La corrente elettrica rappresenta un pericolo per le persone. Per comprendere il perché di alcune scelte normative nell’individuazione delle prestazioni di sicurezza elettrica è necessario capire quali sono i meccanismi attraverso cui la corrente elettrica interagisce con il corpo umano. Per farlo è necessario conoscere alcuni elementi di elettrofisiologia. Con il termine elettrofisiologia si indica una branca della fisiologia che ha come studio il funzionamento dell’organismo dal punto di vista elettrico, sia in condizioni fisiologiche normali sia sotto l’influsso di un potenziale elettrico esterno. Il corpo umano è costituito da un insieme di tessuti variamente connessi tra loro ed è assimilabile ad un “sacco” pieno d’acqua nel quale sono liberi di muoversi, entro certi limiti e con particolari meccanismi, molti ioni (ovvero le cellule e il liquido interstiziale che le separa).Il movimento di questi ioni è a tutti gli effetti una corrente elettrica, associata ad una differenza di potenziale.
Ogni attività fisiologica è quindi caratterizzata da un’attività elettrica, misurabile con un semplice millivoltmetro, tra due punti del corpo. Il variare nel tempo di questa misura consente di indagare il corretto funzionamento di un organo (es. elettrocardiogramma o encefalogramma ecc.), ricavando un tracciato caratteristico. Se dal tracciato risultano anomalie è possibile desumere l’alterazione patologica corrispondente. Una corrente di origine esterna, che si somma alle piccole correnti fisiologiche del nostro organismo, provoca necessariamente delle alterazioni. A seconda dell’intensità della corrente e del tempo di permanenza del contatto, gli effetti possono essere da nemmeno percepibili, a letali.
Effetti del passaggio della corrente nel corpo umano
La Specifica Tecnica 64-18 “Effetti della corrente elettrica attraverso il corpo umano e degli animali domestici – Parte 1: Aspetti generali” fornisce una guida di base relativa gli effetti della corrente elettrica sugli esseri umani e sugli animali domestici, da utilizzare nella individuazione delle prestazioni di sicurezza elettrica.
Per uno dato percorso attraverso il corpo umano, il pericolo per le persone dipende principalmente dalla intensità e dalla durata del passaggio di corrente: al di sotto di determinati valori corrente-tempo i tessuti non rispondono allo stimolo ricevuto. Se lo stimolo cresce, perchè aumenta l’intensità della corrente o la durata del fenomeno, gli effetti si intensificano fino a diventare irreversibili.
È importante osservare che l’entità dei danni generati dal passaggio di corrente attraverso una persona dipende da una serie di fattori:
– l’intensità della corrente;
– il tempo di permanenza;
– il percorso attraverso il corpo;
– la frequenza della corrente.
La frequenza più pericolosa è proprio a 50 Hz, quella normalmente utilizzata nei nostri impianti.
La pericolosità decresce all’aumentare della frequenza del sistema.
Tra i principali effetti dannosi si vogliono ricordare i seguenti:
– tetanizzazione;
– fibrillazione ventricolare;
– ustioni.
Tetanizzazione
Per analizzare il fenomeno della tetanizzazione bisogna in primo luogo ricordare che il nostro sistema nervoso centrale comunica con tutti gli organi attraverso impulsi di natura elettrica, trasmessi attraverso il sistema nervoso periferico.
Quando una corrente anche di modesta entità (ordine di grandezza dei milliampere) attraversa una parte del corpo, essa si sovrappone ai segnali di controllo inviati dal sistema nervoso creando un’interferenza e generando contrazioni neuro muscolari. I primi a risentirne sono i muscoli interessati al contatto e alla circolazione della corrente elettrica che si contraggono fino a che è presente la causa esterna.
Tuttavia se al primo stimolo ne seguono degli altri prima che il muscolo abbia raggiunto la condizione di riposo, l’effetto risultante è quello di una contrazione completa del muscolo che perdura fino a che gli stimoli non sono cessati.
Questo particolare fenomeno è detto tetanizzazione per analogia con la sintomatologia del tetano che produce un effetto di contrazione ed irrigidimento dei muscoli; il contatto di un conduttore attivo con il palmo della mano può determinare la contrazione dell’arto sulla parte attiva, con il risultato che la persona soggetta al contatto rimane attaccata alla parte sotto tensione.
In questo modo aumenta il tempo di circolazione della corrente nel corpo umano e aumenta pertanto la probabilità di danno irreversibile.
Dal punto di contatto della persona con una parte sotto tensione dipende il percorso della corrente nel corpo umano; nel caso in cui la corrente attraversi la zona toracica, le conseguenze possono essere più gravi, perché la tetanizzazione può compromettere il funzionamento del diaframma con conseguente arresto della respirazione.
Figura 1 – Effetti sul muscolo di più stimoli applicati al nervo (sommazione e tetanizzazione completa).
Ustioni
Il passaggio di corrente sviluppa calore per “effetto Joule”. Secondo la legge di Joule un conduttore attraversato da una corrente si riscalda ed il calore prodotto è proporzionale al quadrato della corrente che lo attraversa, al valore della sua resistenza ed alla durata del fenomeno.
L’effetto Joule si verifica anche se il “conduttore” è il corpo umano. In questo caso il calore si sviluppa principalmente sulla pelle perchè presenta la resistenza maggiore.
A seconda dell’intensità del fenomeno, le ustioni possono essere più o meno gravi: da piccole alterazioni dei tessuti (ad esempio segni di colorazione bianco grigia sul punto del contatto), fino alla completa carbonizzazione dei tessuti. Il cosiddetto “marchio elettrico”, ovvero la presenza di bruciature sulla pelle, in caso di infortunio, consente di stabilire in assenza di testimoni, se la causa è elettrica.
La collocazione delle bruciature consente inoltre di indentificare in quali parti del corpo la corrente è entrata e uscita, suggerendone il probabile percorso.
Tale effetto assume rilevante importanza dal punto di vista medico legale ad esempio se si sospetta un decesso per fibrillazione ventricolare.
Fibrillazione ventricolare
Quando a essere interessato da un passaggio di corrente di origine esterna è il muscolo cardiaco le conseguenze possono essere mortali dal momento che si può innescare un fenomeno detto fibrillazione ventricolare che porta ad una drastica e repentina caduta della pressione sanguigna e, in poco tempo, all’arresto cardiaco.
Il fenomeno della fibrillazione ventricolare ha luogo per correnti superiori a 70 ÷ 100 mA e può essere contrastato solo mediante l’utilizzo di defibrillatori che tra l’altro possono in alcuni casi essere utilizzati solo da personale addestrato e qualificato.
Curve di pericolosità corrente-tempo
E’ interessante evidenziare un paio di aspetti circa la pericolosità della corrente. Per la sua natura la corrente alternata a frequenza industriale è più pericolosa della corrente continua per due motivi sostanziali:
– le correnti pulsanti a 50 Hz risultano particolarmente dannose per il sistema nervoso e provocano la tetanizzazione dei muscoli, mentre la corrente continua ha prevalentemente un effetto di riscaldamento resistivo dei tessuti.
– la probabilità di innesco della fibrillazione ventricolare da parte di una corrente alternata è tre volte maggiore rispetto a quella di una corrente continua di intensità corrispondente.
Il secondo punto rappresenta il motivo per cui, nella definizione dei sistemi elettrici in funzione della tensione nominale, i limiti di pericolosità per i sistemi di categoria 0 e categoria I e tra categoria I e categoria II sono distinti a seconda che la corrente sia alternata o continua.
Il limite tra bassissima tensione di sicurezza (sistema di categoria 0) e bassa tensione (categoria I) è infatti fissato dalla Norma CEI 64-8 in 50 V in corrente alternata e 120 V in corrente continua. Allo stesso modo il limite tra bassa tensione (sistema di categoria I) e media tensione (categoria II) è stabilito dalla stessa Norma in 1.000 V in corrente alternata e 1.500 V in corrente continua.
Per valori di tensioni più elevate la distinzione tra corrente alternata e continua non ha più significato ai fini della distinzione in categoria.
La corrente è tanto più pericolosa quanto maggiore è l’energia associata al suo passaggio.
Poichè l’energia trasmessa è legata sia all’intensità della corrente che alla sua durata, diventa significativo studiare il comportamento del corpo umano al variare delle due grandezze sopra descritte.
Il grafico proposto nella figura 2 è tratto dalla Norma CEI 64-18 che riporta una serie di dati tratti da misure sperimentali condotte principalmente su animali e in misura minore su esseri umani ed è riferito a un contatto mano sinistra piedi.
Figura 2 – Curve convenzionali di comportamento tempo – corrente, riferite agli effetti della corrente nel corpo umano per correnti alternate da 15 Hz a 100 Hz, percorso mano sinistra – piedi (a) e per corrente continua (b).
Si possono distinguere, nella stessa figura, quattro aree di comportamento nelle quali si hanno reazioni fisiologiche differenti al passaggio della corrente nel corpo umano.
Zona 1 – Non si ha alcun effetto. La funzione individuata dalla lettera a) che delimita questa area definisce la soglia di reazione che orientativamente è pari a 0,5 mA.
Zona 2 – Si avverte la scossa ma non si verificano effetti fisiologici negativi.
Zona 3 – Hanno luogo fenomeni reversibili quali tetanizzazione ed arresto della respirazione.
Zona 4 – Si ha probabilità di innesco della fibrillazione ventricolare in senso crescente procedendo verso destra.
Nella zona 4 sono individuate due sotto aree differenti che indicano la possibilità di innesco della fibrillazione ventricolare rispettivamente per il 5% della popolazione (coppie di valori corrente tempo compresi tra c1 e c2) e per il 55% della popolazione (coppie di valori corrente tempo compresi tra c2 e c3). Per coppie di valori superiori a quelli individuati dalla curva c3 la probabilità di innesco della fibrillazione ventricolare è maggiore del 55%. Dall’analisi della figura in questione, si può ben comprendere come una corrente dell’ordine dei 100 mA può essere pericolosa per l’organismo umano se permane per più di un secondo, mentre non lo è sicuramente se percorre il corpo per qualche decimo di secondo.
Curve di pericolosità tensione-tempo
Se si vuole limitare un rischio associato a un evento sfavorevole, possiamo cercare di diminuire la probabilità che si verifichi quell’evento oppure provare a ridurre il danno conseguente.
In caso di rischio di shock elettrico si hanno, come già accennato in precedenza, le seguenti possibilità:
– rendere improbabile il contatto con le parti sotto tensione;
– limitare la corrente che attraversa il corpo umano a seguito del contatto;
– limitare i tempi di esposizione al contatto.
Volendo meglio approfondire il secondo e il terzo punto, è necessario comprendere quale sia il riferimento che si può assumere per definire una condizione di sicurezza nei confronti del rischio di shock elettrico, ossia di quel rischio associato al passaggio della corrente nel corpo umano.
Per fare questo è necessario tornare alle curve di sicurezza riportate nella figura 2 e considerare una curva intermedia nella zona 3, ossia un insieme di punti caratterizzati da coppie di valori tempo corrente che comportano fenomeni fisiologici reversibili per il corpo umano.
Partendo da questa curva che rappresenta la soglia di riferimento del livello di sicurezza che si desidera assumere, si può provare a costruire le corrispondenti curve che rappresentano la tensione limite di contatto che può essere accettata sulle masse in caso di guasto, in funzione del tempo.
Poiché la tensione è data dal prodotto della corrente per l’impedenza del circuito, si costruiscono le curve tensione tempo moltiplicando i valori di corrente della curva corrente tempo con i valori di impedenza risultante del circuito interessato dal passaggio di corrente che, nel caso in questione, è costituito dalle impedenze Z1, Z2, Z3 e Z4 rappresentate nella figura 3.
Figura 3 – Curva di sicurezza corrente tempo, presa come riferimento. Partendo da questa curva (in grassetto) che rappresenta la soglia di riferimento del livello di sicurezza che si desidera assumere, si può provare a costruire le corrispondenti curve che rappresentano la tensione limite di contatto che può essere accettata sulle masse in caso di guasto, in funzione del tempo.
Figura 4 – Circuito equivalente in caso di contatto: (a) l’apparecchio in guasto presenta un tensione di contatto; (b) la persona soggetta a contatto è percorsa da una corrente limitata da Z1, Z2, Z3 e Z4.
Nella figura 4:
Z1 rappresenta l’impedenza di contatto, considerata trascurabile a vantaggio della sicurezza.
Z2 rappresenta l’impedenza del corpo umano, assunta pari a 500 Ohm, ipotizzando un contatto mano – due piedi.
Z3 rappresenta l’impedenza delle calzature, considerata trascurabile a vantaggio della sicurezza.
Z4 rappresenta l’impedenza verso terra della persona, che può assumere due valori: 1.000 Ohm in condizioni ordinarie e 200 Ohm in condizioni particolari.
Se si moltiplicano i valori di corrente per il valore d’impedenza complessivo risultante, ossia 1.500 e 700 Ohm, rispettivamente, in condizioni ordinarie e in condizioni particolari, si possono infine costruire per punti le due curve di sicurezza tensione – tempo.
I valori di tensioni pericolose derivano dalle curve riportate nella figura 2.8 che definiscono una tensione limite UL = 50 V in condizione ordinarie e UL = 25 V in condizioni particolari per un tempo indefinitamente lungo; esse costituiscono il riferimento per la valutazione dei sistemi di protezione contro i contatti indiretti con interruzione automatica dell’alimentazione.
Nei sistemi di II e III categoria la curva di sicurezza presa come riferimento è quella denominata C2 nella figura 2 (a) e i valori della resistenza del corpo umano sono quelli che non vengono superati dal 50% della popolazione.
In alta tensone la norma ammette valori di tensioni di contatto ammissibili maggiori rispetto alla bassa tensione, perchè il guasto a terra è ritenuto meno probabile rispetto alla bassa tensione.
Effetti dell’arco elettrico
Un ultimo effetto dannoso, non certo da trascurare, è l’effetto dell’arco elettrico. L’arco elettrico è un fenomeno che si verifica quando la differenza di potenziale tra due parti poste a distanza ravvicinata causa la perforazione dell’aria ed è a sua volta possibile origine di una serie di infortuni che possono avvenire anch’essi in forma diretta o indiretta.
Quando si verifica un arco il fenomeno può essere associato a temperature elevate che possono provocare ustioni alle persone che ne vengono a contatto o provocare incendi o esplosioni se si verificano determinate condizioni (presenza di materiale combustibili o di miscele esplosive).
Inoltre un arco elettrico può provocare la proiezione di frammenti incandescenti che possono interessare operatori presenti o determinare principi di incendio.
