w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

o c h r o n a p r z e c i w p o r a ż e n i o w a

73

o c h r o n a p r z e c i w p o r a ż e n i o w a

porażenie prądem stałym

i jego skutki

dr inż. Stefan Gierlotka – Kopalnia „Wujek“

W

iedza o działaniu prądu stałe-
go na człowieka była zawsze

mniejsza od wiedzy o wpływie prądu
przemiennego. Skutki urazu elek-
trycznego powodowane prądem sta-
łym różnią się od skutków, które wy-
wołuje prąd przemienny. W miejsce
skurczów mięśni kończyn, obserwu-
je się kłujące bóle tylko w chwilach
włączenia i wyłączenia prądu stałe-
go. Wypadki rażenia prądem stałym
zdarzają się rzadziej niż rażenia prą-
dem przemiennym, co jest związane
z mniejszą liczbą stosowanych urzą-
dzeń stałoprądowych. Prąd stały
oznacza prąd wolny od tętnień, w któ-
rym składowa okresowa stanowi nie
więcej niż 15 % składowej stałej.

rezystancja

ciała człowieka

Analizę prądu rażeniowego w ukła-

dach prądu stałego należy prowadzić
na podstawie wartości rezystancji cia-
ła, natomiast dla układów prądu prze-
miennego – trzeba uwzględniać jego
impedancję. Impedancja ciała człowie-

ka oprócz składowej rezystancyjnej za-
wiera reaktancję pojemnościową, co
wynika z dielektrycznych właściwości
biologicznych błon komórkowych.

Ciało człowieka jako element ob-

wodu elektrycznego nie stanowi prze-
wodnika jednorodnego, lecz ma cha-
rakter przewodnika anizotropowego.
Bogate w elektrolity środowisko we-

wnątrz organizmu ma bardzo małą
rezystancję w porównaniu z rezystan-
cją skóry, której wartość zmienia się
pod wpływem czynników zewnętrz-
nych. Szczególną właściwością tkanek
żywych jest nieliniowa zmiana war-
tości ich rezystancji od napięcia ra-
żeniowego. Wartości rezystancji cia-
ła o suchym naskórku w zależności
od napięcia rażenia zostały opraco-
wane przez Komitet IEC [4] i podane
w

tabeli 1. Wartości te są kwantyla-

mi prawdopodobieństwa mniejsze-
go niż 5 %, 50 % oraz 95 % wartości re-
zystancji ciała w populacji na drodze
rażenia ręka – ręka. Dla drogi raże-
nia ręka – stopa, wartości rezystancji
są o 10-30 % niższe od wartości poda-
nych w

tabeli 1.

W celu dokładnego określenia war-

tości rezystancji ciała człowieka nale-
ży uwzględnić nie tylko napięcie ra-
żeniowe, ale również wpływ klimatu
środowiska. Wartości rezystancji cia-
ła podane w

tabeli 1, dotyczą suchego

naskórka w normalnych warunkach
klimatycznych. Podwyższona tempe-

ratura środowiska i wysiłek są przy-
czyną wzmożonej czynności gruczo-
łów potowych skóry. Stopień napeł-
nienia potem gruczołów potowych
wpływa na wartość rezystancji skóry.
Klimat środowiska zależy od tempe-
ratury, wilgotności i przepływu chło-
dzącego powietrza. Wartość klimatu
mierzy się katatermometrem, a jed-
nostką klimatu jest katastopień wil-
gotny [1]. Normalne warunki klima-
tyczne to od 11 do 17 katastopni.

Zmianę wartości rezystancji cia-

ła (R) zależnie od klimatu (K) i na-
pięcia rażeniowego (U) przedstawia
równanie:

R

K

U

=

⋅

⋅

0 24

2 7

3

,

,

ξ

gdzie:
R – wartość rezystancji ciała człowie-
ka w [kΩ[,
U – napięcie rażeniowe w [V[,
K – klimat określony w katastopniach
w [

0

K

w

[,

ξ – współczynnik zależny od dro-
gi rażenia. Dla drogi rażenia: ręka –

Napięcie

rażeniowe

Rezystancja ciała człowieka [

Ω]

, przy prawdopodobieństwie

wystąpienia wartości niższych od:

(V)

5 %

50 %

95 %

25

2100

3875

7275

50

1600

2900

5325

75

1275

2275

4100

100

1100

1900

3350

125

975

1675

2875

150

875

1475

2475

200

800

1275

2050

225

775

1225

1900

400

700

950

1275

500

625

850

1150

700

575

775

1050

1000

575

775

1050

Powyżej

1000

575

775

1050

Tab. 1 Wartość rezystancji ciała człowieka dla rażeń prądem stałym przepływającym

od ręki do ręki

Rys. 1 Zależność rezystancji ciała człowieka od napięcia rażenia

(przebiegi zmian odpowiadają kwantylom 5 %, 50 %, 95 %

prawdopodobieństwa wystąpienia wartości niższych)

Rys. 2 Wpływ klimatu (K) i napięcia rażenia (U) na wartość re-

zystancji ciała człowieka na drodze rażenia ręka – nogi

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

o c h r o n a p r z e c i w p o r a ż e n i o w a

74

ręka ξ=6, ręka – nogi ξ=10, ręka –
tułów ξ=9.

Wartości spodziewanej rezystancji

ciała dla drogi rażeniowej ręka – nogi,
ręka – ręka, podano w

tabelach 2 i 3

oraz na

rysunkach 2 i 3.

Natężenie prądu rażeniowego zale-

ży również od rezystancji przejścia na
styku skóry z elektrodą. Jej wartość
zależy od zawilgocenia naskórka, po-
wierzchni styczności oraz siły dotyku
do elektrody i jest mniejsza od 200 Ω.
Długotrwałe rażenie zmienia wartość
rezystancji przejścia na skutek tzw.
odruchu skórno-galwanicznego, po-
legającego na wystąpieniu naturalne-
go zawilgocenia naskórka w miejscu
jego styku z elektrodą.

skutki rażenia

prądem stałym

Podczas rażenia prądem stałym

ważny jest kierunek przepływu prą-
du. Rozróżnia się kierunek prądu
wzdłużny wstępujący, płynący od sto-
py spolaryzowanej potencjałem do-

datnim przez ciało człowieka do ręki
oraz kierunek prąd wzdłużny zstępu-
jący, przepływający od ręki do stopy
spolaryzowanej ujemnie.

Na podstawie badań empirycznych

opracowano charakterystyki prądo-
wo-czasowe rozdzielające strefy o róż-
nych reakcjach organizmu na dzia-
łanie prądu stałego [4]. Zostały one
ustalone na drodze rażenia lewa ręka
– stopy dla prądu wzdłużnego wstę-
pującego (stopy spolaryzowane dodat-
nio) i pokazane na

rysunku 4.

W

strefie DC-1 – pomiędzy począt-

kiem układu współrzędnych i prostą
a – nie występują żadne, odczuwal-
ne czuciowo, reakcje organizmu. Pro-
sta a określa granicę prądu percepcji,
której przekroczenie powoduje reak-
cje czuciowe. Wartość prądu percep-
cji jest osobniczo zmienna i dla ko-
biet przyjmuje się średnio 1,5 mA,
a dla mężczyzn 2,5 mA. Przy bardzo
wolnym zwiększaniu natężenia prą-
du stałego granica percepcji jest nie-
odczuwalna. Rażenie prądem stałym
o wartości natężenia większej od prą-

du percepcji zostaje stwierdzone tyl-
ko podczas załączania i wyłączania
napięcia. Zjawisko to występuje w od-
różnieniu od prądu przemiennego,
gdzie po przekroczeniu granicy per-
cepcji osoba przez cały czas rażenia
odczuwa mrowienie, mimo że natę-
żenie prądu nie ulega zmianie.

W

strefie DC-2 – pomiędzy prostą

a i krzywą b – nie występują szkodli-
we skutki przepływu prądu stałego.
Podczas załączania i wyłączania prą-
du występuje przykre odczucie mro-
wienia, drętwienie, ból i skurcze włó-
kien mięśniowych. Wartość prądu sa-
mouwolnienia (krzywa b) jest możli-
wa do ustalenia również tylko w chwi-
li załączania i wyłączania prądu stałe-
go i wynosi 25÷70 mA. Przekroczenie
wartości tego prądu powoduje skurcz
mięśni, którego pokonanie staje się
niemożliwe lub tylko prawdopodob-
ne. Występujący próg skurczów przy
rażeniu prądem stałym o wartości na-
tężenia 25 mA (DC) odpowiada reak-
cji dla rażeń prądem przemiennym
50 Hz o natężeniu 10 mA (AC). Dla ra-

żeń krótkotrwałych o czasie do 10 ms,
krzywa b przyjmuje tę samą wartość
200 mA zarówno dla prądu przemien-
nego 50 Hz, jak i prądu stałego.

W

strefie DC-3 – pomiędzy krzywy-

mi

b i c – występują reakcje mięśnio-

we, które mogą przejściowo lub trwa-
le szkodzić zdrowiu osoby rażonej.
Skurcz mięśni może być tak silny, że
niemożliwe jest otwarcie dłoni. W mia-
rę wzrostu wartości natężenia prądu
i czasu rażenia dochodzi do odwracal-
nych zakłóceń w przewodnictwie im-
pulsów i czynności mięśnia sercowe-
go. Przy długotrwałym przepływie prą-
du rażeniowego mogą wystąpić zmia-
ny termiczne w organizmie. Krzywa c
oddziela strefę (DC- 3), w której mogą
wystąpić mniej szkodliwe skutki od
strefy (DC-4), w której migotanie ko-
mór serca jest prawdopodobne.

W

strefie DC-4 – powyżej krzywej

c – oprócz nasilenia zjawisk patofizjo-
logicznych, które wystąpiły w obsza-
rze DC-3, dodatkowo dochodzi praw-
dopodobieństwo wystąpienia fibry-
lacji komór serca oraz możliwość po-
wstania oparzeń. Krzywa graniczna
c określa granicę tolerowanego ry-
zyka wystąpienia migotania komór
sercowych na poziomie prawdopodo-
bieństwa poniżej 1% populacji, które
wzrasta ze wzrostem natężenia prą-
du i czasu rażenia.

Zagrożenie wystąpienia

migota-

nia komór serca jest mniejsze dla ra-
żeń prądem stałym niż przemiennym,
lecz mimo to wywołuje silniejszy stan

Napięcie

rażeniowe

Klimat (

0

Kw)

U

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

24 V

2,2

3,1

4,2

5,5

6,8

8,4

10,3

12,4

14,8

17,4

20,4

23,6

27,1

42 V

1,9

2,6

3,5

4,5

5,6

7,0

8,6

10,3

12,3

14,5

16,9

19,6

22,5

75 V

1,5

2,1

2,9

3,7

4,6

5,8

7,1

8,5

10,2

12,0

14,0

16,2

18,6

125 V

1,3

1,8

2,5

3,1

3,9

4,8

5,9

7,1

8,5

10,0

11,8

13,6

15,6

220 V

1,1

1,5

2,0

2,6

3,2

4,1

4,9

5,9

7,1

8,3

9,8

11,3

13,0

250 V

1,0

1,4

1,9

2,4

3,1

3,9

4,7

5,7

6,7

8,0

9,3

10,8

12,4

600 V

0,8

1,0

1,4

1,8

2,3

2,9

3,5

4,2

5,1

5,4

6,9

8,1

9,3

Tab. 2 Wartości rezystancji ciała człowieka na drodze ręka – nogi (k

Ω

),

ξ

=10

Rys. 3 Wpływ klimatu (K) i napięcia rażenia (U) na wartość rezy-

stancji ciała człowieka na drodze rażenia ręka – ręka

Rys. 4 Strefy czasowo-prądowe dla prądu stałego: DC-1 – brak reakcji organizmu, DC-2 – nie występu-

ją efekty patofizjologiczne,

DC-3 – mogą wystąpić jedynie silne reakcje mięśniowe, DC-4 – możli-

wość wystąpienia migotania komór sercowych

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

75

skurczowy mięśni oddechowych. War-
tości prądu stałego powodujące fibry-
lację komór sercowych są znacznie
większe niż przy prądzie przemien-
nym. Zjawisko fibrylacji komór serca,
występuje dla dwukrotnie większych
wartości natężenia prądu rażeniowe-
go o kierunku wzdłużnym zstępują-
cym (stopy spolaryzowane ujemnie)
niż dla prądów wzdłużnych wstępu-
jących, gdy prąd płynie od stóp spo-
laryzowanych dodatnio. Podczas ra-
żenia prądem stałym o kierunku po-
przecznym, płynącym od dłoni do dło-
ni, wystąpienie fibrylacji komór serca
jest mało prawdopodobne [3]. Prądy
rażeniowe poprzeczne o dużych war-
tościach, płynące długotrwale, mogą
powodować odwracalną arytmię ser-
ca, oparzenia, a niekiedy utratę przy-
tomności, co przy braku pomocy może
prowadzić do zgonu. Odczucia i reak-
cje organizmu żywego na działanie
prądu przemiennego o częstotliwości
50 Hz przedstawiono w

tabeli 4.

Wartości natężenia prądu powodu-

jące skutki patologiczne w organizmie
człowieka są dla prądu stałego trzy do
cztery razy wyższe niż dla prądu prze-
miennego. Warunki środowiskowe
mają decydujący wpływ na wybór do-

puszczalnych wartości napięcia, uzna-
wanego w danych warunkach jako na-
pięcie bezpieczne. Dla prądu stałego
napięcie dotykowe uważa się za bez-
pieczne, jeżeli jego wartość nie przekra-
cza 120 V, a w warunkach zwiększone-
go zagrożenia czynnikami środowisko-
wymi napięcie jest obniżone do 60 V
[5, 6]. Warunki zwiększonego zagroże-
nia czynnikami środowiskowymi we-
dług rozporządzenia [5] są wtedy, gdy
rezystancja ciała ludzkiego w stosunku
do ziemi jest mniejsza od 1000 Ω.

porażenia długotrwałe

prądem stałym

Długotrwały przepływ prądu ra-

żeniowego przez organizm człowie-
ka może powodować w nim oparze-
nia elektrotermiczne. Prąd elektrycz-
ny płynący przez ciało człowieka powo-
duje wydzielanie energii cieplnej, któ-
ra zgodnie z prawem Joule’a jest propor-
cjonalna do kwadratu natężenia prą-
du rażeniowego oraz czasu jego prze-
pływu i rezystancji tkanek. Wytwarza-
ne ciepło na drodze przepływu prądu
rażeniowego powoduje nagrzanie tka-
nek, które może doprowadzić do ich
termicznego uszkodzenia. Największe

uszkodzenia tkanek występują w okoli-
cy powierzchni dotyku ciała do elemen-
tu pod napięciem. Przy rażeniu o dużej
powierzchni dotyku ciała do elektrody
mogą wystąpić szkodliwe skutki patolo-
giczne wewnątrz organizmu, nawet gdy
gęstość prądu jest niewielka.

Zmiany patologiczne spowodowa-

ne wydzielonym ciepłem występu-
ją w wyniku parowania płynów we-
wnątrzkomórkowych. Jeżeli tempera-
tura przekracza 43°C, to ścięciu ulega
białko zawarte w komórkach organi-
zmu człowieka. Dochodzi wtedy do
„inaktywacji” enzymów i zahamowa-
nia niektórych procesów metabolicz-
nych oraz do denaturacji białek. De-
naturacja jest nieodwracalnym proce-
sem zmiany struktury cząsteczki biał-
ka i jego właściwości biologicznych.
Działanie temperatury 50°C w cią-
gu 3 minut wywołuje martwicę na-
skórka, a w temperaturze 55°C takie
zmiany następują po jednominuto-
wym przegrzaniu. Produkty rozpa-
du oparzonych tkanek są wchłania-
ne przez organizm i działają toksycz-
nie. Uszkodzenia termiczne mięśni
i kości mogą mieć charakter oparzeń
lub zwyrodnienia.

Długotrwałe porażenie człowie-

ka prądem stałym charakteryzuje się
również działaniem elektrolitycznym.
Prąd stały długotrwałe płynący w or-
ganizmie człowieka może powodować
zmiany patologiczne u rażonego, nawet
gdy nie był odczuwany. Przepływ prądu
stałego przez elektrolity tkankowe po-
woduje w nich ruch jonów o ładunku
dodatnim (kationy) w kierunku kato-
dy, a jonów ujemnych (aniony) do ano-
dy. W wyniku reakcji elektrolitycznych
w tkankach powodowanych długotrwa-
łym rażeniem prądem stałym, jak też

Napięcie

rażeniowe

Klimat (

o

Kw)

U

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

24 V

3,8

5,2

6,9

9,1

11,3

14,1

17,2

20,6

24,6

29,0

34,0

39,3

45,1

42 V

3,2

4,3

5,7

7,5

9,4

11,7

14,3

17,1

20,5

24,1

28,2

32,6

37,5

75 V

2,6

3,5

4,7

6,1

7,8

9,6

11,8

14,3

17,1

20,0

23,3

27,0

31,0

125 V

2,2

3,0

4,0

5,1

6,5

8,1

9,9

11,9

14,2

16,6

19,6

22,6

26,0

220 V

1,8

2,5

3,3

4,2

5,4

6,7

8,2

9,9

11,8

13,9

16,3

18,8

21,6

250 V

1,7

2,4

3,1

4,1

5,2

6,4

7,8

9,5

11,3

13,3

14,5

15,0

20,6

600 V

1,3

1,7

2,3

3,0

3,8

4,8

5,9

7,1

8,5

8,9

11,6

13,4

15,4

Tab. 3 Wartości rezystancji ciała człowieka na drodze ręka – ręka [k

Ω

],

ξ

=6

Reakcja organizmu i skutki

Natężenie prądu

rażeniowego

Próg odczuwania prądu przez kobiety

1,5 mA

Próg odczuwania prądu przez mężczyzn

2,5 mA

Uczucie ciepła, mrowienie oraz skurcze w dłoni

podczas załączania i wyłączania

3-10 mA

Kłujące bóle w przegubach dłoni,

grzanie w całej ręce

10-25 mA

Silne skurcze mięśni, trudności w oddychaniu,

parzenie na powierzchni styku

25-70 mA

Możliwość utraty przytomności, wystąpienia migotania

komór sercowych oraz znamion prądowych

70-200 mA

Tab. 4 Odczucia i reakcje organizmu człowieka spowodowane porażeniem prądem

stałym

wydzielanego ciepła, występuje ścięcie
białka i koagulacje tkanek, co prowadzi
do martwicy. Działanie elektrolityczne
prądu rażeniowego często dotyczy ukła-
du krwionośnego oraz mięśni. Uwolnio-
na mioglobina z uszkodzonych mięśni
doprowadza niekiedy do wystąpienia
niewydolności nerek.

wnioski

Skutki działania prądu stałego rażą-

cego organizm ludzki są inne niż przy
porażeniu prądem przemiennym. Bar-
dzo ważna dla kryteriów ochrony
przeciwporażeniowej jest znajomość
spodziewanej wartości rezystancji cia-
ła człowieka z uwzględnieniem klima-
tu środowiska i wartości napięcia ra-
żeniowego. Rażenie prądem stałym
powoduje fibrylację komór sercowych
przy wartościach znacznie większych
niż przy prądzie przemiennym. Długo-
trwały przepływ prądu rażeniowego
powoduje koagulację tkanek organi-
zmu, co prowadzi do martwicy.

literatura

1. S. Gierlotka, Impedancja ciała

człowieka w warunkach klima-
tycznie trudnych, „Energetyka”
7 / 1996.

2. S. Gierlotka, Wpływ uciążliwości

ergonomicznych występujących
w kopalniach węgla kamiennego
na impedancję elektryczną ciała
człowieka. Zeszyty Naukowe Po-
litechniki Śl., s. Górnictwo z. 252,
Gliwice 2002, praca habilitacyjna.

3. H. Markiewicz, Bezpieczeństwo

w elektroenergetyce. WNT War-
szawa 1999.

4. IEC – Raport 479 – Part 1 – Draft

February 2002: Effects of current
on human beings and live stock,
ESV – Vienna 2002.

5. Rozporządzenie Ministra Przemy-

słu z dn. 08.10.1990 r. w sprawie
warunków technicznych, jakim
powinny odpowiadać urządzenia
elektroenergetyczne w zakresie
ochrony przeciwporażeniowej.

6. PN-IEC 60364 Instalacje elektrycz-

ne w obiektach budowlanych.