Электрическое сопротивление тела человека

 

При прикосновении к токоведущим частям, находящимся под напряжением, человек включается в электрическую цепь и может рассматриваться как элемент цепи. Тело человека является проводником электрического тока. Однако в отличии от обычных проводников проводимость живой ткани обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи. В силу этого сопротивление тела человека является переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от состояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов, состояния окружающей среды.

Электрическое сопротивление различных тканей тела человека неодинаково. Кожа, кости, жировая ткань имеют относительно большое значение – ρ_кож ≈ ρ_кост = (3 ^. 10³ – 3 ^. 10⁴) Ом^.м. Мышечная ткань, кровь, лимфа и, особенно, спинной и головной мозг – малое значение удельного сопротивления – ρ_мышц = (1,5 – 3)Ом^.м; ρ_кр = (1 – 2)Ом^.м; ρ_мозг = (0,5 – 0,6) Ом^.м.Таким образом, обладая большим удельным сопротивлением, кожа определяет сопротивление тела человека в целом. Кожа состоит из двух основных слоев: наружного – эпидермиса (верхний слой кожи толщиной 0,2 мм, состоящий из мертвых ороговевших клеток), обладающего большим сопротивлением и внутреннего – дерма, имеющего относительно малое сопротивление, близкое по значению к сопротивлению внутренних тканей.

Таким образом, в соответствии с приведенной на рис. 2,а схемой включения человека в электрическую цепь между двумя электродами, сопротивление тела человека состоит из трех последовательно включенных сопротивлений: двух одинаковых сопротивлений наружного слоя кожи – эпидермиса (роговой и ростковый слои) и одного сопротивления внутренних подкожных тканей, называемого внутренним сопротивлением. Оно включает два сопротивления внутреннего слоя кожи и сопротивления подкожных тканей тела и составляет величину – R_вн = (300 – 500) Ом. Сопротивление тела у различных людей, измеренное в разное время и в различных условиях неодинаково. Электрическое сопротивление сухой, чистой, неповрежденной кожи, измеренное при напряжении (15 – 20) В, составляет (3 – 100)^. 10³ Ом.

Если на участках, где прикладываются электроды, снять роговой слой, сопротивление тела упадет до (1 – 5)^.10³ Ом; при удалении всего наружного слоя эпидермиса – (500 – 700) Ом.

 

 

 

Рис. 2. К определению сопротивления тела человека.

а) – схема измерения сопротивления;

б, в) – эквивалентные схемы сопротивления тела человека;

г) – упрощенная эквивалентная схема.

1 – электроды;

2 – наружный слой кожи – эпидермис (роговой и ростковый слои);

3 – внутренние ткани тела (внутренний слой кожи и подкожные ткани).

Эквивалентные схемы сопротивления тела человека представлены на рис. 2 б, в. Сопротивление эпидермиса Z_э состоит из активного R_э и емкостного сопротивлений, включенных параллельно. Емкостное сопротивление обусловлено тем, что в месте прикосновения электрода к телу человека образуется конденсатор, обкладкамикоторого являются электрод и хорошо проводящие внутренние ткани тела, а диэлектриком – наружный слой кожи, обладающий большим сопротивлением. Эквивалентная схема рис. 2, в позволяет написать полное сопротивление тела человека в комплексной форме: , или в действительной форме:

.

Из приведенного выражения следует, что с уменьшением частоты сопротивление тела возрастает, а на постоянном токе имеет наибольшие значения:

,

где - сопротивление тела человека постоянному току. С ростом частоты сопротивления уменьшается за счет уменьшения емкостного сопротивления и при (5-10) кГц можно считать, что = =(300-500) Ом.

Эквивалентную схему можно упростить, представив сопротивление тела как параллельное соединение сопротивления = 2 + и емкости (рис. 2, г). Для этого случая: .

При частота f = 50 Гц переменного напряжения учитывается лишь активная составляющая полного сопротивления и при раcчетах принимается R_h = 1000 Ом. Однако на самом деле Z_h величина переменная и зависит от многих факторов. Так, в зависимости от места приложения электродов, с увеличением площади касания сопротивление уменьшается. Значение тока и длительность его прохождения через тело человека непосредственно влияют на электрическое сопротивление Z_h. С увеличением тока и времени его прохождения сопротивление уменьшается, что связано с нарушением процессов терморегуляции в организме: за счет усиления местного нагрева кожи и внутренних органов сосуды расширяются, усиливается снабжение этих участков кровью, что увеличивает потовыделение. Сопротивление влажной кожи уменьшается, ток еще более возрастает, усиливая нагрев и т.д.

Аналогичным образом ведет себя зависимость сопротивления от величины приложенного напряжения. Повышение напряжения уменьшает сопротивление тела человека в десятки раз: во-первых, за счет нарушения процессов терморегуляции из-за увеличения тока, как это было рассмотрено выше; во-вторых, за счет развития процессов пробоя кожи при величине приложенного напряжения выше 50 вольт. При этом величина сопротивления Z_h стремится к значению R_вн = (300-500) Ом.

Установлено, что для отпускающих токов - Z_h = (2-3)^. 10³ Ом; при неотпускающих токах - Z_h = 1^. 10³ Ом; при смертельном токе - Z_h = 500 Ом.

 

Факторы, влияющие на исход поражения.

Путь тока в теле человека. Если на пути тока оказываются жизненно важные органы, опасность поражения очень высока. Если же ток проходит по другим путям, минуя сердце, легкие, мозг, то воздействие может быть рефлекторным, через ЦНС. Ток в теле не всегда проходит по кратчайшему пути, так как различные участки тела имеют различное удельное сопротивление, как это было показано выше. Наибольшую опасность представляет продольный путь тока. Отмечено, что через сердце проходит:

по пути «рука – рука» - 3,3% общего тока;

по пути «левая рука – нога» - 3,7% общего тока;

по пути «правая рука – нога» - 6,7% общего тока;

по пути «голова – нога» - 6,8% I_общ;

по пути «голова – рука» - 7% I_h;

по пути «нога – нога» - 0,4% I_h..

Статистика показывает, что наибольшая потеря трудоспособности (87% случаев) наблюдается при поражениях «правая рука – ноги», наименьшая (15% случаев) при поражениях «нога – нога». Однако, если ток велик, судорожное сокращение ног приведет к падению с возможным летальным исходом.

Род и частота тока. Установлено, что переменный ток более опасен, чем постоянный ток Как следует из сопоставления пороговых значений токов, одни и те же воздействия вызываются большими значениями постоянного тока, чем переменного. Однако даже небольшой постоянный ток (ниже порога ощущения) при быстром разрыве цепи дает очень сильные удары, вплоть до судорог мышц рук. Так же установлено, что в электроустановках с уровнем напряжения выше 500 В опаснее постоянный ток. Увеличение частоты ведет к увеличению опасности поражения, так как уменьшается полное сопротивление Z_h. Наибольшую опасность представляет переменный ток частотой от 20 до 1000 Гц. При частотах ниже 20 Гц и выше 1000 Гц опасность поражения уменьшается, так как величины предельно допустимых токов I_неотп изменяются от значения 20 mА в большую сторону. Выпрямленные токи содержат постоянную и переменную составляющие, которые оказывают совместное действие на организм человека, в то время как приборы показывают только постоянную составляющую. При однополупериодном выпрямлении пороговые значения тока по постоянной составляющей в 1,5 раза ниже, чем для переменного тока. При двухполупериодном выпрямлении пороговые значения переменного и выпрямленного токов одинаковы.

Состояние окружающей среды. Изменение влажности, температуры от оптимальных условий, наличие токопроводящей пыли, паров кислот увеличивает опасность поражения, так как во всех помещениях, кроме сухих и чистых сопротивление тела человека уменьшается, а в пыльных помещениях с токопроводящей пылью, с химически и биологически активной средой происходит разрушение изоляции.

Согласно ПУЭ все производственные помещения по опасности поражения электрическим током подразделяются на три категории:

1. Помещения без повышенной опасности – помещения сухие.
2. Помещения с повышенной опасностью, характеризуются наличием одного из следующих признаков:

а) высокая температура (> 30⁰С);

б) влажность выше 75%;

в) токопроводящий пол;

г) токопроводящая пыль;

д) наличие возможности одновременного прикосновения к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, механизмам – с одной стороны и к металлическим корпусам электрооборудования – с другой стороны.

1. Помещения особо опасные, характеризуются наличием одного из трех условий:

а) 100% влажность, особая сырость;

б) химически и биологически активная среда, разрушающе действующая на изоляцию и токоведущие части оборудования;

в) два и более признаков одновременно, свойственных помещениям с повышенной опасностью.

Предельно допустимые значения токов. Как показывает статистика электротравматизма, безопасного тока нет, так как любое значение тока оказывает определенное воздействие на организм человека. Ток, вызывающий слабые ощущения у одного человека может быть неотпускающим током для другого. Характер воздействия при одной и той же величине тока зависит от состояния центральной нервной системы и всего организма в целом, массы человека, его физического развития. Приводимые выше данные для пороговых значений тока получены на основе статистических данных. Поэтому речь может идти лишь о допустимом значении тока. Исходя из пороговых значений тока, допустимым можно считать ток, при котором возникает реальная опасность поражения. Это возможно лишь при неотпускающем токе, когда человек не в состоянии самостоятельно освободиться от токоведущих частей. Поэтому недопустимо, чтобы через человека длительно протекал ток выше отпускающего. То есть, при случайном прикосновении в нормальных условиях наибольший длительно допустимый ток через человека равен порогу неотпускающего тока – около 10 mА.

При кратковременном действии тока судорожное сокращение мышц рук не имеет значения, паралич дыхания развивается за (15-30) сек и тоже не успеет развиться при кратковременном действии. Большие токи (несколько десятков mА) вызывают фибрилляцию сердца за (1-2) сек. Поэтому в качестве кратковременно допустимых токов принимаются наименьшие значения токов, вызывающих фибрилляцию сердца.

Исходя из вышеизложенного, ГОСТ 12.1.038-82 устанавливает допустимые значения токов, протекающих через тело по пути «рука – рука», «рука – ноги» при нормальном режиме работы электроустановок производственного и бытового назначения постоянного и переменного тока частотой 50 Гц и 400 Гц. Нормируемые кривые приведены на рис. 3.

1 - постоянный ток, 2 – переменный ток частотой 400 Гц, 3 - переменный ток частотой 50 Гц

Рис. 3 Зависимость величины допустимого тока от длительности его протекания

 

Первая помощь пострадавшему

 

Первая помощь пострадавшему при действии электрического тока состоит из двух этапов:

I – освобождение пострадавшего от действия тока;

II – оказание первой доврачебной помощи.

I. Так как исход поражения током зависит от длительности протекания тока (паралич дыхания, фибрилляция сердца, остановка сердца, клиническая смерть), то очень важно как можно быстрее освободить пострадавшего от тока и приступить к оказанию первой доврачебной помощи.

Освобождение человека от действия тока, когда человек находится в контакте с токоведущей частью, сводится, если это возможно, к отключению электроустановки с помощью ближайшего рубильника, выключателя или иного отключающего аппарата. Если пострадавший находится на высоте, то отключение напряжения проводят только после принятия мер, обеспечивающих его безопасное падение.

В случае невозможности быстрого отключения установки (например, из-за удаленности или недоступности выключателя) необходимо принять иные меры освобождения пострадавшего. При напряжении до 1000 В можно перерубить провода топором с деревянной ручкой, или перекусить их инструментом с изолированными рукоятками (кусачками и т.п.). Перерубать (перекусывать) следует каждый провод в отдельности, чтобы не вызвать короткого замыкания между проводами. Можно оттянуть пострадавшего за одежду, руки оказывающего помощь при этом должны быть защищены либо диэлектрическими перчатками, либо сухой тканью (шарфом, рукавами халата и т.п.) и оказывающий помощь не должен касаться тела и обуви пострадавшего, а также окружающих заземленных металлических предметов.

Рекомендуется действовать одной рукой, держа вторую в кармане или за спиной. Можно отбросить провод, которого касается пострадавший, пользуясь сухой деревянной палкой, доской и пр.

Если пострадавший судорожно сжимает провод рукой, то можно разжать его руку, отгибая пальцы по отдельности. Для этого оказывающий помощь должен быть в диэлектрических перчатках и стоять на изолирующем основании (коврике, подставке).

В установках свыше 1000 В для отделения пострадавшего необходимо одеть диэлектрические перчатки и боты и действовать штангой или изолирующими клещами, рассчитанными на напряжение данной установки.

Можно преднамеренно замкнуть накоротко и заземлить фазы электроустановки, в результате чего произойдет автоматическое отключение установки. Замыкание и заземление проводов воздушной линии можно осуществить путем наброса на них заземленного одним концом голого проводника (например, медного). Сечение набрасываемого проводника должно быть достаточным, чтобы он не перегорел при прохождении по нему токов короткого замыкания. Наименьшее сечение его (по меди) во всех случаях должно быть 16 мм² для линий до 1000 В и 25 мм² для линий свыше 1000 В. Перед набрасыванием один конец проводника надежно заземляется путем присоединения его к имеющемуся поблизости заземляющему устройству подстанции, телу металлической опоры или специально забитому в землю стержневому заземлителю.