Тепло электрической дуги, воздействующей на организм человека, может вызвать патологические изменения в нем, называемые электрическими ожогами. Аварии с ожогами дуги в основном происходят по вине электриков при ремонте и осмотрах оборудования.
Электрическая дуга чаще всего возникает в результате короткого замыкания в электрооборудовании, которое вызвано как повреждениями, так и человеческими ошибками. Тепловая энергия электрической дуги повреждает во время несчастных случаев чаще всего обнаженные части тела пострадавшего или участки, наименее защищенные одеждой. Обычно это кожа рук и лицо пострадавшего. Опасность ожогов дугой возрастает при использовании электрооборудования с напряжением более 6 кВ. В этих случаях на человека влияет более высокая тепловая энергия дуги, чем в низковольтных устройствах, а ожоги, как правило, более обширны.
Повреждения кожи и подкожной клетчатки через электрическую дугу обычно распространяются за пределы первоначальной области ожога. Одежда часто горит, прямо на теле.
Электрическая дуга и ее свойства
Образование дуги связано с ионизацией электрического разряда, который превращается в очень высокотемпературный плазменный поток. Дуга создает ударную волну, которая быстро нагревает воздух вдоль оси. Полученный горячий газовый поток поднимает с поверхности проводника расплавленные металлические частицы, которые во время ожога проникают в кожу жертвы, вызывая ее металлизацию. Затем следует электролиз тканевой жидкости, при котором жирные кислоты вступают в реакцию с соединениями металлов, образуя металлические соли, которые проникают в более глубокие слои кожи. Пострадавшие чувствуют боль от кожных ожогов с металлическими частицами и от присутствия инородных тел на эпидермисе.
Горящая электрическая дуга в воздухе характеризуется высокой температурой, высокой плотностью тока и небольшим перепадом напряжения по всей его длине. Электрическая дуга в воздухе не ограничивается пространством между электродами, а удлиняется под действием собственного электромагнитного поля.
Когда переменный ток проходит через ноль, сопротивление дуги стремится к бесконечности, и дуга должна быть погашена. Однако при достаточно высоком и быстро возрастающем возвратном напряжении дуга сразу же разгоняется с новой силой. Это случай, когда свободная дуга возникает при напряжении более 300 В и вдвое превышает амплитуду падения напряжения, называемую дуговым напряжением. Если эти условия не выполняются, дуга становится неустойчивой и затухает сама.
Падение напряжения на единицу длины дуги, называемое градиентом дуги, является постоянным примерно при 15 В/см и 5 кА и возрастает примерно до 20 В/см при 20 кА. В случае интенсивно охлаждаемой дуги ее градиент может быть выше, а лучшее охлаждение увеличивает потерю энергии дуги на окружающий газ. Увеличение охлаждения дуги означает, что ее мощность возрастает, а температура охлаждаемой дуги выше, чем у свободной дуги. Энергия электрической дуги E определяется по уравнению:
Где:
Е - энергия дуги,
u - напряжение дуги,
i - ток короткого замыкания, протекающий по дуге,
t - это время горения дуги.
Напряжение дуги (u) — это напряжение вдоль центра дуги, которое изменяется во времени и увеличивается с увеличением длины дуги. Время горения дуги (t) длится с момента возникновения, до ее тушения. Электроэнергия, подводимая к ядру дуги, рассеивается в окружающую среду излучением тепла и света. Предполагается, что мощность излучения от дуги составляет от 50 до 75% общей подаваемой мощности.
После зажигания электрическая дуга генерирует волну ударного давления, которая вызывается быстрым нагревом воздуха вдоль оси дуги. Амплитуду (A) этой волны давления можно грубо оценить по формуле:
Где:
i - ток короткого замыкания на дуге, в [kA],
t - время горения дуги, в [с],
d - длина дуги, в [м].
В зависимости от расстояния до дуги люди получают травмы либо от ударной волны, либо от осколков электрооборудования, разрушенного этой волной. Однако наибольший ущерб наносит термическое воздействие дуги на окружающую среду. Температура дуги достигает 10 000 - 15 000 K. По закону Больцмана, энергия, излучаемая от источника с температурой q, пропорциональна θ4.
Количество тепла, получаемого телом, зависит от плотности излучаемой энергии, которая уменьшается с квадратом расстояния от оси дуги. Излученная тепловая энергия в теле пораженного человека увеличивает его температуру, величина которой зависит от удельной теплоты человеческого тела. Среднее значение удельной теплоты тканей человеческого тела составляет 3,3 Дж/г °С.
Органические материалы, контактирующие с дугой, подвергаются пиролизу. Это эндотермические процессы, которые поглощают часть энергии, поставляемой дугой. Образуются различные газы, в основном химически активные, которые экзотермически реагируют с кислородом воздуха, иногда выделяя большое количество дополнительного тепла.
Патологические изменения обожженной кожи
Патологические изменения, вызванные теплом, вызваны испарением внутриклеточных жидкостей. При температуре выше 43°C белок, содержащийся в клетках человеческого организма, меняет свои свойства. Затем ферменты инактивируются и некоторые метаболические процессы ингибируются, а белки денатурируются.
Денатурация - необратимый процесс изменения структуры белковой молекулы и ее биологических свойств. Действие 50°C в течение 3 минут вызывает эпидермальный некроз, а при 55°C такие изменения происходят после 1 минуты перегрева. Продукты распада обожженных тканей впитываются организмом, и их токсическое воздействие в экстремальных случаях приводит к смерти инфицированного человека. Тепловые повреждения мышц и костей могут быть как ожогами, так и дегенерацией тканей.
Сущность тепловых ожогов, вызванных электрической дугой, ничем не отличается от ожогов пламени. В случае электрической дуги необходимо также учитывать влияние ударной волны и инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Разнообразие морфологического образа обожженных тканей вызывает множество проблем при его оценке. При диагностике обожженной поверхности тела важна глубина ожога, которую, как правило, трудно определить сразу после травмы.
Продолжение следует....