8.3.1 Působení elektrického proudu na živý organismus
Ing. Zdeněk Trinkewitz
Po počátečních pokusech s elektřinou dospěl vývoj do stadia
praktického využití elektrické energie. Poměrně brzy bylo zjištěno, že mimo
velkého přínosu představuje elektřina i jistá rizika. Jedním z podstatných
ohrožení u živých bytostí bylo nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Obecně je
možno problém vyjádřit nežádoucími účinky elektrického proudu na živou tkáň.
Jedná se tedy o rizika pro člověka, ale stejně tak pro domácí zvířata a zvířata
obecně. V řadě případů jsou na elektrický proud zvířata citlivější než
člověk.
Stejně jako se vyvíjelo poznání elektřiny, byly zdokonalovány
postupy a prostředky v ochraně před úrazem elektrickým proudem v návaznosti na
poznání vědy a techniky a jejich praktické využití. V důsledku toho bylo nutno
měnit některé ukazatele a parametry k zajištění bezpečného provozu elektrických
zařízení a odstraňování nebo alespoň zmírnění existujících rizik. Zde je třeba
hned úvodem připomenout, že v problematice úrazů elektrickým proudem platí v
prvé řadě fyzikální a fyziologické zákony, ze kterých je nutno vycházet pro
úspěšné řešení problému.
Ochrana před úrazem elektrickým proudem, dříve označovaná jako
ochrana před nebezpečným dotykovým napětím, je dnes nedílnou součástí technické
normalizace. Zde je také možno sledovat změny, které jsou vyvolány dalším
poznáním aplikovaným do praxe. Dnes je možno ještě najít v provozu zařízení
budovaná podle Předpisů ESČ 1950, kde byla problematika řešena viz § 6050 Provedení z hlediska
bezpečnosti. Pouhým srovnáním tehdejších požadavků se současností je dnešní
provedení ochrany před úrazem na značně vyšší úrovni odpovídající vývoji
techniky. Změnu znamenala úprava ochrany před nebezpečným dotykovým napětím
podle ČSN 34
1010 (1965), kde již byly zmíněny chrániče, a to jak napěťové, tak i
proudové. Následovala revize původní normy návrhem ČSN 33
2010 v roce 1987. Do současné podoby je ochrana před úrazem zpracována
v ČSN 33
2000-4-41 od prvního vydání 1996 až po současnou ČSN 33 2000-4-41
ed.2. Zde jsou zmíněny škodlivé účinky působení elektrického proudu na
živý organismus, a to v souvislostech doby trvání, velikosti proudu, rozměru
dotykové plochy a velikosti dotykového napětí při poruše – úrazu. Soubor ČSN 33
2000 a konkrétně norma na ochranu před úrazem elektrickým proudem
vychází z mezinárodních norem pro tuto problematiku, především ze souboru IEC
60364 a HD 60364.
Základem byly údaje obsažené v ČSN IEC
479 (1998) Účinky proudu na člověka a domácí zvířectvo, která však byla
zrušena 1. 6. 2010. Od dubna 2013 platí nová ČSN ISO/TS 60479-1 ed.2 Účinky proudu na člověka a domácí zvířectvo Část 1 : Obecná hlediska, která
nahradila výše zmíněnou normu.
Dřívější hodnocení úrazů elektrickým proudem vycházelo z několika
základních předpokladů a kritérií, která je možno shrnout do následujícího
sdělení. Mezi úrazy, ke kterým došlo působením elektrického proudu, počítáme
všechna poškození zdraví způsobená elektrickým proudem, a to jak přímým
působením, tak i nepřímými účinky. Přímé účinky představují průchod proudu
tělem – živou tkání. Za nepřímé účinky je možno jmenovat tepelné působení
elektrického oblouku, pád způsobený úlekem po zasažení proudem, neočekávané
spuštění stroje nebo jiného mechanismu.
V souvislosti s tím je možno připomenout ČSN 33 2000-1 ed.
2 Elektrické instalace nízkého napětí Část 1 : Základní hlediska,
stanovení základních charakteristik, definice uvádí v čl. 131.1, Poznámka
l:
Ohrožení bezpečnosti v elektrických instalacích mohou způsobit
tyto příčiny:
- - proud způsobující úraz;
- - nadměrné teploty, které mohou způsobit spálení, vznícení,
požár nebo které mohou mít jiné škodlivé účinky;
- - jiskření v prostředí s nebezpečím výbuchu;
- - podpětí, přepětí a elektromagnetické vlivy, které mohou
způsobit nebo mít za následek zranění nebo poškození;
- - ohrožením bezpečnosti přerušením dodávky elektřiny;
- - hoření oblouku, který je schopen způsobit oslepující efekty,
respektive nadměrný tlak, a/nebo toxické plyny;
- - aktivace mechanického pohybu vzniklá protékáním proudu.
Lidské tělo klade průchodu elektrického proudu odpor, jehož
velikost závisí na dráze průchodu. Obecně největší odpor klade pokožka, zejména
v místech, kde je ztvrdlá nebo zrohovatělá (mozoly na rukou). Udávaná průměrná
hodnota odporu kůže je asi 8 000 Ω/cm2. Ostatní části lidského těla
(svaly, klouby, krevní řečiště) jsou uváděny hodnotou asi 1 000 Ω. Jde o údaje,
které jsou individuální pro každého lidského jedince a mohou se v závislosti na
vnějších okolnostech konkrétních podmínkách lišit.
Z uvedených hodnot odporů lidského těla je možno odvodit, že
úrazem elektrickým proudem jsou více ohrožení jedinci s jemnou pokožkou,
hydratovaným podkožím a obsahem soli v závislosti příkladně na pocení. Pokud
budeme srovnávat v populaci a reakci na elektrický podnět u mužů vezmeme za 100
%, potom ženy reagují již při 2/3 této hodnoty a děti při poloviční hodnotě (50
%). Poměrně obsáhlá zkoumání v této oblasti prováděl rakouský fyzik prof. Dr.
Gottfried Biegelmeier (1924–2007), považovaný za duchovního otce proudového
chrániče, důležitého prvku doplňkové ochrany před úrazem elektrickým
proudem.
Kromě individuálních vlastností člověka je při úrazu elektrickým
proudem rozhodující druh proudu. Obecně jsou účinky střídavého proudu horší než
proudu stejnosměrného. U střídavého proudu jsou nejnepříznivější účinky při
kmitočtech do 5 000 Hz. Nepříznivé působení na živou tkáň je nižší u kmitočtů
nad 1 kHz a výrazně se působení snižuje u frekvencí nad 10 kHz.
Mechanizmus úrazu střídavým proudem 50 Hz, jako nejběžnějšího
kmitočtu instalací nízkého napětí, ovlivňuje velikost proudu procházející tělem
a doba trvání průchodu. Pro účinky elektrického proudu při trvalém průchodu se
uvádí:
- - 0,5 až 1 mA práh vnímání elektrického proudu,
- - 1 až 8 mA dráždění v nervech, stoupá krevní tlak,
- - 6 až 15 mA dochází k tetanické křeči, postižený se nemůže
uvolnit z dotyku,
- - 25 mA dochází k tetanické křeči dýchacích svalů,
- - 60 mA fibrilace – chvění srdečních komor, dočasná zástava
srdce,
- - nad 80 mA dochází obvykle k trvalé zástavě srdce.
Mimo velikosti proudu procházejícího tělem záleží na době a dráze
průchodu v závislosti na okamžité funkci srdce. Nejcitlivější je srdce na
průchod elektrického proudu v okamžiku, kdy dochází k vypuzování krve ze
srdeční komory. Podle poznatků medicíny je doba jedné periody 0,8 s. Při
průchodu elektrického proudu srdcem při prvním stahu snese člověk proud až 1 A,
při druhém stahu již jen 0,1 A a dále jde o hodnotu stále nižší. Proto i
poměrně velký proud procházející srdcem v rozmezí do 1 s nemusí způsobit žádné
škody na lidském zdraví. To neznamená, že by riziko přestalo existovat.
Elektrický proud při působení na živý organismus představuje
specifické ohrožení, které není schopen člověk rozlišit svým vnímáním a smysly.
Pokud naše jednání neodpovídá existujícímu riziku, potom představuje elektřina
z hlediska možného úrazu velké nebezpečí. Účinky elektrického proudu na živý
organismus, tedy i člověka, závisí od více ukazatelů. Můžeme jmenovat velikost
proudu protékajícího organismem, směr průchodu, dobu působení, frekvenci proudu
a tvar. Velikost proudu protékajícího tělem závisí od hodnoty napětí, odporu
nebo impedance lidského těla v těch částech, kterými proud protéká. Dalším
rozhodujícím činitelem je odpor na přechodu do těla v místě vstupu a v místě
výstupu elektrického proudu.
Místem vstupu a výstupu elektrického proudu do těla je nejčastěji
pokožka s vrstvou podkožního tuku. Při dotyku elektrické živé části a průchodu
elektrického proudu u člověka připomeňme, že pokožka má vlastně dvě části.
Vrchní zrohovatělá suchá vrstva, která dosahuje 0,05–0,2 mm představuje značný
odpor. V některých případech může být i nevodivá, obvykle u lidí vykonávajících
manuální práce. Spodní část pokožky s tukem není příliš dobrým vodičem na
rozdíl od spodní prokrvené části pokožky s řadou buněk s obsahem vody, která
představuje mnohem lepší vodič proudu. Celková impedance pokožky se mění podle
velikosti elektrod v místě dotyku, hodnoty napětí a doby trvání průchodu proudu
v závislosti na tlaku elektrod.
Vzhledem k významu mechanismu úrazu elektrickým proudem byly
zpracovány poznatky k účinkům elektrického proudu na člověka a domácí zvířectvo
v mezinárodních normách IEC. V normách ČSN byla převzata norma IEC 479-1
(1994) jako ČSN IEC
479-1 (1998) Účinky proudu na člověka a domácí zvířectvo Část 1 :
Obecná hlediska. Norma uvedla údaje o působení elektrického proudu na člověka a
lidský organismus v několika základních oblastech ovlivňujících účinky
elektrického proudu jako je:
- - elektrická impedance lidského těla,
- - účinky sinusového střídavého proudu v rozsahu 15 Hz až 100
Hz,
- - účinky stejnosměrného proudu.
Elektrická impedance lidského těla je dána do souvislosti jako
funkce dotykového napětí. Zásadním kritériem pro konkrétní případy je přípustná
mez dotykového napětí, která je chápána jako součin proudu procházejícího tělem
a impedance těla a tato hodnota jako funkce času. Vztah mezi proudem a napětím
není lineární, poněvadž impedance lidského těla se mění s dotykovým napětím.
Různé části lidského těla jako kůže, svaly, krevní řečiště a tkáně představují
pro elektrický proud určitou impedanci složenou z odporových a kapacitních
složek. Hodnoty těchto impedancí jsou závislé na celé řadě faktorů a především
na dráze proudu, dotykovém napětí, době průtoku proudu, kmitočtu, stupni
vlhkosti kůže, ploše kontaktního povrchu, tlaku v místě dotyku, teplotě a na
vlastnostech samotné osoby.
Jak již bylo zmíněno, byla platnost normy ČSN IEC
479-1 ukončena ke dni 1. 6. 2010. V této době již probíhalo vypracování
nové normy, která jako ČSN IEC/TS 60479-1 ed. 2 vstoupila v platnost v
dubnu 2013. Nová norma je českou verzí mezinárodní normy IEC/TS 60479-1:2005
převzatou překladem, která nahradila ČSN IEC
479-1 z listopadu 1998. V úvodu je upozorněno, že byla přijata forma
technické specifikace, poněvadž shrnuje dosavadní dosažené výsledky, které
příslušná technická komise využívá jako základ pro stanovení požadavků na
ochranu před elektrickým úrazem.
Technická specifikace platí zejména pro meze komorové fibrilace
(chvění srdečních komor nebo síní), která je hlavní příčinou úmrtí v důsledku
úrazu elektrickým proudem. Bylo využito posledních výzkumných prací fyziologie
srdce a prahu fibrilace, které umožnily lépe pochopit vliv hlavních fyzikálních
parametrů a vliv doby průchodu proudu.
Specifikace IEC 60479-1 obsahuje informace o impedanci těla a
mezních hodnotách proudu z hlediska různých fyziologických účinků. Vzájemnou
kombinací těchto informací lze odvodit odhadnuté meze střídavých a
stejnosměrných dotykových napětí pro určité dráhy lidským tělem, podmínky
vlhkosti místa dotyku a dotýkající se kůže v kontaktních místech. Pokud se
vyhodnocují škodlivé účinky jakýchkoliv událostí na lidské bytosti a zvířectvo,
je nutno brát v úvahu i jiné než elektrické účinky, jako jsou pády, žár, oheň a
další.
V úvodu je zdůrazněno, že pro zabránění omylům ve výkladu této
specifikace, údaje v ní obsažené vycházejí hlavně z pokusů na zvířatech a z
informací, které jsou k dispozici z klinických pozorování. Jen několik pokusů
zasažení šokovým elektrickým proudem krátké doby trvání bylo provedeno na
živých lidech. Předchozí vydání obsahovalo málo informací o impedanci lidského
těla a její závislosti na ploše dotýkaného povrchu a to ještě za suchého stavu.
Proto byla provedena měření na 10 osobách s…