CC BY
16БЕЗОПАСНОСТЬ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА HUMAN LIFE SAFETY
Оригинальная статья / Original article УДК 621.31
DOI: https://doi.org/10.21285/2500-1582-2020-3-298-304
О напряжении пробоя кожного покрова
© А.И. Сидоров
Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), г. Челябинск, Россия
Резюме: В статье рассматривается один из сложных вопросов, влияющих на защитоспособные свойства человека при воздействии на него электрического тока, а именно напряжение, при котором происходит пробой кожного покрова. Величина напряжения, вызывающая начало пробоя кожного покрова, определяет понятие «малое напряжение». Поэтому обоснование этой величины является в определенной степени средством обеспечения безопасности при эксплуатации электроприемников в условиях повышенной и особой опасностей. На основе изучения литературных данных, результатов собственных экспериментальных исследований, а также нормативно-технической документации автор предлагает изменения в определение понятия «малое напряжение» с регламентацией величин этого напряжения как для переменного, так и постоянного токов. Внесение предлагаемых изменений в нормативно-техническую документацию позволит предотвратить электропоражения при использовании различных электроприемников, эксплуатируемых в том числе, персоналом, не имеющим специальной подготовки в сфере электроэнергетики.
Ключевые слова: малое напряжение, сопротивление тела человека, пробой кожного покрова
Информация о статье: Дата поступления 7 августа 2020 г.; дата принятия к печати 8 сентября 2020 г.; дата онлайн-размещения 30 сентября 2020 г.
Для цитирования: Сидоров А.И. О напряжении пробоя кожного покрова. XXI век. Техносферная безопасность. 2020;5(3):298-304. https://doi.org/10.21285/2500-1582-2020-3-298-304
On skin breakdown voltage
Alexander I. Sidorov
South Ural state University (national research University), Chelyabinsk, Russia
Abstract: The article deals with one of the complex issues that affect the protective properties of a person when exposed to electric current, namely, the voltage that causes the skin breakdown. The value of voltage that causes the skin breakdown defines the concept of low voltage. Therefore, the justification of this value is required to ensure safety when operating electric receivers in conditions of high and special hazards. Based on the literature data, experimental studies, normative and technical documents, the concept of "low voltage" was changed with the regulation of voltage values for both alternating and direct currents. The changes were added to the regulatory and technical documents to prevent electric disturbances when using various electric receivers used by the staff, including those that lack electricity knowledge
Keywords: low voltage, human body resistance, skin breakdown
Information about the article: Received August 7, 2020; accepted for publication September 8, 2020; available online September 30, 2020.
For citation: Sidorov AI. On skin breakdown voltage. XXI vek. Tekhnosfernaya bezopasnost' = XXI century. Technosphere security. 2020;5(3):298-304. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2500-1582-2020-3-298-304
1. ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим параметром, определяющим защитоспособные свойства человеческого организма, является его (ор-
ганизма) способность к электрическому сопротивлению. При этом величина сопротивления определяется наружным слоем кожи. Сопротивление кожного по-
Fi
'ООЯ 1
298
ISSN 2500-1582
(print) ISSN 2500-1574 (online)
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
2020;5(3):298-304
Сидоров А.И. О напряжении пробоя кожного покрова Alexander I. Sidorov. On skin breakdown voltage
крова зависит от многих факторов. Это влажность и температура окружающего воздуха, состояние кожного покрова (царапины, загрязнения, кожные заболевания), однако главным фактором является величина приложенного напряжения, что говорит о нелинейном характере сопротивления тела человека.
Заметим, что на нелинейный характер этого сопротивления указывалось в работах по проблемам электробезопасности в конце XIX- начале XX вв1.
2. МЕТОДЫ И ХОД ИССЛЕДОВАНИЯ
Рассматривая верхний слой кожи (эпидермис) как диэлектрик, что подтверждается образованием конденсатора в месте контакта с электродом, исследователи попытались определить электрическую прочность этого диэлектрика, т.е. минимальное напряжение, при котором возможен его (диэлектрика) пробой. В докторской диссертации И.П. Тишкова2 приводится величина 200 В, полученная при исследованиях на лоскутах кожи, снятых с умерших.
В более поздних исследованиях приводились значительно меньшие значения напряжения, при которых происходит пробой верхнего слоя кожи3.
На основании подобных исследований и было предложено для обеспечения электробезопасности в условиях повышенной и особой опасности применять для питания различных электроприемников (ручной электроинструмент, переносные светильники и т.п.) так называемое «малое напряжение». Длительное время к таковым относилось напряжение до 42 В4.
В нормативах, действующих в настоящее время, указывается, что малым является напряжение, не превышающее 50 В переменного и 120 В постоянного тока5.
Можно предположить, что разработчики указанных выше нормативных документов не знакомы с ГОСТ 12.1.038826. В примечании к табл. 2 данного ГОСТ указывается, что предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов, протекающих через тело человека при продолжительности воздействия более 1 с (длительный режим воздействия) соответствуют отпускающим (переменным) и неболевым (постоянным) токам. В этом и заключается защита малым напряжением. Человек, ощутив воздействие электрического тока (а персонал, работающий в действую-
1Гладилин Л.В., Щуцкий В.И., Бацежев Ю.Г., Чеботаев. Н.И. Электробезопасность в горнодобывающей промышленности. М.: Недра, 1977. 327 с.;
Манойлов В.Е. Основы электробезопасности. Л.: Энергия, 1976. 344 с.;
Киселёв А.П. Тело человека как элемент электрической цепи // Труды МИИТ, 1966. Вып. 226. С. 5162.;
Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: Энергия, 1979. 408 с. Тишков И.П. О сопротивлении человеческого тела электрическому току. СПб, 1886. 67 с. 3Подольский Л.П. Влияние заземления нейтрали сетей низкого напряжения на условия безопасности. М.: Л.: ГЭИ, 1946. 128 с.;
Сидоров А.И. Основы электробезопасности. Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2001. 353 с.
4Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-ое издание (утв. приказом Минэнерго РФ от 8 июля
2002 г. № 204)
5ГОСТ Р 12.1.019-2009. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты. Дата введения 2011-01-01. 34 с.;
Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: Энергия, 1979. 408 с. 6ГОСТ Р 12.1.038-82*. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. Дата введения 1983-07-01. 8 с.
БЕЗОПАСНОСТЬ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА HUMAN LIFE SAFETY
щих электроустановках, должен иметь представление об опасности электрического тока), имеет возможность самостоятельно освободиться от этого действия.
Проблема определения сопротивления электрическому току или электропроводности тела человека весьма сложна вследствие своеобразного поведения отдельных тканей организма и его биологической реактивности. Поэтому чрезвычайно важны и интересны результаты экспериментальных исследований влияния на величину сопротивления тела человека таких факторов, как время протекания тока, его величина и форма, а также, учитывая нелинейность сопротивления тела человека, напряжение, при котором уже возможен пробой рогового слоя.
В приведенных выше работах7 достаточно полно освещается рассматриваемая нами проблема. Вместе с тем следует отметить, что приводимые в указанных источниках результаты не содержат подробный анализ влияния перечисленных выше факторов, а некоторые сведения, например, о величине напряжения предполагаемого пробоя,
нуждаются в экспериментальной проверке или ином подтверждении.
Выполненные нами эксперименталь-
о
ные исследования8 позволили установить, что сопротивление тела человека при протекании электрического тока изменяется по следующей формуле:
Z = a - bIh, кОм (1)
где IÄ - величина тока, протекающего через тело человека, мА; a, b - коэффициенты, зависящие от вида тока, протекающего через тело человека.
В табл. 1 приведены уравнения, полученные в результате обработки экспериментальных данных9.
Данные уравнения позволяют расчетным путем определить минимальные значения токов, при которых уже возможен пробой кожного покрова.
С целью уточнения зависимости сопротивления тела человека от длительности протекания тока нами были проведены эксперименты, подробно представленные в работе Kupfer I., Tere-siak Z.10, а результаты в табл. 2.
7Гладилин Л.В., Щуцкий В.И., Бацежев Ю.Г., Чеботаев. Н.И. Электробезопасность в горнодобывающей промышленности. М.: Недра, 1977. 327 с.;
Манойлов В.Е. Основы электробезопасности. Л.: Энергия, 1976. 344 с.;
Киселёв А.П. Тело человека как элемент электрической цепи // Труды МИИТ, 1966. Вып. 226. С. 5162.;
Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: Энергия, 1979. 408 с. Щуцкий В.И., Сидоров А.И. О нормировании допустимых для организма человека токов // Изв. вузов СССР. Сер. Энергетика. 1980. № 2. С. 33-36.;
Щуцкий В.И., Сидоров А.И., Ситчихин Ю.В. К вопросу о допустимых токах // Промышленная энергетика. 1978. № 12. С. 32-33.;
Щуцкий В.И., Сидоров А.И., Ситчихин Ю.В. О длительно допустимых токах и напряжениях // Изв. вузов СССР. Сер. Горный журнал, 1971. №6. С. 99-101.; Ряузов Н.Н. Общая теория статистики. М.: Статистика, 1971. 368 с.
9Щуцкий В.И., Сидоров А.И., Ситчихин Ю.В. К вопросу о допустимых токах // Промышленная энергетика. 1978. № 12. С. 32-33.
10
Kupfer I., Teresiak Z. Wartosci graniczne wielkosci waeunkujacych fizjologczne zagrozenie porazeniem elekryczny // Prz. elektrotechn. 1986. Vol. 62. № 10-12. P. 294-298, 331, 332.
Fi
300
ISSN 2500-1582
(print) ISSN 2500-1574 (online)
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
2020;5(3):298-304
Сидоров А.И. О напряжении пробоя кожного покрова Alexander I. Sidorov. On skin breakdown voltage
Таблица 1. Зависимость сопротивления тела человека от величины тока, протекающего через тело человека
Table 1. The dependence of the resistance of the human body on the current value, flowing through the human body
Вид тока Закон изменения ZA, кОм (h - мА) Абсолютное значение коэффициента корреляции
Переменный (50 Гц) Zh= 5,43 - 0,43Ih 0,80
Постоянный Rfo = 5,15 - 0,12/, 0,73
Выпрямленный по схеме
однополупериодной Rh= 6,63 - 0,72Ih 0,80
двухполупериодной Rh= 5,98 - 0,371h 0,79
трехфазной с нулевым выводом Rh= 5,53 - 0,23Ih 0,80
трехфазной мостовой Rh = 5,03 - 0,151 h 0,79
Смешанный при соотношении между значениями переменной и постоянной составляющих напряжения
3 Zh= 4,79 - 0,46Ih 0,80
2 Zh= 4,91 - 0,44Ih 0,88
1 Zh= 5,35 - 0,40Ih 0,80
1/2 Zh= 5,79 - 0,29Ih 0,73
1/3 Zh= 5,96 - 0,28Ih 0,70
Примечания.
1. При воздействии постоянного тока в правой руке находился электрод «-» , а в левой - «+».
2. Смешанный ток - ток, образованный наложением постоянного тока на синусоидальный или взаимным наложением синусоидальных токов различной частоты.
Таблица 2. Значения и зависимости сопротивлений тела человека при различных условиях воздействия
Table 2. Values and dependencies of human body resistances under various conditions of exposur
Ток Величина воздействующего напряжения, В Зависимость сопротивления тела человека от длительности воздействия, (I , Я - кОм, г - мин) 0 < г < 5 мин Минимальное сопротивление тела человека при указанных напряжениях, кОм
Переменный 12 I = 5,48 + 0,01/ - 0,013/2 3,47
Постоянный 50 Я = 4,93 + 0,07/ - 0,047/2 4,07
Отметим, что расчет минимально возможного сопротивления тела человека проводился для / = 0. Поскольку объем экспериментальной группы соответствует малой выборке (< 20), расчет значений сопротивления тела человека производился по следующей формуле [18]:
Z_.„ = Z - т
L ( Z - Z )
n
(n-1)
(2)
где I - среднее значение сопротивления в выборке; п - объем выборки (п = 10); т - коэффициент доверия (для вероятности р = 0,99 имеем т = 3,2).
БЕЗОПАСНОСТЬ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА HUMAN LIFE SAFETY
При исследовании зависимостей сопротивления тела человека от величины протекающего через него тока были также получены уравнения связи между приложенным напряжением и током, протекающим через тело человека. Для переменного тока частотой 50 Гц это уравнение имеет следующий вид:
U = 6,34 - 0,24/, + 0,54/2,
(3)
а для постоянного тока
U = 1,80 + 4,55/, -0,083/(4)
Подставив в указанные уравнения значения токов, при которых возможен пробой кожного покрова11, получим величины напряжения, при которых этот процесс возможен (табл. 3).
Таблица 3. Значения напряжений, при которых возможен пробой кожного покрова
Table 3. The values of the voltages at which it is possible to skin breakdown
Род тока Напряжение пробоя, В
для уровня 5%-й значимости для уровня 1%-й значимости
Переменный, 50 Гц 50,8 42,1
Постояный 65,4 63,5
Необходимо отметить, что при воздействии постоянным током в выпол-
л О
ненных нами экспериментах12 наблюдались случаи пробоя рогового слоя уже при напряжении 50 В. Однако это происходило через две-три мин. от момента подачи напряжения в точках, показанных на рис. 1. Пробой рогового слоя сопро-
вождался резким увеличением тока, усилением болевых ощущений в месте пробоя. Пораженный участок (электрометки диаметром 0,5-1 мм) заживал в течение двух-трех недель.
Рис. 1. Точки пробоя рогового слоя (отмечены крестиками)
Fig. 1. Points of stratum corneum breakdown (marked with crosses)
Если внимательно посмотреть на рис. 1, то можно заметить, что точки пробоя кожного покрова находятся на бугорках, имеющихся на внутренней стороне ладони. Эти бугорки способствуют искажению равномерного электрического поля, что и приводит к пробою кожного покрова при сравнительно небольших напряжениях.
Определение величины напряжения, при котором возможен пробой кожного покрова, может быть также выполнено на основании исследования изменения падения напряжения U на сопротивлении кожного покрова (рис. 2). При этом
Kupfer I., Teresiak Z. Wartosci graniczne wielkosci waeunkujacych fizjologczne zagrozenie porazeniem elekryczny // Prz. elektrotechn. 1986. Vol. 62. № 10-12. P. 294-298, 331, 332.
12 Kupfer I., Teresiak Z. Wartosci graniczne wielkosci waeunkujacych fizjologczne zagrozenie porazeniem elekryczny // Prz. elektrotechn. 1986. Vol. 62. № 10-12. P. 294-298, 331, 332.
Fi
302
ISSN 2500-1582
(print) ISSN 2500-1574 (online)
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
2020;5(3):298-304
Сидоров А.И. О напряжении пробоя кожного покрова Alexander I. Sidorov. On skin breakdown voltage
нелинейность сопротивления тела человека учитывалась выражением13:
ZA =
77
UX +10
+ 0,3, кОм
(5)
где Uz - напряжение, приложенное к телу человека, В.
нием времени при напряжении 20 В и более сопротивление тела человека уменьшается на 10-40%. Построенные при этих условиях кривые 2, 3 показывают, что пробой рогового слоя может наступить и при напряжении 40 В. Данная величина хорошо согласуется с литературными данными, а также экспериментальными и аналитическими исследованиями, представленными выше.
Рис. 2. Электрическая схема замещения тела человека:
Сн - емкость конденсатора, образовавшегося в месте контакта с токоведущей частью; R - сопротивление кожного покрова;
RBH - внутреннее сопротивление;
Zh - полное сопротивление тела человека
Fig. 2. Electrical circuit of the human body replacement: С - capacity of the capacitor formed at the point of contact with the current-carrying part;
R - skin resistance;
RH - internal resistance;
Zh - full body resistance
На рис. 3 представлены рассчитанные зависимости U7 . Если полагать сопротивление тела человека неизменным при увеличении времени действия, то можно отметить, что пробой рогового слоя начинается при напряжении 100 В (экстремум кривой 1). Однако в работе Долина П.А.14 указывается, что с тече-
18 16 й 12 10 8 6 Ч 2
[ U, ,В 1 "Г
/
2
1 I
1
1 1
1 1
3 1
1
1 1
0 w 20 30 к0 50 60 ГО ВО 90 /00 НО 120
Рис. 3. Зависимости U7 от величины
приложенного к телу человека напряжения: 1 - без учета изменения сопротивления тела человека от действия времени; 2, 3 - с учетом снижения сопротивления тела человека (соответственно 10% и 40%)
Fig. 3. Dependences of UZh on value of voltage
applied to the human body: 1 - ignoring the change in resistance of the human body;
2, 3 - taking into account a decrease in resistance of the human body (10% and 40% respectively)
Таким образом, можно отметить, что начало пробоя кожного покрова приходится на напряжение 40 В и зависит от характера воздействия. Указанная вели-
Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: Энергия, 1979. 408 с. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: Энергия, 1979. 08 с.
h
БЕЗОПАСНОСТЬ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА HUMAN LIFE SAFETY
чина при кратковременном приложении напряжения к телу человека возрастает.
3. ВЫВОДЫ
В настоящее время имеются противоречия между различными нормативно-техническими документами, регламентирующими требования обеспечения безопасности, в частности, электробезопасности.
1. Необходимо внести изменение в определение «малое напряжение», связав величину его со шкалой напряжений,
Критерии авторства
Сидоров А.И. имеет авторские права и несет ответственность за плагиат.
установленных нормативными актами.
2. Предлагается независимо от рода тока установить, что малое напряжение - это напряжение, не превышающее 42 В.
3. Учитывая постоянное возрастание объема электроэнергии, потребляемой в преобразованном виде, необходимо продолжить изучение влияния обобщенного показателя для преобразованного тока (коэффициента формы) на величину напряжения пробоя кожного покрова.
Contribution
Sidorov A.I. has copyrights and bears responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.
Сведения об авторах Сидоров Александр Иванович,
доктор технических наук, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности, профессор, Южно-Уральский государственный университет(национальный исследовательский университет), 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 87, Россия, И e-mail: bgd@susu.ru
Conflict of interests
The author declares no conflict of interests regarding the publication of this article.
The final manuscript has been read and approved by the author.
Information about the authors Alexander I. Sidorov,
De. Sc. (Eng.),
Head of the Department of Life Safety, Professor,
South Ural State University
454080, Lenin Ave., 87, Chelyabinsk, Russia,
S e-mail: bgd@susu.ru
Fi
304
ISSN 2500-1582
(print) ISSN 2500-1574 (online)
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
2020;5(3):298-304
