Az elektromos áram emberre gyakorolt hatásai (összeállította: Schön Tibor) Köztudott hogy az emberi test vezeti az áramot. Ezen áramvezetésért a testnedvek a felelősek. A fémekkel ellentétben a testben az ionok a okozzák az áram vezetését. Ha az emberi vagy az állati testen, közvetett vagy közvetlen módon elektromos áram folyik át, akkor annak veszélyessége az alábbi összetevőktől függ: Áramerősség és behatás időtartama Testimpedancia és az áram útja a testben Áram jellege és frekvenciája Szív-Áram faktor Érintési feszültség Mérnökök és orvosok már a 30-as évektől kezdődően folytatnak kutatásokat az elektromos áram emberi szervezetre gyakorolt hatásaival és a veszélyes határok megtalálásával kapcsolatban. A 60-as évek vége felé az IEC is felállított egy munkacsoportot aminek az volt a feladata, hogy az elektromos áram emberi és állati szervezetre gyakorolt veszélyes értékhatárait kidolgozza. Ezen munkacsoport az eredményeit először 1974-ben tette közzé, majd többször átdolgozták jelenleg az IEC-Report 60479-1:2007 számú tanulmányban található. Németországban a tanulmány a DIN V VDE V 0140-479:1996-02 számú előszabványként jelent meg. Fontos tudni hogy a tanulmányokban rögzített adatok főként állatkísérleteken alapulnak. Áramerősség és behatási idő Az elektromos áram emberre gyakorolt hatása szempontjából nem csak az áramerősség hanem annak az időtartama is fontos. Az 1.ábra mutatja a 15 és 100Hz közötti frekvenciájú áramok esetén az orvosi szempontból fellépő károsodások mértékét. 1. ábra15-100hz közötti frekvenciájú áramerősségek hatásai
AC1: Általában semmi hatás AC2: Általában semmi káros hatás AC3: Szervi kár nem keletkezik. Az áram növekedésével és a behatási idő növekedésével visszafordítható szívritmuszavarok, pitvari fibrilláció és ideiglenes szívleállás várható. 2másodpercnél hosszabb idejű behatások esetén görcs szerű izom összehúzódások és nehézségek léphetnek fel a légzés során. AC4: Veszélyes halálos hatások mint szívmegállás, légzésleállás, és súlyos égések léphetnek fel az AC3hatásain felül. AC4.1 A szívkamra fibrilláció valószínűsége 5% AC4.2 A szívkamra fibrilláció valószínűsége 50% AC4.1 A szívkamra fibrilláció valószínűsége több mint 50% Nézzünk egy példát egy a modern kor követelményinek is megfelelően létesített kisfeszültségű 20A-nál nem nagyobb névleges áramértékű csatlakozópontra. (pl.: lakásban villásdugós csatlakozás). Ez esetben kötelező a a legfeljebb 30mA névleges különbözeti áramú áramvédőkapcsoló (ÁVK, FI-kapcsoló, RCD) beszerelése. Ennek a készüléknek a karakterisztikáját berajzolva az 1.ábrába kapjuk meg a 2.ábrát. 2. ábra. ÁVK karakterisztika beillesztése az áramhatás görbébe Jelmagyarázat: a., - érzetküszöb b., - elengedési küszöb c., - ÁVK karakterisztika d., - szívkamra fibrilláció határa Rövid időre a szabványos kialakítás mellett (fenti eset) is felléphetnek a 500mA-t meghaladó áramerősségek amelyek halálosak lehetnek (ÁVK önideje alatt). Illetve 10-30mA áramerősség esetén -amire az ÁVK még nem szólal meg- hosszabb idő alatt keletkezhet kisebb károsodás az emberi szervezetben, de jól látható hogy egy jól működő áram-védőkapcsoló a komolyabb károsodásoktól az esetek többségében megvédi a szervezetet. Testimpedancia és áramút A test impedanciája jellemzően három összetevőből áll:
3. ábra: Test impedanciájának összetétele R B1 : A bőr ellenállása az áram belépési pontjánál R B2 : A bőr ellenállása az áram kilépési pontjánál R TB : A test belső ellenállása A test teljes impedanciája: Z T = Z B1 + Z B2 + Z TB 50V-nál kisebb érintési feszültség esetén jellemzően a bőr ellenállása a meghatározó amely azonban különböző körülményektől erősen változik. 50V-nál nagyobb érintési feszültség esetén a test belső ellenállása a meghatározó. Az 50/60Hz frekvenciájú feszültség esetén a test belső ellenállásának százalékos eloszlás változását mutatja a 4. ábra. 4. ábra: A különböző testrészek százalékos testimpedanciája
5. ábra: A testimpedancia feszültségfüggése különböző érintkezési felületek esetén (Ezen értékek az népesség 50%-nál nem kerülnek túllépésre) SZÁRAZ állapotban 6. ábra. A testimpedancia feszültségfüggése különböző érintkezési felületek esetén (Ezen értékek az népesség 50%-nál nem kerülnek túllépésre) VÍZES NEDVES állapotban 1., - nagy érintkezési felület (10 000mm 2 nagyságrend) 2., - közepes érintkezési felület (1000mm 2 nagyságrend) 3., - kis érintkezési felület (100mm 2 nagyságrend) 7. ábra. A testimpedancia feszültségfüggése különböző érintkezési felületek esetén (Ezen értékek az népesség 50%-nál nem kerülnek túllépésre) SÓS NEDVES állapotban
A test impedanciája jellemzően az áram útjától függ és kevésbé függ az érintési felülettől. Ha a frekvenciát is figyelembe vesszük, akkor elmondható hogy a testnek egyenfeszültség esetén van a legnagyobb ellenállása és a frekvencia növekedésével az ellenállás csökken. Az érintési feszültség fellépésének pillanatában az emberi test kapacitása még töltetlen, ezért a bőr ellenállása elhanyagolható. A test impedanciája tiszta ohmos ilyen esetben. Ez az ohmos ellenállás korlátozza az áramcsúcsokat. Az 50-60Hz-es teljes testellenállás kéz-kéz között nagy érintkezési felület esetén. A népesség adott százalékánál nem haladja meg a test ellenállása a leolvasható értéket érintési feszültség függvényében SZÁRAZ testfelület 6000 5000 Test ellenálls (OHM) 4000 3000 2000 1000 5% 50% 95% 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Érintési feszültség (V) 1. diagram. Testimpedancia feszültségfüggése nagy száraz érintési felület esetén VIZES NEDVES testfelület Test ellenálls (OHM) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Érintési feszültség (V) 5% 50% 95% 2. diagram. Testimpedancia feszültségfüggése nagy nedves érintési felület esetén
SÓS NEDVES Testfelület Test ellenálls (OHM) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Érintési feszültség (V) 5% 50% 95% 3. diagram. Testimpedancia feszültségfüggése nagy sós nedves érintési felület esetén 4. diagram. Testimpedancia frekvenciafüggése (a népesség 50%-nál nem haladja meg az adott értékeket) 50-2000Hz között, nagy és száraz érintési felület esetén kézkéz között
Egyéb hatások Egyéb elektromos hatások is felléphetnek, mint pl.: izom összehúzódások, vérnyomás növekedés, sejtképzési zavarok, szívritmus zavarok, szív pitvari fibrilláció. Ezek a hatások általában nem halálosak. Néhány amperes vagy hosszabb idejű áramütés esetén égési sérülések és belső sérülések léphetnek fel. Nagyfeszültségű baleseteknél előfordulhat hogy nem lép fel szívkamra fibrilláció és mégis szívmegálláshoz vezet az áramütés. Ez a baleseti statisztikákkal és állatkísérletekkel is igazolható. Ahhoz viszont nincs elég rendelkezésre álló adat hogy ennek bekövetkezésére számszerű valószínűséget lehessen megállapítani. A szívkamra-fibrilláció azért halálos mert a vérkeringés megáll és az oxigénellátás megszűnik. Azonban egyéb okok is vezethetnek halálhoz, mint pl légzés zavarok fellépése. Ez két okbol léphet fel. Vagy az idegpályák és az izmok sérülése miatt, vagy az agyi légzésközpont sérülése miatt. Ezek az események elkerülhetetlenül halálhoz vezetnek. Ahhoz hogy valakit légzéskimaradás állapotából kihozzunk, haladéktalanul mesterséges lélegeztetésben kell részesíteni. Ha az áram kritikus részeken halad keresztül mint pl.: hátgerinc vagy légzésközpont akkor a baleset halálhoz vezethet. Azonban ezek az események még további kutatást igényelnek. Szív-Áram Faktor Aszív-áram faktor lehetővé teszi azon áramok kiszámítását amik más úton haladnak mint bal kéz -lábak és mégis ugyan olyan veszélyesek a szívkamra-fibrilláció kialakulásával kapcsolatban (lásd 1. ábra). I h =I ref / F I h : Testáram az összehasonlítandó áramúton (lásd: 1. táblázat) I ref : Bal kéz lábak közötti testáram (lásd: 1.ábra) F: Szív-áram faktor (lásd: 1. táblázat) Áramút Szív-áram faktor (F) Bal kéz - láb 1,0 Két kéz két láb 1,0 Bal kéz jobb kéz 0,4 Jobb kéz - láb 0,8 Hát jobb kéz 0,3 Hát bal kéz 0,7 Mellkas jobb kéz 1,3 Mellkas bal kéz 1,5 Fenék - kéz 0,7 Bal láb jobb láb 0,04
Számítási példa Érintési áram kiszámítása: U T : Érintési feszültség Z T : Testimpedancia I T =U T / Z T A további számítások a közölt táblázatokon, diagrammokon, ábrákon alapulnak és a népesség 50%- ra vonatkoznak. 1., példa 200V (50Hz) érintési feszültség, két kéz és két láb között (kéz közepes testfelület, lábak nagy testfelület) Zta(K-K): Nagy felület, kéz kéz közötti áramút Zta(K-L): Nagy felület, kéz láb közötti áramút Zta(K-H): Nagy felület, kéz hát közötti áramút Zta(H-L): Nagy felület, hát láb közötti áramút Ztb(K-K): közepes felület, kéz kéz közötti áramút Nagy érintési felület esetén: Zta(K-K) az 1.diagramm alapján 1275Ohm (200V) Zta(K-H) = Zta(K-K) / 2 = 637,5Ohm Zta(K-L) = Zta(K-K) * F = 1275 * 0,8 = 1020Ohm (F=0,8 a kedvezőtlenebb esetet figyelembe véve) Zta(H-L) = Zta(K-L) Zta (K-H) = 1020-637,5 = 382,5Ohm Közepes érintési felület esetén: Ztb(K-K) = 2200Ohm (5.ábrából) Ztb(K-H) = Ztb(K-K) / 2 = 1100Ohm A teljes testimpedancia 1 kéz és 1 láb között: Zt' = Zta(H-L) + Ztb(K-H) = 382,5 + 1100 = 1482,5Ohm A teljes testimpedancia két kéz két láb között (párhuzamos kapcsolás): Zt = Zt' / 2 = 1482,5 / 2 = 741,25Ohm Az érintési áram: It = Ut / Zt = 200V / 741,25Ohm = 270mA Az eredményt összehasonlítva az 1.ábrával látszik hogy 0,2s-nél hosszab idejű áramütés ez esetben nagy valószínűséggel szívkamrafibrillációhoz vezet.
2., példa 25V érintési feszültség, sós-nedves érintési felület,áramút a két kéz és a hát között, (nagy felület a kezeknél és igen nagy felület a hátnál (bőrellenállás elhanyagolható). Ez az eset akkor fordulhat pl elő amikor az egyén a földön ül és a kezében tartja a hibás törpefeszültségű készüléket A számítás során 5-re kerekítünk Zta(K-K) = 1300Ohm (3. diagramm alapján) Zta(K-H) = Zta(K-K) / 2 = 650Ohm Két kéz párhuzamosan a háthoz: Zt=Zta(K-H) / 2 = 325Ohm Érintési áram: It= Ut / Zt = 25V / 325Ohm = 77mA Hiába a törpefeszültség alkalmazása 77mA-es áramütés esetén az elengedési határ felett van az áramütés és egy igen erős izom összehúzódás alakul ki már kb. 40ms után. Forrás: DIN IEC/TS 60479-1 (VDE V 0140-479-1):2007-05 Gerhard Kiefer: DIN VDE 0100 richtig angewandt