаки, представляющие собой пятна се­рого или бледно-желтого цвета. Эти пятна, как правило, излечи­ваются, и с течением времени пораженная кожа приобретает нормальный вид. Такие знаки встречаются примерно у каждого пятого получившего электротравму.

Под действием электрической дуги в верхние слои кожи че­ловека могут проникнуть мелкие расплавленные частицы метал­ла. Такая электротравма носит название металлизации кожи и встречается приблизительно у каждого десятого по­страдавшего.

Довольно редко могут возникнуть механические повреждения органов и тканей человеческого тела (раз­рывы кожи и различных тканей, вывихи, переломы костей и др.) в результате судорожных сокращений мышц, вызываемых дейст­вием тока.

Еще одним видом местной электротравмы является элек­троофтальмия – возникающее под действием ультра­фиолетового излучения электрической дуги воспаление наруж­ных оболочек глаз. В ряде случаев лечение этого профессио­нального заболевания является сложным и длительным.

Более трети всех электротравм приходится на электри­ческий удар, под которым понимают возбуждение живых тканей организма электрическим током, проходящим через него, сопровождающееся судорожными сокращениями мышц тела. По тяжести последствий электроудары делятся на четыре степени:

• первая – судорожное сокращение мышц без потери созна­ния;

• вторая – судорожное сокращение мышц с потерей созна­ния; дыхание и деятельность сердца сохраняются;

• третья – потеря сознания, нарушение сердечной деятель­ности и дыхания или того и другого;

• четвертая – клиническая (мнимая) смерть, т. е. отсутствие дыхания и кровообращения.

Следует различать понятие клинической (мнимой) и биоло­гической (истинной) смерти. У здоровых людей, подвергшихся воздействию электрического тока, длительность клинической смерти составляет 7 – 8 минут. За этот период средствами со­временной медицины (реанимация) возможно оживление орга­низма. В более поздние сроки в клетках и тканях организма возникают необратимые изменения, т. е. наступает биологиче­ская (истинная) смерть.

Последствия действия тока на организм человека зависят от силы тока (основной фактор), длительности его действия, рода и частоты тока, пути тока в теле человека и индивидуальных свойств человека. Важной характеристикой, определяющей ис­ход воздействия тока, является электрическое сопротивление те­ла человека, которое является суммой сопротивления кожи и сопротивления внутренних тканей. Ток, проходящий через тело человека (I _чел, А), условно определяют по закону Ома

, (9.2)

где V _пр – приложенное напряжение;

R _чел – сопротивление тела человека, Ом.

Для расчетов обычно принимают, что R _чел = 1000 Ом. Основ­ное сопротивление распространению тока оказывает кожа челове­ка. В том случае, если кожа повреждена, увлажнена или загрязне­на токопроводящей пылью (металлической или углеродной), со­противление тела человека может быть и ниже 1000 Ом.

Как уже сказано выше, основным физическим фактором, вызывающим тяжесть электротравмы, является сила тока — ко­личество электричества, проходящего через тело человека в еди­ницу времени. Принято различать три ступени воздействия тока на организм человека и соответствующие им три пороговых зна­чения: ощутимое, отпускающее и фибрилляционное.

Пока сила тока не достигла ощутимого значения, человек не чувствует его воздействия. Если человек попал под воздействие переменного тока промышленной частоты (f =50 Гц), он начи­нает ощущать протекающий через него ток, когда его значение достигнет 0,6 – 1,5 мА. Для постоянного тока это пороговое зна­чение составляет 6 – 7 мА. Ощутимый ток вызывает у че­ловека малоболезненные (или безболезненные) раздражения, и человек может самостоятельно освободиться от провода или токоведущей части, находящейся под напряжением.

Если сила переменного тока, протекающего через организм, составляет 10 – 15 мА и более, а постоянного – 50 – 70 мА (или более), то такие токи называют неотпускающими, так как они вызывают непреодолимые и болезненные судорожные сокращения мышц рук при касании ими (захвате) токопроводящих частей или проводов. Человек не может самостоятельно разжать руку и освободиться от воздействия тока. При повыше­нии силы переменного тока промышленной частоты до 25 – 50 мА затрудняется или даже прекращается процесс дыхания (при воздействии этого тока в течение нескольких минут).

Фибрилляционными называют токи, вызывающие быстрые хаотические и разновременные сокращения волокон сердечной мышцы (фибрилл), в результате чего сердце теряет способность перекачивать кровь, в организме прекращаются процессы кровообращения и дыхания и наступает смерть. При воздействии переменного тока промышленной частоты величина порогового фибрилляционного тока составляет 100 мА (при продолжительности воздействия более 0,5 с), а для постоянного тока – 300 мА при той же продолжительности.

Степень поражения электрическим током зависит также от рода и частоты тока. Переменный ток с частотой от 20 – 100 Гц наиболее опасен для человека. Токи с частотой выше 500 000 Гц могут вызвать лишь термические ожоги и не оказывают раздра­жающего действия на ткани организма. Известно, что при на­пряжениях, превышающих 500 В, наиболее опасен постоянный ток, а при меньших напряжениях – переменный.

Чем больше время воздействия тока, тем сильнее будет по­ражение и тем меньше вероятность восстановления жизненных функций организма. В таблице 9.1 приведены зависимости характера воздействия переменного и постоянного токов от их значений. Существенное влияние на тяжесть поражения человека элек­трическим током оказывает путь, по которому он распространя­ется в организме. Так, опасность поражения резко увеличивает­ся, если на пути тока оказываются мозг, сердце или легкие.

Цепь тока через тело человека зависит от места его прикоснове­ния к оголенным проводам или токоведущим частям. Наиболее характерны следующие цепи: руки – ноги, рука – рука и рука – ту­ловище.

К индивидуальным качествам человека в первую очередь от­носится состояние его здоровья, обученность правильной и безопасной работе на электроустановках (с присвоением соот­ветствующей квалификационной группы) и др.

Условия, в которых работает человек, могут увеличивать или уменьшать опасность его поражения электрическим током. К ним относятся сырость, высокая температура воздуха, наличие в помещениях токопроводящей пыли, химически активной или органической среды и др. Для учета условий, в которых нахо­дится работающий, все помещения принято делить по степени опасности поражения током на три категории: без повышенной опасности, с повышенной опасностью, особо опасные.

Таблица 9.1 - Действие электрического тока на организм человека

Значение тока, мА	Характер воздействия
Переменный ток 50 Гц	Постоянный ток
0,6—1,6	Начало ощущения – слабый зуд, пощипывание кожи под электродами	Не ощущается
2—4	Ощущение тока распространяется и на запястье руки, слегка сводит руку	Не ощущается
5—7	Болевые ощущения усиливаются во всей кисти руки, сопровождаются судорогами; слабые боли ощущаются во всей руке, вплоть до предплечья. Руки, как правило, можно оторвать от электродов	Начало ощущения. Впечатление нагрева кожи под электродом
8—10	Сильные боли и судороги во всей руке, включая предплечье. Руки трудно, но в большинстве случаев еще можно оторвать от электродов	Усиление ощущения нагрева
10—15	Едва переносимые боли во всей руке. Во многих случаях руки невозможно оторвать от элек­тродов. С увеличением продол­жительности протекание тока боли усиливаются	Еще большее усиление ощущения нагрева как под электродами, так и в прилегающих областях кожи
20—25	Руки парализуются мгновенно, оторваться от электродов невозможно. Сильные боли, дыхание затруднено	Еще большее усиление ощущения нагрева кожи, возникновение ощущения внутреннего нагрева. Незначительные сокращения мышц рук
25—50	Очень сильная боль в руках и груди. Дыхание крайне затруд­нено. При длительном токе может наступить паралич дыхания или ослабление деятельности сердца с потерей сознания	Ощущение сильного нагрева, боли и судороги в руках. При отрыве рук от электродов возникают едва переносимые боли в результате судорожного сокращения мышц
50—80	Дыхание парализуется через несколько секунд, нарушается работа сердца. При длительном протекании тока может наступить фибрилляция сердца	Ощущение очень сильного по­верхностного и внутреннего нагрева, сильные боли во всей руке и в области груди. За­труднение дыхания. Руки не­возможно оторвать от электро­дов из-за сильных болей при нарушении контакта
	Фибрилляция сердца через 2-3 с; еще через несколько секунд – паралич сердца	Паралич дыхания при длитель­ном протекании тока
	То же действие за меньшее время	Фибрилляция сердца через 2-3 с; еще через несколько секунд – паралич дыхания
более 5000	Дыхание парализуется немедленно – через доли секунды. Фибрилляция сердца, как правило, не наступает; возможна временная остановка сердца в период протекания тока. При длительном протекании тока (несколько секунд) тяжелые ожоги, разру­шение тканей

Помещениями без повышенной опасности называют сухие (с относительной влажностью воздуха, не пре­вышающей 60%), беспыльные, с нормальной температурой воз­духа и с изолирующими (например, деревянными) полами. К ним относятся жилые помещения и такие производственные помещения, как цеха приборных предприятий и радиозаводов, лаборатории, конструкторские бюро, заводоуправление, контор­ские помещения и др.

Для помещений с повышенной опасностью характерно наличие одного из следующих условий: сырость (по­мещения называют сырыми, если относительная влажность в них превышает 75%); токопроводящая пыль (металлическая, уг­леродная и т.д.); токопроводящие полы – металлические, зем­ляные, железобетонные, кирпичные; высокая температура, дли­тельно превышающая 35°С или кратковременно 40°С; возмож­ность одновременного прикосновения к металлическим деталям и корпусам электрооборудования, которые при повреждении изоляции могут оказаться под напряжением, и заземленным ме­таллоконструкциям. Примером таких помещений могут служить лестничные клетки различных зданий с токопроводящими по­лами, цеха механической обработки материалов, складские не­отапливаемые помещения и др.

Особо опасные помещения характеризуются наличием одного из следующих условий: особая сырость (стены, пол и потолок таких помещений покрыты влагой; относительная влажность воздуха в них близка к 100%); наличие химически ак­тивной (агрессивные газы, пары, жидкости) или органической (плесень и т.д.) среды, которые разрушающе действуют на элек­троизоляцию и токоведущие части электрооборудования. При наличии двух или более условий повышенной опасности (на­пример, высокая температура и токопроводящая пыль) в поме­щении его следует относить к особо опасным. Примером таких помещений могут служить помещения гальванических цехов, моечные отделения, замкнутые металлические емкости, в кото­рых производится работа, и др.

Человек может получить электротравму в следующих случаях:

• при двухфазном прикосновении, т. е. при одновременном прикосновении к двум фазам сети переменного тока;

• при двухполюсном прикосновении, т.е. при одновременном прикосновении к двум полюсам сети постоянного тока;

• при приближении на опасные расстояния к неизолиро­ванным токопроводящим частям, находящимся под на­пряжением;

• в результате прикосновения к оболочке (корпусу) электро­оборудования, оказавшейся под напряжением;

• в результате попадания под напряжение шага в зоне расте­кания тока;

• при попадании под напряжение при освобождении чело­века от воздействия тока;

• при воздействии атмосферного электричества, грозовых разрядов и статического электричества или электрической дуги.

Ток, проходящий через тело человека (ток поражения), зави­сит от напряжения и схемы питания электроустановок, сопро­тивления элементов электрической сети и условий включения человека в цепь тока. Рассмотрим эти вопросы подробнее.

Все электроустановки условно делят на работающие под на­пряжением до 1000 В и выше 1000 В. Если установки работают под напряжением выше 1000 В, то прикосновение к токопроводящим частям опасно в любых условиях. При эксплуатации установок, работающих под напряжением до 1000 В, человек может быть поражен током в результате случайного прикосновения к токопроводящим частям или корпусам электрооборудо­вания, оказавшимися под напряжением при замыкании на них тока.

Чаще всего электроустановки напряжением до 1000 В работа­ют от четырехпроводных сетей с глухозаземленной нейтралью.

Электрические сети с глухозаземленной нейтралью исполь­зуются для питания основной массы электроустановок, рабо­тающих под напряжением 380/220 В (электродвигатели, освети­тельные приборы, установки электронагрева, бытовая электро­аппаратура и др.).

При повышенных требованиях безопасности используют се­ти с изолированной от земли нейтралью. Они используются для питания электроустановок, работающих под напряжением до 1000 В, но гораздо менее распространены, чем предыдущие.

При работе с электроустановками возможно прикосновение операторов к токоведущим частям оборудования. Наиболее час­то встречаются две схемы включения человека в электрическую сеть: двухфазная – присоединение человека к двум проводам и однофазная – включение человека между проводом и землей.

Ток, протекающий через тело человека при двухфазном включении, независимо от режима нейтрали (глухозаземленная или изолированная), может быть рассчитан по закону Ома. Для сети с линейным напряжением 380 В ток поражения соста­вит: I _чел = 380 В/1000 Ом = 0,38 А = 380 мА. Этот ток, безусловно, смертелен для человека, так как величина фибрилляционного тока составляет всего 100 мА. На практике случаи двухфазного включения человека в электрическую сеть происходят гораздо реже, чем однофазного включения, и могут происходить при за­мене плавких предохранителей, в случае прикосновения к двум проводникам с поврежденной изоляцией и в ряде других случаев. Чаще на практике встречается однофазное включение чело­века в электрическую сеть. В этом случае ток поражения I _чел зависит оттого, заземлена нейтраль источника тока или нет. Если человек прикоснется к фазному проводу с нарушенной изоляци­ей при заземленной нейтрали, то через него пройдет ток, опре­деляемый выражением

, (9.3)

где V_ф – фазное напряжение, В;

R _п – сопротивление участка пола, имеющего соприкосновение со ступнями ног, Ом;

R_чел – сопротивле­ние тела человека, Ом;

R _об – сопротивление обуви, Ом;

R ₀ – сопротив­ление заземления нейтрали, Ом.

Фазное напряжение – это напряжение между началом и концом одной об­мотки источника тока (трансформатора, генератора) или между фазным и нуле­вым проводами. Существует следующая связь между линейным (V _л ) и фазным (V _ф) напряжениями .

Рассчитаем величину тока поражения для случая, когда чело­век стоит на мокром металлическом полу (R _п = 0) во влажной обуви (R _об = 0), по следующей формуле

.

Этот ток является опасным, так как существенно превышает уровень фибрилляционного тока.

Рассмотрим теперь, как определяется ток поражения (I _чел) в электрических сетях с изолированной нейтралью при однофаз­ном включении человека в сеть. Если сеть имеет небольшую протяженность и емкостью проводов относительно земли можно пренебречь, I _чел можно рассчитать по формуле

, (9.4)

где R _из – сопротивление изоляции проводов, Ом.

Если сопротивление изоляции стремится к нулю (оголенные провода), то данное выражение сводится к предыдущему (I _чел = V _ф/ R _чел), и ток поражения (при V _ф = 220 В и R _чел = 1000 Ом) составит 220 мА. Рассмотрим, как влияет сопротивление изоляции на I _чел. Пусть сопротивление изоляции мало (R _из = 3000 Ом).

Тогда мА. Этот ток также опасен, так как превышает величину фибрилляционного тока.

Если сопротивление изоляции имеет большое значение (на­пример, R _из = 300 000 Ом), то

мА,

т. е. опасность поражения электрическим током значительно уменьшается.

Из представленного примера следует, что изоляция токопроводов является одной из основных мер электрозащиты.

В производственных условиях возможны случаи обрыва элек­трических проводов и падения их на землю или нарушение изо­ляции кабеля, находящегося в земле. При этом вокруг любого проводника, оказавшегося на земле или в земле, образуется зона растекания тока. Если человек окажется в этой зоне и будет сто­ять на поверхности земли, имеющей различные электрические потенциалы в местах, где расположены ступни его ног, то по дли­не шага возникает шаговое напряжение. Шаговым напряжением или напряжением шага называется напряжение ме­жду двумя точками цепи тока, находящимися на расстоянии шага (0,8 – 1,0 м), на которых одновременно стоит человек.

Рисунок 9.1 – Схема возникновения шагового напряжения

Напряжение шага определяется по формуле

(9.5)

где j_з – потенциал на поверхности земли в том месте, где стоит человек;

(9.6)

I_з – ток замыкания на землю;

j_(х+а) – потенциал основания, расположенного на расстоянии шага а

(9.7)

b – коэффициент напряжения шага

(9.8)

Наибольший электрический потенциал возникает в точке соприкосновения провода с землей. Опасность поражения человека шаговым напряжением повышается по мере приближения человека к месту замыкания провода на землю и при увеличении величины шага. Практически напряжение шага падает до нуля на расстоянии 20 м от точки падения провода. Выходить из зоны поражения сле­дует мелкими шагами. Защитное действие оказывает обувь, обла­дающая изоляционными свойствами, например резиновая.

Если произошло замыкание и корпус электроустановки ока­зался под напряжением, то прикоснувшийся к нему человек по­падает под напряжение прикосновения (U_пр), которое определя­ется выражением

U_пр = U _з – U _х, (9.9)

где U _з – полное напряжение на корпусе электроустановки, В;

U _х – потенциал поверхности земли или пола, В.

Таким образом, напряжением прикосновения называется на­пряжение между двумя точками цепи тока, которых одновре­менно может коснуться человек.