Effetti fisiopatologici della corrente elettrica sul corpo umano La vita

Effetti fisiopatologici della corrente elettrica sul corpo umano
La vita è regolata a livello cerebrale, muscolare e biologico da impulsi di natura elettrica. Il
cervello è collegato ai muscoli ed a tutti gli organi vitali da una miriade di “circuiti
elettrici”, che costituiscono il sistema nervoso, attraverso i quali transitano debolissime
correnti fisiologiche che comandano e controllano l’intero organismo. Se alle normali
correnti fisiologiche si sovrappongono correnti di origine esterna tutto il delicato sistema
risulta turbato con effetti più o meno gravi in funzione degli organi interessati, della
intensità di corrente e del tempo in cui dura il contatto con parti in tensione.
Gli effetti fisiopatologici della corrente elettrica sul corpo umano sono fondamentalmente 4:
• Tetanizzazione;
• Arresto della respirazione;
• Fibrillazione ventricolare;
• Ustioni.
Tetanizzazione
La tetanizzazione è una paralisi muscolare temporanea che, se perdura nel tempo, può
portare a svenimenti, asfissia, collasso e stato di incoscienza. Sotto l’azione degli stimoli
elettrici i muscoli si contraggono in modo progressivo (contrazione tetanica) fino alla
contrazione completa. Questo stato permane finchè non cessano gli stimoli, dopodichè i
muscoli tornano lentamente allo stato di riposo. Il più elevato valore di corrente per cui il
soggetto è ancora capace di lasciare la presa della parte in tensione con la quale è in contatto
prende il nome di corrente di rilascio. Mediamente la corrente di rilascio in alternata a 50
Hz vale circa 10 mA; in continua la corrente di rilascio vale 100 ÷300 mA. Quindi la
corrente continua è meno pericolosa della corrente alternata!!!
Arresto della respirazione
Correnti superiori alla corrente di rilascio determinano una contrazione dei muscoli addetti
alla respirazione o una paralisi dei centri nervosi che sovrintendono alla funzione
respiratoria; se la corrente perdura l’infortunato perde conoscenza e può morire soffocato.
E’ necessario quindi intervenire entro 3-4 minuti al massimo dopo l’infortunio praticando la
respirazione artificiale (respirazione bocca a bocca) per evitare l’asfissia dell’infortunato e
lesioni irreversibili al tessuto cerebrale.
Fibrillazione ventricolare
Alla normale attività elettrica fisiologica corrisponde il pulsare ritmico ed ordinato del
muscolo cardiaco che si contrae ritmicamente 60÷100 volte al minuto e sostiene, al pari di
una pompa, la circolazione sanguigna; al sopraggiungere di un’azione perturbatrice esterna,
le fibrille (fibre muscolari dei ventricoli) vengono sovrastimolate in maniera caotica e
iniziano a contrarsi in maniera disordinata provocando una grave aritmia cardiaca detta
appunto fibrillazione ventricolare che non è spontaneamente reversibile. E’ determinante in
questi casi il tempestivo intervento medico (entro qualche minuto) con apparecchio
defibrillatore che utilizza una scarica elettrica violenta ma opportunamente dosata per
arrestare la fibrillazione.
Ustioni
Il passaggio di una corrente elettrica attraverso il corpo umano è ovviamente accompagnato
da sviluppo di calore per effetto Joule e quindi da ustioni profonde (e spesso difficili da
guarire). Le ustioni peggiori si hanno sulla pelle perché questa presenta una resistività più
grande di quella dei tessuti interni inoltre la densità di corrente è maggiore in
corrispondenza dei punti di contatto tra corpo umano e parti attive e tra corpo umano e terra.
In fig. 1.1 sono indicate 4 zone con le quali sono stati riassunti gli effetti principali prodotti
dalla corrente elettrica alternata in funzione del tempo per cui fluisce attraverso il corpo
umano.
durata del contatto
Fig. 1.1
Zone di pericolosità della corrente elettrica alternata (15 –: 100 Hz).
(1) Di solito, assenza di reazioni, fino alla soglia di percezione (dita della mano).
(2) In genere nessun effetto fisiologico pericoloso, fino alla soglia di tetanizzazione.
(3) Possono verificarsi effetti patofisiologici, in genere reversibili, che aumentano con 1’intensità della corrente e con il
tempo, quali: contrazioni muscolari, difficoltà di respirazione, aumento della pressione sanguigna, disturbi nella
formazione e trasmissione degli impulsi elettrici cardiaci, compresi la fibrillazione atriale e arresti temporanei del cuore
ma senza fibrillazione ventricolare.
(4) Probabile fibrillazione ventricolare, arresto del cuore, arresto della respirazione, gravi
bruciature.
Contatti diretti ed indiretti
DEFINIZIONI
Massa: parte conduttrice , facente parte dell' impianto elettrico, che può essere toccata e
che non è in tensione in condizioni ordinarie di isolamento ma che può andare in tensione
in caso di un cedimento dell'isolamento principale (in pratica: contenitori metallici delle
apparecchiature). Una massa deve essere protetta contro i contatti indiretti. Può diventare
una massa anche una parte metallica non destinata a far parte di un impianto elettrico ma
che (come un canale metallico portacavi) si trova permanentemente in questa scomoda
veste. La dizione “che può essere toccata” significa che non è una massa una parte
conduttrice, che può andare in tensione in caso di guasto, interna ad un apparecchio ed
accessibile solo dopo aver rimosso un involucro saldamente fissato, in genere rimovibile
con l’uso di un attrezzo. Se invece si deve rimuovere l’involucro nel servizio ordinario, ad
esempio per compiere operazioni di regolazione, di sostituzione di fusibili, di manutenzione
ordinaria ecc. allora la parte in questione diventa di fatto accessibile ed è una massa.
Massa estranea: parte conduttrice , che non fa parte dell'impianto elettrico, suscettibile di
introdurre il potenziale di terra o altri potenziali pericolosi. Sono considerate
esplicitamente dalle norme masse estranee: le tubazioni dell’acqua e del gas allacciate alla
rete pubblica di distribuzione, le parti strutturali metalliche degli edifici, le tubazioni e le
canalizzazioni del riscaldamento e del condizionamento centralizzato degli edifici, gli
schermi metallici dei cavi di telecomunicazione, le armature principali del cemento armato
utilizzate nella costruzione degli edifici se, in qualche modo, sono accessibili direttamente o
indirettamente. Non costituiscono masse estranee tutte le stutture metalliche che non escono
dall’unità di impianto e non possono introdurre il potenziale di terra perché sono isolate da
terra (ad esempio la tubazione metallica di un impianto autonomo di riscaldamento, che
quindi non è comune a più unità, isolata da terra e collegata metallicamente solo alla
massa della caldaia).
Contatto diretto: contatto con parte dell'impianto normalmente in tensione (conduttore,
morsetto, attacco di una lampada)
Contatto indiretto: contatto con una massa o con una parte conduttrice connessa ad una
massa (fig. 3.3)
Fig. 3.3
Il contatto indiretto è pericoloso quanto il diretto; la percentuale di infortuni elettrici mortali
è infatti simile nei due casi. Il contatto indiretto è più pericoloso del contatto diretto. Si può
evitare il contatto diretto con una condotta prudente verso l’impianto elettrico, ma è
impossibile evitare il contatto con le parti ordinariamente non in tensione perché il contatto
con gli apparecchi elettrici e frequentissimo.
Dispersore: insieme di conduttori infissi nel terreno destinati a convogliare nel terreno le
correnti di guasto
Tensione di contatto: tensione effettivamente esistente tra due punti del corpo umano
durante un guasto d’isolamento
Tensione di contatto a vuoto: tensione (che preesiste al contatto) tra la massa e il punto
del terreno occupato dalla persona
Tensione totale di terra: tensione tra massa e un punto sul terreno a potenziale zero.
In fig. 5.2 è mostrato il circuito di guasto franco (impedenza di guasto trascurabile) a terra in
un sistema TT e in fig. 5.3 il circuito elettrico equivalente nell’ipotesi, più sfavorevole, che
la persona sia sufficientemente lontana dal dispersore da poter confondere la tensione di
contatto a vuoto con la tensione totale di terra per cui la serie di Rc (resistenza del corpo
umano) ed Rs (resistenza pavimento, scarpe ecc) è perfettamente in parallelo con RT. Questa
ipotesi fornisce risultati cautelativi quando la persona si trova con i piedi in un punto a
potenziale diverso da zero; in tal caso infatti, la tensione di contatto a vuoto è minore della
tensione totale di terra. Inoltre, per ottenere il circuito di fig. 5.3, sono state trascurate
l’impedenza interna del trasformatore e l’impedenza del conduttore di fase che sono molto
piccole rispetto alle altre resistenze in gioco.
Fig. 5.2: circuito di guasto a terra in un sistema TT.
Fig. 5.3: circuito elettrico equivalente.
Se si considera che la resistenza Rc+Rs è molto elevata rispetto ad RT, e può quindi essere
considerata come un circuito aperto, si può ricavare semplicemente la tensione totale di terra
UT applicando la formula del partitore di tensione
UT = E
RT
R T + R TN
dove E rappresenta la tensione stellata.
(1)
Sostituire Rc+Rs con un aperto equivale a considerare la tensione totale di terra non
modificata apprezzabilmente dal contatto con la persona; d’altronde anche questa ipotesi è a
favore della sicurezza perché l’espressione esatta di UT, ottenuta dal circuito di fig. 5.3,
fornisce valori di tensione inferiori a quelli forniti dalla (1). Se si volesse contenere la
tensione di contatto a vuoto, che coincide con UT, a valori inferiori alla tensione di contatto
limite UL dovrebbe essere:
E
R U
RT
< U L ⇒ R T < TN L
(E - U L )
R T + R TN
(2)
Per esempio, in un sistema trifase con E=230 V, in condizioni ordinarie UL=50 V, con una
resistenza di terra del neutro RTN=1 Ω si ha RT<0.3 Ω. Non è quindi possibile dal punto di
vista pratico limitare la tensione di contatto a vuoto sulle masse, perché non è facile ottenere
resistenze di terra così basse negli impianti in bassa tensione. Inoltre, eventuali diminuzioni
della resistenza RTN, che non sono note all’utente nei sistemi di distribuzione pubblica,
potrebbero pregiudicare la sicurezza facendola dipendere dalle vicissitudini e dalle
caratteristiche della rete di distribuzione pubblica in bassa tensione.
Poiché quindi si ammette che la tensione di contatto a vuoto Uco possa superare il valore
limite convenzionale UL si deve poter limitare il tempo per cui Uco permane in modo da
rispettare la curva di sicurezza tensione-tempo. Si deve cioè coordinare la resistenza di terra
dell’impianto RT con dei dispositivi in grado di interrompere automaticamente
l’alimentazione..
Occorre allora ricorrere agli interruttori differenziali.
Si definisce corrente differenziale Id la differenza tra le correnti I1 (con riferimento entrante
nel carico) e I2 (con riferimento uscente dal carico) che fluiscono nei conduttori attivi del
circuito (Fig. 5.7). In condizioni normali la corrente differenziale è nulla; solo se nel circuito
si manifesta un guasto verso terra essa è diversa da zero e coincide con la corrente che si
richiude nel terreno Id= I1- I2.
I1
I2
Id
Fig. 5.7
L’interruttore differenziale è un dispositivo automatico destinato ad aprire automaticamente
il circuito quando la corrente differenziale supera un valore di soglia Idn denominato
corrente differenziale nominale d’intervento. Il differenziale è schematicamente
rappresentato in fig. 5.8.
Fig. 5.8: principio di funzionamento di un interruttore differenziale di tipo AC (per correnti
alternate sinusoidali).
Quando I1≠I2 nel toroide 3 si genera un flusso alternato Φ. Nell’avvolgimento 4 si induce
una forza elettromotrice che genera la corrente Is che circola nella bobina di sgancio del relè
polarizzato 5. Il relè polarizzato lavora al contrario degli ordinari relè: è costituito da un
magnete permanente (N-S) che, nella posizione di ON quando la leva di riarmo 8 pone
l’ancora mobile a contatto con i poli, trattiene tale ancora mobile malgrado il contrasto
esercitato dalla molla 7. La circolazione della corrente Is riduce il valore dell’induzione
(ovviamente in uno solo dei due semiperiodi corrispondenti alla frequenza f) e quindi
l’ancora mobile, sollecitata dalla molla, si stacca dai poli provocando lo sgancio
dell’interruttore. Il tasto 9 è un tasto di prova che serve a verificare la funzionalità del
differenziale e, se azionato periodicamente (il costruttore raccomanda di azionarlo almeno
una volta al mese) limita il fenomeno dell’incollamento dei contatti dovuto a ossidazione,
residui di lavorazione, presenza di lubrificanti ecc..
Per il coordinamento tra impianto di terra e differenziale deve essere soddisfatta la seguente
relazione analoga alla (3):
RT ≤
UL
I dn
(4)
I valori di Idn per interruttori differenziali per uso domestico o similare sono i seguenti: 10
mA, 30 mA, 0.1 A, 0.3 A, 0.5 A, 1A. La differenza tra la (3) e la (4) consiste nel valore
numerico del denominatore; mentre la corrente I5s dipende dalla corrente nominale In del
dispositivo ed è dell’ordine di centinaia di Ampere, la Idn non dipende dalla In e richiede, per
il coordinamento con l’impianto di terra, resistenze di terra facilmente realizzabili. Per
esempio, se Idn=30 mA, RT deve essere non superiore a 1666 Ω. Anche se in teoria è
possibile utilizzare per la protezione dai contatti indiretti differenziali con Idn fino ad 1 A,
per la protezione dai contatti diretti sono necessari differenziali ad alta sensibilità
(Idn≤30mA) come spiegato in seguito per cui nei centralini d’appartamento sono utilizzati
differenziali con Idn=30mA.
La caratteristica di intervento del differenziale è tale da soddisfare comunque, per Id>Idn, la
curva di sicurezza tensione-tempo.