NORMA TECNICA
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N O R M A I T A L I A N A CEI Norma Italiana CEI 64 Data Pubblicazione Edizione 1999-01 Prima Classificazione Fascicolo 64 4985 R Titolo Effetti della corrente attraverso il corpo umano Title Effects of current passing through the human body NORMA TECNICA IMPIANTI E SICUREZZA DI ESERCIZIO COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO CNR CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE • AEI ASSOCIAZIONE ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA ITALIANA SOMMARIO La presente Pubblicazione intende fornire una guida sugli effetti della corrente attraverso il corpo umano da utilizzare nella definizione dei requisiti per la sicurezza elettrica. La presente Norma costituisce la ristampa senza modifiche, secondo il nuovo progetto di veste editoriale, della Norma pari numero ed edizione (Fascicolo 1335 P). DESCRITTORI Effetti della corrente; Corpo umano; Impedenza elettrica; COLLEGAMENTI/RELAZIONI TRA DOCUMENTI Nazionali Europei Internazionali (IDT) IEC 479-1:1984; IEC 479-2:1987; Legislativi INFORMAZIONI EDITORIALI Norma Italiana CEI 64 Stato Edizione In vigore Varianti Nessuna Ed. Prec. Fasc. Nessuna Comitato Tecnico Pubblicazione Pubblicazione Data validità Carattere Doc. Ambito validità Nazionale 64-Impianti elettrici utilizzatori di bassa tensione (fino a 1000 V in c.a. e a 1500 V in c.c.) Approvata dal in Data in Data Sottoposta a Gruppo Abb. Chiusa in data 2 Sezioni Abb. A ICS CDU LEGENDA (IDT) La Norma in oggetto è identica alle Norme indicate dopo il riferimento (IDT) © CEI - Milano 1999. Riproduzione vietata. Tutti i diritti sono riservati. Nessuna parte del presente Documento può essere riprodotta o diffusa con un mezzo qualsiasi senza il consenso scritto del CEI. Le Norme CEI sono revisionate, quando necessario, con la pubblicazione sia di nuove edizioni sia di varianti. È importante pertanto che gli utenti delle stesse si accertino di essere in possesso dell’ultima edizione o variante. INDICE GENERALE Rif. Pag. Argomento P A R T E ASPETTI 1 GENERALI CAPITOLO 1 IMPEDENZA 1 ELETTRICA DEL CORPO UMANO 1 1 GENERALITÀ 1 2 OGGETTO 1 3 DEFINIZIONI 2 4 2 4.4 CARATTERISTICHE DELL’IMPEDENZA DEL CORPO UMANO Impedenza interna del corpo umano (Zi) ............................................................................................................. Impedenza della pelle (Zp) .............................................................................................................................................. Impedenza totale del corpo umano (Zt) ................................................................................................................ Resistenza iniziale del corpo umano (Ri) ............................................................................................................... 5 VALORI DELL’IMPEDENZA TOTALE DEL CORPO UMANO (Zt) 3 6 VALORE DELLA RESISTENZA INIZIALE DEL CORPO UMANO (Ri) 4 MISURE EFFETTUATE SU ESSERI VIVENTI E SU CADAVERI E ANALISI STATISTICHE DEI RISULTATI 8 4.1 4.2 4.3 A PP ENDI CE A CAPITOLO EFFETTI 2 DELLA CORRENTE ALTERNATA DA 15 A 100 HZ 2 2 3 3 9 1 GENERALITÀ 9 2 OGGETTO 9 3 DEFINIZIONI 9 4 4.6 10 EFFETTI DELLA CORRENTE Soglia di percezione ............................................................................................................................................................ 10 Soglia di rilascio ...................................................................................................................................................................... 10 Soglia di fibrillazione ventricolare ............................................................................................................................. 10 Altri effetti della corrente ................................................................................................................................................. 10 Descrizione delle zone (Fig. 5) ................................................................................................................................... 11 Esperienze con tensioni non superiori a 50 V in valore efficace ....................................................... 11 5 APPLICAZIONE DEL FATTORE DI PERCORSO 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 CAPITOLO EFFETTI 3 DELLA CORRENTE CONTINUA 11 14 1 GENERALITÀ 14 2 OGGETTO 14 NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina iii 3 DEFINIZIONI 4 15 EFFETTI DELLA CORRENTE Soglia di percezione ............................................................................................................................................................ 15 Soglia di rilascio ...................................................................................................................................................................... 15 Soglia di fibrillazione ventricolare ............................................................................................................................. 15 Altri effetti .................................................................................................................................................................................... 16 Descrizione delle zone (Fig. 8) .................................................................................................................................... 16 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 14 P A R T E ASPETTI 2 PARTICOLARI 17 CAPITOLO EFFETTI 4 DELLA CORRENTE ALTERNATA CON FREQUENZE SUPERIORI A 100 HZ 17 1 GENERALITÀ 17 2 OGGETTO 17 3 DEFINIZIONI 17 4 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA NELLA GAMMA 18 DI FREQUENZA DA 100 A 1000 HZ COMPRESI Soglia di percezione ............................................................................................................................................................ 18 Soglia di rilascio ...................................................................................................................................................................... 18 Soglia di fibrillazione ventricolare ............................................................................................................................. 18 4.1 4.2 4.3 5 5.1 5.2 5.3 6 6.1 6.2 6.3 6.4 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA NELLA GAMMA DI FREQUENZA DA 1000 A 10000 HZ COMPRESI 18 Soglia di percezione ............................................................................................................................................................ 18 Soglia di rilascio ...................................................................................................................................................................... 18 Soglia di fibrillazione ventricolare ............................................................................................................................. 18 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA PER FREQUENZE SUPERIORI A 10000 HZ 18 Soglia di percezione ............................................................................................................................................................ 18 Soglia di rilascio ...................................................................................................................................................................... 18 Soglia di fibrillazione ventricolare ............................................................................................................................. 19 Altri effetti .................................................................................................................................................................................... 19 CAPITOLO 5 EFFETTI DI FORME D’ONDA SPECIALI DI CORRENTE 21 1 GENERALITÀ 21 2 OGGETTO 21 3 DEFINIZIONI 21 4 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA CON COMPONENTI IN CORRENTE CONTINUA 22 Forme d’onda e frequenze .............................................................................................................................................. 22 Soglia di percezione ............................................................................................................................................................ 22 Soglia di rilascio ...................................................................................................................................................................... 22 Soglia di fibrillazione ventricolare ............................................................................................................................. 22 4.1 4.2 4.3 4.4 NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina iv 5 5.1 5.2 5.3 6 6.1 6.2 6.3 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA CON REGOLAZIONE DI FASE 24 Forme d’onda e frequenze ............................................................................................................................................. 24 Soglia di percezione e soglia di rilascio ................................................................................................................ 24 Soglia di fibrillazione ventricolare ............................................................................................................................. 24 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA CON REGOLAZIONE A TRENI D’ONDA 25 Forme d’onda e frequenze ............................................................................................................................................. 25 Soglia di percezione e soglia di rilascio ................................................................................................................ 25 Soglia di fibrillazione ventricolare ............................................................................................................................. 25 CAPITOLO EFFETTI 6 DI SINGOLI IMPULSI DI CORRENTE UNIDIREZIONALE DI BREVE DURATA 28 1 GENERALITÀ 28 2 OGGETTO 28 3 DEFINIZIONI 28 4 EFFETTI DI IMPULSI DI CORRENTE UNIDIREZIONALE DI BREVE DURATA 30 Forme d’onda ........................................................................................................................................................................... 30 Determinazione dell’energia specifica di fibrillazione Fe ......................................................................... 30 Soglia di percezione e soglia di dolore per scarica di un condensatore ...................................... 31 Soglia di fibrillazione ventricolare ............................................................................................................................. 31 Esempi ........................................................................................................................................................................................... 31 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 BIBLIOGRAFIA 36 NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina v PREMESSA La presente Pubblicazione intende fornire una guida sugli effetti della corrente attraverso il corpo umano da utilizzare nella definizione dei requisiti per la sicurezza elettrica. Esistono, comunque, altri aspetti che devono essere presi in considerazione, come la probabilità di guasti, di contatto con parti attive o guaste, il rapporto tra tensione di contatto e tensione totale, l’esperienza acquisita, le possibilità tecniche e le considerazioni economiche. Questi parametri devono essere attentamente valutati quando si fissano i requisiti di sicurezza, per esempio le caratteristiche di funzionamento dei dispositivi di protezione nelle installazioni elettriche. Al fine di evitare errori di interpretazione va messo in evidenza che i dati riportati nel seguito sono principalmente basati su esperimenti con animali e su informazioni disponibili da osservazioni cliniche. Solo pochi esperimenti con correnti di breve durata sono stati ricavati da persone viventi. Sulla base dei dati disponibili, principalmente da ricerche sugli animali, i valori sono così cautelativi che il rapporto si applica alle persone in condizioni fisiologiche normali, inclusi i bambini indipendentemente dall’età e dal peso. Questa Pubblicazione fornisce un sommario dei risultati raggiunti che sono stati scelti dal Comitato Tecnico 64 per fissare i requisiti di protezione contro l’elettrocuzione. Questi risultati sono così importanti da giustificare una Pubblicazione IEC, la quale può essere utile come guida per altri comitati IEC e Paesi aventi necessità di tali informazioni. La prima edizione della Pubblicazione 479 fu pubblicata nel 1974 e si basava su una ampia ricerca bibliografica e sulla valutazione delle risposte fornite ad un questionario. Tuttavia, da quella data, sono stati effettuati nuovi lavori su questo argomento. Lo studio di questi lavori ed una analisi più precisa delle pubblicazioni precedenti hanno permesso una migliore comprensione degli effetti della corrente elettrica sugli organismi viventi, ed in particolare sull’uomo. Questo fascicolo riguarda specificamente: i limiti a cui si ha fibrillazione ventricolare, che è la causa principale delle morti per corrente elettrica e la analisi di tutti i risultati di recenti lavori di ricerca sulla fisiologia cardiaca e sulla soglia di fibrillazione; ciò ha reso possibile una migliore valutazione dell’influenza dei principali parametri fisici e, specialmente, della durata del flusso di corrente. Altri lavori di ricerca sono stati realizzati recentemente su altri parametri fisici degli infortuni, specialmente la forma d’onda e la frequenza della corrente e l’impedenza del corpo umano. Si è perciò considerata necessaria questa revisione della Pubblicazione 479 ed essa dovrebbe essere vista come lo sviluppo logico e l’evoluzione della 1º edizione. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina vi ASPETTI GENERALI 1 P A R T E IMPEDENZA ELETTRICA DEL CORPO UMANO 1 CAPITOLO 1 GENERALITÀ Per uno specificato percorso attraverso il corpo umano, il pericolo per le persone dipende principalmente dalla intensità e dalla durata della corrente. Tuttavia, le zone tempo/corrente specificate nei capitoli seguenti non sono, in molti casi, direttamente applicabili nella pratica per la designazione della protezione contro i contatti elettrici; il criterio risulta il limite ammissibile della tensione di contatto (cioè il prodotto della corrente che passa per il corpo e l’impedenza del corpo stesso) in funzione del tempo. La relazione fra corrente e tensione non è lineare in quanto l’impedenza del corpo umano varia con la tensione di contatto; è importante dunque disporre di dati in accordo con questa relazione. Le differenti parti del corpo umano, come la pelle, il sangue, i muscoli, altri tessuti ed articolazioni presentano al passaggio della corrente elettrica una certa impedenza composta da resistenze e capacità. I valori dell’impedenza dipendono da una serie di fattori, in particolare dal percorso della corrente, dalla tensione di contatto, dalla durata del passaggio della corrente, dall’area di contatto, dalla pressione, dalla temperatura e dall’umidità della pelle. I valori di impedenza indicati in questo fascicolo risultano da un accurato esame dei dati sperimentali ottenuti da misure effettuate principalmente su cadaveri e su alcune persone viventi. 2 OGGETTO Questo capitolo indica i valori dell’impedenza elettrica del corpo umano in funzione della tensione di contatto, della frequenza, del grado di umidità della pelle e del percorso della corrente. Nota I valori dati nel Capitolo 5 si riferiscono a frequenze di 50/60 Hz. CEI 4985:1999-01 46 NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 1 di 40 3 DEFINIZIONI 3.1 Impedenza interna del corpo umano (Zi) Impedenza tra due elettrodi in contatto con due parti del corpo umano, dopo aver tolto la pelle sotto gli elettrodi. 3.2 Impedenza della pelle (Zp) Impedenza tra un elettrodo applicato sulla pelle e i tessuti conduttivi sottostanti. 3.3 Impedenza totale del corpo umano (Zt) Somma vettoriale dell’impedenza interna e delle impedenze della pelle (vedi Fig. 1). 3.4 Resistenza iniziale del corpo umano (Ri) Resistenza che limita il valore di picco della corrente al momento in cui si stabilisce la tensione di contatto. 4 CARATTERISTICHE DELL’IMPEDENZA DEL CORPO UMANO Un circuito raffigurante le impedenze del corpo umano è riportato in Fig. 1. 4.1 Impedenza interna del corpo umano (Zi) L’impedenza interna del corpo umano può essere considerata essenzialmente resistiva. Il suo valore dipende principalmente dal percorso della corrente e, in misura minore, dall’area di contatto. Tuttavia, quando la superficie di contatto è molto piccola, dell’ordine di pochi millimetri quadrati, l’impedenza interna aumenta. Nota Le misure indicano che esiste una piccola componente capacitiva (linee tratteggiate nella Fig. 1). La Fig. 2 mostra l’impedenza interna del corpo umano per diversi percorsi della corrente, espressa in percentuale del valore dell’impedenza per il percorso mano-mano. 4.2 Impedenza della pelle (Zp) L’impedenza della pelle può essere considerata come una rete di resistenze e di capacità. La sua struttura è costituita da uno strato semi-isolante e piccoli elementi conduttivi (pori). L’impedenza della pelle diminuisce quando aumenta la corrente. Talvolta si formano marchi elettrici. Il valore di Zp dipende da: tensione, frequenza, durata della corrente, area di contatto, pressione del contatto, grado di umidità e temperatura della pelle. Per tensioni di contatto fino a circa 50 V, il valore dell’impedenza della pelle varia ampiamente con l’area di contatto, temperatura, respirazione, anche per una stessa persona. Per tensioni di contatto maggiori, dell’ordine da 50 a 100 V, l’impedenza diminuisce considerevolmente e diventa trascurabile quando la pelle viene perforata. Per quanto riguarda la frequenza, l’impedenza della pelle diminuisce all’aumentare della frequenza. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 2 di 40 4.3 Impedenza totale del corpo umano (Zt) L’impedenza totale del corpo umano consiste di una componente resistiva e una capacitiva. Per tensioni di contatto fino a 50 V, a causa di considerevoli variazioni di Zp l’impedenza totale del corpo umano Zt varia ampiamente in modo similare. Per tensioni di contatto maggiori, l’impedenza totale dipende sempre meno dall’impedenza della pelle Zp; dopo la perforazione della pelle il valore di Zt si avvicina a quello dell’impedenza interna Zi. Per quanto riguarda la frequenza, tenendo conto della variazione dell’impedenza della pelle in funzione della frequenza, la Zt è maggiore per la corrente continua e diminuisce con l’aumentare della frequenza. 4.4 Resistenza iniziale del corpo umano (Ri) Quando si stabilisce una tensione di contatto, le capacità nel corpo umano non sono caricate; le impedenze della pelle Zp sono trascurabili e la resistenza iniziale Ri è circa uguale all’impedenza interna del corpo umano Zi (vedi Fig. 1). Ri dipende principalmente dal percorso della corrente e in misura minore dall’area di contatto. La resistenza iniziale limita i picchi di corrente degli impulsi brevi. (Per esempio dovuti a recinti elettrici). 5 VALORI DELL’IMPEDENZA TOTALE DEL CORPO UMANO (Zt) I valori dell’impedenza totale del corpo riportati in Tab. 1 sono validi per esseri viventi, per un percorso della corrente mano-mano o mano-piede per una significativa area di contatto (50 o 100 cm2) con pelle asciutta. Per tensioni fino a 50 V, i valori misurati con area di contatto bagnata con acqua ordinaria sono dal 10 al 25% più bassi che in condizioni asciutte; soluzioni conduttive riducono l’impedenza fino alla metà dei valori misurati in condizioni asciutte. Per tensioni maggiori di 150 V l’impedenza Zt dipende solo marginalmente dall’umidità e dall’area di contatto. Le misure sono state fatte su individui adulti (maschi e femmine). Il campo dei valori di Zt per tensioni di contatto fino a 5000 V è riportato in Fig. 3; per tensioni di contatto fino a 700 V in Fig. 4. I valori della Tab. 1 e delle Fig. 3 e 4 rappresentano al momento i valori più attendibili dell’impedenza totale per adulti viventi. Sulla base delle conoscenze attualmente disponibili l’impedenza Zt per i bambini è valutabile nello stesso ordine di grandezza. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 3 di 40 Tab. 1 Impedenza totale del corpo umano Zt Valori dell’impedenza totale del corpo umano (Ω) che non sono oltrepassati dal Tensione di contatto 5% (V) 50% 95% della popolazione 25 1750 3250 6100 50 1450 2625 4375 75 1250 2200 3500 100 1200 1875 3200 125 1125 1625 2875 220 1000 1350 2125 700 750 1100 1550 1000 700 1050 1500 valore asintotico 650 750 850 Note: 1 2 Questi valori sono stati determinati come detto nell’Appendice A. I valori per persone immerse in acqua sono allo studio. VALORE DELLA RESISTENZA INIZIALE DEL CORPO UMANO (Ri) 6 I valori della resistenza iniziale del corpo umano per un percorso della corrente mano-mano o mano-piede e grande area di contatto può essere valutata uguale a 500 Ω; valori inferiori non si verificano che per il 5% della popolazione. Fig. 1 Impedenze del corpo umano Zi = Impedenza interna Zp1Zp2 = Impedenza della pelle = Impedenza totale Zt NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 4 di 40 Fig. 2 Impedenza interna del corpo umano in funzione del percorso delle corrente I numeri indicano la percentuale dell’impedenza del corpo umano per un percorso prefissato, in relazione al percorso mano-mano. I numeri non tra parentesi si riferiscono al percorso della corrente da una mano alla parte del corpo considerata. I numeri in parentesi si riferiscono ai percorsi tra le due mani e la corrispondente parte del corpo. Note: 1 2 L’impedenza da una mano a entrambi i piedi è il 75% dell’impedenza da mano a mano, quella da entrambe le mani a entrambi i piedi è il 50%. In prima approssimazione le percentuali sono anche valide per l’impedenza totale del corpo. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 5 di 40 Fig. 3 Valori statistici dell’impedenza totale del corpo umano per esseri viventi, dovuti al percorso mano-mano o mano-piede, per tensioni di contatto fino a 5000 V NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 6 di 40 Fig. 4 Valori statistici dell’impedenza totale del corpo umano per esseri viventi, dovuti al percorso mano-mano o mano-piede, per tensioni di contatto fino a 700 V NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 7 di 40 APPENDICE A MISURE EFFETTUATE SU ESSERI VIVENTI E SU CADAVERI E ANALISI STATISTICHE DEI RISULTATI Per ottenere valori realistici dell’impedenza totale del corpo umano su esseri viventi è stata seguita la procedura che segue: 1. Le misure sono state effettuate su 50 persone viventi con una tensione di contatto di 15 V e su 100 persone viventi con una tensione di contatto di 25 V con un percorso della corrente mano-mano, con elettrodi di circa 80 cm2 in condizioni asciutte. I valori delle impedenze totali del corpo umano che non sono sorpassati dal 5, 50 e 95% della popolazione sono stati determinati con due metodi statistici indipendenti che hanno dato circa gli stessi risultati. Le misure sono state eseguite dopo 0,1 s dall’applicazione della tensione. 2. L’impedenza totale del corpo su una persona vivente è stata misurata nelle condizioni del precedente punto 1, con una tensione di contatto fino a 150 V, inoltre con corrente della durata fino a 0,03 s per tensioni fino a 200 V. 3. Le misure sono state effettuate su un elevato numero di cadaveri in condizioni simili a quelle del punto 1 per un percorso della corrente mano-mano e mano-piede con elettrodi di circa 90 cm2 per tensioni di contatto da 25 a 5000 V in condizioni asciutte e bagnate. I valori delle impedenze totali del corpo sono stati determinati secondo le procedure del punto 1. Le misure sono state eseguite 3 s dopo l’applicazione della tensione. 4. Le impedenze totali misurate con cadaveri (punto 3) che, per tensioni di contatto fino a 220 V hanno mostrato un’alta impedenza della pelle, sono state modificate adattando le curve ai valori su persone viventi. 5. La differenza tra percorso della corrente mano-mano e mano-piede può essere trascurata ai valori misurati per fini pratici. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 8 di 40 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA DA 15 A 100 HZ 2 CAPITOLO 1 GENERALITÀ Questo capitolo è principalmente basato sui dati relativi agli effetti della corrente alle frequenze di 50 o 60 Hz che sono le più usate nelle installazioni elettriche. I valori dati sono, tuttavia, considerati applicabili in un intervallo di frequenze da 15 a 100 Hz; comunque i valori di soglia ai limiti di questo campo sono più elevati rispetto a quelli a 50 e 60 Hz. Questo capitolo considera principalmente il rischio di fibrillazione ventricolare che rappresenta la causa principale di incidenti mortali in questa gamma di frequenze. 2 OGGETTO Questo capitolo descrive gli effetti della corrente alternata che attraversa il corpo umano nel campo di frequenza da 15 a 100 Hz. Nota Se non diversamente specificato, i valori di corrente definiti nel seguito sono espressi in valore efficace. 3 DEFINIZIONI 3.1 Soglia di percezione Valore minimo di corrente che causa una sensazione alla persona attraverso cui fluisce la corrente. 3.2 Soglia di rilascio Massimo valore di corrente per cui una persona può lasciare gli elettrodi con i quali è in contatto. 3.3 Soglia di fibrillazione ventricolare Valore minimo di corrente che provoca la fibrillazione ventricolare. 3.4 Fattore di percorso Rapporto tra l’intensità del campo elettrico nel cuore per un dato percorso della corrente e l’intensità del campo elettrico nel cuore per una corrente di uguale intensità che fluisce dalla mano sinistra ai piedi. Nota Nel cuore, la densità di corrente è proporzionale all’intensità del campo elettrico. 3.5 Periodo vulnerabile Il periodo vulnerabile riguarda una parte relativamente piccola del ciclo cardiaco durante la quale le fibre cardiache sono in uno stato non omogeneo di eccitabilità e la fibrillazione ventricolare avviene se esse sono eccitate da una corrente elettrica di sufficiente intensità. Nota Il periodo vulnerabile corrisponde alla prima parte dell’onda T dell’elettrocardiogramma e rap- presenta approssimativamente il 10 - 20% del ciclo cardiaco (vedi Fig. 6 e 7). NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 9 di 40 4 EFFETTI DELLA CORRENTE 4.1 Soglia di percezione La soglia di percezione dipende da più parametri, come l’area del corpo in contatto con l’elettrodo, le condizioni del contatto (umidità, pressione, temperatura) e anche dalle caratteristiche fisiologiche dell’individuo. In questo rapporto si assume un valore di massima di 0,5 mA indipendentemente dal tempo. 4.2 Soglia di rilascio La soglia di rilascio dipende da più parametri, come l’area di contatto, la forma o dimensioni degli elettrodi e anche dalle caratteristiche fisiologiche dell’individuo. In questo rapporto si assume un valore di circa 10 mA. 4.3 Soglia di fibrillazione ventricolare La soglia di fibrillazione ventricolare dipende sia dai parametri fisiologici (anatomia del corpo, stato della funzione cardiaca) sia da parametri elettrici (durata e percorso della corrente, tipo di corrente, ecc.). In corrente alternata (50 o 60 Hz) esiste una considerevole diminuzione della soglia di fibrillazione se la corrente fluisce oltre un ciclo cardiaco. Questo effetto è dovuto da un aumento della disomogeneità dello stato di eccitazione del cuore causato dalle extrasistole indotte dalla corrente. Per contatti di durate al di sotto di 0,1 s, la fibrillazione può innescarsi per correnti superiori a 500 mA, ed è probabile che si inneschi per correnti dell’ordine di alcuni ampere se il passaggio di corrente avviene durante il periodo vulnerabile. Per contatti della stessa intensità e durata superiore a un ciclo cardiaco, si può produrre un arresto cardiaco reversibile. Per adattare i risultati degli esperimenti sugli animali agli uomini è stata stabilita una curva al di sotto della quale non può prodursi la fibrillazione. L’elevato livello per brevi periodi di esposizione fra 10 e 100 ms va scelto su una linea discendente da 500 a 400 mA. Sulla base di informazioni su infortuni elettrici, il livello più basso per durate maggiori di 1 s va scelto su una linea discendente da 50 mA per 1 s, a 40 mA per durate superiori a 3 s. Entrambi i livelli sono connessi da una linea continua derivata da risultati sperimentali. 4.4 Altri effetti della corrente La fibrillazione ventricolare è considerata essere la principale causa di morte per contatto elettrico. Esistono anche casi di morte dovuta ad asfissia o ad arresto cardiaco. Effetti pato-fisiologici come contrazioni muscolari, difficoltà di respirazione, aumento della pressione sanguigna, disturbi nella formazione e conduzione di impulsi nel cuore inclusi la fibrillazione atriale e l’arresto cardiaco provvisorio possono accadere senza fibrillazione ventricolare. Tali effetti non sono letali e sono abitualmente reversibili; possono prodursi marchi elettrici. Correnti di parecchi ampere producono con tutta probabilità gravi ustioni con conseguenti seri danni e anche la morte. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 10 di 40 Descrizione delle zone (Fig. 5) 4.5 Tab. 2 Zone Effetti fisiologici Zona 1 Abitualmente nessuna reazione. Zona 2 Abitualmente nessun effetto fisiologicamente pericoloso. Zona 3 Abitualmente nessun danno organico. Probabilità di contrazioni muscolari e difficoltà respiratoria; disturbi reversibili nella formazione e conduzione di impulsi nel cuore, inclusi fibrillazione atriale e arresto cardiaco provvisorio senza fibrillazione ventricolare, che aumentano con l’intensità della corrente e il tempo. Zona 4 In aggiunta agli effetti della zona 3, la probabilità di fibrillazione ventricolare aumenta fino a circa il 5% (curva c2), al 50% (curva c3), oltre il 50% al di là della curva c3. Effetti pato-fisiologici come arresto cardiaco, arresto respiratorio, gravi ustioni possono presentarsi con l’aumentare dell’intensità della corrente e del tempo. Esperienze con tensioni non superiori a 50 V in valore efficace 4.6 Dalle risposte date da diversi paesi ad un questionario, appare che non esistono prove certe, in quei paesi, di infortuni elettrici accaduti in circostanze abituali con tensioni non superiori a 50 V in corrente alternata (valore efficace) e causati dalla corrente che fluisce per il corpo e che provoca seri danni. APPLICAZIONE DEL FATTORE DI PERCORSO 5 Il fattore di percorso permette il calcolo delle correnti Ih che passano per un percorso diverso da “mano sinistra-piedi” che presentano lo stesso pericolo della fibrillazione ventricolare corrispondente a Iref “mano sinistra-piedi” secondo la Fig. 5. I ref I h = -------F dove: Iref = corrente nel corpo umano per il percorso “mano sinistra-piedi” secondo Fig. 5; Ih = corrente nel corpo per i percorsi dati in Tab. 3; F = fattore di percorso. Nota Il fattore di percorso deve essere considerato solo una stima approssimativa del pericolo relativo a diversi percorsi, in relazione alla fibrillazione ventricolare. Per differenti percorsi della corrente, in Tab. 3 sono dati i valori del fattore di percorso. Tab. 3 Percorso della corrente Fattore di percorso Mano sinistra-piede sinistro, piede destro o piedi 1,0 Due mani-piedi 1,0 Mano sinistra-mano destra 0,4 Mano destra-piede sinistro, piede destro o piedi 0,8 Schiena-mano destra 0,3 Schiena-mano sinistra 0,7 Torace-mano destra 1,3 Torace-mano sinistra 1,5 Glutei-mano sinistra, mano destra o entrambe le mani 0,7 NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 11 di 40 Per esempio, una corrente di 200 mA “mano-mano” ha lo stesso effetto di una corrente di 80 mA “mano sinistra-piedi”. Per la descrizione delle zone vedi Tabella 2. Fig. 5 Zone tempo/corrente relative agli effetti della corrente alternata (15 Hz - 100 Hz) sulle persone Note: 1 2 NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 12 di 40 Nei confronti della fibrillazione ventricolare, questa figura è relativa agli effetti della corrente che fluisce lungo il percorso “mano sinistra-piedi”. Per altri percorsi vedere l’art. 5 e la Tabella 3. Il punto 500 mA/100 ms corrisponde ad una probabilità di fibrillazione di circa 0,14%. Fig. 6 Collocazione del periodo vulnerabile dei ventricoli nel ciclo cardiaco. I numeri caratterizzano i successivi stadi di propagazione dell’eccitazione Fig. 7 Innesco della fibrillazione ventricolare nel periodo vulnerabile. Effetti sull’elettrocardiogramma (ECG) e sulla pressione sanguigna NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 13 di 40 EFFETTI DELLA CORRENTE CONTINUA 3 CAPITOLO 1 GENERALITÀ Gli infortuni con corrente continua sono molto meno frequenti di quanto sarebbe lecito attendersi dato il numero delle applicazioni in corrente continua; gli infortuni mortali accadono soltanto per particolari condizioni sfavorevoli, per esempio nelle miniere. Questo è parzialmente dovuto al fatto che con la corrente continua il rilascio delle parti afferrate è meno difficile e che per tempi maggiori di un periodo cardiaco la soglia di fibrillazione rimane considerevolmente maggiore che in corrente alternata. Le principali differenze tra gli effetti della corrente alternata e della corrente continua sul corpo umano sono date dal fatto che le azioni di eccitazione dovute alla corrente (stimolazione dei nervi e dei muscoli, innesco della fibrillazione atriale o ventricolare) sono collegate alla variazione del valore di corrente specialmente all’atto del suo stabilimento e interruzione. Per produrre gli stessi effetti, l’intensità della corrente continua liscia deve essere da due a quattro volte più grande di quella in corrente alternata. 2 OGGETTO Questo capitolo descrive gli effetti della corrente continua che fluisce attraverso il corpo umano. Note: 1 2 3 Il termine “corrente continua” significa una corrente continua senza ondulazioni. Tuttavia, nei riguardi degli effetti della fibrillazione, i dati ricavati in questo capitolo sono considerati validi per correnti continue con ondulazioni tra i valori di cresta non superiori al 15%. L’influenza delle ondulazioni è trattata nel Capitolo 5. DEFINIZIONI In aggiunta alle definizioni date nel Capitolo 2, si applicano le seguenti definizioni per gli scopi di questo capitolo. 3.1 Fattore di equivalenza tra corrente continua e corrente alternata (K) Rapporto tra il valore di una corrente continua e il valore efficace di corrente alternata che abbiano la stessa probabilità di innescare fibrillazione ventricolare. Nota Ad esempio, per durate superiori al periodo cardiaco il fattore di equivalenza è approssimati- vamente: I c.c. fibrillazione 300 mA K = ---------------------------------------- = -------------------- = 3 ,75 80 mA I c.a. fibrillazione eff. 3.2 Corrente longitudinale Corrente che fluisce longitudinalmente nel corpo umano, per esempio da una mano ai piedi. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 14 di 40 3.3 Corrente trasversale Corrente che fluisce trasversalmente nel corpo umano, per esempio da mano a mano. 3.4 Corrente ascendente Corrente continua che attraversa il corpo umano in cui i piedi rappresentano il polo positivo. 3.5 Corrente discendente Corrente continua che attraversa il corpo umano in cui i piedi rappresentano il polo negativo. 4 EFFETTI DELLA CORRENTE 4.1 Soglia di percezione La soglia di percezione dipende da diversi parametri, come l’area di contatto, le condizioni del contatto (umidità, pressione, temperatura), la durata del flusso di corrente e le caratteristiche fisiologiche dell’individuo. A differenza della corrente alternata, sono avvertiti solo lo stabilirsi e l’interrompersi della corrente; nessun’altra sensazione si nota durante il passaggio della corrente al livello della soglia di percezione. In condizioni paragonabili a quelle utilizzate negli studi per la corrente alternata, la soglia di percezione è stata valutata intorno a 2 mA. 4.2 Soglia di rilascio A differenza della corrente alternata, non esiste una soglia di rilascio definibile per correnti continue inferiore a circa 300 mA. Solo lo stabilirsi e l’interrompersi della corrente provocano dolori e contrazioni muscolari. Per correnti approssimativamente superiori a 300 mA, il rilascio può essere impossibile o solo possibile dopo molti secondi o minuti di durata del contatto. 4.3 Soglia di fibrillazione ventricolare Come descritto per la corrente alternata (Capitolo 2, art. 4.3), la soglia di fibrillazione relativa alla corrente continua dipende sia da parametri fisiologici sia elettrici. Esperimenti sugli animali e informazioni derivate da infortuni elettrici mostrano che la soglia di fibrillazione per una corrente discendente è circa due volte superiore rispetto a quella ascendente. È molto improbabile che si inneschi la fibrillazione per un percorso della corrente “mano-mano”. Per durate di contatto maggiori di un periodo cardiaco, la soglia di fibrillazione per corrente continua è molte volte maggiore di quella per corrente alternata. Per contatti di durata inferiore a 200 ms, la soglia di fibrillazione è circa identica a quella per la corrente alternata, misurata in valore efficace. In analogia con le zone tempo/corrente per la corrente alternata (Fig. 5) è stata designata una curva che separa la zona dove la fibrillazione può prodursi dalla zona dove possono attendersi effetti meno pericolosi (Fig. 8). Questa curva si applica a una corrente ascendente. Con corrente discendente, la curva deve essere traslata fino a correnti di valore doppio. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 15 di 40 Altri effetti 4.4 Al di sotto di circa 300 mA è avvertita una sensazione di calore alle estremità durante il passaggio della corrente. Correnti trasversali fino a 300 mA che fluiscono attraverso il corpo umano per diversi minuti possono, aumentando con il tempo e l’intensità, causare aritmie cardiache reversibili, marchi elettrici, ustioni, vertigini e qualche volta perdita di conoscenza. La perdita di conoscenza accade frequentemente al di sopra di 300 mA. Descrizione delle zone (Fig. 8) 4.5 Zone Fig. 8 Effetti fisiologici Zona 1 Abitualmente nessuna reazione. Zona 2 Abitualmente nessun effetto fisiologicamente pericoloso. Zona 3 Abitualmente nessun danno organico. Sono probabili, aumentando l’intensità della corrente e il tempo, disturbi reversibili nella formazione e conduzione degli impulsi nel cuore. Zona 4 Probabile fibrillazione ventricolare. Altri effetti pato-fisiologici con l’aumentare dell’intensità della corrente e del tempo, come gravi ustioni, possono avvenire in aggiunta a quelli della zona 3. Zone tempo/corrente per la corrente continua Note: 1 2 NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 16 di 40 Nei confronti della fibrillazione ventricolare, questa figura si riferisce agli effetti della corrente che fluisce lungo il percorso “mano sinistra-piedi” e per corrente ascendente. Il limite tra le zone 2 e 3 non è conosciuto per tempi inferiori a 500 ms. ASPETTI PARTICOLARI 2 P A R T E EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA CON FREQUENZE SUPERIORI A 100 HZ 4 CAPITOLO 1 GENERALITÀ L’energia elettrica in forma di corrente alternata con frequenze superiori a 50/60 Hz è sempre più usata negli impianti elettrici moderni, per esempio negli aerei (400 Hz), attrezzi di potenza e saldatura elettrica (nella maggior parte dei casi fino a 450 Hz), elettroterapia (da 4000 Hz fino a 5000 Hz), alimentatori a commutazione (da 20 kHz a 1 MHz). Pochi dati sperimentali sono disponibili per questo capitolo, cosicché le informazioni qui riportate devono essere considerate solo provvisoriamente ma possono essere usate per la valutazione dei rischi nella gamma di frequenze considerate (Bibliografia). Si richiama l’attenzione sul fatto che l’impedenza della pelle umana varia approssimativamente in modo inversamente proporzionale alla frequenza per tensioni di contatto dell’ordine di alcune decine di volt, cosicché l’impedenza della pelle a 500 Hz è solo un decimo circa dell’impedenza della pelle a 50 Hz e in molti casi può essere trascurata. Ciò è ancora più vero per frequenze maggiori. L’impedenza del corpo umano a tali frequenze è perciò ridotta alla sua impedenza interna Zi (vedi Capitolo 1). 2 OGGETTO Questo capitolo descrive gli effetti della corrente alternata sinusoidale entro le gamme di frequenza: n da 100 Hz a 1000 Hz compresi (vedi art. 4); n da 1000 Hz a 10000 Hz compresi (vedi art. 5); n sopra 10000 Hz (vedi art. 6). 3 DEFINIZIONI In aggiunta alle definizioni date nella Parte 1, vale la definizione seguente: 3.1 Fattore di frequenza Ff Rapporto tra la corrente di soglia (per gli effetti fisiologici considerati alla frequenza f) e la corrente di soglia a 50/60 Hz. Nota Il fattore di frequenza è diverso per la percezione, per il rilascio e la fibrillazione ventricolare. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 17 di 40 4 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA NELLA GAMMA DI FREQUENZA DA 100 A 1000 HZ COMPRESI 4.1 Soglia di percezione Il fattore di frequenza relativo alla soglia di percezione è dato in Fig. 9. 4.2 Soglia di rilascio Il fattore di frequenza relativo alla soglia di rilascio è dato in Fig. 10. 4.3 Soglia di fibrillazione ventricolare Per durate di contatto più lunghe del ciclo cardiaco, il fattore di frequenza relativo alla fibrillazione per percorsi di corrente longitudinale attraverso il tronco del corpo è dato in Fig. 11. Per durate di contatto più brevi del ciclo cardiaco non sono disponibili dati sperimentali. 5 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA NELLA GAMMA DI FREQUENZA DA 1000 A 10000 HZ COMPRESI 5.1 Soglia di percezione Il fattore di frequenza relativo alla soglia di percezione è dato in Fig. 12. 5.2 Soglia di rilascio Il fattore di frequenza relativo alla soglia di rilascio è dato in Fig. 13. 5.3 Soglia di fibrillazione ventricolare Allo Studio. 6 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA PER FREQUENZE SUPERIORI A 10000 HZ 6.1 Soglia di percezione Per frequenze comprese tra 10 e 100 kHz la soglia di percezione aumenta approssimativamente da 10 a 100 mA (valori efficaci). Per frequenze superiori a 100 kHz la sensazione di formicolio caratteristica per la percezione a frequenze più basse cambia in una sensazione di calore per intensità di corrente nell’ordine di alcune centinaia di milliampere. 6.2 Soglia di rilascio Per frequenze superiori a 100 kHz non ci sono nè dati sperimentali nè incidenti riportati relativi alla soglia di rilascio. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 18 di 40 Soglia di fibrillazione ventricolare 6.3 Per frequenze superiori a 100 kHz non ci sono nè dati sperimentali nè incidenti riportati relativi alla soglia di fibrillazione ventricolare. Altri effetti 6.4 Ustioni possono verificarsi a frequenze superiori a 100 kHz e a valori di corrente dell’ordine di alcuni ampere in dipendenza della durata del flusso di corrente. Fig. 9 Fig. 10 Variazione della soglia di percezione per frequenze da 50/60 Hz a 1000 Hz Variazione della soglia di rilascio per frequenze da 50/60 Hz a 1000 Hz NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 19 di 40 Fig. 11 Variazione della soglia di fibrillazione ventricolare per frequenze da 50/60 Hz a 1000 Hz, durate di contatto superiori a un periodo cardiaco e percorsi di corrente longitudinale attraverso il tronco del corpo Nota Per durate di contatto superiori a un periodo cardiaco, altre curve sono allo studio. Fig. 12 Variazione della soglia di percezione per frequenze da 1000 a 10000 Hz NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 20 di 40 Fig. 13 Variazione della soglia di rilascio per frequenze da 1000 a 10000 Hz EFFETTI DI FORME D’ONDA SPECIALI DI CORRENTE 5 CAPITOLO 1 GENERALITÀ L’interesse crescente per le forme d’onda speciali di corrente derivate da corrente alternata e da corrente continua è evidenziato dall’aumento del numero delle applicazioni di comandi elettronici che provocano questi tipi di corrente particolarmente nel caso di difetto di isolamento. Ciò vale anche per impianti che usano correnti alternate con regolazione di fase e a treni d’onda. Come ci si può aspettare gli effetti di tali correnti sul corpo umano sono intermedi tra quelli causati dalla corrente continua e alternata; perciò possono essere stabiliti valori di corrente equivalenti, con riferimento alla fibrillazione ventricolare. 2 OGGETTO Questo capitolo descrive gli effetti della corrente che passa attraverso il corpo umano per: n corrente alternata sinusoidale con componenti in corrente continua; n corrente alternata sinusoidale con regolazione di fase; n corrente alternata sinusoidale a treni d’onda. Nota Altre forme d’onda sono allo studio. Le informazioni date sono ritenute applicabili per corrente alternata con frequenza da 15 a 100 Hz. 3 DEFINIZIONI In aggiunta alle definizioni date nella Parte 1, ai fini di questo Capitolo, valgono le seguenti definizioni. 3.1 Regolazione di fase Il processo di variazione dell’istante del ciclo in cui incomincia la conduzione di corrente. 3.2 Angolo di regolazione di fase (angolo di ritardo della corrente) Il tempo, espresso in misura angolare, per cui il momento d’inizio della conduzione di corrente è ritardato dalla regolazione di fase. 3.3 Regolazione a treni d’onda Il processo di variazione del rapporto tra il numero di cicli in cui avviene la conduzione di corrente e il numero dei cicli in cui non si verifica conduzione di corrente. 3.4 Fattore di regolazione a treni d’onda Il rapporto tra il numero di cicli conduttori e la somma dei cicli conduttori e non conduttori nel caso di regolazione a treni d’onda (vedi Fig. 17). NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 21 di 40 4 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA CON COMPONENTI IN CORRENTE CONTINUA 4.1 Forme d’onda e frequenze La Fig. 14 mostra forme d’onda tipiche che sono trattate in questo articolo: sono rappresentate la corrente continua e alternata così come loro combinazioni in diversi rapporti tra c.a. e c.c. Occorre distinguere i seguenti valori della corrente: Ieff = valore efficace della corrente avente forma d’onda risultante; Ip = valore massimo della corrente avente forma d’onda risultante; Ipp = valore picco-picco della corrente avente forma d’onda risultante; Iev = valore efficace di una corrente sinusoidale che presenta lo stesso rischio, per quanto riguarda la fibrillazione ventricolare, di una corrente avente forma d’onda considerata. Nota La corrente Iev usata al posto della corrente IB nella Fig. 5 del Capitolo 2 per valutare il rischio di fibrillazione ventricolare. 4.2 Soglia di percezione La soglia di percezione dipende da diversi parametri, quali l’area del corpo in contatto con un elettrodo (area di contatto), le condizioni di contatto (umidità, pressione, temperatura) e anche dalle caratteristiche fisiologiche dell’individuo. I valori per la soglia di percezione sono allo studio. 4.3 Soglia di rilascio La soglia di rilascio dipende da diversi parametri, quali l’area di contatto, la forma e la misura degli elettrodi e anche le caratteristiche fisiologiche dell’individuo. I valori per la soglia di rilascio sono allo studio. 4.4 Soglia di fibrillazione ventricolare 4.4.1 Forme d’onda contraddistinte da un rapporto specifico tra corrente alternata e corrente continua Il rischio di fibrillazione può essere approssimativamente assunto pari a quello di corrente alternata equivalente Iev avente le seguenti caratteristiche: a) per durate di contatto più lunghe di circa una volta e mezza il periodo cardiaco, Iev è il valore efficace di una corrente che abbia lo stesso valore picco-picco Ipp della corrente avente forma d’onda considerata: I pp I ev = ---------2 2 b) per durate di contatto più brevi di circa 0,75 volte il periodo cardiaco, Iev è il valore efficace di una corrente che abbia lo stesso valore di picco Ipp della corrente avente forma d’onda considerata: Ip I ev = ------2 NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 22 di 40 Nota Questa relazione è tanto meno applicabile quanto minore è il rapporto tra corrente alternata e continua. In corrente continua liscia per contatti di durata inferiore a 0,1 s la soglia è uguale al corrispondente valore efficace della corrente alternata (vedi Fig. 5 e Fig. 8 rispettivamente nel Capitolo 2 e nel Capitolo 3). c) per durate comprese tra 0,75 e 1,5 il periodo cardiaco, il valore da prendere in considerazione cambia da valore di picco a valore picco-picco. Nota Le modalità di tale cambiamento sono soggette ad ulteriori studi. 4.4.2 Esempi di corrente alternata raddrizzata La Fig. 15 mostra le forme d’onda a una semionda e a doppia semionda. Per queste forme d’onda il valore di picco della corrente è identico al suo valore picco-picco. La corrente alternata equivalente Iev è determinata: a) per durate maggiori di una volta e mezza il periodo del ciclo cardiaco da: Ip I pp I ev = ---------- = ---------2 2 2 2 Quindi per la corrente a una semionda Iev è messa in relazione col valore efficace della corrente raddrizzata Irms da: I rms I ev = --------2 e per corrente a doppia semionda da: I rms I ev = --------2 b) per durate inferiori a 0,75 volte il periodo cardiaco: Ip I pp I ev = ------- = ------2 2 Quindi per la corrente a una semionda Iev è messo in relazione al valore efficace della corrente raddrizzata Ieff dalla relazione: I ev = 2 I eff e per corrente a doppia semionda vale: I ev = I eff NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 23 di 40 5 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA CON REGOLAZIONE DI FASE 5.1 Forme d’onda e frequenze La Fig. 16 mostra le forme d’onda per regolazione simmetrica e asimmetrica. 5.2 Soglia di percezione e soglia di rilascio Come indicato in 4.2 e 4.3 queste soglie dipendono da parametri diversi. L’effetto della corrente per quanto riguarda la percezione o l’inibizione del rilascio è quasi uguale a quello di una c.a. pura con lo stesso valore di picco Ip. Per angoli di regolazione di fase superiori a 120° i valori di picco aumentano come conseguenza della diminuzione del tempo per cui fluisce la corrente. 5.3 Soglia di fibrillazione ventricolare La soglia di fibrillazione ventricolare è diversa per le forme d’onda simmetrica e asimmetrica. 5.3.1 Regolazione simmetrica Il rischio di fibrillazione può essere considerato approssimativamente lo stesso che in corrente alternata equivalente Iev con le seguenti caratteristiche: a) per durate di contatto superiore a circa 1,5 volte il periodo cardiaco, Iev ha lo stesso valore della corrente della forma d’onda considerata; b) per durate di contatto inferiori a circa 0,75 volte il periodo cardiaco, Iev è il valore efficace di una corrente avente lo stesso valore di picco della corrente della forma d’onda considerata. Nota Per angoli di regolazione di fase superiori a 120° ci si deve attendere un aumento della soglia di fibrillazione; c) per durate comprese tra 0,75 e 1,5 volte il periodo cardiaco, il valore da prendere in considerazione cambia dal valore di picco al valore efficace. Nota Le modalità di tale cambiamento sono oggetto di ulteriori studi. 5.3.2 Regolazione asimmetrica Il pericolo di fibrillazione può essere considerato circa lo stesso di quello con corrente alternata equivalente Iev con le seguenti caratteristiche: a) per durate di contatto più lunghe di circa 1,5 volte il periodo cardiaco: allo studio; b) per durate di contatto minori di circa 0,75 volte il periodo cardiaco Iev è il valore efficace di una corrente avente lo stesso valore di picco della forma d’onda considerata. Note: 1 2 Per angoli di regolazione di fase superiori a 120° ci si deve attendere un aumento della soglia di fibrillazione. Correnti causate da regolazione asimmetrica (vedi IEV 551-05-19)(1) possono anche avere componenti in corrente continua. (1) Pubblicazione IEC 50 (551): Vocabolario Elettrotecnico Internazionale (IEV), Capitolo 561: Elettronica di potenza. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 24 di 40 6 EFFETTI DELLA CORRENTE ALTERNATA CON REGOLAZIONE A TRENI D’ONDA 6.1 Forme d’onda e frequenze La Fig. 17 indica le forme d’onda per un fattore di regolazione p = 0,67. Soglia di percezione e soglia di rilascio 6.2 Come indicato in 4.2, 4.3, 5.2 e 5.3 queste soglie dipendono da parametri diversi. La soglia di percezione e la soglia di rilascio sono allo studio. Soglia di fibrillazione ventricolare 6.3 Dipendentemente dal fattore di regolazione le correnti alternate con regolazione a treni d’onda sono ugualmente o meno pericolose della c.a. a parità del contatto e intensità di corrente. La Fig. 18 indica la soglia di fibrillazione ventricolare misurata sui maiali per diversi valori del fattore di regolazione. Per durate di contatto più lunghe circa una volta e mezza il periodo cardiaco, la soglia dipende dal fattore di regolazione p. Per p prossimo all’unità essa ha lo stesso valore efficace della corrente alternata sinusoidale della stessa durata. Per p prossimo a 0,1 il valore efficace I1eff della corrente durante la conduzione di corrente è lo stesso della soglia per corrente alternata di durata inferiore a 0,75 volte il periodo cardiaco. 6.3.1 Nota Per valori intermedi di p, la soglia di fibrillazione aumenta rispetto al basso livello indicato in Fig. 5 della Parte 1 fino all’alto livello indicato per durate di contatto inferiori a 0,1 s. Per durate di contatto inferiori a circa 0,75 volte il periodo del ciclo cardiaco il valore efficace della corrente durante la conduzione di corrente I1eff è lo stesso di quello per una corrente alternata sinusoidale della stessa durata. 6.3.2 Fig. 14 Forme d’onda di correnti NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 25 di 40 Fig. 15 Forme d’onda di correnti alternate raddrizzate Fig. 16 Forme d’onda di correnti alternate con regolazione di fase NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 26 di 40 Fig. 17 Forme d’onda di correnti alternate con regolazione a treni d’onda ts = tempo di conduzione = tempo di non conduzione tp ts + tp = tempo di lavoro p = fattore di regolazione I1eff Ip = ------- valore efficace della corrente durante la conduzione di corrente 2 Nota I1eff non deve essere confuso con il valore efficace durante il tempo di lavoro I2eff = Ieff Fig. 18 p. Soglia di fibrillazione ventricolare (valori medi) per corrente alternata con regolazione a treni d’onda per diversi valori del fattore di regolazione (risultati di esperimenti con piccoli maiali) Nota Corrente del corpo IBeff è il valore efficace della corrente durante la conduzione della corrente I1eff. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 27 di 40 EFFETTI DI SINGOLI IMPULSI DI CORRENTE UNIDIREZIONALE DI BREVE DURATA 6 CAPITOLO 1 GENERALITÀ Le correnti nella forma di singoli impulsi unidirezionali di breve durata sinusoidali e rettangolari o di scariche di condensatori possono essere una fonte di pericolo nel caso di un difetto d’isolamento di un’apparecchiatura elettrica contenente componenti elettronici o toccando parti sotto tensioni ditali apparecchiature. È perciò importante stabilire i limiti di pericolo per questi tipi di corrente. Per una durata di contatto di 10 ms gli effetti descritti in questo capitolo corrispondono a quelli dati nei Capitoli da 2 a 5 cosicché il Rapporto IEC 479 copre l’intera gamma di durate di contatto da 0,1 ms a 10 s per quasi tutte le forme d’onda di corrente che sono di interesse tecnico. Il contenuto di questo capitolo è basato sull’ipotesi derivata dalla ricerca scientifica per cui il fattore principale per provocare la fibrillazione ventricolare per le varie forme di correnti ad impulso unidirezionale è il valore It o I 2t come per i contatti con durata fino a 10 ms (vedi Bibliografia, pagina 36). 2 OGGETTO Questo capitolo descrive gli effetti della corrente che fluisce attraverso il corpo umano nella forma di impulsi rettangolari unidirezionali, impulsi sinusoidali e impulsi risultanti da scariche di condensatori. Nota Gli effetti delle serie di impulsi sono allo studio. I valori specificati sono ritenuti applicabili per impulsi di durata da 0,1 fino a 10 ms compresi. Per impulsi di durata superiore a 10 ms valgono i valori indicati in Fig. 5. 3 DEFINIZIONI In aggiunta alle definizioni date nei Capitoli da 2 a 5 ai fini di questo capitolo valgono le definizioni seguenti: 3.1 Energia specifica di fibrillazione Fe (Ws/Ω ovvero A2s) Valore minimo I 2t di un impulso unidirezionale di breve durata che nelle condizioni specificate (percorso della corrente, fase cardiaca) causa fibrillazione ventricolare con una probabilità specificata. Nota Fe è determinato dalla forma dell’impulso secondo l’integrale ti ∫0 i 2dt Fe moltiplicata per la resistenza del corpo dà l’energia dissipata nel corpo umano durante l’impulso. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 28 di 40 3.2 Carica specifica di fibrillazione Fq (C ovvero As) Valore minimo It di un impulso unidirezionale di breve durata che nelle condizioni specificate (percorso della corrente, fase cardiaca) causa fibrillazione ventricolare con una probabilità specificata. Nota Fq è determinata dalla forma dell’impulso secondo l’integrale ti ∫0 i dt 3.3 Costante di tempo (T) Tempo richiesto perché l’ampiezza di una grandezza decrescente esponenzial1 mente scenda a --- = 0,3679 volte l’ampiezza iniziale (IEV 801-01-44)(1). e 3.4 Durata di scarica di condensatore (ti) ai fini della pericolosità Intervallo di tempo dall’inizio della scarica al momento in cui la corrente di scarica scende al 5% del suo valore di picco. Nota Se T è la costante di tempo del condensatore, la durata di scarica del condensatore, ai fini del- la pericolosità è uguale a 3 T. Durante tale durata è praticamente dissipata tutta l’energia dell’impulso. 3.5 Soglia di percezione Valore minimo di carica elettrica che nelle condizioni specificate causa alcune sensazioni alla persona attraverso la quale fluisce. 3.6 Soglia di dolore Valore massimo di carica (It) o di energia specifica (I 2t) che può essere applicata sotto forma di impulso a una persona che tenga un largo elettrodo nella mano senza causare dolore. 3.7 Dolore Spiacevole esperienza che non sia accettata prontamente una seconda volta dalla persona che l’ha già subita. Nota Esempi sono la puntura di un’ape, la bruciatura di una sigaretta. (1) Pubblicazione IEC 50(801): Vocabolario Elettrotecnico internazionale (IEV), Capitolo 801: Acustica ed Elettroacustica. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 29 di 40 4 EFFETTI DI IMPULSI DI CORRENTE UNIDIREZIONALE DI BREVE DURATA 4.1 Forme d’onda La Fig. 19 indica forme di corrente per impulsi rettangolari, impulsi sinusoidali e per scariche di condensatore. Devono essere distinte le seguenti intensità di corrente: IDC = intensità di corrente dell’impulso rettangolare; IACeff = valore efficace di corrente dell’impulso sinusoidale; IAC(p) = valore di picco di corrente dell’impulso sinusoidale; ICeff = valore efficace di corrente di scarica del condensatore per una durata di 3 T; IC(p) = valore di picco della scarica del condensatore. Nota Se UC è la tensione del condensatore all’inizio della scarica applicata al corpo umano e Ri la resistenza iniziale del corpo, IC(p) vale: UC I C ( p ) = -----Ri 4.2 Determinazione dell’energia specifica di fibrillazione Fe L’energia specifica di fibrillazione Fe per le diverse forme di impulso trattate in questo capitolo, è determinata: 2 DC t i ; 2 I AC ( p ) a) per impulsi rettangolari da: Fe = I b) per impulsi sinusoidali da: 2 Fe = ---------------t i = I ACeff t i ; 2 T 2 2 c) per scarica di un condensatore costante tempo T da: Fe = I C ( p ) --- = I Ceff t i 2 La Fig. 20 confronta le intensità di corrente per impulsi rettangolari, per impulsi sinusoidali e per scarica di condensatore con costante di tempo T che abbia la stessa energia specifica di fibrillazione Fe e la stessa durata di contatto ti. In questo caso vale la relazione: IC ( p ) I AC ( p ) I DC = -------------- = ----------2 6 IC ( p ) Nota La relazione IDC = ----------- è ricavata come segue: 6 2 Fe = IC ( p ) = 2t ∞ – ---T ∫0 e T 2 dt = I C ( p ) --2 T 2 2 2 I Ceff 3T = I DC 3T = I C ( p ) --2 1 I Ceff = I DC = I C ( p ) ------6 NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 30 di 40 4.3 Soglia di percezione e soglia di dolore per scarica di un condensatore La soglia dipende dalla forma degli elettrodi, dalla carica dell’impulso e dal valore di picco della corrente. La Fig. 21 indica la soglia di percezione e la soglia di dolore in funzione della carica elettrica e della tensione di carica del condensatore per una persona che tenga larghi elettrodi con le mani asciutte. La soglia di dolore in termini di energia specifica è dell’ordine di 50 a 100 · 10–6 A2s per percorsi di corrente attraverso le estremità e ampie superfici di contatto. 4.4 Soglia di fibrillazione ventricolare La soglia di fibrillazione ventricolare dipende dalla forma, dalla durata e dall’ampiezza dell’impulso di corrente, dalla fase cardiaca in cui l’impulso comincia, dal percorso della corrente nel corpo umano e dalle caratteristiche fisiologiche della persona. Esperimenti su animali mostrano: n che per impulsi di breve durata la fibrillazione ventricolare avviene generalmente solo se l’impulso si verifica nel periodo vulnerabile del ciclo cardiaco; n che la carica specifica di fibrillazione Fq o l’energia specifica di fibrillazione Fe determina l’inizio della fibrillazione ventricolare per impulsi unidirezionali per durate di contatto più brevi di 10 ms. Le soglie di fibrillazione ventricolare sono indicate nella Fig. 22. Per una probabilità di fibrillazione del 50%, Fq è dell’ordine di 0,005 As e Fe aumenta da circa 0,01 A2s per una durata di impulso ti = 4 ms a 0,02 A2s per ti = 1 ms. 4.5 Esempi Per spiegare l’applicazione pratica delle relazioni descritte in questo capitolo, sono dati due esempi. Il primo esempio si riferisce alla scarica di condensatore con una costante di tempo T = 1 ms e una durata di contatto ti = 3T = 3 ms. Nel secondo esempio la costante di tempo è T = 10 ms, per una durata di contatto ti = 30 ms il che significa che i limiti per la fibrillazione ventricolare sono quelli dati nella Fig. 5. Esempio 1 Effetti della scarica di un condensatore sul corpo umano: Condensatore C = 1 µF, tensioni di carica 10, 100, 1000 e 10000 V. Percorsi della corrente: mano-piede, con resistenza del corpo iniziale Ri = 1000 Ω(1). Costante tempo T = 1 ms, cioè una durata di contatto ti = 3T = 3 ms. Wc 2 Energia specifica di fibrillazione Fe = I Ceff t i ≈ ------Ri (1) Il valore di Ri di 1000 Ω è stato arbitrariamente scelto ai fini di questo esempio. Non deve essere confuso con il valore di Ri, che non è superiore del 5% della popolazione indicato nell’art. 6 del Capitolo 1. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 31 di 40 Effetti Tensione di carica UC(V) 10 100 1000 10000 0,01 0,1 1 10 0,004 0,04 0,4 4 Carica specifica Fq (As) 0,01 · 10–3 0,1 · 10–3 10–3 10 · 10–3 Energia di scarica WC (Ws) 0,05 · 10–3 5 · 10–3 0,5 50 (Ri = 1000 Ω (A2s) 0,048 · 10–6 4,8 · 10–6 0,48 · 10–3 48 · 10–3 Effetto fisiologico leggero sgradevole doloroso Corrente di scarica Valore di picco (A) Corrente di scarica Valore efficace (A) IC ( p ) ICeff = ----------- 6 Energia specifica di fibrillazione Fe probabile fibrillazione ventricolare Esempio 2 Effetti della scarica di un condensatore sul corpo umano: Condensatore C = 20 µF, tensioni di carica 10, 100, 1000 e 10000 V. Percorsi della corrente: mano-tronco del corpo, con resistenza del corpo iniziale assunta pari a Ri = 500 Ω(1). Costante tempo T = 10 ms, cioè durata di contatto ti = 3T = 3 ms(2). Effetti Tensione di carica UC(V) Corrente di scarica Valore di picco IC(p) (A) 10 100 1000 10000 0,02 0,2 2 20 0,008 0,08 0,8 8 0,02 · 10–3 2 · 10–3 20 · 10–3 200 · 10–3 1 · 10–3 0,1 10 1000 — — — — leggero doloroso pericoloso, ma improbabile fibrillazione ventricolare Corrente di scarica Valore efficace (A) IC ( p ) Ieff = ----------- 6 Carica specifica Fq (As) Energia di scarica WC (Ws) Energia specifica di fibrillazione Fe (A2s)(2) Effetto fisiologico pericoloso, e probabile fibrillazione ventricolare (1) Il valore di Ri di 500 Ω è stato arbitrariamente scelto per lo scopo di questo esempio. Non deve essere confuso con il valore di Ri, che non è superiore al 5% della popolazione, indicato nell’art. 6 del Capitolo 1. (2) Poiché la durata del contatto ti è più lunga di 10 ma, le soglie di fibrillazione devono essere desunte dalla Fig. 5. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 32 di 40 Fig. 19 Forme di corrente per impulsi rettangolari, impulsi sinusoidali e per scariche di condensatore Fig. 20 Impulso rettangolare, impulso sinusoidale e scarica di condensatore con la stessa energia specifica di fibrillazione e la stessa durata di contatto NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 33 di 40 Fig. 21 Soglia di percezione e soglia di dolore per scariche di condensatore (mani asciutte, ampie aree di contatto). Zona A: Soglia di percezione. Curva B: Soglia di dolore. Nota Gli assi in diagonale sono riferiti alla capacità (C) ed alla energia (W). Dall’intersezione delle coordinate della tensione di carica e della capacità, la carica e l’energia dell’impulso possono essere lette sui relativi assi. NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 34 di 40 Fig. 22 Soglia di fibrillazione ventricolare. Le curve indicano la probabilità di fibrillazione per la corrente che fluisce nel percorso mano sinistra-piede. Per altri percorsi di corrente, vedi art. 5 e Tab. 3 del Capitolo 2. sotto C1: nessuna fibrillazione; sopra C1 fino a C2: basso rischio di fibrillazione (probabilità fino al 50%); sopra C2 fino a C3: rischio medio di fibrillazione (probabilità fino al 50%); alto rischio di fibrillazione (probabilità superiore al 50%). sopra C3: NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Pagina 35 di 40 BIBLIOGRAFIA(1) Capitolo 1 [1] Freiberger H.: Der elektrische Widerstand des menschlichen Körpers gegen technischen Gleich-und Wechselstrom, Berlin, Verlang Julius Springer, 1934, Translated into English by Allen Translation Service, Maplewood, N.Y., U.S.A., No. 9005. 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Editore CEI, Comitato Elettrotecnico Italiano, Milano - Stampa in proprio Autorizzazione del Tribunale di Milano N. 4093 del 24 luglio 1956 Responsabile: Ing. E. Camagni Lire NORMA TECNICA CEI 4985:1999-01 Totale Pagine 46 48.000 Sede del Punto di Vendita e di Consultazione 20126 Milano - Viale Monza, 261 tel. 02/25773.1 • fax 02/25773.222 • E-MAIL [email protected]
