Pericolosità della corrente elettrica

CORSO DI IMPIANTI ELETTRICI
Fondamenti di sicurezza elettrica
PERICOLOSITA’
DELLA
CORRENTE ELETTRICA
S TUDIO
DI I NGEGENERIA
M AGRINI P OLLONI M ARCO
V IA S AN C ARLO 5—27100 P AVIA —T EL . 0382-21902
Impianti elettrici - Pericolosità della corrente elettrica
1.0 INTRODUZIONE
Il pericolo più comune connesso con l’uso dell’elettricità è rappresentato dal contatto che
una persona può avere con parti in tensione. Tale contatto può determinare il passaggio
di una corrente attraverso il corpo umano con conseguenze che si possono rivelare anche mortali.
La sicurezza può essere conseguita per mezzo di svariati sistemi di protezione, attivi o
passivi, per mezzo dei quali si cerca di limitare la corrente o di ridurre il tempo per cui
questa può fluire attraverso il corpo umano.
L’approntamento dei sistemi per la protezione dai pericoli della corrente elettrica presuppone la conoscenza degli effetti della corrente elettrica sul corpo umano e dei valori limite ammessi dalle norme.
2.0 PERCEZIONE DELLA CORRENTE ELETTRICA
Gli organismi viventi sono molto sensibili alle correnti elettriche. Da studi fisiopatologici si rileva che
la cellula possiede, nello stato di riposo, un potenziale elettrico negativo all’interno rispetto all’esterno chiamato potenziale di riposo.
Nelle cellule del sistema nervoso centrale dei mammiferi il potenziale di riposo assume il valore di circa –70 mV.
Applicando uno stimolo elettrico di intensità e durata appropriata il potenziale della cellula si modifica
in valore e segno diventando positivo per poi tornare al potenziale iniziale ( Potenziale d’azione ).
L’ampiezza dell’impulso necessario per eccitare la
cellula e determinare l’inversione del potenziale diminuisce all’aumentare della durata tendendo ad
un valore costante secondo la curva dell’eccitabilità
Figura 1
riportata in figura 1.
Gli stimoli elettrici applicati dall’esterno che superano al soglia di eccitabilità generano
effetti fisiopatologici che possono diventare pericolosi in funzione di vari fattori tra cui i
più importanti sono: l’intensità della corrente, la durata del contatto, la natura della corrente, la frequenza, la massa corporea, lo stato di salute e il sesso del soggetto interessato.
La percezione della corrente è un fatto individuale pertanto per determinare dei valori di
riferimento bisogna affidarsi a dati statistici. Su un campione di soggetti il valore minimo
avvertito dal 50 % delle persone risulta essere:
•
5 mA ( uomini ) e 3,5 mA ( donne ) per la corrente continua;
•
1,1 ma ( uomini ) e 0,7 mA ( donne ) per la corrnte alternata a 60 Hz.
Il valore superiore della corrente continua dipende dal fenomeno di accomodamento delle cellule le quali si adattano se sottoposte ad uno stimolo ininterrotto.
Se si considerano come valori di soglia quelli avvertiti da una percentuale inferiore del
campione si hanno, ovviamente, risultati diversi. Per percentuali dello 0,5% del campione
si hanno i seguenti risultati:
•
0,5 mA per la corrente alternata a 60 Hz;
•
2 mA per la corrente continua.
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2
Ai fini della sicurezza le norme si riferiscono a questi valori e definiscono SOGLIA DI
PERCEZIONE il valore minimo di corrente che causa una sensazione alla persona percorsa da corrente. La parte del corpo più sensibile alla corrente elettrica è la lingua con
una soglia di percezione di 45 μA.
Nel caso della corrente alternata assume notevole influenza la frequenza in quanto
all’aumentare di questa la corrente può essere considerata come una serie di impulsi di
durata inversamente proporzionale alla frequenza stessa. Di conseguenza deve
aumentare il valore dell’intensità per produrre la modificazione de potenziale di riposo
della cellula ( vedi figura 1 ).
Per poter valutare quantitativamente l’aumento della soglia di percezione al variare della
frequenza si utilizza il FATTORE DI FREQUENZA Ff definito dal rapporto tra la corrente
di percezione o soglia alla frequenza considerata e la corrente di soglia a 50/60 Hz. L’andamento del fattore di frequenza è riportato nella figura 2 per frequenza da 50/60 Hz a
1000 Hz e da 1 a 10 Hz.
Figura 2
3.0 EFFETTI FISIOPATOLOGICI
Il passaggio di corrente elettrica attraverso il corpo umano può determinare numerose
alterazioni delle funzioni vitali che possono riguardare il controllo de movimenti, la respirazione, il battito cardiaco e lesioni al sistema nervoso, ai vasi sanguinei, all’apparato visivo e auditivo, all’epidermide.
Gli effetti più frequenti e importanti sono:
•
Tetanizzazione dei muscoli;
•
Difficoltà e arresto della respirazione;
•
Ustioni.
•
Fibrillazione ventricolare;
3.1 Tetanizzazione dei muscoli
La tetanizzazione consiste nella contrazione involontaria dei muscoli interessati dal passaggio della corrente elettrica. Nella sua forma più grave non consente all’interessato di
staccarsi dalla parte in tensione.
Sotto l’azione di uno stimolo i muscoli si contraggono per poi ritornare allo stato di riposo. Se al primo stimolo ne segue un altro prima che il muscolo sia tornato allo stato di
riposo i due effetti si possono sommare. Più stimoli contraggono ripetutamente il muscolo in modo progressivo ( Figura 3 ).
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3
Se la frequenza degli stimoli supera un
certo limite il muscolo è portato alla
contrazione completa e permane in
questo stato finché non cessano gli
stimoli, dopo di che ritorna allo stato
di riposo.
Figura 3
La norma CEI 64 definisce SOGLIA
DI RILASCIO il massimo valore di
corrente per il quale una persona può
ancora lasciare la presa.
Nel caso della corrente alternata a 50/60 Hz viene assunto come soglia di
rilascio un valore massimo di 10 mA.
Anche in questo caso per valutare la
variazione della soglia di rilascio al variare della frequenza si utilizza il fattore di frequenza.
Figura 3
I valori del fattore di frequenza relativi alla soglia di rilascio sono riportati nella figura 4
per frequenza da 50/60 Hz a 1000 Hz e da 1 a 10 Hz.
Figura 4
Nel caso di corrente continua la soglia di rilascio è individuata a 300 mA.
3.2 Difficoltà e arresto della respirazione
Correnti superiori alla soglia di rilascio possono provocare difficoltà e arresto della respirazione. Il passaggio della corrente può determinare una contrazione dei muscoli addetti
alla respirazione o una paralisi dei centri nervosi che sovrintendono alla funzione respiratoria. Se la corrente perdura l’infortunato perde conoscenza e può morire soffocato. In
questi casi è necessario intervenire prontamente per evitare l’asfissia e lesione irreversibili ai tessuti cerebrali.
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3.3 Ustioni
Il passaggio di corrente elettrica su di una resistenza è sempre accompagnato da uno
sviluppo di calore per effetto Joule. A questa regola non fa eccezione il corpo umano.
Le ustioni sono provocate del calore che si sviluppa per effetto Joule dalla corrente che
fluisce nel corpo umano. L’aumento di temperatura derivante risulta essere direttamente
proporzionale al quadrato della densità di corrente, alla resistività del tessuto interessato
e alla durata del contatto. Avendo la pelle resistività maggiore rispetto ad altre parti, risulta essere il tessuto più esposto alle ustioni.
Densità di corrente dell’ordine di qualche milliampere al millimetro quadrato per una durata dell’ordine del secondo provocano già ustioni.
Densità di circa 50 mA/mmq in pochi secondi provocano la carbonizzazione dei tessuti.
Nell’ambito dell’alta tensione l’effetto termico produce la distruzione dei tessuti e dei centri nervosi e la rottura delle arterie.
3.4 Fibrillazione ventricolare
Tra gli effetti della corrente elettrica è quello che provoca il maggior numero di decessi
per folgorazione elettrica. La fibrillazione ventricolare è uno stato di asincronismo
delle fibre del cuore durante il quale ogni fibra sviluppa una contrazione propria e indipendente. La corrente elettrica proveniente dall’esterno si sovrappone alle correnti fisiologiche interne provocando una contrazione scoordinata che impedisce al cuore di svolgere la sua funzione e che porta alla morte per arresto cardiaco e della circolazione sanguinea. Dato che al fibrillazione si automantiene per cui una volta innescata continua anche se cessa la causa che l’ha provocata la morte può essere impedita solo attuando la
defibrillazione tramite apposito apparecchio che causa shock elettrico permettendo di ristabilire il normale ciclo cardiaco. Esperimenti condotti su animali con corrnte alternata a
50 Hz e durata 5 secondi hanno fornito un limite di 180 mA con probabilità di innesco
della fibrillazione del 50% del campione. Atri esperimenti con corrente a 60 Hz hanno
consentito di estrapolare una formula che esprime la soglia di fibrillazione con probabilità
dello 0,5 % pari a:
I = (165 ÷ 185
)/
t
dove t è la durata del contatto in secondi.
In base alla formula riportata si può vedere che per un contatto di 0,5 s la probabilità di
fibrillazione a 0,5% è pari a 80 mA, mentre per un contatto di 0,1 s la stessa probabilità
richiede una corrente di 550 mA. Un fattore molto importante è rappresentato dal percorso della corrente elettrica attraverso il corpo umano. Per tenerne conto si è introdotto
il FATTORE DI PERCORSO definito dal rapporto tra le intensità di corrente che hanno
la stessa probabilità di innescare la fibrillazione relative al percorso di riferimento ( mano
sinistra - piedi ) e a quello considerato.
Un caso estremamente pericoloso è quello dei contatti interni che si può verificare in pazienti ricoverati presso le unità coronaiche aventi cateteri in
prossimità del cuore. In questi casi la fibrillazione
può essere provocata da correnti dell’ordine dei 20
micro ampere con f= 50-60 Hz. Si ritiene non pericoloso un valore di 10 μA.
La pericolosità della corrente diminuisce all’aumentare della frequenza ( aumenta la soglia di fibrillaFigura 5
zione ) ( Figura 5 ).
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4.0 LIMITI DI PERICOLOSITA’ DELLA CORRENTE
Per definire i limiti di pericolosità della corrente si utilizzano grafici tempo - corrente di
pericolosità convenzionale.
Nel caso di corrente alternata con frequenza di 50/60 Hz si utilizzano le curve di figura 6.
Figura 6
ZONA 1 - E’ delimitata dalla soglia di percezione ( 0,5 mA ) e non vi sono reazioni al
passaggio di corrente qualunque sia il tempo di esposizione.
ZONA 2 - Si estende fino alla soglia di tetanizzazione e normalmente per corrente fino a
10 mA non di hanno effetti pericolosi indipendentemente dal tempo di esposizione. Per
questo motivo tale valore viene chiamato valore di non pericolosità convenzionale.
Per correnti superiori la durata ammissibile del contatto diminuisce.
ZONA 3 - E’ delimitata dalla spezzata b e dalla curva c1 ( soglia di fibrillazione ventricolare con probabilità 0,5% ). In questa zona si possono verifica effetti fisiopatologici pericolosi ma reversibili quali contrazioni muscolari, disturbi cardiaci, difficoltà di respirazione.
ZONA 4 - Delimitata dalla curva c1 ( soglia di fibrillazione con probabilità 0,5% ) e comprende le curve c2 e c3, rispettivamente soglie di fibrillazione con probabilità del 5% e
50% . In questa zona si innesca la fibrillazione con probabilità crescente allontanandosi
dalla curva c1. Possono verificarsi arresto cardiaco, blocco della respirazione e ustioni.
Per la corrente continua esiste un analogo grafico caratterizzato da valori diversi.
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5.0 RESISTENZA ELETTRICA DEL CORPO UMANO
Figura 7
Si è visto che il limite convenzionale di pericolosità della corrente è di 10 mA. E’ importante conoscere quale è il valore di
tensione che è in grado di far circolare nel corpo un determinato valore di corrente. Indicando con Ib la corrente che attraversa il corpo e con Zb l’impedenza del corpo tra i punti di
contatto il prodotto Zb . Ib = UT viene definito tensione di
contatto a cui è sottoposto il corpo umano. Dovendo essere
Ib < 10 mA si ottiene UT / Zb < Ib = 10 mA.
Risulta molto importante definire con la maggiore approssimazione possibile il valore dell’impedenza Zb del corpo umano che si può ritenere composta da tre termini:
Impedenza del punto di ingresso della corrente dovuta
essenzialmente al contatto tra l’elettrodo e la pelle;
Impedenza interna di carattere ohmico;
Impedenza di uscita analoga al primo termine.
Il circuito equivalente è quello di figura 7 in cui sono rappresentati la resistenza e la capacità del punto di contatto.
Il carattere capacitivo dell’impedenza assume importanza per
frequenze superiori a 1000 Hz. Alle frequenze industriali ( 50
- 60 Hz ) le capacità possono essere considerate come circuiti
aperti, quindi l’impedenza si riduce alla sola resistenza del
corpo umano Rb = Ri + 2 Rp.
Assegnare un valore alla resistenza de corpo umano è molto
difficile in quanto è una grandezza estremamente variabile
con le condizioni ambientali. Nella stessa persona la resistenza varia in funzione delle condizioni fisiologiche. La figura 8
mostra le variazioni della resistenza elettrica della pelle di una
persona prima, durante e dopo un periodo di intensa meditazione.
Figura 8
5.1 Le variabili
La resistenza interna - Dipende soprattutto dal tragitto della corrente all’interno del
corpo. Posto uguale a cento il valore della resistenza tra le mani nella figura 9 sono indicati i valori delal resistenza corrispondente a un tragitto tra una mano e la parte del corpo considerata espressi in percentuale della resistenza misurata tra le due mani.
Nella figura 10 sono riportati i valori percentuali relativi al tragitto tra due mani e la parte
del corpo considerata.
Stato della pelle - Fa diminuire la resistenza Rp in caso di presenza di sudore, umidità,
tagli o abrasioni. Aumenta in presenza di una maggior stato isolante, ad esempio calli.
Superficie di contatto - Al suo aumentare fa diminuire la resistenza di contatto con la
pelle.
Pressione di contatto - Una elevata pressione fa diminuire la resistenza di contatto
con la pelle
Tensione di contatto - All’aumentare della tensione applicata la resistenza diminuisce
fino a diventare trascurabile per tensioni superiori a 100 V. Nella figura 11 è riportata la
variazione della resistenza del corpo umano in funzione della tensione di contatto.
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Figura 9 - Tragitto tra una mano e la parte
del corpo indicata con un cerchio dove è
indicato il valore della resistenza in percentuale della resistenza tra le mani.
Figura 10 - Tragitto tra due mani e la parte
del corpo indicata con un cerchio dove è
indicato il valore della resistenza in percentuale della resistenza tra le mani.
Le tre curve rappresentano i valori di resistenza
non superati rispettivamente dal 5%, 50% e 95%
del campione.
Per tensioni di contatto di circa 50 V il valore medio di resistenza osservato ( curva 50% ) è di
circa 2600 Ω, mentre per il 5% del campione si
osserva un valore di 1500 Ω. Sempre dalla curca
5% per una tensione di contatto di 230 V si
deduce un valore di resistenza di circa 1000 Ω.
Tale valore viene assunto in sede normativa come
resistenza convenzionale del corpo umano.
Figura 11
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6.0 LIMITI DI PERICOLOSITA’ DELLA TENSIONE
Il calcolo della tensione di contatto a cui è sottoposto il corpo a seguito del passaggio di
una corrente è reso complicato dalla variabilità della resistenza del corpo umano in quanto è incerto il valore da attribuire a Rb.
Consideriamo lo schema equivalente di figura 12 in cui la persona avente resistenza Rb è
a contatto con il punto M di un sistema elettrico. La resistenza REB rappresenta la resistenza verso terra della persona equivalente al complesso di resistenze esistenti tra i piedi della persona e il punto TO a cui viene associato
il potenziale con valore 0.
In assenza del contatto la tensione UST tra il punto
M e TO è la tensione di contatto a vuoto, mentre quando c’è il contatto la tensione di contatto
UT a cui è sottoposta la persona si ricava con la
regola del partitore di tensione.
U T = UST ⋅
RB
R B + R EB
La tensione di contatto UT, inferiore a quella di contatto a vuoto, può assumere valori molto inferiori a
UST quando la resistenza verso terra è molto grande rispetto a quella della persona, ad esempio nel
caso di pavimenti o superfici molto isolanti, mentre
Figura 12
può diventare circa uguale a UST quando la resistenza verso terra è trascurabile rispetto alla resistenza del corpo umano, ad esempio nei
bagni, piscine o in alcuni luoghi di lavoro particolari.
Vista quindi la impossibilità di determinare con esattezza il valore di UT, mentre è abbastanza agevole ricavare UST in sede normativa si è deciso di limitare i valori della tensione
di contatto a vuoto tenendo conto che essa non è mai inferiore a quella effettiva di contatto.
Si utilizzano per la valutazione un grafico detto curva di sicurezza che mette in relazione i valori della tensione di contatto a vuoto con il tempo di permanenza del guasto ( figura 13 ). Ne l grafico sono presenti una curva relativa a contatti che avvengono
in condizioni ordinarie e una per quelli relativi a condizioni particolari ( cantieri di costruzione, locali ad uso medico, strutture ad uso agricolo ).
Dalle curve si vede che all’aumentare del tempo di contatto diminuisce il valore della tensione ammissibile.
La norma CEI 64-8 definisce la tensione di contatto limite convenzionale UL come il
massimo valore della tensione di contatto che è possibile mantenere per un tempo indefinito in condizioni ambientali specificate.
I valori dedotti dai grafici sono:
•
UL = 50 V per i contatti in condizioni ordinarie
•
UL = 25 V per i contatti in condizioni particolari.
Per la tensione continua i valori della tensione di contatto sono:
•
UL = 1200 V per i contatti in condizioni ordinarie
•
UL = 60 V per i contatti in condizioni particolari.
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Figura 13 Curva di sicurezza per corrente alternata a 50/60 Hz
Nel caso di impianti funzionanti a tensione superiore a 1000 V la norma CEI 11-1 prevede
limiti di tensione considerando sia la tensione di contatto ammissibile UTP sia quella
di contatto a vuoto ammissibile USTP.
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