Kivonat Dr. Klaus ROTTER 1990 évi kiadású ELEKTRO-SCHUTZ című munkájából (kissé korszerűsítve a lektor által) 1., Az emberi test ellenállása Az a kérdés, hogy az elektromos áram milyen hatást gyakorol az emberi szervezetre, már régen felkeltette a különböző kutatók érdeklődését. A II. Világháború előtt erről a témáról kevés tudományos munka jelent meg. Ilyen volt pl. Freiberger munkája 1934-ből, egy amerikai kutatócsoport 1936-os publikációja az emberi test ellenállásáról és az áramütéses balesetekről. A Világháború után többen is tovább folytatták a kutatásokat, így megjelentek Kouwenhoven, Koppen és végül BIEGELMEIER osztrák professzor tanulmányai. A kísérleteik során végrehajtott áramterhelések szinte a hálózati feszültség felső határáig terjedtek, és viszonylag jó és rendszerezett képet adtak a halálos elektromos balesetek lefolyásáról. Ahogyan a technikai folyamatoknál, úgy ez esetben is az elektromos áram hatása az emberi testre az áramerősségtől és annak hatásidejétől függ. Ezt az áramfolyást általában a testre adott feszültség váltja ki, amikor a szervezet ellenállása határozza meg annak mértékét. Ebből adódott már régtől az a kívánság, hogy az emberi test elektromos ellenállását rendszerezetten meghatározzák. Már Freiberger előtt is ismert volt, hogy az emberi test ellenállása kapacitív impedanciát képez. Ennek nagysága a feszültségtől függ, amit járulékosan még más paraméterek s meghatároznak (pl. az emberi bőr állapota, a mérőelektródák mérete, stb.). Az 1-1 ábra ezen hatások eredményét mutatja. 1-1. ábra. A testellenállás az érintési feszültség függvényében Freiberger szerint. A szórási mező az alsó és felső, valamint a középértékekkel a kéz-kéz áramútra vonatkozik. Függőleges tengely: Test-impedancia Vízszintes tengely: Érintési feszültség Kivonat Dr. ROTTER 1
Prof. Biegelmeier későbbi vizsgálatai a bőrellenállásra, bőrkapacitásra és a test belső impedanciájára vonatkozóan az 1-2 sz. ábrán látható helyettesítő elektromos kapcsolást eredményezték a test ellenállásra, amelyet a 479 sz. IEC-Report-ban publikált. 1-2. ábra. Helyettesítő kapcsolási vázlat a Z T testimpedanciára, a Z P1 és Z P2 bőrimpedanciákkal és a Zi belső testimpedanciával (belső testellenállás: R i.) A lehetséges kismértékű C i belső testkapacitás szaggatott vonallal van jelezve.) A feszültségtől közel független kereken 1000 Ohm értékű tiszta ohmikus belső testellenállás mellett sorba kapcsolva jelenik meg a két erősen kapacitív bőr átmeneti ellenállás. Kis elektródáknál, száraz bőrnél és kis feszültségnél a bőrátmenet ellenállása akár több száz kiloohm lehet. Nagyobb feszültségeknél bőr átütése esetében a bőrátmenet ellenállása nulla ohm körüli értéket mutat. A bőrkapacitás értéke a felülettel arányos és kb. 5 50 μf/cm² lehet. A kisérletek és kutatások eredményeit mutatják az 1. táblázat számszerű eredményei, valamint az 1-3. ábra diagramja. 1. táblázat. Testimpedancia kéz-kéz vagy kéz-láb áramútra nagy felületű elektróda (80-100 cm²) élő ember (gyermek is!) által történő érintése esetén. Testellenállások /Ohm/, amelyeket Érintési Feszültség /V/ az emberek adott hányada nem lép át 5 % 50 % 95 % 25 1750 3250 6100 50 1450 2625 4375 75 1250 2200 3500 100 1200 1875 3200 125 1125 1625 2875 220 1000 1350 2125 700 750 1100 1550 1000 700 1050 1500 Asymptotikus érték 650 750 850 Kivonat Dr. ROTTER 2
1-3. ábra Halottak és élő emberek elektromos ellenállása a feszültség függvényében. Az ábra szövegei: Egy személy mért adatai 25V és 150V feszültségnél Élő emberek statisztikus mérési adata Halottak mérése Számítással meghatározott értékek élő személyeknél Függőleges tengely: Test-impedancia Vízszintes tengely: Érintési feszültség Az elektromos feszültségnek a kísérleti személyekre történő rákapcsolásakor a bőrkapacitások következtében kapacitív töltőáram csúcsok lépnek fel, amelyek gyakran a tartós áram értékének többszörösét is elérhetik. A bekapcsolási folyamatok emberekre gyakorolt hatását mutatják az 1-4. és 1-5. ábrák. Kivonat Dr. ROTTER 3
1-4. ábra Bekapcsolási áram 18V egyenfeszültség mellett két kézzel átfogott kb. 100 cm² felületű fémhenger esetére. 1-5. ábra Bekapcsolási áram ill. a rákapcsolt feszültség 200V váltakozófeszültség esetén. Ahogyan a műszaki váltakozó-áramú ellenállásoknál, ugyanúgy az embereknél is fáziseltolódás adódik a feszültség és áramlefolyásban váltakozó feszültség esetén a bőrkapacitások miatt. Az áramnak ez a fáziseltérése kisebb feszültségnél nagyobb (1-6. ábra), de a hálózati feszültségnél is jelentkezik (ld. 6,2º az 1-5. ábrán). Kivonat Dr. ROTTER 4
1-6. ábra Áram- és feszültség lefolyás 24V, 50Hz váltakozó feszültség rákapcsolásakor 100 cm²elektródokra a kezek között. Az eddigi kutatásokból megállapítható, hogy hálózati feszültségek (220-240V, 50Hz) rákapcsolásakor az emberen keresztül 200mA-ig folyik tartós áram. A bekapcsolási időpontban viszont a csúcsáramok túlléphetik az 500mA értéket is. Kisebb tartós áramok csak kisebb feszültségeknél, kisebb érintési felületek esetén, és/vagy száraz bőrnél ill. az áramkörben lévő járulékos külső ellenállások (pl. földelésen keresztüli levezetés) mellett lépnek fel. Mivel a mérések megmutatták, hogy a testellenállásnak a fő része a kezekben és a lábakban található, ezért a testellenállásra egyszerű kapcsolási vázlat adható meg (1-7. ábra). 1-7. ábra A testellenállás helyettesítő vázlata különböző áramutak számára. ZTE : egy kéz, vagy egy láb ellenállása, kb. 500 Ohm. 220V-nál és nagy felületű érintésnél kb. 1000 Ohmellenállással lehet számolni a kéz-kéz, vagy a kéz-láb áramút esetében. Ezzel két kéz-két láb esetére párhuzamosan 500 Ohm, ha az ember a földön ül és a készüléket a két kezében tartja, 250 Ohm adódik. 2., Az elektromos áram hatása az emberre. Az elektromos áram hatása az emberre sokrétű jelenség, ami egzaktul alig fogható fel. A tisztán műszaki paraméterek mellett áramfajta (egyenáram, váltóáram, frekvencia), áramerősség, behatási idő, stb. pszichológiai hatások is jelen vannak (a személy alkata, az áramút, az áramfolyás kezdetének időpontja). Kémiai hatások mellett fellép hőhatás is, valamint az idegrendszer behatása, ahol az ingerületek elektromos potenciál változással járnak. Ugyanígy sokrétű az áram hatása az emberi szívre, amikoris meghatározott áramhatároknál halálos szívkamra-fibrilláció, a szívizom szabályozás rendszertelen működése Kivonat Dr. ROTTER 5
lép fel, de ugyanakkor alkalmas áramhatással egy nem működő szív, pl. szervátültetés után, ismét működésbe hozható. A következő vizsgálódásoknál csak az 50(60) Hz-es technikai áram hatásai szolgálnak alapul. Ferris és munkatársai által végzett állatkísérletek a maximálisan megengedhető áram idő behatás meghatározására érdekes összefüggést adtak a fibrillációs küszöb és a behatási idő között. Birkákon végzett kísérletek során megállapították, hogy a fibrillációs küszöb jelentős megváltozása következik be, ha az elektromos áram egy szívperiódusnál hosszabb ideig folyik (ld. 1-8 ábra). 1-8 ábra: A fibrillácioós küszöb az áram-behatási időtartam függvényében birkáknál (közepes szív periódus 0,45 sec). Függőleges tengely: Minimális fibrillációs áramerősség Vízzintes tengely: Szívperiódus/áramhatás időtartama Az amerikai Kouwenhoven kutatócsoportja által 1959-ben közétett eredmények megerősítették a Z formájú fibrillációs-küszöb elméletét az egy szívperiódus hossznál lévő fordulóponttal(ld. 1-9 ábra). 1-9. ábra: A fibrillációs küszöb az árambehatás időtartamának függvényében kutyáknál (közepes szívperiódus 0,3 sec). Függőleges tengely: Testáram /A/ Vízszintes tengely: Áramhatási idő /sec/ Kivonat Dr. ROTTER 6
A 479 számú IEC-Report 1987-ben megjelent 2. részében az 1-10. ábrán látható árambehatásiidő zónákat állították fel. A szívkamra fibrillációra vonatkozóan a c 1 c 3 görbék u.n. balkéz-láb áramútra érvényesek. Más áramutakra a szíváram tényezőket is figyelembe kell venni. Daziel kisérleteiben bemutatta, hogy az AC-2 zónán belül a kb. 10mA feletti áramok olyan izom reakciót váltanak ki, ami lehetetlenné teszi az elektródák elengedését (let-go current). Nagyobb áramok (> 1A) esetén az áram hatása erősen függ az áram befolyás belépésének a szívritmusra vonatkoztatott időpontjától. Esetenként nagyon rövid hatóidejű áramimpulzusok szívkamra fibrillációt váltanak ki, miközben valamivel hosszabb időtartamú áramok hatástalanok maradnak. Itt az áramimpulzus kezdetének van kiemelkedő jelentősége. Amennyiben az áram impulzus kezdete a szívritmusnak az úgynevezett érzékeny T periódusára esik (vulnerable period), akkor egy nagyon rövid, intenzív áramimpulzus spontán szívkamra fibrillációt válthat ki (ld. 1-11 ábra és táblázata). Nagyobb áramerősség tartományokban ezért a szívkamra fibrillációnál mint haláloknál, csak statisztikai valószínűséggel lép fel az áramhatás kezdetének az érzékeny szívperiódusban történő belépése kiváltó tényezőként. Sajnos pontosabb előrejelzés lehetetlen. 1-10. ábra: Áramerősség határok AC-1 -től AC-4 ig50/60hz frekvenciájú, szinuszos váltakozó áramra. Az ábra egészséges emberre vonatkozik, függetlenül az életkortól és a testsúlytól. Függőleges tengely: Árambehatás időtartama Vízszintes tengely: Test áram Zóna Zónahatár Fiziológiai hatások AC-1 0,5 ma-ig Normál körülmények között nincs hatás a vonal AC-2 0,5 ma-től a b Normál körülmények között nincs káros fiziológiai hatás vonalig AC-3 b vonaltól a c 1 görbéig Normál esetben nincs káros szervezeti következmény. 2 sec feletti hatóidőtartam esetén görcsös izomreakciók és légzési nehézségek lehetségesek AC-4 c 1 görbe felett Az éramerősség és a hatásidő növekedésével veszélyes Kivonat Dr. ROTTER 7
patológiai hatások, mint szív leállás, légzés leállás és súlyos égési sérülések az alábbi 3 zóna kiegészítéseivel AC-4-1 c 1 c 2 görbék Szívkamra fibrilláció valószínűsége 5% alatt között AC-4-2 c 2 c 3 görbék Szívkamra fibrilláció valószínűsége 50% alatt között AC-4-3 c3 görbe felett Szívkamra fibrilláció valószínűsége 50% felett 10 msec időtartamig tartó áramhatás esetén a testáram a b vonalig gyakorlatilag állandó, értéke max.200ma. 1-11. ábra: Elektrokardiogram (EKG) felvétel az IEC 479-ben tárgyalt T fázissal Az ábra szövegei: sraffozott terület: összehúzodás (systole) sraffozatlan terület: elernyedés (diastole) felső sáv: pitvar működés alsó sáv: kamra működés Az eddigiekből az alábbi követelmények adódnak egy biztonságos elektromos berendezésre vonatkozóan: 1., 1A feletti áramhatások nagyon rövid hatásidő alatt is halált okozók lehetnek, ezért minden esetben elkerülendők. 2., 30mA és 500mA közötti áramok csak hosszabb hatásidő alatt (egy szívperiódusnál, kb. 0,5 sec-nál hosszabb) okozhatnak halált, ezért időben korlátozni (kikapcsolni, az áramkört megszakítani) kell azokat. 3., 10mA és 30mA közötti áramok ugyan nem okoznak halált, de erős áramütést okozhatnak. A következő intézkedések alkalmasak a fenti követelmények teljesítésére: a) Az emberi testen keresztüli áramfolyás kialakulásának teljes kiküszöbölése (szigetelés, potenciál kiegyenlítés védőelválasztás); b) A testáram csökkentése alacsony feszültség, érintésvédelmi (Safety extra low voltage), esetleg üzemi (Extra low voltage) törpefeszültség alkalmazásával; c) Az áramfolyás időbeli korlátozása a berendezés lekapcsolásával a meghibásodás fellépése estén (hiba-áram védelem; nullázás; kiegészítő védelem, stb.). Az országok nagy részében a veszélyes testáramok elleni védő intézkedéseket az 1000V váltakozó és az 1500V egyenáramú névleges feszültségű berendezések esetében azok Kivonat Dr. ROTTER 8
létesítési előírásait tartalmazó Nemzeti Szabványokban foglalták össze. Az Európai Unió tagországaiban több éve folyamatban van ezen előírások egységes követelményrendszerben történő kidolgozása. 2., Veszélyes testáramok elleni védekezés. 2.1., Általánosságban. Már a legrégebbi elektromos berendezésekben üzemi okokból és a levezető áramok elleni védelem, valamint az ember védelme érdekében a veszélyes testáramok ellen az áramvezető részeket szigetelték. Ez az u. n. ALAPVÉDELEM az áramvezető részeket egymástól és a földtől elválasztó szigetelő anyagból állt, vagy pedig észszerű módon a feszültség alatt álló részek elérhető távolságon kívüli elhelyezésével ill. elzárásával valósult meg. Ez az alapvédelem azonban nem küszöbölhette ki az elektromos baleseteket, ha a szigetelés hibássá vált, vagy ha a hiányzó fedelek miatt az áramvezető részek megérinthetővé váltak. Ebből kiindulva vezettek be hamarosan védőintézkedéseket az alapvédelem említett hibái esetére, amit ma közvetett érintésvédelemnek nevezünk. Ennek révén a feszültség alá kerülő megérinthető fémrészek, pl. elektromos készülékek burkolatai megfelelő intézkedéssel lekapcsolásra kerülnek, vagy egyáltalán kiküszöbölik, hogy érintési feszültségek lépjenek fel. Továbbfejlesztett értelemben hibavédelem alatt érthetjük az elektromos készülékek gondos kezelését, azaz, hogy pl. a hibás szigetelés miatt érinthető csupasz részekkel vagy burkolattal rendelkező készülékeket megjavítják és azzal ismét rendeltetésszerű állapotba hozzák. Ezeknek a fáradozásoknak az eredményét mutatja a 2-1. ábra. A halálos elektromos balesetek statisztikája mutatja, hogy a földhöz képest 42 250 V névleges feszültségű Kisfeszültségű hálózatokban az 1963 és 1985 közötti idő alatt 50-ről 10-re csökkent a halálos kimenetelű elektromos balesetek száma Ausztriában. 2-1. ábra: Elektromos balesetek statisztikai adatai a kisfeszültségű tartományban (42 250V). Függőleges tengely:halálos balesetek száma Vízszintes tengely: Naptári évek Kivonat Dr. ROTTER 9
Mégis gyakran előfordul, hogy a hibavédelem elromlik, és feszültség alatt álló részeket közvetlenül megérintenek. Mind gyakrabban fordul elő az a tipikus halálos baleset, amikor elektromos készülékeket (pl. hajszárítót, rádiót, stb.) fürdőkádban használnak. Ezért az utóbbi években még egy további biztonsági fokozatot, a PÓTLÓLAGOS VÉDELMET vezették be nagy érzékenységű (I N 30mA) hiba-áram védőkapcsolók segítségével, amikor a feszültség alatt álló részek megérintésekor a hibavédelem hibája esetén is megvalósul a védelem. A 2. táblázat bemutatja a leggyakoribb védőintézkedéseket közvetett érintésnél. A korszerű létesítési előírások ezeket a megoldásokat részletezik. VÉDŐINTÉZKEDÉSEK VÉDŐVEZETÉK NÉLKÜL Védő szigetelés Védő-/üzemi törpefeszültség Védőelválasztás VÉDŐINTÉZKEDÉSE VÉDŐVEZETŐVEL Nullázás Védőföldelés Védővezeték rendszer Hibaáram védőkapcsolás 2. táblázat: A leggyakoribb védőintézkedések áttekintése. (Most csak a hiba-áram védőkapcsolással foglalkozó részeket írom ide. Laci bá.) 2.7., Hiba-áram (FI-)- védőkapcsolás (TT rendszer) Ez a védelmi mód mindenekelőtt a védőföldelési mód logikus továbbfejlesztése, ahol most nem a hibaáram által működtetett túláramvédelmi berendezés működési elvét használják fel a kikapcsolásra. A hiba-áram védőkapcsolásnál a védővezetőn keresztül a föld felé folyó áramot mint a fogyasztót tápláló vezetőn folyó áramok különbségét a Kirhoff törvényét alkalmazva, egy összegző áramátalakító (praktikusan egy áramváltó) méri. Egy meghatározott nagyságú különbségnél (áramhiánynál, amely a föld felé folyik a védővezetőn) az áramváltó szekunder tekercsében a befolyó és a kifolyó áramok különbsége miatt kialakuló gerjesztés létrehozta mágneses tér hatására indukálódó feszültség a kioldó tekercs működésbe hozásával kikapcsolja a hibássá vált fogyasztókészülék áramkörét, ezáltal megszüntetve a megérinthető fémrészre jutó feszültséget is. Kivonat Dr. ROTTER 10
A kapcsolás vázlata látható a 2-10. ábrán. Az ábra feliratai: Summenstrom wandler : Összegző áramváltó Betriebserde : Üzemi földelés Fehlerstrom : Hiba-áram Schutzerde : Védőföldelés Fehlerstrom-Schutzschalter : Hiba-áram védőkapcsoló Auslösespule : Kioldó tekercs Kezdetben az Áram védőkapcsolók kereken 1A névleges hibaáram értékkel készültek, és ezzel döntő módon megjavították a védőföldelési mód hatékonyságát. A védőkapcsolás technikája következtében ugyanis a fogyasztó névleges áramától függetlenül kb. 50 Ohm értékű földelési ellenállás érték már alkalmas volt az érintésvédelem céljára. 1965-re már olyan mértékben fejlődött a védőkapcsolók műszaki színvonala és minősége, hogy forgalomba kerültek a 100mA névleges hibaáram értékű kivitelek is Ezekkel már fokozott tűzvédelem is elérhető volt, mivel a levezető áramok 300mA alatt már nem képesek közvetlenül tüzet okozni. A 100mA-es kioldási-határ elérésével még egy pótlólagos védelem is keletkezett: a korábbi fejtegetésekből levezethető, hogy az emberi test a hibás készülék nagy felületének megérintésekor 220-230V hálózati feszültségnél kb. 2000 Ohm testellenállással rendelkezik. Ez a test-ellenállás akár a fázisvezető közvetlen megérintése esetén is mintegy 100mA testáram kialakulásához vezet, amely érték már biztonságosan létrehozza a védőkapcsoló működését. Ha az elektromos berendezésnél a védővezető meghibásodik (szakadás, korrózió, esetleg a vezetékek felcserélése) akkor tehát a védőkapcsolót az áramkörbe véletlenül bekerült ember test-árama hozza működésbe, kapcsolja ki. Több káros következmény nélküli, ártalmatlan elektromos baleset, továbbá Prof. Biegelmeier számos kísérletének eredményei igazolják a fentieket. Ez azt jelenti, hogy az áram-védő kapcsolók bizonyos hibaáram értékek alatt a közvetlen érintés hatásai ellen is védelmet nyújtanak. Kivonat Dr. ROTTER 11
Az áram-védő kapcsolástechnikája tovább fejlődött, finomodott, és lehetővé vált 30mA névleges hibaáram érzékenységű készülékek gyártása is. Ezek még biztonságosabban voltak alkalmasak a közvetlen érintés elleni védelem megvalósítására, hiszen 30mA hibaáramnál az egy szívperiódusnál (kb. 0,5 sec) rövidebb lekapcsolási időt figyelembe véve nem lép fel szívkamra fibrilláció. Így nem következik be halálos kimenetelű baleset, de a 10mA körüli elengedési áramértékre való tekintettel speciális körülmények esetén még érzékenyebb készülékeket (I N 10mA) alkalmaznak. A fentiekben elmondottak mellett azonban nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy amikor az ember a fázisvezetőt közvetlenül megérinti és a csupasz földön áll, a kialakuló áramot nem az áram-védő kapcsoló korlátozza, hanem annak értéke az Ohm törvény alapján a feszültségből és a test ellenállásából adódik. Természetesen az érzékeny védőkapcsolók kikapcsolnak, csak a hibaáramot korlátozni nem tudják, ezért a teljes elektromos ütést az ember érzékeli. Ezért az áram-védő kapcsolás védelmi módra előírás egy védővezető felszerelése, amely normál esetben a hibaáramot vezeti. Csak különleges esetekben fordulhat elő, és engedhető meg, hogy a hibaáramot az emberi test vezesse. 2.8 Kiegészítő védelem, Személyvédelem. Az áram-védőkapcsolók következetes továbbfejlesztésének eredményeként egyre kisebb értékű hibaáramokra és egyre rövidebb működési idejű, azaz gyorsabban működő, egyre érzékenyebb kivitelek gyártása vette kezdetét. Ezek az eredmények lehetővé tették, hogy az áram-védő kapcsolókat kiegészítő védelmi feladatokra is alkalmazni lehessen. Ezeknek a kapcsolóknak a nagy érzékenysége és gyorsasága lehetőséget ad arra, hogy az ember közvetlen feszültség alatt álló részeket érintve ne szenvedjen halálos kimenetelű áramütéses balesetet (ld. 2-11. ábra). 2-11. ábra. Kiegészítő védelem nagyérzékenységű áram-védő kapcsolóval. Tipikus kiegészítő védelem lehet az elektromos csatlakozásoknál pl. kempingekben, uszodákban vagy kerti fűnyírás esetén, valamint az építkezéseken. A kiegészítő védelem segítség lehet hibás szereléseknél is. A 2-12. ábra példákon mutatja be a védőhatást a szakadt vagy rosszul szerelt védővezető, a védőszigetelt készülékek hibája esetén, vagy ha egy működő elektromos készülék a fürdőkádba esik. Kivonat Dr. ROTTER 12
2-12. ábra: Kiegészítő védelem szakadt vagy felcserélt védővezetéknél, hibás védőszigetelésnél és fürdőkádban. Mivel semmiféle érintésvédelmi mód sem teljes körű fel kell itt hívni a figyelmet néhány olyan körülményre, amikor még a legkorszerűbb védőkapcsolóval sem lehet hatásos védelmet elérni a hálózati feszültség mellett: 1., Ha az ember az üzemi áramkörbe kerül, tehát a fázis- és a nulla vezető közé. Ebben az esetben ugyanis nem folyik hibaáram a föld felé. 2., Ha másodlagos, az áramfolyás által kiváltott folyamatok (pl. áramütés utáni létráról történt leesés) balesetet okoznak. 3., Ha alacsonyabb testellenállás miatt az emberen keresztül különösen erős áram folyik keresztül (pl. fürdőkádban 1A-ig), és az áramhatás kezdete az érzékeny szívperiódusra esik. Lektorálta és összeállította: Nádassy László okl. vill. mérnök Kivonat Dr. ROTTER 13