Ставропольский государственный аграрный университет
Электроэнергетический факультет
Кафедра электроснабжения и эксплуатации электрооборудования
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛЕКЦИИ
по учебной дисциплине «ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ»
для студентов специальностей:
110302.65 – «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»
110300.62 - «АГРОИНЖЕНЕРИЯ»
140211 – «ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ»
140200 – «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА»
ТЕМА № 1 Общие вопросы электробезопасности
ЛЕКЦИЯ № 2 Воздействие электрического тока на организм человека
Ставрополь 2010г.
Учебные и воспитательные цели:
ЗНАТЬ механизм поражения человека электрическим током;
ЗНАТЬ основные факторы, определяющие степень опасности воздействия электрического тока на организм человека;
ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ об особенности действия электрического тока на организм сельскохозяйственных животных.
ВРЕМЯ: 90 мин.
Учебно-методическое обеспечение
Комплект учебной литературы по дисциплине.
Плакаты и стенды по теме № 1.
Распределение времени лекции
Введение 5мин
Учебные вопросы лекции
1. Механизм поражения человека электрическим током 30мин
2. Факторы, определяющие степень опасности воздействия
электрического тока на организм человека 30мин
3. Влияние параметров электрического тока
на исход поражения человека 20мин
Заключение 5мин
Содержание лекции
Введение
Несчастным случаем считается случай с человеком, работающим в сельском хозяйстве или промышленности, связанный с действием на него опасного производственного фактора. В результате несчастного случая могут быть:
· поражение электрическим током;
· ушибы и порезы;
· ранения и контузии;
· ожоги и обугливание;
· отравления и удушье газами.
Статистика несчастных случаев с людьми от воздействия электрического тока показывает, что данному виду электротравматизма необходимо уделять серьезное внимание. Основная доля электротравм персонала на производстве и людей в быту вызвана причинами, которые позволяет устранить современные защитные средства. Основные усилия по обеспечению безопасной работы людей необходимо направлять на устранение причин порождающих электротравматизм.
Правила устройства электроустановок (ПУЭ, п.1.1.36) требуют, чтобы для защиты электротехнического и электротехнологического персонала от поражения электрическим током и от действия электрической дуги все электроустановки были снабжены средствами защиты, а также средствами оказания первой помощи в соответствии с действующими правилами применения и испытания средств защиты, используемых в электроустановках.
1 Механизм поражения человека электрическим током
Действие электрического тока на живую ткань человека и сельскохозяйственного животного носит своеобразный и разносторонний характер. Проходя через организм человека и животного, электрический ток производит такие воздействия как:
· термическое;
· электролитическое;
· механическое (динамическое);
· биологическое.
Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве до высокой температуры кровеносных сосудов, нервов, 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 повреждениях различных тканей организма: мышечной ткани, стенок кровеносных сосудов, сосудов легочной ткани, 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 живых тканей организма, а также в нарушении внутренних биоэлектрических процессов, протекающих в нормально действующем организме и теснейшим образом связанных с его жизненными функциями.
Характер местных электротравм зависит от параметров электрической сети. Такие электротравмы проявляются в виде:
· ожогов;
· электрических ударов;
· знаков (ожоги различной формы в поверхностных слоях кожи);
· металлизации кожи (проникновение в кожу мелких частиц металла);
· электроофтальмия (воспаление наружных оболочек глаз).
Практически электрические знаки и металлизация кожи встречаются редко, как правило, они сопутствуют электрическим ожогам и ударам.
Электрический ожог – самая распространенная электротравма. Ожоги возникают у большей части (63%) пострадавших от электрического тока, причем треть из них (23%) сопровождается электрическими знаками и металлизацией кожи. В зависимости от условий возникновения различают два вида ожогов:
· токовый (контактный);
· дуговой.
Первый вид ожога возникает при прохождении электрического тока через тело человека в точке контакта с токоведущей частью. При этом напряжение сети, как правило, не выше 2кВ. Если напряжение сети выше 2кВ, то образуется электрическая дуга и возникает дуговой ожог кожи.
Электрические знаки, именуемые также знаками тока или электрическими метками, представляют собой резко очерченные пятна серого или бледно – желтого цвета на поверхности тела человека. Обычно знаки имеют круглую или овальную форму и размеры 1 – 5мм с углублением в центре. Встречаются знаки в виде царапин и небольших ран. При воздействии грозового разряда знак может напоминать фигуру молнии.
Металлизация кожи – проникновение в верхние слои кожи мельчайших частичек металла, расплавившегося под действием электрической дуги. Такое явление встречается при коротких замыканиях, отключениях разъединителей и рубильников под нагрузкой. Каждая из частичек металла имеет высокую температуру, но малый запас теплоты и, как правило, не способна прожечь одежду. Поэтому поражаются обычно открытые части тела – руки и лицо. Пострадавший ощущает на пораженном участке боль от ожогов под действием теплоты занесенного в кожу металла и испытывает напряжение кожи от присутствия в ней инородного тела.
Механические повреждения являются в большинстве случаев следствием резких непроизвольных судорожных сокращений мышц под действием тока, проходящего через тело человека. В результате могут произойти разрывы сухожилий, кожи, кровеносных сосудов и нервной ткани, вывихи суставов и даже переломы костей. Механические повреждения происходят при работе в основном в установках до 1кВ при относительно длительном нахождении человека под напряжением. Это, как правило, серьезные травмы, требующие длительного лечения. К счастью, механические повреждения возникают довольно редко - примерно у 1% лиц, пострадавших от тока.
Электроофтальмия - воспаление наружных оболочек глаз - роговицы и конъюнктивы (слизистой оболочки, покрывающей глазное яблоко), возникающее в результате воздействия мощного потока ультрафиолетовых лучей, которые энергично поглощаются клетками организма и вызывают в них химические изменения. Такое облучение возможно при наличии электрической дуги, которая является источником интенсивного излучения не только видимого света, но и ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Электроофтальмия наблюдается примерно у 3% пострадавших от тока.
Электрический удар является следствием протекания тока через тело человека; при этом под действием тока происходит возбуждение живых тканей организма, проявляющееся в непроизвольных судорожных сокращениях различных мышц тела, и под угрозой поражения оказывается весь организм из-за нарушения нормальной работы различных его органов и систем: сердца, легких, центральной нервной системы.
2 Факторы, определяющие степень опасности воздействия
электрического тока на организм человека
Исход воздействия электрического тока на организм человека зависит от ряда факторов, в том числе от значения и длительности прохождения тока через его тело, рода и частоты тока, а также от индивидуальных свойств человека. Электрическое сопротивление тела человека и приложенное к нему напряжение также влияют на исход поражения, но лишь постольку, поскольку они определяют значение тока, проходящего через человека.
Электрическое сопротивление тела человека. Тело человека является проводником электрического тока. Однако проводимость живой ткани в отличие от проводимости обычных проводников обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи. В результате сопротивление тела человека является переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от состояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов и состояния окружающей среды.
Электрическое сопротивление различных тканей тела человека неодинаково: кожа, кости, жировая ткань, сухожилия и хрящи имеют относительно большое сопротивление, а мышечная ткань, кровь, лимфа и особенно спинной и головной мозг - малое. Например, при электрическом токе частотой 50Гц удельное объемное сопротивление составляет, Ом м:
Кожи сухой 3 103 – 2 104
Кости (без надкостницы)
Жировой ткани
Мышечной ткани 1,5 - 3,0
Крови 1,0 - 2,0
Из этих данных следует, что по сравнению с другими тканями кожа обладает очень большим удельным сопротивлением, которое является главным фактором, определяющим сопротивление тела человека в целом. Сопротивление тела человека, т. е. сопротивление между двумя электродами, наложенными на поверхность тела, у разных людей различно. Неодинаковым оказывается оно и у одного и того же человека в разное время и в разных условиях измерения. При сухой, чистой и неповрежденной коже сопротивление тела, измеренное при напряжении доВ, колеблется в пределахОм, а иногда и в более широких пределах. Если на участках кожи, где прикладываются электроды, соскоблить роговой слой, сопротивление тела упадет доОм, а при удалении всего наружного слоя кожи (эпидермиса) до 500 – 700 Ом. Если же под электродами полностью удалить кожу, то будет измерено сопротивление подкожных тканей тела, которое у всех людей практически одинаково и составляет лишь Ом.
Сопротивление тела человека можно условно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений (рисунок 1, а и б): двух одинаковых сопротивлений наружного слоя кожи, т. е. эпидермиса, 2 ZЭ, и одного сопротивления внутренних тканей тела RВ.
Рисунок 1 – Условные схемы электрического сопротивления тела человека: а - схема измерения сопротивления;
б, в - эквивалентные схемы сопротивления тела человека;
г - упрощенная эквивалентная схема.
На схеме (рисунок 1.а) обозначены: 1 - электроды; 2 - роговой слои кожи; 3 - ростковый слой кожи; 4 - наружный слой кожи - эпидермис (роговой и ростковый слои); 5 - внутренний слой кожи (дерма); 6 - подкожные ткани тела; 7 - внутренние ткани тела (внутренние слои кожи и подкожные ткани).
Сопротивление эпидермиса ZЭ. Параметр состоит из активного RЭ и емкостного ХС сопротивлений (рисунок 1.г). Емкостное сопротивление обусловлено тем, что в месте прикосновения электрода к телу человека образуется условный конденсатор, обкладками которого являются электрод и хорошо проводящие ток ткани тела человека, лежащие под наружным слоем кожи, а диэлектриком, разделяющим обкладки, - этот слой (эпидермис) (рисунок 1.в).
Сопротивление внутренних тканей тела RВ считается чисто активным, хотя, строго говоря, оно также обладает емкостной составляющей.
Эквивалентная схема сопротивления тела человека, показанная на рисунке 1.в, позволяет написать выражение для определения полного сопротивления тела человека в комплексной форме
(1)
Сопротивление кожи, а следовательно, и тела в целом резко уменьшается при повреждении ее рогового слоя, наличии влаги на ее поверхности, интенсивном выделении пота и загрязнении.
Повреждения рогового слоя - порезы, царапины, ссадины и другие микротравмы - могут снизить сопротивление тела человека до значения, близкого к значению сопротивления его внутренних тканей (Ом), что, безусловно, увеличивает опасность поражения током.
Увлажнение кожи понижает ее сопротивление даже в том случае, когда влага обладает большим удельным сопротивлением. Так, увлажнение сухих рук сильно подсоленной водой снижает сопротивление тела на%, а дистиллированной водой - на%. Это объясняется тем, что влага, попавшая на кожу, растворяет находящиеся на ее поверхности минеральные вещества и жирные кислоты, выведенные из организма вместе с потом и кожным салом, и становится более электропроводной.
Загрязнение кожи различными веществами, в особенности хорошо проводящими ток (например, металлическая или угольная пыль, окалина), сопровождается снижением ее сопротивления, как и при поверхностном увлажнении кожи. Кроме того, токопроводящие вещества, проникая в выводные протоки потовых и сальных желез, создают в коже токопроводящие каналы, резко понижающие ее сопротивление.
Электрическое сопротивление зависит также от места приложения электродов к телу человека, значений тока и приложенного напряжения, рода, частоты и длительности прохождения тока, площади электродов и некоторых других факторов.
Место приложения электродов оказывает влияние потому, что сопротивление кожи у одного и того же человека на разных участках тела неодинаковое. Кроме того, различным (хотя и в незначительных пределах) оказывается и сопротивление внутренних тканей при изменении длины пути тока по ним.
Повышение напряжения UПР, приложенного к телу человека, вызывает уменьшение в десятки раз его полного сопротивления Zh, которое в пределе приближается к наименьшему значению сопротивления подкожных тканей тела (примерно 300 Ом). Это происходит в основном за счет снижения сопротивления кожи и объясняется влиянием ряда факторов, в том числе увеличением тока, проходящего через кожу, и пробоем его рогового слоя под влиянием приложенного напряжения. Рост тока, проходящего через кожу, обусловлен в первую очередь повышением напряжения, приложенного к телу человека. Пробой рогового слоя кожи возможен, если напряженность возникшего в нем электрического поля превысит его пробивную напряженность, равную, как показывают опыты, В/мм.
Род и частота тока. Опыты на добровольцах показывают, что сопротивление тела человека постоянному току больше, чем переменному любой частоты. При нулевой частоте, что соответствует постоянному току, сопротивление имеет наибольшее значение:
(2)
С ростом частоты тока сопротивление Zh, уменьшается (в результате снижения емкостного сопротивления) и когда стремиться к бесконечности, становится равным сопротивлению внутренних тканей тела RB.
Длительность протекания тока. Данный параметр заметно влияет на сопротивление кожи, вследствие усиления с течением времени кровоснабжения участков кожи под электродами, выделения пота и т. п. Опыты показывают, что при небольших напряжениях В) за 1 - 2 мин сопротивление понижается обычно на%.
Площадь электродов S оказывает непосредственное влияние на полное сопротивление тела человека: чем больше S, тем меньше сопротивление Zh. С ростом частоты тока зависимость сопротивление Zh от площади S уменьшается, и прикГц влияние площади электродов исчезает.
На значение сопротивления Zh наряду с рассмотренными параметрами влияют и другие факторы (физиологические факторы и параметры окружающей среды), хотя и в значительно меньшей степени. Так, у женщин, как правило, сопротивление тела меньше, чем у мужчин, а у детей - меньше, чем у взрослых, у молодых людей меньше, чем у пожилых. Объясняется это тем, что у одних людей кожа тоньше и нежнее, у других - толще и грубее.
Физические раздражения, возникающие неожиданно для человека, - болевые (уколы и удары), звуковые, световые - могут вызвать на несколько минут снижение сопротивления тела на%.
Уменьшение или увеличение парциального давления кислорода в воздухе по сравнению с нормой соответственно снижает или повышает сопротивление тела человека. Следовательно, в закрытых помещениях, где парциальное давление кислорода, как правило, меньше, опасность поражения током при прочих равных условиях выше, чем на открытом воздухе.
Повышенная температура окружающего воздуха °С), или тепловое облучение человека, вызывает некоторое понижение сопротивления Zh, даже если человек в этих условиях находится кратковременно (несколько минут) и у него не наблюдается усиления выделения пота. Одна из причин - усиление снабжения сосудов кожи кровью в результате их расширения, что является ответной реакцией организма на тепловое воздействие.
3 Влияние параметров электрического тока
на исход поражения человека
Влияние силы тока на исход поражения. Сила тока, проходящего через тело человека, - основной поражающий фактор. Человек начинает ощущать воздействие проходящего через него малого тока: в среднем около 1,1мА при переменном токе частотой 50Гц и около 6мА при постоянном токе. Это воздействие ограничивается при переменном токе слабым зудом и легким пощипыванием (покалыванием), а при постоянном токе - ощущением нагрева кожи на участке, касающемся токоведущей части. Электрический ток, вызывающий при прохождении через организм ощутимые раздражения, называется ощутимым током, а наименьшее значение этого тока называется пороговым ощутимым током.
Увеличение тока сверх порогового ощутимого вызывает у человека судороги мышц и болезненные ощущения, которые с ростом тока усиливаются и распространяются на все большие участки тела. Так, при 3 - 5мА (50Гц) действие тока ощущается всей кистью руки, касающейся токоведущей части; при мА боль резко усиливается и охватывает всю руку, сопровождаясь непроизвольными сокращениями мышц руки и предплечья.
Неотпускающий ток. Электрический ток, вызывающий при прохождении через человека непреодолимые судорожные сокращения мышц руки, в которой зажат проводник, называют неотпускающим током, а наименьшее его значение - пороговым неотпускающим током. Последний условно можно считать безопасным для человека, поскольку он не вызывает немедленного его поражения. Однако при длительном прохождении ток растет вследствие уменьшения сопротивления тела, в результате чего усиливаются боли и могут возникнуть серьезные нарушения работы легких и сердца, а в некоторых случаях наступает смерть.
Фибрилляционный ток. Ток 50мА и более при 50Гц, проходя через тело человека по тому же пути («рука – рука» или «рука – ноги»), распространяет свое раздражающее действие на мышцу сердца, расположенную глубоко в груди. Это обстоятельство опасно для жизни, поскольку через малый промежуток времени, обычно через 1 - 3сек с момента замыкания цепи тока через человека, может наступить фибрилляция или остановка сердца. При этом прекращается кровообращение и, следовательно, в организме возникает недостаток кислорода; это в свою очередь быстро приводит к прекращению дыхания, т. е. наступает смерть. Ток, вызывающий при прохождении через организм фибрилляцию сердца, называется фибрилляционным током, а наименьшее его значение - пороговым фибрилляционным током.
Влияние длительности прохождения тока на исход поражения. Анализ несчастных случаев с людьми от воздействия электрического тока и данные опытов над животными показывают, что длительность прохождения тока через организм существенно влияет на исход поражения: чем продолжительнее действие тока, тем больше вероятность тяжелого или смертельного исхода. Такая зависимость объясняется тем, что с увеличением времени воздействия тока на живую ткань повышается его значение, растут (накапливаются) последствия воздействия тока на организм и, наконец, повышается вероятность совпадения момента прохождения тока через сердце с уязвимой фазой (Т – зубец) сердечного цикла.
Влияние пути тока на исход поражения. Практикой и опытами установлено, что путь прохождения тока через тело человека или «петля тока», играет существенную роль в исходе поражения. Так, если на пути тока оказываются жизненно важные органы - сердце, легкие, головной мозг, то опасность поражения весьма велика, поскольку ток воздействует непосредственно на эти органы. Возможных путей электрического тока в теле человека много. Однако характерными, обычно встречающимися в практике, являются не более 15 петель, которые показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 - Характерные пути электрического тока в теле человека:
1 – «рука - рука», 2 – «правая рука - ноги», 3 – «левая рука - ноги», 4 – «правая рука - правая нога», 5 – «правая рука – левая нога», 5 – «левая рука - левая нога», 7 – «левая рука - правая нога», 8 – «обе руки - обе ноги», 9 -«нога – нога», 10 – «голова – руки», 11 – «голова – ноги», 12 – «голова - правая рука», 13 – «голова - левая рука», 14 – «голова - правая нога», 15 – «голова - левая нога».
Из всех путей электрического тока шесть самых распространенных петель приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Наиболее опасные пути электрического тока через тело человека
Пути тока через тело человека | Частота возникновения данного пути, % | Доля потерявших сознание во время воздействия тока, % | Процент тока, проходящего через область сердца, % |
1.«Рука – рука» | 40 | 83 | 3,3 |
2.«Правая рука - ноги» | 20 | 87 | 6,7 |
3.«Левая рука - ноги» | 17 | 80 | 3,7 |
4.«Нога – нога» | 6 | 15 | 0,4 |
5.«Голова – ноги» | 5 | 88 | 6,8 |
6.«Голова – руки» | 4 | 92 | 7,0 |
7.«Прочие петли» | 8 | 65 | 0 |
Примечания: 1. Во втором столбце за 100% приняты все несчастные случаи поражения током, повлекшие за собой утрату трудоспособности более чем на 3 рабочих дня 2. Предполагается, что при воздействии шагового напряжения (путь тока «нога – нога») пострадавшие теряли сознание (15%) после падения на землю, т е. когда возникал новый путь тока.
Опасность различных петель тока можно оценить, пользуясь данными таблицы, по относительному количеству случаев потери сознания во время воздействия тока (третий столбец). Опасность петли можно оценить также по значению тока, проходящего через область сердца: чем больше этот ток, тем опаснее петля. Предполагается, что при наиболее распространенных путях в теле человека через сердце протекает 0,4 - 7% общего тока (в четвертом столбце эти токи указаны для каждой из рассматриваемых петель).
Наиболее опасными являются петли «голова – руки» и «голова – ноги», когда ток может проходить через головной и спинной мозг. К счастью для персонала организаций, эти петли возникают редко.
Влияние частоты и рода тока на исход поражения. Из-за наличия в сопротивлении тела человека емкостной составляющей увеличение частоты приложенного напряжения сопровождается уменьшением полного сопротивления тела и ростом тока, проходящего через человека Известно, что опасность поражения увеличивается с ростом тока, проходящего через человека. Теоретически повышение частоты должно привести к усилению этой опасности, но на практике это предположение справедливо лишь в диапазоне частот 0 - 50Гц. Дальнейшее повышение частоты, несмотря на рост тока, проходящего через человека, сопровождается снижением опасности поражения, которая полностью исчезает при частоте кГц.
Таким образом, ток частотой кГц и более не может вызвать смертельного поражения вследствие прекращения работы сердца или легких, а также других жизненно важных органов. Однако эти высокочастотные токи сохраняют опасность ожогов, как при возникновении электрической дуги, так и при прохождении их непосредственно через человека.
Как показывают опыты над животными, значения фибрилляционного тока при частотахГц практически одинаковы; при частоте 200Гц фибрилляционный ток возрастает примерно в 2 раза, а при частоте 400Гц - более чем в 3 раза.
Постоянный ток примерно в 4 - 5 раз безопаснее переменного частотой 50Гц. Это вытекает из сопоставления значений пороговых неотпускающих токов мА для постоянного имА для тока частотой 50Гц) и предельно выдерживаемых напряжений. Например, тренированный человек, удерживая цилиндрические электроды в руках, в состоянии вынести (по болевым ощущениям) приложенное к нему напряжение не болееВ при 50Гц и не более В постоянного тока. Постоянный ток, проходя через тело человека, вызывает более слабые сокращения мышц и менее неприятные ощущения по сравнению с переменным током того же значения. Лишь в момент замыкания и размыкания цепи тока человек испытывает кратковременное болезненное ощущение вследствие внезапного судорожного сокращения мышц, подобное тому, которое возникает при переменном токе примерно того же значения.
Влияние индивидуальных свойств человека на исход поражения. Практикой установлено, что вполне здоровые и физически крепкие люди легче переносят электрические удары, чем больные и слабые. Повышенной восприимчивостью к электрическому току обладают лица, страдающие рядом заболеваний, в первую очередь болезнями кожи, сердечно-сосудистой системы, органов внутренней секреции, легких, нервными болезнями и др.
Выводы. 1. Статистика несчастных случаев от воздействия электрического тока показывает, что данному виду электротравматизма необходимо уделять серьезное внимание.
2. Основная доля травм от воздействия на человека электрического тока в производственных условиях и в быту вызвана причинами, которые позволяет устранить современные электрозащитные средства.
3. Основные усилия по обеспечению безопасной работы персонала на производстве и людей в быту необходимо направлять на устранение причин порождающих электротравматизм.
Литература
1. , , Привалов в сельском хозяйстве. Ставрополь: Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2006. – 131с.
2. Е, , . Электробезопасность. – Ставрополь: Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2006. – 81с.
3. Охрана труда: межотраслевые правила по охране труда при эксплуатации электроустановок. – М.: ИНФА – М, 2011. – 154с.
4. Межотраслевая инструкция по оказанию первой помощи при несчастных случаях на производстве. – М: Изд-во НЦ ЭНАС, 20с.
5. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). – М.: Энергосервис, 2011. – 608с.
6. Электробезопасность: задачник: Учеб. пособие / Под ред. проф. . – М.: Гардарики, 2003. – 215 с.
Методические указания составил
доцент кафедры электроснабжения ___________________
Учебно-методический комплекс «Электробезопасность» рассмотрен и утвержден на заседании кафедры «Электроснабжения и эксплуатации электрооборудования».
Протокол №_____ от_______ _______ ______2010г.___
(число) (месяц) (год)
