Auswirkungen der Schritt- und Berührungsspannungen auf den … · 2019. 9. 17. · Flisowski, Z.: Analiza zagrożenia piorunowego obiektów budow lanych (Lightning danger analysis

VDB Forum am7. und 8. November 2014

Verfasser:Prof. J. KupferProf. M. Rock

Folie Nr. 1

Prof. Dr.-Ing. habil. Michael RockMitglied im Ausschuss des VDE/ABBTechnische Universität IlmenauFakultät für Elektro- und InformationstechnikFG Blitz und Überspannungsschutz

Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen KupferFachingenieur der MedizinMitglied im Ausschuss des VDE/ABBWissenschaftliches Beratungsbüro Elektropathologie, Berlin

Auswirkungen der Schritt-und Berührungsspannungen auf den menschlichen Körper



Folie Nr. 2

Inhaltliche Übersicht

• Definitionen und Grenzwerte

• Elektrische Vorgänge im Körper

• Elektrischer Strom – Wirkungsmechanismen

• Impedanz des menschlichen Körpers

• Körperimpedanz von Tieren

• Anwendung des OHM´schen Gesetzes

• Schritt- und Berührungsspannungen – Parameter beachten!

• Das Herz im Stromkreis

• Stromwirkung auf Organe

• Elektropathologie – generelle Schlussfolgerungen



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Vergessen wir die Pioniere nicht!

Beispiel 1: NEUHAUS:

Definitionen und Grenzwerte

Neuhaus, H.: Blitzschutzanlagen, Erläuterungen zu DIN 57185 / VDE 0185, VDE-Schriftenreihe Band 44, 1. Auflage, Berlin, Offenbach, VDE-Verlag GmbH, Januar 1983Neuhaus, H.: Personenblitzschutz gegen Schrittspannungen und Berührungsspannungen,11. Internationale Blitzschutzkonferenz (ICLP), München, 1971



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Worum geht es?

Schrittspannung

Berührungs-spannung



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Die Schrittspannung entspricht dem Spannungsabfall an der Erdoberfläche bei einer Schrittlänge von 1 m. Sie wird mit zunehmender Entfernung zur Stromeinspeisestelle/zur Ableitung geringer.

Grenzwerte gelten bei• 50 Hz WS: 50 V (max., dauernd zulässig)• Gleichspannung: 120 V (max., dauernd zulässig)• Blitzentladungen: 25 kV (noch in Diskussion; nur für Erstblitz)



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Die Berührungsspannung ist der Teil der Fehler- oder Erdspannung, der vom Menschen überbrückt werden kann.

Grenzwerte gelten bei• 50 Hz WS: 50 V (max., dauernd zulässig)• Gleichspannung: 120 V (max., dauernd zulässig)• Blitzentladungen: ? (bisher kein Grenzwert; in Diskussion)



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SonderfallSchritt- und Berührungsspannung treten bei Blitzströmen u.U. gemeinsam auf!

Reizwirksam sind dann sowohl:

• Die „Berühr-Boden-Spannung“ (a) mit UBB = UB + US• Als auch die Schrittspannung US allein (b).

(a) (b)iBlitz

US

UB

iBlitz

US



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Elektrische Vorgänge im Körper

Beispiel: Einzelzelle (a – extrazellurär; b – intrazellulär)

Folgender Grundsatz gilt:

Leben bedeutet Elektrizität – Elektrizität bedeutet Leben !

b



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Aktionspotentiale sorgen für den internen Informationsaustausch



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Summen-Aktionspotentiale können an der Körperoberfläche abgeleitet werden

Beispiel: Elektrokardiogramm, abgekürzt EKG

Vulnerable Phase



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Elektrische Signale sind auch beim Herzen für den Herz-internen Erregungsablauf verantwortlich(autonomer natürlicher „Herzschrittmacher“!)

Beispiel: Herzerregung



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Eine gesunde Erregung geht vom „Sinusknoten“ aus.

Sinusknoten

Vulnerable Phase

FlimmerüberschwelligerReiz löst in der Vulnerablen Phase Flimmern aus

Beim externen „Herzschrittmacher“ übernimmt der elektronisch erzeugte Impuls die Funktion des Sinusknoten



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Elektrischer Strom – Wirkungsmechanismen

1. Elektrische Reizwirkungund

2. Elektrothermische Wärmewirkungnach dem JOULE´schen Gesetz:

W = I2 x RKi x tDW – umgesetzte elektrische Energie = erzeugte

WärmemengeI – Körperstromstärke RKi – durchflossener KörperinnenwiderstandtD – Durchströmungszeit



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Elektrischer Strom – Wirkungsmechanismen

Die Elektrothermische Wärmewirkung kann bei Behandlung von Schritt- und Berührungs-spannungen vernachlässigt werden. Die umgesetzte elektrische Energie/erzeugteWärmemenge ist zu gering.Die Elektrische Reizwirkung steht bei der weiteren Erörterung von Auswirkungen der Schritt- und Berührungsspannungen auf den menschlichen Körper im Mittelpunkt.



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Impedanz des menschlichen Körpers

Pioniere ( ! ), Beispiel 2:FREIBERGER (a) 1934 und SAM (b) 1967 legten einen wichtigen Grundstein für Vorgaben im Vorschriftenwerk a) b) Herzstromfaktoren

Stromweg Herzstromfaktorli. Hand – li. Fuß 1,0 KFl wahrscheinlichre. Hand – li. Fuß 0,8 KFl wahrscheinlichHand – Hand 0,4 KFl seltenFuß – Fuß 0,04 KFl nein

KFl – Auslösung von Kammerflimmern bei 230 V WS und tD > 500 ms

DIN IEC/TS 60479-1 (VDE V 0140-479-1): Wirkungen des elektrischen Stromes auf Menschen und Nutztiere –Teil 1: Allgemeine Aspekte, Mai 2007



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Der lebensgefährdende Körperstrom IK wird weitestgehend durch die Beziehung

IK = UB,S / ZKbestimmt.

UB,S – Berührungs- oder Schrittspannung ZK – Körperimpedanz

Unter Berücksichtigung des Herzstromfaktors kH gilt:

IK = UB,S x kH / ZK



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Zusammenfassend:• Überschlägig kann mit einem inneren

Körperwiderstand (Stromweg-abhängig500 bis 1300 Ω) gerechnet werden.

• Haut (Kapazität ~0,25 µF, parallel hochohmiger Widerstand ~10 kΩ) schützt bei Spannungen unter 100 V; darüber tritt Durchschlag auf.

• Bei Blitzstromeinwirkung gegebenenfalls Eigeninduktivität für Kopf/Hals, Rumpf und Extremitäten (0,5 bis 1 µH) berücksichtigen.



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Körperimpedanz von Tieren

Tiere: Vierfüßer-Stand, Anatomie und Körperfülle verlangen eine differenzierte Betrachtung zum Menschen. Der Körperinnenwiderstand liegt, insbesondere bei Großtieren (z.B. Kuh), unterhalb von 500 Ohm. Damit müssen die maximal überbrückbaren Spannungen niedriger liegen, die daraus errechenbaren Körperströme höher sein, als beim Menschen.Elektrosicherheit in „Landwirtschaftlichen Betriebsstätten“ ist daher gesondert zu behandeln!



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Körperimpedanz von Tieren



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Anwendung des OHM´schen Gesetzes

In guter Näherung gilt das OHM´sche Gesetz zur Berechnung von Körperströmen bei gegebener Spannung und den interessierenden Stromwegen. Aber Vorsicht: Andere Einflussgrößen beachten!

1. Schrittspannung (Beispiel 1)

2. Berührungsspannung (Beispiel 2)

Wechselstrom ImpulsstromIWS = 50 V / 1000 Ω = 50 mA IBlitz = 25 kV / 1000 Ω = 25 A ???

Wechselstrom ImpulsstromIWS = 50 V / 1000 Ω = 50 mA IBlitz = 200 V / 1000 Ω = 200 mA ???

(??? – Schwelle für zulässigen Herz-strom in der Vulnerablen Phase istumstritten)



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3. Sonderfall:Berührungs- und Schrittspannung treten gemeinsam auf1. Schrittspannung

2. „Berühr-Boden-Spannung“ mit UBB = UB + USWechselstrom Impulsstrom(Sonderfall wird nicht IBlitz < 200 V / 1000 Ω = 200 mAweiter betrachtet) (Schwelle für zulässigen Impuls-

strom in der Vulnerablen Phase ist umstritten)

Wechselstrom Impulsstrom(Sonderfall wird nicht IBlitz < 25 kV / 1000 Ω = 25 Aweiter betrachtet) (in Diskussion)



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Bitte beachten:

In anderen Normen gab/gibt es darüber hinaus zeitabhängige max. zulässige Spannungen (65 V/5 s; VDE 0141) oder 75 V (VDE 0210) ! Impedanz-Verhältnisse spielen dabei eine wichtige Rolle.

Es folgen zwei Beispiele:




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DIN EN 61936-1 VDE 0101-1:2011-11Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kVTeil 1: Allgemeine Bestimmungenzulässige Berührungsspannung 75 V bei Dauer > 10 s



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WIATER und FLISOWSKI empfahlen bei Impulsen zulässige Schrittspannungen und Berührungsspannungen

Wiater, J.: Assessment of the Electric Shock Hazard during Lightning at the Small Electric Power System, Session 8 Lightning Deleterious Effects, 8p.2, 27th International Conference on LightningProtection (ICLP), Avignon, France, 2004Flisowski, Z.: Analiza zagrożenia piorunowego obiektów budowlanych (Lightning danger analysisof building objects, Technical University of Warsaw), Warszawa : Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Prace naukowe, Elektryka, z. 63, 1980, S. 17 – 25

Sichere Spannungswerte sollen unterhalb der Kurveliegen



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Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!

1. Stromart

2. Frequenz

3. Stromweg

4. Dauer der Durchströmung

5. Vulnerable Phase EKG

6. Körpergewicht

7. Schrittlänge

8. Andere im Stromkreis liegende Impedanzen

9. Häufigkeit des Auftretens

Schutzmaßnahmen werden praktischen Bedingungen zugeordnet. U.a. sind folgende Parameter zu beachten:



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1. Stromart• Wechselspannung (a)

• Gleichspannung (b)

• Wellige Gleichspannung

• Stoßartige Vorgänge (c) (z. B. Kondensator- und Blitzentladungen)

• Phasenangeschnittene Ströme

a) Umrechnung auf Wechselstrom:Effektivwert WS = Maximalwert WS x √2

b) Umrechung auf reinen Gleichstrom:Amplitude GS = Effektivwert WS

c) Umrechnung auf Kondensatorentladung:Spitzenwert = Effektivwert WS x √6 oder Amplitude GS x √6; Dauer 3-fache (Rücken-)Zeitkonstante

IEC/TS 60479-2: Effects of current on human beings and livestock – Part 2: Special aspects, 3rd Ed., May 2007

(a)

(b)(c)



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1. Stromart

Wellige Gleichspannung muss z. B. nach Oberwellengehalt und Spannungsschwankungen bewertet werden.



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2. Frequenz

Bereich des Maximums der physiologischen Reizwirkung



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3. Stromweg (Herzstromfaktor kH !)

Nachbildung des Menschen mit elektrischem Netzwerk

Andrews, C.: Electrical aspects of lightning striketo humans, in: Cooray, V. (Ed.): The LightningFlash, IEEE Press, London, 2003, pp. 548 – 564

0,04



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4. Dauer der Durchströmung

Beispiel: 50 Hz-Wechselspannung –Vorschlag KUPFER für den Verlauf der Flimmerschwelle in Abhängigkeit von der Durchströmungszeit.



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4. Dauer der DurchströmungBeispiel: Blitzimpuls und Flimmergefahr bei direkter Herzreizung

(Hypothese!)

Gazzana, D.S.; Bretas, A.S.; Dias, G.A.D.; Telló, M.; Thomas, D.W.P.; Christopoulos, C.: A study of human safety against lightning considering the groundingsystem and the evaluation of the associated parameters, Electric Power Systems Research, Vol. 113,August 2014, pp. 88 – 94



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6. Vulnerable Phase EKG:

5. Vulnerable Phase EKG – Extrasystolentheorie

Herzperiodendauer ist kein Kriterium!



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6. KörpergewichtAbsenkung der Flimmerschwelle (WS; Extrasystolen-theorie) für Tiere unterschiedlichen Körpergewichtes

Geddes, L.A.; Moove, A.G.; and Rosborough, J.: Communications: Threshold 60-cps current required for ventricular fibrillation in subjects of various body weights. IEEE Trans. bio-med. Eng., New York, 20 (1973), pp. 465 – 468



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7. SchrittlängeDie Schrittlänge wurde bei der Festlegung der Schrittspannung auf 1 m bezogen („Sichere Seite“!).

Schrittzähler berücksichtigen u.a.

• Alter

• Körpergröße

• Geschlecht

• Wandergebiet

und lassen sich dementsprechend einstellen.

Bei möglichen Unfallanalysen, aber auch für Risikobetrachtungen, könnte das von Bedeutung sein.



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8. ÜbergangswiderständeViele elektrische Körperdurchströmungen bleiben, insbesondere beim Elektrounfall, ohne ernste Folgen, weil eine Strombegrenzung durch hohe ‚Übergangswiderstände‘ erfolgt, z. B.:

• ‚Kontaktwiderstand‘ aufgrund des Hautwiderstandes, der Kontaktfläche, des Kontaktdruckes sowie der Einengung des Strömungsfeldes an Ein-/Austrittstellen

• Schuhwerk, Strümpfe

• Handschuhe

• Im Stromkreis liegende Verbraucher

• Standortimpedanz/Fußbodenbeschaffenheit (s. Beispiel:)



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Beispiel: Standortbeschaffenheit und zusätzliche Erder

Suchanek, S.: Untersuchungen an Blitzschutzerdungsanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Schrittspannung, Dissertation, Technischen Universität Darmstadt, 2013



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9. Häufigkeit des AuftretensBeispiel: Blitzentladung

Statistik zum Auftreten verschiedener Einwirkmechanismen bei Blitzschlag:

Direkter Einschlag in den Menschen3 – 5 %

Seiteneinschlag (Näherung)20 – 25 %

Berührungsspannung15 – 20 %

Schrittspannung40 – 50 %

Fangentladung10 – 15 %

Gesamttodesrateetwa 10 %(alle Arten der Einwirkung)

Misbah, N.R.; Ab Kadir, M.Z.A.; Gomes, C.: Modelling and Analysis of Different Aspect of Mechanisms in Lightning Injury, 4th Int. Conf. on Modeling, Simulation and Applied Optimization (ICMSAO), 19. – 21. April 2011, Kuala Lumpur, pp. 1 – 5

IEC/TR 60479-4: Effects of current on human beings and livestock – Part 4: Effects of lightning strokes, Technical Report, Ed. 2.0, October 2011

Cooper, M.A.; Holle, R.L.: Mechanisms of lightning injury should affect lightning safety messages, University of Illinois at Chicago, 2010



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Stromwirkung auf Organe

Stromwirkung oberhalb des Levels von Schritt- und Berührungsspannung:

• Herz: Passagere Rhythmusstörungen, Herzkammerflimmern (vulnerable Phase oder tD > 500 ms)

• Nervensystem (beim Blitzunfall, passager!): Krampf, Keraunoparalyse, Bewußtseinsverlust, Amnesie, Verwirrtheit

• Haut: Strommarken, beim Blitz Lichtenberg-Figuren, Metallabdrücke

• Andere Organe: Augen (Verblitzung, Katarakt), Ohren (Trommenfellruptur), Innere thermische Schäden

• Verletzungen: Frakturen, Luxationen, offene Wunden



Folie Nr. 39


Offene Frage:Gilt das „Alles-oder-Nichts-Gesetz“ beim Elektro-/Blitzunfall?

Spannungs- und Durchströmungszeitbegrenzung haben bei Schutzmaßnahmen Priorität!Das Herz sollte nicht zum Kammerflimmern kommen!



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Bei Blitzentladungen hängen gesundheitliche Folgen in hohem Maße auch von der Höhe des Blitzstromes ab!

Die Vorgabe zulässiger Schritt- und Berührungs-spannungen ist wichtig für die Dimensionierung und Anordnung des Potentialausgleichs.Da der Blitz aber „blind“ist, entscheidet er letztlich über den Unfallausgang!

Suchanek, S.: Untersuchungen an Blitzschutzerdungsanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Schrittspannung, Dissertation, Technischen Universität Darmstadt, 2013



Folie Nr. 41


Die Blitz-Schrittspannung bezieht sich bisher auf die Vermeidung von Herzkammerflimmern. Andere Organ-spezifische Wirkungen wurden nicht berücksichtigt.

25 kV ist weiterhin in der Diskussion (VDE/ABB, AK Schritt- und Berührungsspannungen).

Ausgangspunkt:Suchanek, S.: Untersuchungen an Blitzschutzerdungsanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Schrittspannung, Dissertation, Technischen Universität Darmstadt, 2013



Folie Nr. 42


Streuungen und Verteilungen sind zu beachten! Beispiel: Loslaß- und Befreiungsstromstärke

Für 50 % der Männer liegt bei 50/60 und 16 2/3-Hz-WS die Loßlaßstromstärke (let-go-current)

bei 16 mA

bei Gleichstrom die Befreiungsstromstärke (release current)

bei 72 mA

Dalziel, Ch.F.; Ogden, E.; Abbott, C.E.: Effect of Frequency on Let-Go Currents, Transactions on Electrical Engineering, Vol. 62, December 1943, pp. 745 – 749



Folie Nr. 43


Schließlich:Mensch und Tier sind biologische, individuelle Objekte!• Technisch umgesetzte Grenzwerte aber auch Vorhersagen zu Körperschäden können in Einzelfällen anfechtbar werden.

• Risikobetrachtungen mit dem Ziel „sichere Seite“ werden erwartet.

Beispiel: Impedanz-Verteilung innerhalb der Bevölkerung mit 5%-, 50%- und- 95%-Perzentil Angaben.

• Bei Unfallanalysen ist Gründlichkeit geboten.

Beispiel: Die Bewertung gesundheitlicher Folgen fußt u.a. auf Angabe des Stromweges und damit der Herzlage (kH ! Ärzte

beraten!).



Folie Nr. 44

Elektropathologie – generelle Schlussfolgerungen

Aus der Praxis selbst lassen sich wichtige Schlussfolgerungen herleiten:

• Die Jahrzehnte langen Bemühungen für die Entwicklung und Umsetzung wirksamer Schutzmaßnahmen und Verhaltensvorschriften haben sich gelohnt.

• Die in Vorschriften verankerten maximal zulässigen Kennwerte für Schritt- und Berührungsspannungen sind richtig und haben sich bewährt.



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Elektropathologie – generelle Schlussfolgerungen

Unabhängig von technisch realisierbaren Schritt- und Berührungsspannungen gilt für jeden Errichter und Betreiber elektrotechnischer Anlagen:

• Begründete Normwerte einhalten (Mensch und Tier!)

• Durchströmungszeiten begrenzen (tD< 100 ms)

• Verhalten anpassen (z.B. Abstand, Isolation, Schrittlänge)

• Regelmäßige Anlagenüberprüfung

• Wo vorgeschrieben sowie bei unklaren Verhältnissen: Schutzkleidung tragen!



Folie Nr. 46

Wir dankenfür Ihre Aufmerksamkeit!

Auswirkungen der Schritt-und Berührungsspannungen auf den menschlichen Körper

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