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Elektrosicherheit – wichtige Grundlagen
Teil 1: Wirkungen des elektrischen Stroms

„Sicherheit“ – wo dieses Wort auftaucht, ist es in der Regel mit hohem Anspruch verbunden. Geprüfte Elektrosicherheit signalisiert, dass wir uns vor einem „elektrischen Schlag“ sicher fühlen können. Wichtige Ausgangsparameter für eine definierte Sicherheitstechnik sind lebensbestimmende Abläufe bei Mensch und Tier, wie regelmäßiger Herzschlag, Blutdruck und Schmerzfreiheit [24, 25].

Stromunfall mit Föhn

Symbolbild (Foto: kalpong/stock.adobe.com)

Selbst bei einem Fehler müssen Abschaltstrom und Abschaltzeit so dimensioniert werden, dass Leben nicht in Gefahr gerät. In vier aufeinander folgenden Beiträgen sollen daher jene Kriterien zusammenfassend dargestellt und gewichtet werden, die einer Gefährdungsbeurteilung beim Umgang mit Elektroenergie zugrunde liegen. Die Reizwirkung des elektrischen Stroms wird dabei unter Einbeziehung von Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen eine wichtige Rolle spielen.

1 Unfallstatistik

Es ist schwer, über alle Bevölkerungsschichten, unterschiedliche Berufsgruppen und ­Anwendungen von elektrisch betriebenen Anlagen und Geräten eine Statistik für die Kategorie „Elektrounfall“ aufzustellen: Nicht immer besteht Meldepflicht; obwohl für die Prävention wichtig, werden Durchströmungen, die ohne lebensbedrohliche Folgen bleiben, nicht mitgeteilt (Beispiel Prüffelder [20]). Verglichen mit anderen Unfällen gehören tödliche Elektrounfälle eher zu den seltenen Ereignissen. Eine zentrale Statistik für Elektrounfälle existiert daher nicht. Die Berufsgenossenschaften werten Arbeitsunfälle im gewerb­lichen Umfeld aus, wobei nur die gemeldeten und meldepflichtigen Unfälle berücksichtigt werden. Tödliche Elektro­unfälle werden durch die Statistischen Landesämter bzw. durch das statistische Bundesamt erfasst. Aus diesen Daten lassen sich bedingt Aussagen für die Elektrosicherheit ableiten.

2 Physiologische Grundlagen

2.1 Reiz- und Wärmewirkung des elektrischen Stromes

Leben bedeutet Elektrizität – ein großer Teil des Informationsaustausches im Körper erfolgt über elektrische Signale, gekoppelt an chemische Austauschprozesse.

Ein Beispiel: Will man den Arm hochheben, werden über den Willen gesteuerte elektrische Signale vom Gehirn über Nerven zu Muskeln geleitet. Die angesprochene Muskelgruppe reagiert, der Arm wird nach oben bewegt.

Die körpereigenen „Aktionspotentiale“ können jedoch durch körperfremde, d. h. von außen einwirkende, gleichartige Spannungen/Ströme überlagert werden – der innere Informationsaustausch zwischen Nerven und Muskeln kann dann durcheinander geraten. Der Elektrounfall ist dafür ein bekanntes praktisches Beispiel, wobei der Reizwirkung auf das Herz besonderes Augenmerk zukommt.

Hohe Ströme erzeugen im Körpergewebe nach dem Jouleschen Gesetz aber auch Wärme – vor allem Strommarken auf der Haut sowie tiefe innere und äußere Verbrennungen können entstehen. Maßgeblich für die thermische Wärmewirkung ist die Stromdichte, die vom Querschnitt und der Leitfähigkeitsverteilung im Körper abhängt.

So tritt eine hohe Erwärmung insbesondere an Körperteilen mit geringem Querschnitt (Hand- und Fußgelenke) auf. Aufgrund dieser Unterschiede wird seit Jahrzehnten grob eingeteilt in

  • Reizwirkung und
  • Wärmewirkung des elektrischen Stromes.

Zu beiden Wirkungsmechanismen liegen umfangreiche Untersuchungen und Interpreta­tionen vor [1, 5, 11, 14, 21]. In drei Einzelbeiträgen der folgenden Ausgaben des ep wird  wird zusammenfassend und unter Berücksichtigung neuer Erkenntnisse auf die Schwerpunkte

  • Wechselspannung
  • Gleichspannung und
  • Blitzentladungen

näher eingegangen.

2.2 Wichtige Parameter der Reizwirkung

Die Reizwirkung hängt von messbaren physikalischen Größen ab. Für die Praxis sind diese vor allem: Amplitude, Stromform und Dauer einer Durchströmung.

Die Amplitude des Stromes stellt sich – für die Praxis der Elektrosicherheit mit ausreichender Genauigkeit – nach dem Ohmschen Gesetz aus anliegender Spannung und den im Stromkreis liegenden Widerständen ein. Im Körperinneren bestimmt dann vor allem der Stromweg die Stromdichte im Gewebe. Diese wiederum ist über den lokalen Spannungsabfall eines betrachteten Organs (beispielsweise das Herz) bis hin zu einer noch viel kleineren Gewebeeinheit, etwa der Einzelzelle, durch die elektrische Feldstärke zu bewerten.

Bezüglich der Stromform sind An- und Abstiegssteilheit von besonderer Bedeutung. Bei Wechselstrom bestimmt dessen Frequenz das Ausmaß der Reizwirkung entscheidend.

Die Dauer ist neben der Stromstärke oft entscheidend für den Ausgang einer lebensgefährdenden Durchströmung. Das wird besonders deutlich am Beispiel der Herzerregung.

Ingenieure und Techniker sind daran gewöhnt, mit einem Tabellensystem, z. B. der Elektrotechnik oder Werkstoffkunde, umzugehen. Mensch und Tier werden dann in breit angewandten Technologien – und dazu gehört die Elektrotechnik – als Individuen einbezogen. Es kann daher nicht deutlich genug darauf aufmerksam gemacht werden, dass Art und Anzahl von oft unübersichtlichen Einflußgrößen biologischer (wie zum Beispiel Alter, Geschlecht, Krankheiten, Handicaps) und technischer Art dann erwünschten Vorhersagen Grenzen setzen:

Über Formeln mit Konstanten verknüpfbare starre Gesetzmäßigkeiten sind bei einer Beurteilung der Gefährdung des Menschen durch elektrischen Strom nur bedingt zu erwarten!

2.3 Störungen der normalen Herztätigkeit durch elektrischen Strom

Wesentliche Grundlagen in Vorschriften zur Elektrosicherheit beziehen sich auf strombedingte Störungen des normalen Herzschlages [22, 23]. Auch im Rahmen der Diagnostik und Therapie nach Elektrounfällen spielen sie eine bedeutende Rolle, Gutachten bewerten diesen Zusammenhang besonders.

Das Herz arbeitet weitestgehend autonom. Es wird durch den im Herzmuskelgewebe verankerten Sinusknoten erregt. Die von diesem natürlichen Schrittmacher ausgehende Erregung breitet sich über die Vorhöfe aus und sorgt – dann fortlaufend – für die rhythmisch wiederkehrende Kontraktion der beiden Herzkammern. Störungen des normalen Herzschlages können sich ergeben, wenn die Erregung durch den Sinusknoten ausbleibt oder wenn im Herzen selbst ein „Sonderreiz“ unterschiedlicher Ursache, etwa in Form einer so genannten Extrasystole, entsteht. In diesem Fall kann die Implantation eines künstlichen (elektrische Impulse erzeugenden) Herzschrittmachers erforderlich werden. Ein „Elektrounfall“ wird in der Regel nicht absichtlich herbeigeführt. Kommt es dabei zu einer elektrischen Durchströmung des Herzens, kann der Fremdstrom sowohl die Signale des Sinusknotens als auch die fortgeleiteten Erregungen überlagern. Auch wenn diese Aussage oft angezweifelt wird, gilt im Niederspannungsbereich hinsichtlich Tod oder Nichttod vor allem das „Alles-oder-Nichts-Gesetz“: Das Herz beantwortet den flimmerunterschwelligen Fremdreiz – so lange dieser anhält – mit Extraschlägen.

Wird die im Herzen wirksame Stromdichte größer, bleibt aber unterhalb der Flimmerschwelle, so werden aufeinander folgende Extrasystolen bis hin zum Herzkammerflattern ausgelöst. Damit ist ein Pumpzustand des Herzmuskels erreicht, bei dem die Blutförderung stark eingeschränkt ist. In Tierexperimenten [16] übernahm – manchmal verzögert – der Sinusknoten nach abschwellender Körperstromstärke wieder das Kommando und setzte den normalen Herzschlag bei zunächst leicht erhöhter Frequenz fort. Es ist anzunehmen, dass die gleichen Prozesse auch beim Menschen und Großtieren so ablaufen.

Das (unerwartete) „Schreck-Erlebnis“ einer elektrischen Durchströmung führt meist zu einer erhöhten Herzschlagfrequenz (oft auch psychisch bedingt). In seltenen Fällen können nach einem „Stromunfall“ Extrasystolen den normalen Rhythmus stören oder EKG-Veränderungen, die sich fast immer schnell zurückbilden, medizinische Beobachtung verlangen [21]. Deshalb ist es obligat, nach einem gemeldeten Elektrounfall eine EKG-Kontrolle durchzuführen. Bleibt diese Kontrolle jedoch unauffällig, erübrigt sich eine weitere Überwachung, es sei denn, andere Unfallschäden gebieten dies [25]. Der behandelnde Arzt sollte den Betroffenen (und gegebenenfalls dessen Angehörigen) unbedingt dahingehend beruhigen, dass bei unauffälligem EKG Folgeschäden am Herzen ausgeschlossen werden können! Damit wird einer in der Öffentlichkeit weit verbreiteten Angst, dass Elektrounfälle Herzschäden nach sich ziehen, im Interesse des Versicherten vorgebeugt (Ausschluss einer sich mög­licherweise ausbildenden „posttraumatischen Belastungsstörung“, PTBS).

Übersteigt die Amplitude des Fremdstromes – und damit die elektrische Feldstärke am Herzen – die so genannte Flimmerschwelle, führt das zum Kreislaufstillstand [2, 3]. Die Blutversorgung des Körpers stoppt sofort. Ohne schnelle Hilfe von außen sterben Mensch oder Tier infolge Mangelversorgung (Sauerstoff, Energie).

Für die Dimensionierung von zulässigen Grenzwerten ist es äußerst wichtig, die Abhängigkeit der Flimmerschwelle (IKörper) von der Dauer einer Durchströmung (tD) zu untersuchen. Diese verringert sich nämlich drastisch mit zunehmender Durchströmungsdauer, wie ­frühere Untersuchungen an Herzpräparaten, aber auch Versuche an Großtieren bewiesen [15, 17, 19]. Bei dem im Haushalt üblichen sinusförmigen Wechselstrom der Frequenz von 50 Hz kann mit einer Reduzierung um etwa den Faktor 12 im Bereich tD ≥ 100 bis ≤ 500 ms gerechnet werden [18]. Das bedeutet erhöhte Lebensgefahr, denn längere Durchströmungszeiten als ca. 100 ms treten immer dann auf, wenn sich der Mensch nicht selbst aus dem Stromkreis befreien kann und eine Abschaltung (wie z.B. durch einen Fehlerstromschutzschalter) nicht erfolgt!

3 Schlussfolgerungen für die Grenzwert-Festlegung

DIN IEC 60479-1, Pkt. 3 „Begriffe“ [8], definiert die inzwischen praxisüblichen Bezeichnungen wie „Wahrnehmbarkeitsschwelle“, „Loslass-“ und „Befreiungsstromstärke“. Hergeleitet wurden sie aus lebensungefährlichen Versuchen an Probanden [6, 13]. Um das Phänomen Flimmerschwelle klären zu können, wurden international zahlreiche Experimente an Tierpräparaten sowie an Versuchstieren durchgeführt [15, 19 ]. Leider wurde bei der Interpretation und Zusammenfassung einzelner Versuchsserien übersehen, dass der Durch­strömungsbeginn relativ zur vulnerablen Phase der Herztätigkeit berücksichtigt werden muss [21]. Der Verlauf der Flimmerschwelle (IKörper = f (tD)) sollte deshalb in den zuständigen Gremien nochmals erörtert werden.

Für den praktischen Unfallschutz ist es
wichtig, dass differenziert wird zwischen kurzen (tD  ≤ 100 ms) und länger andauernden
(tD ≥ 500 ms) Durchströmungen. So wird der an einer 220/380-V-Anlage eingeleitete und schnell (≤ 100 ms) abgeschaltete „elektrische Wischer“ kaum Herzkammerflimmern auslösen können, da nach dem Ohmschen Gesetz die Körperstromstärke unterhalb von 600 mA liegt, wie folgende überschlägige Berechnung zeigt:



In Bädern und anderen gefährdeten Bereichen sorgen daher Fehler-Strom-(FI-)Schutz-Schalter (RCD) für die Unterbrechung innerhalb von 100 ms. Können jedoch mit beiden Händen umfasste elektrische Leiter (z. B. der Metallgriff einer Bohrmaschine und metallene Rohrleitung) nicht mehr losgelassen werden, steigt die tödliche Gefahr (Herzkammerflimmern!) innerhalb von 500 ms (einer halben Sekunde!) um das 12-fache ohne verzögerte Abschaltung an. Für besonders gefährdete (nass) und/oder enge Räume sowie Kinder gelten daher zusätzlich erniedrigte Grenzwerte [4].

4 Zusammenfassung

Mit „Wirkungen des elektrischen Stromes auf Menschen und Nutztiere – Teil 1: Allgemeine Aspekte“ fasst DIN IEC 60479-1 jene Erkenntnisse praxiswirksam zusammen, bei deren Anwendung die Sicherheit von Mensch und Nutztier gewährleistet werden kann [8, 10]. Für spezielle Bereiche gelten darüber hinaus gesonderte Vorschriften. Einflussgrößen wie Körperinnenwiderstand, Hautimpedanz und Stromweg werden ebenfalls unter Einbeziehung von Wahrscheinlichkeitsangaben (Perzentile) in den Vorschriften berücksichtigt [9, 12]. In den folgenden Beiträgen zur Gefährdung durch Wechsel- und Gleichspannungen wird darauf ebenso Bezug genommen wie auf zu beachtende Randbedingungen wie Feuchtigkeit, Übergangswiderstände und Innenwiderstand der treibenden Spannungsquelle.

Literatur

(weiterführende Angaben bei den Autoren)

[1] Alvensleben, K.: Stand der Forschung über die Wirkung industrieller Ströme auf lebenswichtige Organe. ETZ, Berlin (1941) 33, S. 706–709.
[2] Antoni, H.: Physiologische Grundlagen bei der Erzeugung und Unterbrechung von Vorhof- und Kammerflimmern des Herzens durch den elektrischen Strom. Herz, Kreislauf, Baden-Baden 4 (1972) 9, S. 324–327.
[3] Antoni, H.: Der elektrische Unfall aus physiologischer Sicht. In: Bericht über die wissenschaftliche Tagung der Forschungsstelle für Elektropathologie am 17. und 18. September 1981 in Freiburg.
[4] Biegelmeier, G.: Die Beeinflussung des Auslöseverhaltens von Fehlerstromschutzschaltern durch Fehlerströme mit Gleichstromkomponenten. E und M, Wien 98 (1981) 12, S. 504–510.
[5] Biegelmeier, G.: Wirkungen des elektrischen Stroms auf Mensch und Nutztiere – Lehrbuch der Elektropathologie. Offenbach: VDE-Verlag Berlin, 1986.
[6] Dalziel, C. F.: Effects of Electric Shock on Man. IRE Transactions on Medical Electronics, Berkeley: University of California, 1956.
[7] DIN IEC/TS 60479-1: Effects of current on human beings and livestock – Part 1: General aspects.
[8] DIN IEC/TS 60479-1:2007-05(VDE V 0140-479)-1 bis -3: Wirkungen des elektrischen Stromes auf Menschen und Nutztiere.
[9] IEC/TR 60479-4: Effects of current on human beings and livestock – Part 2: Special aspects; Part 3: Effects of currents passing through the body of livestock.
[10] IEC: Wirkungen des Stromdurchganges durch den menschlichen Körper. IEC-Bericht, Publikation 479. Hrsg.: Zentralbüro der IEC. Genf 1984, 9.
[11] Irresberger, G.; Albert, O.: Elektrische Unfälle (ihre Ursachen und Auswirkungen) im Spiegel des wissenschaftlichen Schrifttums. Sicherheitsingenieur, Heidelberg 14 (1983) 8, S. 38–40.
[12] Freiberger, H.: Der elektrische Widerstand des menschlichen Körpers gegen technischen Gleich- und Wechselstrom. Springer Verlag, Berlin 1933, p. 32, 17, S. 373–375 u. S. 442–446.
[13] Frucht, A.-H. und Dalziel, C. F.: Elektrischer Strom als Unfallursache. Handbuch der gesamten Arbeitsmedizin, IV. Band, 1. Teil, München, Wien: Verlag Urban & Schwarzenberg Berlin, 1963.
[14] Koeppen, S.; Panse, F.: Klinische Elektropathologie. Stuttgart, Verlag Georg Thieme 1955.
[15] Kouwenhoven, W. B.; Knickerbocker,G.; Chesnut, R. W.; Milnor, W. R. and Sass, D.: A-C Shocks of Varying Parameters Affecting the Heart. Trans. AIEE. – New York 78 (1959) 1, S. 163–168.
[16] Kupfer, J.: Technische Darstellung einer Methode zur reizeinbruchfreien Registrierung des Elektrokardiogramms bei elektrischer Durchströmung des Herzens am Ganztier. Biomedizinische Technik 16 (1971) S. 103–115 und S. 151–160.
[17] Kupfer, J.: Experimentelle Untersuchungen zur Wirkung kurzer 50-Hz-Wechselströme auf Großtiere und Menschen – Literaturstudie. Zentralinstitut für Arbeitsmedizin der DDR, Berlin 1976.
[18] Kupfer, J., Bastek, R. and Eggert, S.: Grenzwerte zur Vermeidung von Unfällen durch elektrischen Strom mit tödlichem Ausgang. Z. ges. Hyg. 27 (1981), 1, S. 9–12.
[19] Kupfer, J.: Untersuchungen zur Herzkammerflimmerschwelle bei 50-Hz-Wechselstrom. Der Elektro-Praktiker, Berlin 36 (1982) 11, S. 387–390.
[20] Kupfer, J.; Müller, R.; Bödeker, K.: Arbeitsschutzgerechtes Verhalten an elektrotechnischen Anlagen in der DDR. In: 7. Internationales Colloquium über die Verhütung von Arbeitsunfällen und Berufskrankheiten durch Elektrizität. Köln, 4. bis 6. Oktober 1983. Schlußbericht. Köln, 1983, S. 283–300.
[21] Kupfer, J., Funke, K. u. Erkens, R.: Elektrischer Strom als Unfallursache. Verlag Tribüne, Berlin 1987.
[22] Reilly, J. P.: Applied Bioelectricity – From Electrical Stimulation to Electropathology. Springer Inc., New York 1998.
[23] Sam, U.: Untersuchungen über die elektrische Gefährdung des Menschen bei Teildurchströmungen, insbesondere bei Arbeiten in Kesseln, Behältern und Rohrleitungen. Elektro-Med., med. Elektronik, Berlin, 11 (1966) 4, S. 193–212, 12 (1967) 1, S. 29–37, 12 (1967) 3, S. 102–114.
[24] Schneider, M.: Einführung in die Physiologie des Menschen. Vlg. Springer Göttingen, Heidelberg, 15th ed., Berlin 1964.
[25] Searle, J., Slagman, A., Maaß, W. u.  Möckel, M.: Kardiales Monitoring nach Stromunfall. Deutsches Ärzteblatt 110. (2013) 50, S. 847–835.
[26] Thews, G., Mutschler, E., Vaupel, P.: Anatomie, Physiologie, Pathologie des Menschen. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart, 1980.
 
Autoren: J. Kupfer, M. Rock

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