Електробезпека як окремий напрямок наукових досліджень і інженерних розробок започатковано у другій половині XIX століття. Саме в цей період починається швидке впровадження електричної енергії у різні сфери життєдіяльності суспільства. Підставою для такого стрімкого розвитку електротехніки були наукові здобутки таких видатних вчених як Л. Гальвані, А. Вольта, А. Ампер, Г. Ом, М. Фарадей, Г. Ерстед та інших.
Створення першого надійного джерела електричної енергії пов’язано з ім’ям видатного італійського вченого А. Вольта. Саме він у 1800 році винайшов електрохімічний генератор постійного струму - гальванічний елемент, який був названий пізніше вольтовим стовпом. Напругу він мав біля 20 В.
Це відкриття набуло широкого резонансу в науковому світі. Починаються різнобічні дослідження електричних явищ. Вивчаються теплова, електрохімічна дія струму; розробляються нові і нові гальванічні елементи, напруга яких сягає вже тисяч вольт. Стають відомими явища електричної дуги, зварювання і топлення металів. Робляться перші спроби практичного використання електричної енергії для електричного освітлення (В.Петров), телеграфії (С.Морзе).
Але по справжньому двері в майбутній світ електротехніки були відкриті Майклом Фарадеєм, який у 1832 році сформулював закон електромагнітної індукції. Цим була обгрунтована можливість перетворення механічної енергії в електричну.
Одразу починаються спроби розробки генераторів і двигунів постійного струму. Електротехніка виходить за межі наукових лабораторій. Опановується змінний електричний струм. В 1872 році німецький електротехнік Фрідріх фон Хефнер-Альтекен (1845-1904), ведучий конструктор і головний інженер фірми “Сіменс і Гальске”, сконструював перший ефективно діючий генератор постійного струму, придатній для широкого промислового використання.
В ході розвитку електротехніки, особливо на початковій стадії, електричний струм, як чинник небезпеки не розглядався. Але збільшувались напруга і потужність джерел електричної енергії, поширювалось їх вико-ристання.
І от, у 1862 році француз Леруа де Меркюр вперше детально описав випадок ураження людини електричним струмом при випадковому дотику до струмоведучої частини в мережі постійного струму. Смерть сталася миттєво. Ця стаття була перекладена і видана у різних країнах. Далі з’являються нові публікації в різних електротехнічних часописах. Автори описували нещасні випадки від дії електричного струму, які завершувались смертю людини. В цих публікаціях вказувалось, що електричний струм може викликати миттєву смерть без будь-яких, як правило, суттєвих змін на тілі людини. Виключення складали випадки, коли ураження супроводжувалось опіком електричною дугою.
Думка про те, що нещасні випадки від електрики призводять до миттєвої і, значить, до безболісної смерті, спонукало урад США у 1882 році прийняти рішення про введення страти на електричному кріслі. Електрична страта, що здійснюватиметься при напрузі, яка в 8-10 разів перевищуватиме ту, три якій відбувались електротравми з смертельними наслідками мала б бути найбільш гуманною.
Але, як було швидко встановлено, смерть на електричному кріслі, як правило, не була ні миттєвою, ні безболісною. “ Навпаки, - повідомляли лікарі, що були присутні при виконанні вироку, - це найбільш важка і страшна смерть”. Подібне несподіванне повідомлення српияло початки більш глибокого вивчення механізму ураження живого організму електричним струмом.
Перші дослідження впливу електричного струму на людину було виконано д'Арсонвалем, який у 1887 році сформулював теорію про смертельне ураження електричним струмом в наслідок впливу його на нервові центри, що керують диханням.
Експерименти над тваринами, що проводились в центральній французькій електролабораторії, показали, що при певній силі струму, що проходить в області серця, відбуваються порушення узгодженого скорочення волокон серцевої м'язи (фібріляція), що неодмінно призводять до паралічу серця. На підставі цих спостережень співробітниками лабораторії була висунута теорія про ураження тварин і людей електричним струмом в наслідок фібріляції серцевої м'язи.
Незважаючи на певні розходження в поясненнях механізму ураження, обидві теорії були єдині в тому, що сила уражаючого струму значно мен-ша значень, котрі здатні викликати термічне ураження (опік). Стала очевидною необхідність поглибленного вивчення механізмів впливу електричного струму на людину.
В 1882 році австрійський вчений С. Еллінек описав першу електро-травму на змінному струмі. Це був період швидкого розвитку електротехніки змінного струму яка, показавши певні технічні переваги над електротехнікою постійного, почала витісняти останню. З поширенням використання змінного електричного струму кількість електротравм почала зростати. З’ясувалась більша небезпека змінного струму в порівнянні з постійним. В цей же час робляться перші спроби статистичного аналізу електротравматизму.
В кінці XIX століття почалися досліди на тваринах для визначення граничних - небезпечних значень струму і напруги. Необхідність таких дослідів визначалась потребою у розробці захистних заходів. Починаючи з перших років XX століття, виникли протиріччя як в оцінці небезпечних значень уражаючих струмів, так і в тлумаченні механізму ураження. Не вдаваючись у суть протирічь, відмітимо одне: при електротравмах іноді люди гинуть при дуже незначних значеннях струмів і напруг і виживають при великих напругах (декілька кіловольт) і струмах в сотні мілліампер. Засновник науки про небезпеку електрики - австрійський вчений С. Еллінек,
відмітивший таке явище при розслідуванні уражень електричним струмом ще в кінці 20-х років нашого століття вперше висунув припущення про те, що вирішальну роль у багатьох випадках ураження має “фактор уваги”, тобто, по суті, важкість наслідку зумовлена в значній степені станом нервової системи людини на момент ураження.
Протиріччя в поглядах на механізм ураження зберіглись до нашого часу. Одні вчені, грунтуючись в основному на результатах дослідів на тваринах, стверджують, що для загибелі людського організму необхідні досить великі струми, у всякому випадку такі, що досягають десятків мілліампер, інші вчені, спираючись на результати розслідування нещасних випадків з людьми, допускають можливість загибелі людей при незначних струмах - в межах до 10 мА.
Отже, аналіз смертельних уражень при малих напругах і випадків, які не призвели до смерті при великих логічно приводять до висновку про різномаїтість реакцій людини на дію електричного струму, про особливу чутливість в деяких випадках до малих струмів.
Що ж в першу чергу уражається електричним струмом: серцево-судинна система в цілому, серцева м'яза або система дихання. Визначення первинної системи, з ураження якої починається важкі реакції людини на електричний струм, має не тільки пізнавальне медико-біологічне значення.
На початковій стадії вивчення виробничих електротравм склалась думка, що в першу чергу уражається система дихання. Розтини уражених від електричного струму показали, що смерть ставалася від асфіксії (удушення). Таку точку зору відстоювали Еллінек, Дарсонваль та інші. Однак ця думка сильно похитнулася при отриманні результатів експерименів електротравм над собаками, у яких переважав смертельний наслідок від порушення роботи серця. Щоб викликати смерть собаки від зупинки дихання, необхідно було прикладати електрод до вуха. До цього слід ще додати, що в окремих випадках причиною смерті, визначеною з результаті розтину людини що загинула в наслідок дії електричного струму, було безпосереднє порушення серцевої діяльності.
На 7-му Міжнародному конгресі з питань промислового травматизму, що відбубся в 1935 році, видатний патофізіолог Стасен запропонував ділити уражених електричним струмом людей на “синіх“ (з початковою зупинкою дихання) і “білих“ (з початковою зупинкою роботи серця). Деякі дослідники рахували, що можлива одночасна дія двох механізмів смерті: зупинка роботи серця і зупинка дихання.
До нашого часу розроблено багато заходів і засобів електробезпеки. Сформувались певні погляди на механізм ураження людини електричним струмом, але процес дослідження продовжується, вивчаються глибинні механізми впливу електричного струму на живу тканину.
1. Дія електричного струму на людину
1.1 Види дії електричного струму
Розглядаючи в цій лекції електричні явища як чинник небезпеки, зауважимо, що це фізичне явище досить давно використовується з лікувальною метою: фізіотерапія, електродіагностика, електростимуляція, дефібріляція, тощо.
Характер впливу - позитивний, негативний, а також інтенсивність відповідного впливу залежить від багатьох чинників, які будуть розглянуті нижче, але зараз відзначимо основний - силу електричного струму. Кількісно вона оцінюється в амперах (А).
Дію електричного струму на людину поділяють на наступні види: біологічна, термічна, електрохімічна і механічна.
Біологічна дія струму проявляється в подразненні і збудженні живої тканини організму, а також в порушенні внутрішніх біоелектричних процесів, що протікають в нормально діючому організмі і безпосередньо пов’язаними з його життєвими функціями. Це може супроводжуватися невимушеним, судомним скороченням м’язів, в тому числі м’язів серця та легенів. При цьому порушується кровообіг і робота органів дихання або повністю припиняється їх діяльність.
Термічна (теплова) дія струму виявляється в опіках окремих ділянок тіла, нагріванні кровоносних судин, нервів, серця, мозку та інших органів, що знаходяться на шляху проходження струму. Це може викликати в них значні функціональні розлади. Опіки можуть бути внутрішні і зовнішні.
Електрохімічна (електролітична) дія струму спричиняє розклад органічних рідин, в тому числі і крові, що супроводжується значними змінами їх фізико-хімічного складу.
Механічна дія струму полягає в розшаруванні, розриві та інших механічних пошкодженнях різних тканин організму: м’язової тканини, стінок кровоносних судин, судин легенів та ін., в наслідок електро-динамічного ефекту, а також миттєвого вибухоподібного утворення пари від теплової дії струму.
Останні три види дії мають загальнофізичний характер, тобто вони властиві як живій, так і неживій природі. Перша - біологічна, властива тільки живій.
Різноманітність дії електричного струму на людину, її неконтрольованість, може призводити до негативних наслідків, тобто до електричних травм. Електрична травма - травма, що викликана впливом електричного струму або електричної дуги. ( Травма в перекладі з грецької - пошкодження, рана).
Електричні травми умовно поділяються на два види: місцеві, коли виникає місцеве ушкодження організму, і загальні, так звані електричні удари, коли уражається (або створюється загроза ураження) всього організму з-за порушення нормальної діяльності життєвоважливих органів і систем.
Протікання електричного струму викликає одночасну присутність всіх видів дії. Це зумовлено природою електричних явищ і біоелектричною природою живої тканини, але негативний вплив на людину може бути в різній степені в залежності від обставин протікання.
Приблизний розподіл нещасних випадків від електричного струму в промисловості по вказаних видах травм такий: 20% - місцеві електротравми; 25% - електричні удари; 55% - мішані травми, тобто одночасно місцеві електротравми і електричні удари.
1.2. Класифікація електричних травм
Як вже вказувалось, загальні електричні травми (електричні удари) можуть призвести до загрози ураження всього організму людини вцілому з-за порушення нормальної роботи різних органів і систем і в першу чергу серця, легенів, центральної нервової системи.
Степінь негативного впливу на організм електричних ударів різна. Самий слабкий електричний удар викликає ледве відчутні скорочення м’язів навколо місця входу або виходу струму; в найгіршому випадку він призводить до порушення і навіть повної зупинки діяльності легенів і серця, тобто до загибелі людини. При цьому місцевих пошкоджень організму може і не бути.
В залежності від наслідків ураження електричні удари можна поділити на наступні п’ять степеней:
I- судомне ледве відчутне скорочення м’язів;
II- судомне скорочення м’язів, що сутроводжується сильними боля- ми, але без втрати свідомості;
III- судомне скорочення м’язів з втратою свідомості, але зі збежен- ням дихання і роботи серця;
IV- втрата свідомості і порушення серцевої діяльності або дихання (або і того і того разом);
V- клінічна смерть, тобто відсутність дихання і кровообігу.
Електричний удар, навіть якщо він не призвів до смерті, може надати значного розладу організму, який виявляється миттєво після удару або через декілька годин, днів і навіть місяців.
Так, в наслідок електричного удару можуть виникнути або загостритися серцево-судинні захворювання - аритмія серця, стенокардія, підвищення або пониження артеріального тиску, а також нервові захворювання - невроз, ендокринні порушення та ін. Можливе також послаблення пам’яті і уваги. Рахується що електричні удари послаблюють опір організма захворюванням.
Більше 85% смертельних уражень людини електричним струмом викликані саме електричними ударами.
Місцеві електротравми - чітко окреслені місцеві порушення цілісності тканин тіла, в тому числі кісткової тканини, що викликано впливом електричного струму або електричної дуги. Частіше всього це поверхневі пошкодження, тобто пошкодження шкіри, іноді інших м’яких тканин, а також зв’язок і кісток.
Розрізняють такі місцеві електротравми: електричні опіки, електричні знаки, металізація шкіри, механічні пошкодження і електроофтальмія.
Електричні опіки - найбільш поширена електротравма яка виникає або безпосередньо від проходження електричного струму в наслідок тепла що виділилось на різних частинах тіла, або в наслідок дії електричної дуги.
Електричні знаки (мітки) представляють собою чітко окреслені плями сірого або блідо-жовтого кольору на поверхні шкіри людини, яка потрапила під дію струму.
Металізація шкіри - проникнення у верхні шари шкіри дрібних частинок металу, що розтопився під впливом електричної дуги. Таке явище виникає при коротких замиканнях, вимкненнях роз’єднувачів і рубильників під навантаженням і т.п. При цьому дрібні частинки розтопленого металу під впливом електродинамічних сил і теплового потоку розлітаються у різні боки з великою швидкістю. Кожна має високу температуру, але малий запас теплоти і, як правило, не здатна пропалити одяг. Тому ураженими бувають відкриті частини тіла - руки і обличча. Металізація шкіри спостерігається в 10% випадків електротравмування.
Механічні ушкодження є наслідком різкіх рефлекторних судомних скорочень м’язів під впливом струму, що проходить тілом. В результаті можуть статися розриви сухожилків, шкіри, кровоносних судин і нервової тканини; можуть мати місце вивихи суглобів і навіть перелами кісток.
Електроофтальмія - запалення зовнішньої оболонки ока - рогівки і коньюктиви (слизової оболонки, що вкриває очне яблуко), яке виникає в наслідок впливу потужнього потоку ультрафіолетового випромінювання, яке енергійно поглинається клітинами і викликає хімічні зміни. Таке опромінення можливе при наявності електричної дуги, яка є джерелом випромінення не тільки видимих, але і ультрафіолетових і інфрачервоних променів. Електроофтальмія спостерігається приблизно у 3% уражених електричним струмом.
При електротравмах основним уражаючим чинником, як вказувалось вище, є електричний струм, що проходить тілом людини. При цьому, очевидно, степінь негативного впливу збільшується зі збільшенням сили струму. Разом з тим, наслідок ураження визначається часом проходження струму, його частотою, а також багатьма іншими причинами. В результаті чисельних досліджень і спостережень були узагальнені наслідки впливу електричного струму на людину в залежності від його величини. Результати такого узагальнення полягають у специфіці реакцій організму на цей подразник.
Відчутний струм. Людина починає відчувати дію малого струму, що проходить через неї : в середньому близько 1.1 мА змінного струму частотою 50 Гц і близько 6 мА постійного струму. Ця дія обмежується свербінням і легким пощипуванням (поколюванням) при змінному струмі, а при постійному - відчуттям нагріву шкіри на ділянці, яка контактує з струмоведучою частиною.
Невідпускальний струм. Збільшення струму вище за деякий гранично-допустимий, викликає у людини судоми м’язів і відчуття болю, які зі збільшенням струму зростають і поширюються на все більші ділянки тіла. Так, при 3-5 мА (50 Гц) дія струму відчувається всією кистю руки, яка торкається струмоведучої частини; при 8-10 мА біль різко посилюється і охоплює всю руку. Це супроводжується невимушеними скороченнями м’язів руки і передпліччя. При струмі, в середньому, близько 15 мА (50 Гц) біль стає ледь переносимий, а судоми м’язів рук виявляються на стільки значними, що людина не в стані їх здолати. В результаті, вона не може розняти руку, в якій затиснута струмоведуча частина, і виявляється ніби прикутою до неї. Такий самий ефект невідпускання спостерігається і при дії більших струмів.
Фібріляційний струм. Змінний струм 50 мА і більше, що проходить тілом людини по шляху рука-рука чи рука-ноги, поширює свою подразнюючу дію на м’яз серця. Ця обставина є небезпечна для життя, оскільки через малий проміжок часу, переважно через 1-3 с з моменту замикання кола струму через людину, може статися фібріляція або зупинка серця. При цьому припиняється кровообіг і , відповідно в організмі наступає брак кисню; це в свою чергу швидко приводить до зупинки дихання, тобто наступає смерть.
Струм більше 5А - як змінний при частоті 50 Гц, так і постійний викликають миттєву зупинку серця, минаючи стадію фібріляції. Якщо дія струму була короткочасною (1-2 с) і не викликало пошкоджень серця ( в наслідок нагріву,опіку та ін.), після вимкнення струму воно, як правило, самостійно відновлює нормальну діяльність.
При великих струмах, навіть при їх короткочасному впливі, поряд з зупинкою серця відбувається і параліч дихання, але при вимкненні струму дихання, як правило, самостійно не відновлюється і тому, в такому випадку, необхідно надання швидкої допомоги у вигляді штучного дихання.
1.3. Чинники, що впливають на наслідки ураження
електричним струмом
Тіло людини є провідником електричного струму, але електропровідність біологічної тканини відрізняється значною своєрідністю в порівнянні з провідністю металів, електролітів, газів. Це зумовлено не тільки фізичними властивостями живої тканини, але дуже складними біохімічними і біофізичними процесами, властивими біологічній субстанції.
Більшість тканин тіла людини містить значну калькість вологи (до 65% маси). Тому живу тканину можна розглядати як електроліт і відповідну провідність - іонну. Але організм людини можна віднести і до групи своєрідних полімерів - біополімерів, які мають надзвичайно складний характер провідності, але при певному спрощенні можна прирівняти її до провідності напівпровідників.
Дослідження природи електропровідності живої тканини в різних країнах світу продовжуються; вивчаються більш глибинні механізми дії електричного струму. Встановлено, наприклад, що під дією електричного струму молекули біологічної тканини збуджуються; це порушує обмін речовин і змінює електричні властивості тканини. Таким чином електрична провідність її зумовлена не тільки загальнофізичними видами провідностей, але й складними біохімічними і біофізичними процесами.
При протіканні електричного струму тілом людини, воно стає додатковою віткою електричної мережі. Стум в любій вітці кола визначається за законом Ома
Ih = Uд/Rh (1)
де - Uд - напруга дотику, В,
- Rh - опір тіла людини (величина зворотня провідності), Ом.
Формула закону Ома у записі (1) дійсна для кіл постійного струму, бо в колах змінного струму опір віток може містити окрім активної і реактивні складові (ємнісні і індуктивні), але для де-яких загальних висновків зкористуємося записом (1).
Напругою дотику прийнято називати напругу між двома точками кола струму, до яких одночасно торкається людина. Потрапляючи в коло струму (під напругу) на поверхні тіла людини можна визначити дві точки з різними потенціалами до яких одночасно вона торкається. Наприклад, дотик людини, яка стоїть на землі, до фазного провода призведе до виникнення напруги дотику що прикладена між рукою (фазний провід) і ногами (земля). За статистикою електротравматизму це поширеніша травматична ситуація, хоча можуть виникати і інші обставини. Наприклад одночасний дотик людини до двох різних фаз руками ( напруга дотику буде прикладена по колу “рука-рука“); знаходження людей біля обірваних проводів повітряних ліній електропередачі (ПЛ) може призвести до ураження кроковою напругою ( на-пруга дотику по колі “нога-нога“).
Отже з формули (1) видно, що між струмом і напругою є прямопропорційна залежність, тобто, чим більша напруга дотику, тим більший струм буде проходити тілом людини. Напруга дотику визначається в основному параметрами електричного кола.
З тієї ж формули видно, що між опором тіла людини і відповідним струмом існує оберненопропорційна залежність, тобто, чим менший опір тіла людини, тим більший ним буде проходити через нього.
Опір тіла людини у різних людей неоднаковий; неоднаковий він і у тієї ж самої людини в різний час і за різних обставин. При сухій. чистій і неушкодженій шкірі опір людини, виміряний при напрузі 15-20 В складає 3-100 Ком, а іноді і більше .
Розглянемо чинники від яких залежить опір тіла людини.
Стан шкіри. Опір шкіри, а значить і повний опір тіла людини, в значній степені залежить від ушкодження рогового шару шкіри, зволоження шкіри (потом або іншими рідинами), забруднення шкіри.
Місце прикладання напруги дотику. Опір шкіри у людини на різних ділянках поверхні тіла різний. Пояснюється це наступними причинами:
різною товщиною рогового шару шкіри;
нерівномірністю розподілу потових заліз на поверхні тіла;
різною ступінню наповненості судин шкіри кров’ю.
Час протікання струму. Проходячи людиною електричний струм в місцях дотику підсилює місцевий нагрів шкіри, подразнює навколишні тканини, а це, в свою чергу, викликає рефлекторні відповідні реакції через центральну нервову систему що полягають в розширенні судин шкіри, посиленні постачання кров’ю навколишніх ділянок тканини, підвищенні потовиділення, а це зменшує опір шкіри в цих місцях.
Напруга дотику. Вище вказувалось, що збільшення напруги призводить до збільшення струму у відповідності з законом Ома. Але напруга впливає і на опір тіла людини. Шкіра має великий питомий опір що наближається до опору діелектриків і як діелектрик при збільшенні напруги може відбуватись електричний пробій шкіри. В результаті багаточисельних дослідів були визначені напруги пробою шкіри. Виявилось, що напруга пробою шкіри для людей знаходиться в межах від 50 до 200 В. Пробій шкіре є пошкодження її а як нам вже відомо це різко зменшує опір тіла людини.
Частота струму. Переважна більшість електричного обладнання живиться від джерел змінного струму частотою 50 Гц. Мережі постійного струму мають більш обмежене використання. Іноді зустрічаються споживачі що живляться струмом більшої частоти. Постійний струм приблизно в 4-5 разів безпечніший ніж змінний частотою 50 Гц. Проходячи тілом людини, він викликає більш слабкі скорочення м’язів і менш неприємні відчуття в порівнянні з змінним такої ж сили. Але така залежність справедлива до напруги 500 В. Рахується, що при більш високих напругах постійний струм стає небезпечнішим ніж змінний частотою 50 Гц. При збільшенні частоти електричного струму опір тіла людини зменшується і відповідно збільшується значення струму, але небезпека ураження людини при цьому зменшується і повністю зникає при частоті 450-500 кГц. Інакше кажучи, струм такої частоти не може викликати смертельного ураження за рахунок зупинки роботи серця або легенів, а також інших життєво важливих органів, але зберігається небезпека опіків.