خطرات برق‌گرفتگی و تأثیرات آن بر بدن انسان

در این مقاله تأثیر جریان برق متناوب (AC) بر بدن انسان بررسی می‌شود.

عبور جریان الکتریکی از بدن انسان می‌تواند کشنده باشد. در بسیاری از موارد، علت مرگ به قلب بازمی‌گردد: قلب تحت فشار شدید و فعالیت نامنظم خسته شده و از کار می‌افتد. حتی جریان کوچکی که از دست وارد و از یک یا هر دو پا خارج شود، می‌تواند از قلب عبور کند.

تأثیرات برق‌گرفتگی

بسیاری تصور می‌کنند شوک‌های مرگبار تنها از ولتاژ بالا ناشی می‌شود، اما حوادث بسیاری هنگام کار با سیستم‌های ولتاژ پایین نیز رخ می‌دهد. شدت شوک به عوامل مختلفی بستگی دارد: مقدار و مدت جریان، فرکانس، ویژگی‌های فیزیکی فرد، جنسیت، و مسیر عبور جریان از بدن. در هر صورت، هرچه ولتاژ بالاتر باشد، جریان بیشتری از بدن عبور می‌کند.

منابع درباره تأثیرات فیزیولوژیکی جریان‌های الکتریکی نسبتاً فراوانند، اما اعداد ذکر شده در آنها اختلاف زیادی دارند. جدول ۱ مقادیر رایج پذیرفته‌شده و پیامدهای اعمال جریان متناوب با فرکانس ۶۰ هرتز بر بدن را نشان می‌دهد. این جدول وضعیت یک فرد بالغ ۷۰ کیلوگرمی با مقاومت ۵۰۰ اهم را توصیف می‌کند که با دو دست یک هادی برقدار را گرفته و با هر دو پا در آب ایستاده است.

بیشتر داده‌ها، به‌ویژه آنهایی که به سطوح جریان منجر به فیبریلاسیون مربوط می‌شوند، از آزمایش روی حیوانات به دست آمده است. بسیاری از این آزمایش‌ها اغلب کشنده‌اند و برای انسان قابل تکرار نیستند.

واکنش بدن به جریان الکتریکی تقریباً با نسبت ۱/√t رابطه دارد. با این حال، تفاوت‌های زیادی بین افراد دیده می‌شود. فردی با وزن بیشتر برای رسیدن به همان اثر فیزیولوژیکی به جریان بیشتری نیاز دارد.

جریان ۱۰ میلی‌آمپر که به عنوان آستانه «بدون رها کردن» یا «یخ زدن» شناخته می‌شود، باعث فلج موقت عضلات بازکننده یا خم‌کننده می‌شود؛ به‌گونه‌ای که فرد شوک‌زده نمی‌تواند منبع جریان را رها کند. این فلج همچنین ممکن است باعث انقباض شدید عضلات شده و فرد را از منبع دور کند که می‌تواند جان او را نجات دهد.

فلج تنفسی در جریان ۳۰ میلی‌آمپر ممکن است کشنده باشد، اما اگر جریان به موقع قطع شود، این وضعیت برگشت‌پذیر است: فلج عضلانی برطرف شده و تنفس دوباره شروع می‌شود.

جریان ۷۵ میلی‌آمپر، آستانه فیبریلاسیون بطنی برای حدود ۰٫۵٪ از جمعیت است. ۹۹٫۵٪ باقیمانده برای بروز این اثر نیاز به جریان بیشتری دارند. فیبریلاسیون بطنی وضعیتی پزشکی است که در آن قلب از پمپاژ خون بازمی‌ایستد و با سرعت بسیار بالایی می‌تپد، که در نهایت به آسیب مغزی و مرگ در اثر کمبود اکسیژن منجر می‌شود.

فردی که دچار فیبریلاسیون بطنی شده، به‌ندرت و بدون مداخله بهبود می‌یابد. روش اصلی برای بازگرداندن ضربان منظم قلب، اعمال یک شوک جریان بالا برای متوقف کردن فیبریلاسیون است. امید می‌رود که پس از قطع جریان، قلب دوباره به پمپاژ منظم بازگردد.

بسیاری از استانداردهای بین‌المللی برای طراحی پدهای زمین‌گیری، شدت و مدت جریان عبوری از بدن انسان را در مقادیری زیر آستانه فیبریلاسیون قلبی نگه می‌دارند.

مقاومت الکتریکی بدن

مقاومت الکتریکی یک انسان به عوامل زیر بستگی دارد:

• وضعیت فیزیکی فرد.
• ماهیت نقاط ورود و خروج جریان.

• پوست خشک مقاومت بالایی دارد و در ولتاژ پایین حدود ۱۰۰ کیلواهم است. اپیدرم، یعنی نازک‌ترین لایه بیرونی پوست، به دلیل نداشتن رگ‌های خونی مقاومت بالایی نشان می‌دهد. در بازه ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ ولت، این مقاومت به حدود ۱ کیلواهم کاهش می‌یابد.

• درم، لایه ضخیم‌تری از پوست در زیر اپیدرم، مقاومت کمی دارد زیرا سرشار از رگ‌های خونی است که تغذیه و دفع مواد زائد سلول‌های درم و اپیدرم را بر عهده دارند. خون نیز حاوی یون‌های معدنی است که رسانایی الکتریکی آن را افزایش می‌دهند.

• هر خراش در اپیدرم یا هر عاملی که پوست را بشکند، درم را در معرض دید قرار داده و مقاومت را کاهش می‌دهد. تخمین معقول این است که در این شرایط، یک بازو یا پای انسان حدود ۵۰۰ اهم مقاومت دارد. اصطلاح «مرد ۵۰۰ اهم» که در متون تخصصی رایج است، فردی را توصیف می‌کند که با دو دست یک هادی برقدار را گرفته و با دو پا در آب ایستاده است.

• برخی پژوهشگران می‌گویند مقاومت متوسط انسان‌ها بسته به عوامل مختلف، از پای به پای بین ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ اهم و از دست به پای بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ اهم متغیر است.

ولتاژ خط یا دستگاه الکتریکی.

• مقاومت الکتریکی بدن با افزایش ولتاژ کاهش می‌یابد، زیرا ولتاژ بالاتر نقاط بیشتری از پوست را آسیب زده و دسترسی بیشتری به درم فراهم می‌کند.

بدن انسان به‌عنوان بخشی از مدار الکتریکی و مسیر جریان

تأثیر الکتریسیته بر بدن انسان زمانی رخ می‌دهد که فرد بخشی از یک مدار الکتریکی شود. به همین دلیل، بهترین راه جلوگیری از برق‌گرفتگی (electric shock)، پرهیز از تماس با قطعات برق‌دار است. اما با توجه به تعداد زیاد دستگاه‌های الکتریکی که روزانه از آن‌ها استفاده می‌کنیم، احتمال تماس ناخواسته با الکتریسیته افزایش می‌یابد.

شکل ۱: پرندگان تا زمانی که بخشی از مدار الکتریکی نباشند، در برابر برق‌گرفتگی مصون هستند. تصویر از Pixabay

همانند هر عنصر الکتریکی، فرد می‌تواند به دو صورت بخشی از مدار شود: سری (series) و موازی (parallel). در اتصال سری، فرد تنها مسیر عبور جریان است و در اتصال موازی، کانال‌های دیگری جریان را با او به اشتراک می‌گذارند.

شکل ۲، مدل ساده‌ای از این وضعیت را نشان می‌دهد: فردی در حال کار با یک وسیله برقی مانند دریل. در این مدل، Ri مقاومت عایق (insulation) تعبیه‌شده در کارخانه است، Reg نشان‌دهنده مقاومت هادی (conductor) است که بدنه دستگاه را به زمین منبع تغذیه (power supply ground) متصل می‌کند، و Rb مجموع سه مقاومت است: بدن فرد، تماس دست‌ها با دستگاه، و تماس پاها با کف.

شکل ۲: مدل الکتریکی ساده با بدن به عنوان یک پارامتر مداری

در نمودار بالا، Ri به صورت سری با مسیرهای موازی Reg و Rb قرار دارد. هنگامی که عایق عالی است، Ri عملاً بی‌نهایت است و هیچ جریانی از Reg و Rb عبور نمی‌کند. اما اگر عایق دچار خطا شود (خطای زمین، ground fault)، Ri کاهش می‌یابد و جریان می‌تواند از Reg و Rb عبور کند.

اکنون می‌توانیم سه حالت را در هنگام وجود خطای زمین در دستگاه تحلیل کنیم: در حالت اول، دستگاه فاقد هادی اتصال‌دهنده به زمین منبع تغذیه است (معادل Reg=∞) و تمام جریان خطا از فرد عبور می‌کند. در اینجا فرد به صورت سری با مدار خطا قرار دارد. در حالت دوم، Reg=۰ است و هیچ جریانی از فرد عبور نمی‌کند. در حالت سوم، Rb=∞ است و باز هم جریانی از فرد عبور نمی‌کند.

در عمل، Rb همواره مقداری محدود دارد. بنابراین، سیستم زمین‌کردن (grounding) باید چنان طراحی شود که در صورت بروز خطای زمین، جریان عبوری از بدن آن‌قدر کم باشد که در مدت خطا آسیبی به فرد وارد نکند.

Reg باید به اندازه کافی کم باشد تا بتواند بیشتر جریان خطا را حمل کند و با ظرفیت مناسبی خطا را به موقع رفع نماید. یک هادی زمین تجهیزات (equipment grounding conductor) با امپدانس پایین که به طور مؤثر به زمین منبع متصل شده باشد، این هدف را محقق می‌کند.

Rb باید تا حد امکان بالا نگه داشته شود؛ با پرهیز از ایستادن روی زمین مرطوب و تماس همزمان با اشیاء فلزی. معمولاً از کارگران برق خواسته می‌شود برای افزایش مقاومت از دستکش و کفش عایق استفاده کنند. در پست‌ها (substations) نیز رسم بر این است که لایه‌ای از مواد با مقاومت بالا بر روی سطح زمین بالای شبکه زمین (ground grid) پخش شود. مواد استاندارد شن و آسفالت هستند که مقاومت تماس بین خاک و پاها را افزایش می‌دهند و جریان عبوری از بدن را کاهش می‌دهند.

تولیدکنندگان دستگاه‌ها با به‌کارگیری تکنیک‌هایی مانند عایق‌بندی مضاعف (double insulation)، Ri را بسیار بالا می‌برند. این نوع تجهیزات از آنجا که احتمال تماس کاربر با قطعات برق‌دار تقریباً صفر است، نیازی به هادی زمین تجهیزات ندارند. با این حال، عایق‌بندی مضاعف بی‌نقص نیست و مواردی از برق‌گرفتگی هنگام غوطه‌ور شدن دستگاه در آب رخ داده است.

استفاده از سیستم‌های حفاظت زمین (ground protection) با حساسیت و سرعت بالا نیز بسیار مفید است.

مدت زمان تماس با جریان و خطر فیبریلاسیون بطنی

پیشگیری از فیبریلاسیون بطنی (ventricular fibrillation) هدف اصلی توصیه‌های استانداردهای بین‌المللی درباره طراحی و اجرای شبکه‌های زمین (grounding mats) است.

همانطور که اشاره شد، پژوهش‌های متعددی درباره تأثیر جریان الکتریکی بر بدن انسان به‌ویژه در فرکانس‌های ۵۰ و ۶۰ هرتز (استاندارد سیستم‌های قدرت در جهان) منتشر شده است. آزمایش‌های انجام‌شده توسط C.F. Dalziel و W.R. Lee بر روی حیواناتی مانند سگ، گوسفند، خوک و گاو در محدوده وزنی ۱۰ تا ۸۰ کیلوگرم بسیار قابل توجه است. نتایج این مطالعات برای انسان‌ها نیز قابل تعمیم است. همچنین یافته‌هایی از حوادث واقعی برق‌گرفتگی وجود دارد.

Dalziel، Lee و سایر محققان نتیجه گرفتند که جریان قابل تحمل بدن انسان در بازه زمانی ۰/۰۳ تا ۳ ثانیه، با انرژی جذب‌شده توسط بدن از طریق معادله زیر مرتبط است:

Sb = Ib² · ts
که در آن:

• Ib = جریان شوک غیر فیبریلاتور (nonfibrillating shock current) بر حسب آمپر
• ts = زمان مواجهه (مدت) بر حسب ثانیه
• Sb = ثابت تجربی مربوط به انرژی شوک قابل تحمل توسط ۹۹/۵% از جمعیت = ۰/۰۱۳۵ برای وزن بدن ۵۰ کیلوگرم و ۰/۰۲۴۶ برای وزن بدن ۷۰ کیلوگرم

سپس:

Ib = √(Sb/ts) = ۰/۱۱۶ · ts^(-۱/۲) برای ۵۰ کیلوگرم
Ib = ۰/۱۵۷ · ts^(-۱/۲) برای ۷۰ کیلوگرم

ولتاژ مواجهه V = Rb · Ib

شکل ۳ آستانه فیبریلاسیون (fibrillation threshold) را برای یک فرد بزرگسال نشان می‌دهد. این نمودار لگاریتمی-لگاریتمی زمان-جریان-ولتاژ، جریان شوک (Ib) و ولتاژ مواجهه (V) را در مقابل زمان مواجهه (ts) در بازه ۰/۰۳ تا ۳ ثانیه ترسیم می‌کند. این نمودار مقاومت دست-به-دست یا دست-به-پا (Rb) را برابر ۵۰۰ اهم فرض کرده و وزن‌های بدن ۵۰ و ۷۰ کیلوگرم را در بر می‌گیرد.

شکل ۳: آستانه فیبریلاسیون برای بزرگسالان ۷۰ و ۵۰ کیلوگرم. ولتاژ بر اساس Rb = ۵۰۰ اهم.

نتیجه‌گیری‌های مهم برگرفته از شکل ۲:

• خطوط مستقیم با زوج‌های (Ib, ts) و (V, ts) مطابقت دارند
• هرچه زمان مواجهه کوتاه‌تر باشد، جریان قابل تحمل بیشتر است
• قدر و مدت جریان تابعی از وزن بدن است؛ یعنی افراد با وزن بالاتر جریان‌های یکسان را برای مدت طولانی‌تری تحمل می‌کنند
• آزمایش‌ها فقط برای بازه ۰/۰۳ تا ۳/۰ ثانیه معتبر هستند

ارتباط با سیستم‌های قدرت

بیشتر ولتاژهای رایج در سیستم‌های قدرت، خطر جدی برق‌گرفتگی را به همراه دارند، به‌ویژه در محیط‌های مرطوب. برای مثال، یک سشوار ساده خانگی با ولتاژ نامی ۱۲۰ ولت و مقاومت بدن ۵۰۰ اهم را در نظر بگیرید: جریانی معادل ۲۴۰ میلی‌آمپر از بدن عبور می‌کند که به احتمال زیاد باعث فیبریلاسیون – اثری کشنده – می‌شود.

حتی اگر جریان به اندازه‌ای نباشد که فیبریلاسیون ایجاد کند، می‌تواند شوک دردناکی ایجاد کند. در این صورت، واکنش غیرارادی فرد به شوک ممکن است منجر به حادثه‌ای مانند سقوط شود.

مدارهای قدرت الکتریکی و احتیاط‌های لازم

مدارهای قدرت الکتریکی و دستگاه‌های مرتبط با آن‌ها نیازمند دقت و احتیاط ویژه‌ای هستند تا از ایمنی جان انسان‌ها حفاظت شود. رعایت استانداردها و مقررات مربوطه امری ضروری است. کد برق ملی (National Electrical Code – NEC) به عنوان استاندارد پیشرو در این حوزه، هدفش «حفاظت عملی از افراد و اموال در برابر خطرات ناشی از استفاده نادرست از برق» است.

بررسی برق‌گرفتگی و تأثیرات آن

ولتاژهای بالا و پایین ممکن است عواقب جبران‌ناپذیری همچون مرگ و میر را به همراه داشته باشند. تأثیر جریان برق بر بدن به عوامل زیر بستگی دارد:

• مقدار جریان
• مدت زمان تماس
• فرکانس
• شرایط فیزیکی
• جنسیت
• مسیر جریان

یکی از خطرناک‌ترین پیامدهای ناشی از برق‌گرفتگی، فیبریلاسیون بطنی است که در این حالت، قلب از پمپاژ خون بازمی‌ماند. طراحی سیستم‌های زمین‌گیری با هدف جلوگیری از این عارضه صورت می‌گیرد.

مقاومت الکتریکی یک فرد به شرایط فیزیکی، نقاط تماس و ولتاژ سیستم بستگی دارد و این عوامل در مجموع باعث ایجاد تفاوت در آسیب‌پذیری افراد می‌شود.

برای جلوگیری از برق‌گرفتگی، از ورود به مدار الکتریکی به طور کلی خودداری کنید.

استانداردهای ایمنی مانند NEC به عنوان سپری در برابر استفاده نادرست از برق عمل می‌کنند و از افراد محافظت می‌نمایند.

نویسنده

لورنزو ماری دارای مدرک کارشناسی ارشد در مهندسی قدرت الکتریکی از مؤسسه فناوری رنسلر (Rensselaer Polytechnic Institute – RPI) است. او از سال ۱۹۸۲ به عنوان استاد دانشگاه مشغول به تدریس در زمینه‌های تحلیل مدارهای الکتریکی، ماشین‌های الکتریکی، تحلیل سیستم‌های قدرت و زمین‌گیری سیستم‌های قدرت بوده است. به عنوان یک استاد طراز اول، او مقالات متعددی نوشته که به عنوان ابزارهای یادگیری برای دانشجویان مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین، ماری پنج دوره آموزشی ویژه برای مهندسان برق طراحی کرده است که شامل موضوعاتی چون نصب‌های الکتریکی در مکان‌های خطرناک، کد برق ملی، ماشین‌های الکتریکی، سیستم‌های زمین‌گیری قدرت و الکترونیک و طراحی ایستگاه‌های قدرت الکتریکی می‌شود. به عنوان مهندسی حرفه‌ای، او ده‌ها مشخصه فنی و سایر اسناد لازم برای تجهیزات و نصب‌های الکتریکی در پروژه‌های بزرگ نفتی، گازی و پتروشیمی تهیه کرده است. ماری همچنین در پروژه‌های بزرگ نفتی، گازی و پتروشیمی به عنوان مدیر پروژه EPCC فعالیت کرده و در این راستا اسناد مدیریتی متعدد و مهمی تنظیم نموده که در این نوع کارها به طور معمول استفاده می‌شود.

منبع: https://eepower.com/technical-articles/ac-equipment-grounding-how-dangerous-are-shocks/

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس الکتریک

مطالب بیشتر را ببینید

پرسش‌های متداول

برق‌گرفتگی چیست؟

برق‌گرفتگی به حالتی اطلاق می‌شود که جریان الکتریکی از بدن فرد عبور کرده و موجب آسیب یا مرگ شود.

میزان ولتاژی که خطرناک است چقدر است؟

هر ولتاژی می‌تواند خطرناک باشد؛ اما ولتاژهای بالای 30mA معمولاً آسیب‌زا در نظر گرفته می‌شوند.

چگونه می‌توان از برق‌گرفتگی جلوگیری کرد؟

استفاده از تجهیزات ایمنی برق و عدم تماس با دستگاه‌ها هنگام وجود رطوبت می‌تواند به جلوگیری از برق‌گرفتگی کمک کند.

منبع: powerquality.blog