Schutzmaßnahmen
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Elektrotechnik
Elektrosicherheit, wichtige Grundlagen
Teil 3: Gefährdung durch Gleichspannung
ep6/2014, 4 Seiten
Für die Praxis 500 Elektropraktiker, Berlin 68 (2014) 6 Schutzmaßnahmen Elektrosicherheit - wichtige Grundlagen Teil 3: Gefährdung durch Gleichspannung Ch. Rückerl, Leipzig; J. Kupfer, Berlin Die Wirkung unterschiedlicher Stromformen und die damit im Zusammenhang zu betrachtenden Durchströmungszeiten sind, wie bereits in den beiden vorangegangenen Beiträgen erläutert, vor allem auf grundlegende physiologische Prozesse zurückzuführen. Um Grenzwerte zum Schutz vor lebensgefährdenden Durchströmungen durch Gleichspannung begründen zu können, bilden diese Kenntnisse wesentliche Voraussetzungen. Die Zunahme von Gleichspannungsanwendungen verlangt für den Praktiker eine erneute Darlegung der Zusammenhänge und, in Fortsetzung, weitere Diskussion. 1 Gleichstrom - Eine besondere Gefahr? In den letzten Jahren zeichnet sich parallel zu vorhandenen Wechselspannungsnetzen die Zunahme von Gleichspannungsanwendungen mit höheren Betriebsspannungen ab. Photo voltaikanlagen, Batteriespeicher sowie die gebäudeinterne Versorgung sind nur drei Bei spiele. Zugleich erweitern sich die Spannungs ebenen, etwa wie sie zukünftig in der Elektro mobilität Anwendung finden sollen. So exis tieren bereits jetzt zahlreiche elektrische Anlagen mit einer Nennspannung oberhalb von 120 V. Im Bereich der versorgenden Infra struktur wird beispielsweise bereits die An wendung von Gleichspannungen bis 760 V zwischen den aktiven Leitern erwogen [1]. Damit verbunden ist die Frage nach den Wir kungen hoher Gleichströme auf den Menschen und den möglichen Schutzkonzepten für die speziellen Anwendungen. Der elektrische Gleichstrom gilt im Allgemei nen als eher ungefährlich. Ein Grund dafür liegt in der Tatsache, dass aufgrund der selte nen Anwendung bislang wenige schwerwie gende Unfälle bekannt wurden. Niedrige Be triebsspannungen, die im Vergleich zur Wech selspannung wesentlich seltenere Anwendung aber auch die Tatsache, dass bei Gleichstrom eine Loslassschwelle nicht existiert, sind dafür wesentliche Gründe. In der Regel wird bereits aufgrund der mit einer Durchströmung ausgelösten Schreckreaktion die Berührung spannungsführender Teile und damit der Stromfluss unterbrochen. Durchströmungs dauern oberhalb von 500 ms sind somit eher unwahrscheinlich. Eingeklemmte oder bewe gungsunfähige Personen können die Aus nahme bilden. Die Gefahr des Herzkammer flimmerns, die grundsätzlich auch bei einer flimmerüberschwelligen Durchströmung mit reinem Gleichstrom besteht, wird bei Betriebs spannungen unter 220 V als äußerst gering eingeschätzt [2]. Dazu differenziert beurteilt werden muss hingegen die Wirkung stark oberwelligen Gleichstroms, wie er in früheren Zeiten vor allem durch Ein- und Zweiweggleich richtung aus 50-Hz-Wechselstrom erzeugt wurde. Darüber hinaus können zeitliche Stromänderungen z. B. auch durch Lastschwankun gen hervorgerufen werden (Bild a). Aus diesem Grund sind statistische Angaben zu Elektrounfällen an Gleichspannungsan lagen, bei denen hinsichtlich der Welligkeit nicht unterschieden wird, mit Vorsicht zu inter pretieren. Bisher erfasste Arbeitsunfälle zeigen dennoch deutlich, dass die Letalität bei Unfällen mit Gleichstrom geringer ist als bei Wechselstrom (Tafel a). DIN IEC 60479-1 [4] fasst die vor allem im Analogieschluss aus Angaben zur Gefährdung durch Wechselspannung abgeleiteten Schluss folgerungen [14,17] für die praktische Sicher heitstechnik zusammen. Darin werden drei Schwellenwirkungen unterschieden: · Wahrnehmbarkeits- und Reaktionsschwelle, · Immobilisierungs- und Loslassschwelle, · Schwelle des Herzkammerflimmerns. Weitere Wirkungen des elektrischen Gleich stromes werden in dieser Norm mit: Wärme empfindung, Herzrhythmusstörungen, Strom marken, Verbrennungen, Schwindelanfälle, Bewusstlosigkeit, Elektroporation und trauma tischen Verletzungen angegeben. Wissen schaftlich untermauert sind diese Angaben nur selten. Welche Gefährdungen von höheren Spannungen (>300 V) ausgehen, wurde noch dazu nur unzureichend untersucht. Offene Fragen diesbezüglich sind: · Welche „Schäden an Herz und Kreislauf“ [14, Tab. X, DC-L2] konnten kausal dem Tierexperiment oder einem Unfallereignis zugeordnet werden? · Lässt sich die „konventionelle“ Festlegung, „dass bei Gleichstrom die längste Durchströ mungsdauer eine Sekunde beträgt“, bewei sen [17, S. 201-202], zumal zuvor richtig formuliert wurde: „Der wesentliche Unter schied gegenüber Wechselstrom liegt im Fehlen einer eigentlichen Krampfschwelle“? Deshalb sollen durch das FTZ Leipzig e.V. im Rahmen eines vom BMWi geförderten For schungsprojektes einige grundlegende Fragen zur Wirkung des elektrischen Gleichstroms auf den Menschen durch tiefer gehende Re cherchen beantwortet werden. 2 Gleichströme - Wirkungen auf Menschen Ein zusammenfassender Überblick liegt zwar zeitlich schon etwas zurück (1978, [14]), be gründet aber die wichtigsten Unterschiede Autoren Dr.-Ing. Christian Rückerl, Gruppenleiter EMV, Forschungs- und Transferzentrum Leipzig e.V. an der HTWK Leipzig. Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Kupfer, Fachinge nieur der Medizin, i. A. VDE/ABB Leiter AK Blitzunfälle; Wissenschaftliches Beratungsbüro Elektropathologie Berlin. a Oszillogramm (welliger Gleichstrom) beim Anfahrvorgang und plötzlichem Lastabwurf in einem 550-V-Fahrleitungsgrubennetz Tafel a Arbeitsunfälle, unterteilt nach Stromart [3] Stromart Anzahl der Unfälle in % Anteil der Unfälle in % Letalität in % insgesamt tödlich insgesamt tödlich Wechselstrom 17693 206 94,2 96,7 1,2 Gleichstrom 1086 7 5,8 3,3 0,6 Insgesamt 18779 213 100,0 100,0 1,1 Quelle: nach [19] Für die Praxis Schutzmaßnahmen 501 Elektropraktiker, Berlin 68 (2014) 6 zwischen der Wirkung von Wechsel- und Gleich strömen auf den Menschen. Nicht alle Schlussfolgerungen werden von den Autoren geteilt. Im vorangegangenen Beitrag zu Elek trounfällen an 50-Hz-Wechselspannungsanla gen wurde in Übereinstimmung mit anderen Autoren z. B. das Kriterium „Herzperioden dauer“ als Wendepunkt für den Verlauf der Herzkammerflimmerschwelle abgelehnt. Da sich Tierversuche seit geraumer Zeit ohnehin verbieten, lassen sich neuere Erkenntnisse nur aus Unfällen, Modellbetrachtungen und Versuchen z. B. an Gewebeproben gewinnen. Unter Gleichstrom wird im Weiteren hier ein konstanter Strom verstanden, dessen Wellig keit vernachlässigt werden kann (w <10 %). Der Ein- und Ausschaltzeitpunkt und damit der Zeitpunkt von Berührung und Loslassen spannungsführender Teile sind jedoch geson dert zu berücksichtigen. Eine sensible Wahrnehmung tritt nach [4] bei Strömen ab 2 mA auf. Der Begriff leitet sich aus der Empfindung ab, die vor allem durch die Stromänderung im Moment des Berührens und Loslassens deutlich wahrgenommen wird. Auch während der Durchströmung kann es zu sensiblen Wahrnehmungen kommen. Zum Vergleich: In der Medizin wird die schmerz lindernde und durchblutungsfördernde Wirkung des Gleichstromes therapeutisch genutzt [7]. Die Dosis (Stromdichte) wird so festgelegt, dass ein leichtes, schmerzloses Kribbeln empfunden wird. Die Stromdichte als Dosis liegt üblicher weise im Bereich 0,05-0,2 mA/cm² [8]. Für die Handinnenflächen mit etwa 100 cm² bedeutet dies eine Stromstärke von 5...20 mA. Diese Stromstärke würde bei einer kleineren Berüh rungsfläche, z. B. 10 cm², bereits als schmerz haftes Stechen wahrgenommen werden. Der Grund für sensible Wahrnehmungen liegt in der Reizung sensibler Nerven in der Haut. b Befreiungsstromstärke für Gleichstrom bei Männern aus [9] Tafel b Empfindungen nach Osypka [6] bei einer Durchströmung Hand-Hand, ca. 90 cm² Stromstärke in mA Empfindungen Gleichstrom bis 2 keine 7 leichtes Kribbeln 12 Wärmegefühl und verstärktes Kribbeln in den Handflächen, leichter Druck in den Handgelenken 21 starker Druck bis Stechen in den Handgelenken 27 Kribbeln im Unterarm, Druckschmerz in den Handgelenken, stechender Schmerz in Handgelenken, Wärmegefühl 32 verstärkter Druckschmerz in Handgelenken, Kribbeln bis in die Ellenbogen reichend 35 heftige Druckschmerzen in Handgelenken, stechende Schmerzen in den Händen 43 sehr starker Druckschmerz in Handgelenken, heftig ziehende und stechende Schmerzen in den Händen, höchstens 10 s auszuhalten 50 60 70 80 mA 90 99,5 99,0 95,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 5,0 2,0 1,0 0,5 98,0 Befreiungsstromstärke DC Prozentsatz (Perzentilwert) Versuchsergebnisse bei 28 Männern Quelle: nach [9] WEIL SICHER EINFACH SICHER IST. Curaline BKD 150 So einfach kann Kabelabdichtung sein! DOYMA Gmb H & Co Industriestr. 43-57 D-28876 Oyten Fon: (0 42 07) 91 66-300 Fax: (0 42 07)91 66-199 WWW.DOYMA.DE Für die Praxis 502 Elektropraktiker, Berlin 68 (2014) 6 Schutzmaßnahmen Diese können jedoch auch bei einer konstan ten Stromstärke mit einer rhythmischen Erre gung antworten [5]. An der Kontaktstelle wird dann ein Kribbeln wahrgenommen, das sich mit steigender Stromstärke zu dem oben beschriebenen schmerzhaften Stechen ver ändert (Tafel b). Zu berücksichtigen ist ferner, dass die Stromdichte an der Berührungsfläche (Elektrode) ausschlaggebend ist. Für Verglei che sollten Stromstärken deshalb immer mit dem Bezug auf eine konkrete Kontaktfläche (z. B. Hand innenfläche) angegeben werden. Neben der Wahrnehmung durch die Stimula tion sensibler Nerven kommt es auch zur Reizung motorischer Nerven. Über diese wer den Muskeln erregt, sodass es zur Muskelkontraktion kommt. Insbesondere der Beginn und das Ende der Durchströmung (der Berüh rung) führen zu einer Reizung der motorischen Nerven, die auf den Muskel übertragen wird. Eine rhythmische Erregung, wie sie bei den sensiblen Nerven zu beobachten ist, tritt bei motorischen Nerven selten auf. Somit kommt es nur bei der oben genannten zeitlichen Än derung der Stromstärke zu einer kurzen Mus kelkontraktion. Diese Zuckung führt dazu, dass sich der Betroffene von der Berührungs stelle löst oder sogar weggeschleudert wird. Damit sind häufig Verletzungen des Bewe gungsapparates verbunden. Daraus lässt sich keine Loslassschwelle wie beim Wechselstrom ableiten. Bei seinen Versuchen an Menschen hat Dalziel [9] jedoch eine Befreiungsstrom stärke definiert, bei der sich die Probanden wegen der schmerzhaften Muskelkontraktio nen weigerten, die Elektroden loszulassen (Bild b). Killinger [10] nimmt für Gleichstrom eine Ein teilung in Stromstärkebereiche vor. In dem von ihm festgelegten Stromstärkebereich C (0,5 A-1,2 A), d. h. im Spannungsbereich von etwa 500 V bis 1200 V gibt er als Wirkung die andauernde (tetanische) Verkrampfung der Muskulatur an. Auch bei diesen Betrach tungen wurde die Welligkeit des Gleichstroms nicht berücksichtigt. An der Zelle bewirkt der Gleichstrom eine Verschiebung des Membran potentials, womit auch eine Verschiebung der Reizschwelle verbunden ist (Bild c). Bei einer Hyperpolarisation (Anelektrotonus) steigt die Reizschwelle an, die Erregbarkeit der Nervenzelle nimmt ab. Die Depolarisation (Kathelektrotonus) bewirkt zunächst eine Sen kung der Reizschwelle (VR ). Allerding kann bei einer Verschiebung des Membranpotentials vom Ruhewert (ca. -70 mV) auf einen Wert von etwa -20 mV keine Erregung mehr statt finden. Motorische Nerven sind deshalb bei einer entsprechend starken Hyper- oder De polarisation nicht mehr aktivierbar. Eine Ver krampfung wäre dann nur durch eine direkte Muskelerregung zu erklären. Ein derartiger Mechanismus, der durch Gleichstrom hervor gerufen werden kann, wird in [5] beschrieben und als Depolarisationskontraktion bezeich net. Ein Schwellenwert dafür kann bislang nicht angegeben werden. Auch bei Gleichstrom besteht die Gefahr des Herzkammerflimmerns. Flimmerschwellen wurden durch Tierversuche ermittelt [11, 12]. Wendet man die für Wechselstrom an Schwei nen ermittelte Funktion aus [13] auf Ergeb nisse des Versuchstiers Hund an, kann eine Flimmerschwelle definiert werden (Bild d). Diese kann nicht ohne Weiteres auf den Men schen übertragen werden. Die Flimmerschwelle für Gleichstrom besitzt wie die von Wechselstrom ein oberes und ein unteres Niveau. Dies deutet darauf hin, dass auch bei Gleichströmen Extrasystolen entste hen, die einen Wiedereintritt und damit das Herzkammerflimmern begünstigen. Die Ur sache für die Auslösung von Extrasystolen müsste dabei jedoch noch eine andere Kom ponente enthalten, als das beim Wechsel strom der Fall ist, bei dem jede Halbwelle als Einzelreiz anzusehen ist. Neben dem Reiz beim Ein- und Ausschalten bewirkt der Gleichstrom während der Durch strömung einen Automatismus der Herzmuskel zellen [14]. Das bedeutet, dass die an sich passiven Muskelzellen der Herzkammer (Kam mermyokard) aktiv werden und sich kontrahie ren. Damit würde sich auch beim Gleichstrom mit zunehmender Durchströmungsdauer die Anzahl der Extrasystolen (auf maximal ca. 5) erhöhen. Die Flimmerschwelle sinkt dann - ana log zum Wechselstrom - mit der Durchströ mungsdauer auf ein unteres Niveau ab: Die Wahrscheinlichkeit für die Auslösung von Herz kammerflimmern steigt mit der Durchströmungs zeit! Bei kurzen Durchströmungen (<100 ms) könnten damit die Flimmerschwellen für Gleich-und Wechselstrom ein gleiches Niveau haben. Bei Durchströmungszeiten zwischen ca. 100 bis 500 ms läge die Flimmerschwelle bei Gleich strom dagegen höher als beim Wechselstrom. In der Norm [4] wurde daher auf der Grundlage der Versuche an Hunden ein Gleichstrom-Wechselstrom-Gleichwertigkeitsfaktor von 3,75 angegeben. Auch diese Übertragung auf den Menschen bedarf des Beweises. Elektrochemische Wirkungen, z. B. die im Sprachgebrauch des Öfteren angenommene „Elektrolyse“, sind mit Blick auf den Elektro unfall auszuschließen. Aus medizinischen Anwendungen ist bekannt, dass es unter d Flimmerschwelle (rot) für eine Flimmerwahrscheinlichkeit von 50 %, nach [13] mit den Daten (blau) von [11] -20 -40 -60 -80 -100 -120 Depolarisation Kathelektrotonus Membranpotential -40 -20 0 20 40 60 Hyperpolarisation Anelektrotonus Quelle: nach [5] c Erregbarkeitsänderungen einer Nervenfaser bei Änderung des Membranpotentials (DEm : Membranpotential, EK : kritisches Potential, VR : für das Erreichen des kritischen Potentials notwendige Reizspannung 0,1 1 10 10 mA 10 Quelle: ep, Chr. Rückerl/J. Kupfer Elektropraktiker, Berlin 68 (2014) 6 Elektroden bei längeren Durchströmungen (Minuten) zu „Verätzungen“ der Haut kom men kann. Die Erklärung dafür sind chemi sche Reaktionen, die an der Kathode zur Bildung einer Lauge und unter der Anode zur Bildung einer Säure führen. Als Schwellen wert für diese Wirkung müsste eine Strom-Zeit-Fläche definiert werden. Wegen der angenommenen kurzen Berührungsdauer bis zu 500 ms sind diese Wirkungen nicht zu befürchten. Schwellenwerte für diese Art elektrochemischer Wirkungen sind bislang nicht bekannt. 3 Andere Stromformen Neben dem Wechselstrom (50 Hz) und dem Gleichstrom geringer Welligkeit kommen auch andere Stromformen zur Anwendung. Tierex perimentelle Untersuchungen liegen vor allem von Knickerbocker sowie Jacobsen und deren Mitarbeitern vor [11, 18]. Zu beachten sind daraus abgeleitete Interpretationen anderer Autoren [14, 17]. Zur Beschreibung der Wirkung von gepulsten Magnetfeldern, welche durch Induktion zu gepulsten Körperströmen führen, wurden bereits geeignete Modelle abgeleitet [15]. Es kann davon ausgegangen werden, dass bei sehr kurzen Impulsdauern (<1 ms) die Reiz modelle wie in [16] zu berücksichtigen sind. Reizwirksam ist hier die Stromdichte-Zeit-Fläche, da sich Membranzeitkonstanten auf die Nervenreaktion auswirken. Bei längeren Durchströmungen sind die Spitzenwerte der Stromdichte im Gewebe entscheidend. Der Blitzstrom wird als Spezialfall in einem weite ren Beitrag behandelt. 4 Zusammenfassung Gleichstrom wird zukünftig mehr Anwendungen finden. Deshalb muss das Wissen über dessen Wirkungen in Ausbildung und Praxis aufgefrischt und ergänzt werden. Dazu gehören die vertiefte Auswertung des internationalen Schrifttums und eine möglichst genaue Erfassung und Be wertung zukünftiger Elektrounfälle an Gleich spannungsanlagen. Unangenehme Wahrneh mungen, wie Stechen oder Druckgefühl, kön nen bei Gleichstrom ebenso auftreten wie schmerzhafte Muskelkontraktionen. Grund sätzlich kann auch Herzkammerflimmern ent stehen, wobei sich jedoch der Mechanismus zur Bildung von Extrasystolen von dem bei Wechselstrom unterscheidet. Auch die hier nicht näher betrachtete Gefähr dung durch den Lichtbogen muss beim prak tischen Unfallgeschehen berücksichtigt wer den. Für den zukünftigen umfassenden siche ren Umgang mit Gleichstromanlagen sollten Richtlinien und Normen überprüft und bei Bedarf ergänzt werden. Literatur [1] Ott, L.; Böke, U.; Weiss, R.: Energieeffiziente Gleichstromnetze für kommerziell genutzte Ge bäude. Online verfügbar unter www.dcc-g.eu am 09.04.2014. [2] Brinkmann, K.; Schaefer, H. (1982): Der Elek trounfall. Berlin: Springer, S. 190. [3] Altmann, S. (2002): Elektrounfälle in Deutsch land. Unfälle durch Elektrizität am Arbeitsplatz und im privaten Bereich. Bremer haven: Wirt schaftsverl. NW, Verl. für Neue Wiss. (Schriften reihe der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin: Forschung, 941). [4] Vornorm 60479-1, Mai 2007: Wirkungen des elektrischen Stromes auf Menschen und Nutz liere - Teil 1: Allgemeine Aspekte. [5] Keidel, W. D.; Bartels, H. (1975): Kurzgefasstes Lehrbuch der Physiologie. Mit 446 Prüfungsfra gen und Antworten u. e. Schlüssel z. Gegen standskatalog. 4. Aufl. Stuttgart: Thieme, S. 14-23. 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Autoren
- J. Kupfer
- C. Rückerl
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