Efectos de la corriente sobre el cuerpo humano, Apuntes de Diseño Estructural y Arquitectura

¡Descarga Efectos de la corriente sobre el cuerpo humano y más Apuntes en PDF de Diseño Estructural y Arquitectura solo en Docsity! 1º Curso del ciclo Técnico superior en Energías Renovables Prevención de Riesgos Eléctricos. 1 Tema 1. Efectos de la corriente eléctrica sobre el cuerpo humano Introduccion La electricidad es una de las formas de energía más utilizada, limpia y segura, pero su uso presenta importantes riesgos que es preciso conocer y prever. Los riesgos derivados de esta energía se denominan riesgos eléctricos y son fundamentalmente dos: • Riesgo de choque eléctrico por paso de la corriente por el cuerpo humano, que puede producir diversos efectos fisiológicos. • Riesgo de incendio por calentamiento excesivo de los conductores. El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión establece como bajas tensiones aquellas menores de 1000 voltios para corriente alterna y 1500 voltios para corriente continua. En la práctica la distribución de la corriente alterna en baja tensión se realiza por medio de redes trifásicas con neutro, con un valor preferente de 400 V entre fases y 230 V entre fase y neutro. El riesgo eléctrico que presentan las altas tensiones es bien conocido por todos, sin embargo, se suele dar poca importancia al riesgo que presentan las bajas tensiones, lo que ocasiona numerosos accidentes debidos a imprudencias que a menudo podrían evitarse. 1º Curso del ciclo Técnico superior en Energías Renovables Prevención de Riesgos Eléctricos. 2 El enorme desarrollo de la electricidad en el campo de la utilización ha ido acompañado de una preocupación prevencionista, que ha generado la evolución de nuestros conocimientos acerca del comportamiento del cuerpo humano al someterle al paso de la electricidad. En este tema nos vamos a centrar en los efectos que ocasiona la corriente al atravesar el cuerpo humano. Antecedentes Durante las ultimas décadas se han realizado experiencias sobre cadáveres, personas vivas y fundamentalmente sobre animales, que permiten hacernos una idea de los efectos que produce el paso de la electricidad por el cuerpo de personas en condiciones fisiológicas normales. Este desarrollo del conocimiento ha originado que la primera edición de la norma CEI 479, aparecida en el año 1.974, fuese sustituida a los 10 años por la CEI 4791:1984 y ésta, una década después es revisada por la CEI 479-1:1994, que aparece con carácter prospectivo y de aplicación provisional. Paralelamente, las Normas UNE 20- 572-80 y 20-572-92 (parte 1) han ido adaptándose a esta evolución. En esta NTP nos vamos a referir a la publicación más reciente, la norma CEI 479- 11994 tratando con especial interés la «fibrilación ventricular», que constituye la causa esencial de los accidentes mortales debidos a la electricidad. 1) Efectos de la corriente Las consecuencias del paso de la corriente por el cuerpo pueden ocasionar desde lesiones físicas secundarias (golpes, caídas, etc.), hasta la muerte por fibrilación ventricular. Una persona se electriza cuando la corriente eléctrica circula por su cuerpo, es decir, cuando la persona forma parte del circuito eléctrico, pudiendo, al menos, distinguir dos puntos de contacto: uno de entrada y otro de salida de la corriente. La electrocución se produce cuando dicha persona fallece debido al paso de la corriente por su cuerpo. La fibrilación ventricular consiste en el movimiento anárquico del corazón, el cual, deja de enviar sangre a los distintos órganos y, aunque esté en movimiento, no sigue su ritmo normal de funcionamiento. Por tetanización entendemos el movimiento incontrolado de los músculos como consecuencia del paso de la energía eléctrica. Dependiendo del recorrido de la corriente perderemos el control de las manos, brazos, músculos pectorales,etc. La asfixia se produce cuando el paso de la corriente afecta al centro nervioso que regula la función respiratoria, ocasionando el paro respiratorio. 1º Curso del ciclo Técnico superior en Energías Renovables Prevención de Riesgos Eléctricos. 5 Umbral de no soltar: cuando una persona tiene sujetos unos electrodos, es el valor máximo de la corriente que permite a esa persona soltarlos. En corriente alterna se considera un valor máximo de 10 mA , cualquiera que sea el tiempo de exposición. En corriente continua, es difícil establecer el umbral de no soltar ya que solo el comienzo y la interrupción del paso de la corriente provoca el dolor y las contracciones musculares. Umbral de fibrilación ventricular: es el valor mínimo de la corriente que puede provocar la fibrilación ventricular. En corriente alterna, el umbral de fibrilación ventricular decrece considerablemente si la duración del paso de la corriente se prolonga más allá de un ciclo cardíaco. Adecuando los resultados de las experiencias efectuadas sobre animales a los seres humanos, se han establecido unas curvas, por debajo de las cuales no es susceptible de producirse. La fibrilación ventricular está considerada como la causa principal de muerte por choque eléctrico. En corriente continua, si el polo negativo está en los pies (corriente descendente), el umbral de fibrilación es de aproximadamente el doble de lo que sería si el polo positivo estuviese en los pies (corriente ascendente). Si en lugar de las corrientes longitudinales antes descritas fuese una corriente transversal, la experiencia sobre animales hace suponer que, solo se producirá la fibrilación ventricular con intensidades considerablemente más elevadas. En la figura 3 se representan los efectos de una corriente continua ascendente con trayecto mano izquierda-los dos pies; se puede apreciar que para una duración de choque superior a un ciclo cardíaco el umbral defibrilación en corriente continua es muy superior que en corriente alterna. Fig. 3: Corriente continua, efecto en el organismo Período vulnerable: afecta a una parte relativamente pequeña del ciclo cardíaco durante el cual las fibras del corazón están en un estado no homogéneo de excitabilidad y la fibrilación ventricular se produce si ellas son excitadas por una corriente eléctrica de intensidad suficiente. Corresponde a la primera parte de la onda T en el electrocardiograma y supone aproximadamente un 10% del ciclo cardíaco completo. Ver figura 4. 1º Curso del ciclo Técnico superior en Energías Renovables Prevención de Riesgos Eléctricos. 6 Fig. 4: Periodo vulnerable del ciclo cardiaco La figura 5 reproduce un electrocardiograma en el cual se representan los efectos de la fibrilación ventricular, indicándose las variaciones que sufre la tensión arterial cuando se produce la fibrilación, la tensión arterial experimenta una oscilación e inmediatamente, decrece, en cuestión de un segundo, hacia valores mortales. Fig. 5: Efecto de la fibrilación ventricular en el electrocardiograma y en la tensión arterial Duración del contacto eléctrico Junto con la intensidad es el factor que más influye en el resultado del accidente. Por ejemplo, en corriente alterna y con intensidades inferiores a 100 mA, la fibrilación puede producirse si el tiempo de exposición es superior a 500 ms. Impedancia del cuerpo humano Su importancia en el resultado del accidente depende de las siguientes circunstancias: de la tensión, de la frecuencia, de la duración del paso de la corriente, de la temperatura, del grado de humedad de la piel, de la superficie de contacto, de la presión de contacto, de la dureza de la epidermis, etc. 1º Curso del ciclo Técnico superior en Energías Renovables Prevención de Riesgos Eléctricos. 7 Las diferentes partes del cuerpo humano, tales como la piel, los músculos, la sangre, etc., presentan para la corriente eléctrica una impedancia compuesta por elementos resistivos y capacitivos. Durante el paso de la electricidad la impedancia de nuestro cuerpo se comporta como una suma de tres impedancias en serie: • Impedancia de la piel en la zona de entrada. • Impedancia interna del cuerpo. • Impedancia de la piel en la zona de salida. Hasta tensiones de contacto de 50 V en corriente alterna, la impedancia de la piel varía, incluso en un mismo individuo, dependiendo de factores externos tales como la temperatura, la humedad de la piel, etc.; sin embargo, a partir de 50 V la impedancia de la piel decrece rápidamente, llegando a ser muy baja si la piel está perforada. La impedancia interna del cuerpo puede considerarse esencialmente como resistiva, con la particularidad de ser la resistencia de los brazos y las piernas mucho mayor que la del tronco. Además, para tensiones elevadas la impedancia interna hace prácticamente despreciable la impedancia de la piel. Para poder comparar la impedancia interna dependiendo de la trayectoria, en la figura 6 se indican las impedancias de algunos recorridos comparados con los trayectos mano-mano y mano- pie que se consideran como impedancias de referencia (100%). Fig. 6: Impedancia interna del organismo En las tablas 1 y 2 se indican unos valores de la impedancia total del cuerpo humano en función de la tensión de contacto, tanto para corriente alterna y continua, respectivamente. 1º Curso del ciclo Técnico superior en Energías Renovables Prevención de Riesgos Eléctricos. 10 La corriente eléctrica al circular por los tejidos del cuerpo generará calor, cuya magnitud Q, como sabemos, viene dada por la ley de Joule: Q (en calorías) =0,24 · R · I2 · t donde R es la resistencia del cuerpo, I la intensidad de corriente que lo atraviesa y t el tiempo de exposición a la corriente. Este calor puede producir quemaduras, coagulación de proteínas, trombosis vascular e incluso necrosis de los tejidos. La curva de la figura adjunta –límite entre la zona 1 y la zona 2- delimita, de modo aproximado, la frontera entre el área no peligrosa para la integridad de las personas (1) y aquella otra (2) en la que se puedenproducir lesiones e, incluso muerte Frecuencia de la corriente alterna Normalmente, para uso doméstico e industrial se utilizan frecuencias de 50 Hz (en U.S.A. de 60 Hz), pero cada vez es más frecuente utilizar frecuencias superiores, por ejemplo: • 400 Hz en aeronáutica. • 450 Hz en soldadura. • 4.000 Hz en electroterapia. • Hasta 1 MHz en alimentadores de potencia. Experimentalmente se han realizado medidas de las variaciones de impedancia total del cuerpo humano con tensiones comprendidas entre 10 y 25 Voltios en corriente alterna, y variaciones de frecuencias entre 25 Hz y 20 KHz. A partir de estos resultados se han deducido las curvas representadas en la figura 8, para tensiones de contacto comprendidas entre 10 y 1.000 Voltios y para un trayecto mano-mano o mano-pie. 1º Curso del ciclo Técnico superior en Energías Renovables Prevención de Riesgos Eléctricos. 11 Fig. 8: Impedancia total en función de la tensión y la frecuencia Para tensiones de contacto de algunas decenas de voltios, la impedancia de la piel decrece proporcionalmente cuando aumenta la frecuencia. Por ejemplo, a 220 V con una frecuencia de 1.000 Hz la impedancia de la piel es ligeramente superior a la mitad de aquella a 50 Hz. Esto es debido a la influencia del efecto capacitivo de la piel. A frecuencias de 4000 o 5000Hz los efectos no son tan importantes como a bajas frecuencias debido al fenómeno pelicular de la corriente que hace que la corriente circule por la piel sin penetrar en el cuerpo. . A partir de 100.000 Hz no se conocen valores experimentales que definan ni los umbrales de no soltar ni los umbrales de fibrilación; tampoco se conoce ningún incidente, salvo las quemaduras provocadas por intensidades de «algunos amperios» y en función de la duración del paso de la corriente. El efecto pelicular es muy útil en medicina donde se utiliza a partir de 100.000Hz en el bisturí eléctrico La corriente continua, en general, no es tan peligrosa como la alterna, ya que entre otras causas, es más fácil soltar los electrodos sujetos con la mano y que para duraciones de contacto superiores al período del ciclo cardiaco, el umbral de fibrilación ventricular es mucho más elevado que en corriente alterna. Recorrido de la corriente a través del cuerpo La gravedad del accidente depende del recorrido de la misma a través del cuerpo. Una trayectoria de mayor longitud tendrá, en principio, mayor resistencia y por tanto menor intensidad; sin embargo, puede atravesar órganos vitales (corazón, pulmones, hígado, etc.) provocando lesiones mucho más graves. Aquellos recorridos que atraviesan el tórax o la cabeza ocasionan los mayores daños. 1º Curso del ciclo Técnico superior en Energías Renovables Prevención de Riesgos Eléctricos. 12 Las figuras 2 y 3 indicaban los efectos de la intensidad en función del tiempo de aplicación; en las mencionadas figuras se indicaba que nos referíamos al trayecto de «mano izquierda a los dos pies». Para otros trayectos se aplica el llamado factor de corriente de corazón «F», que permite calcular la equivalencia del riesgo de las corrientes que teniendo recorridos diferentes atraviesan el cuerpo humano. Se representan en la figura 9. Fig. 9: Factor de corriente de corazón " F " La mencionada equivalencia se calcula mediante la expresión: siendo, Ih = corriente que atraviesa el cuerpo por un trayecto determinado. Iref = corriente «mano izquierda-pies». F = factor de corriente de corazón. Como es lógico, para el trayecto de las figuras 2 y 3, el factor de corriente de corazón es la unidad. Se aprecia que de los trayectos definidos en esta tabla, el más peligroso es el de pecho-mano izquierda y el de menor peligrosidad de los reseñados el de espalda-mano derecha. 1º Curso del ciclo Técnico superior en Energías Renovables Prevención de Riesgos Eléctricos. 15 Cuestión c): Según la norma de obligado cumplimiento UNE 20.383-75 (MIE REBT-044) en su apartado 18, para un interruptor automático diferencial de intensidad diferencial nominal de disparo IδN ≤ 0,03 mA los tiempos de disparo deben ser: Si I = I δN →tiempo de disparo < 0,2 s Si I = 2 I δN →tiempo de disparo < 0, 1 s Si I = 10 I δN →tiempo de disparo < 0,04 s En nuestro caso: I = Ih = 100 mA I δN = 30 mA por tanto, I = (100/30) I δN →I = 3,3 I δN luego el tiempo de disparo debe estar comprendido entre 0,04 y 0, 1 segundos; valores muy inferiores a los umbrales de fibrilación ventricular. Conclusión: en este caso, el interruptor diferencial dispara y desconecta la instalación antes de que se produzca la fibrilación ventricular en una persona en condiciones fisiológicas normales. Actividad desarrollada 1. Considerando la resistencia de una persona en 2 KΩ, la resistencia del suelo en 5 KΩ, la resistencia de contacto con la mano en 500 Ω, la resistencia de contacto con el pie en 200 Ω con los pies mojados y descalzo, o 5 KΩ con los pies calzados, y la resistencia de la puesta a tierra de la instalación en 20 Ω. Calcula la intensidad de corriente que atraviesa a una persona en los siguientes casos, si la tensión de fase (entre fase y neutro) es de 220 V: a) Contacto directo entre un conductor de fase y el conductor neutro. b) Contacto directo entre un conductor de fase y el conductor de protección. c) Contacto directo entre un conductor de fase y el suelo con los pies mojados y descalzo. d) Contacto directo entre un conductor de fase y el suelo con los pies calzados. NOTA: se desprecia la resistencia de la toma de tierra del neutro (RTN). 1º Curso del ciclo Técnico superior en Energías Renovables Prevención de Riesgos Eléctricos. 16 Solución: a) Un contacto directo entre fase y neutro se puede producir al tocar con una mano un conductor de fase (color negro, marrón o gris) y con la otra el conductor neutro (color azul). En esta situación el recorrido de la corriente sería mano-cuerpo-mano y la resistencia al paso de la corriente sería la suma de la resistencia de contacto con una mano (500 Ω), la resistencia del cuerpo de la persona (2 KΩ) y la resistencia de contacto con la otra mano (500 Ω). La corriente aproximada que pasa por el cuerpo de esa persona será: Esa corriente puede ser muy peligrosa, aunque el tiempo de contacto sea pequeño. Es posible que se produzca fibrilación ventricular. b) Un contacto directo entre fase y conductor de protección se puede producir al tocar con una mano un conductor de fase (color negro, marrón o gris) y con la otra el con ductor de protección (color verde-amarillo). En esta situación, el recorrido de la corriente sería mano-cuerpo-mano-puesta a tierra y la resistencia al paso de la corriente sería la suma de la resistencia de contacto con una mano (500 Ω), la resistencia del cuerpo de la persona (2 KΩ), la resistencia de contacto con la otra mano (500 Ω) y la resistencia de la puesta a tierra (20 Ω). La corriente aproximada que pasa por el cuerpo de esa persona será: c) Un contacto directo entre fase y suelo con los pies mojados y descalzo se puede producir al tocar con una mano un conductor de fase (color negro, marrón o gris) y con el pie el suelo. En esta situación el recorrido de la corriente sería mano-cuerpo-pie- suelo y la resistencia al paso de la corriente sería la suma de la resistencia de contacto con una mano (500 Ω), la resistencia del cuerpo de la persona (2 KΩ), la resistencia de retorno con el pie (200 Ω) y la resistencia del suelo (5 KΩ). La corriente aproximada que pasa por el cuerpo de esa persona será: d) Un contacto directo entre fase y suelo con los pies calzados se puede producir al tocar con una mano un conductor de fase (color negro, marrón o gris) y con el pie el suelo. En esta situación el recorrido de la corriente sería mano-cuerpo-pie-suelo y la resistencia al paso de la corriente sería la suma de la resistencia de contacto con una mano (500 Ω), la resistencia del cuerpo de la persona (2 KΩ), la resistencia de retorno 1º Curso del ciclo Técnico superior en Energías Renovables Prevención de Riesgos Eléctricos. 17 con el pie (5 KΩ) y la resistencia del suelo (5 KΩ). La corriente aproximada que pasa por él sería: cuerpo de esa persona será: Esa corriente puede ser peligrosa y puede producir una descarga eléctrica importante, aunque no llegaría a producir fibrilación ventricular.