Působení elektrického proudu na živý organismus

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…