Kurs: Prąd elektryczny stały (kurs podstawowy) · Moduł 18

Bezpieczeństwo instalacji i ochrona przeciwporażeniowa

PPrezentacja dla nauczyciela

Dlaczego w gniazdkach w łazience i kuchni wystaje metalowy bolec i dlaczego kable mają trzy różne kolory? Czym jest wyłącznik różnicowoprądowy, jak ratuje życie w ułamku sekundy i jak prawidłowo udzielić pierwszej pomocy porażonemu prądem?

Cele tego modułu:

Zrozumiesz fizjologiczne skutki przepływu prądu przez organizm człowieka.
Poznasz budowę instalacji trójprzewodowej: przewód fazowy (L), neutralny (N) i ochronny (PE).
Dowiesz się, jak działa uziemienie ochronne i bolec w gniazdku.
Poznasz zasadę działania wyłącznika różnicowoprądowego (RCD) reagującego na prąd upływu $30\text{ mA}$.
Nauczysz się żelaznych zasad bezpieczeństwa i pierwszej pomocy przy porażeniu prądem.

Skutki przepływu prądu przez organizm człowieka

Ciało człowieka w około 60–70% składa się z wody z rozpuszczonymi solami mineralnymi, co czyni z naszych tkanek i krwi przewodnik elektrolityczny. Sygnały w naszym układzie nerwowym i sercu są przesyłane za pomocą mikroskopijnych impulsów bioelektrycznych o napięciu rzędu kilkudziesięciu miliwoltów.

Gdy przez ciało popłynie prąd zewnętrzny, skutki zależą od jego natężenia oraz czasu przepływu:

Natężenie prądu (przemienny 50 Hz)	Fizjologiczny skutek dla człowieka
$0{,}5 - 1{,}5\text{ mA}$	Próg wyczuwalności (lekkie mrowienie na palcach)
$10 - 15\text{ mA}$	Próg oderwania: bolesny skurcz mięśni dłoni; człowiek nie jest w stanie samoczynnie puścić trzymanego przewodu („prąd trzyma”)
$25 - 30\text{ mA}$	Poważne trudności z oddychaniem, silny skurcz mięśni klatki piersiowej
powyżej $50\text{ mA}$ ($0{,}05\text{ A}$)	Śmiertelne zagrożenie: migotanie komór serca, zatrzymanie krążenia i śmierć kliniczna w ciągu kilku sekund!

1. Przy jakim natężeniu prądu przemiennego 50 Hz występuje próg oderwania, czyli skurcz dłoni uniemożliwiający puszczenie trzymanego przewodu?

10–15 mA 0,5–1,5 mA 25–30 mA powyżej 50 mA

2. Dlaczego tkanki ciała człowieka przewodzą prąd elektryczny?

Bo zawierają dużo tłuszczu, który jest dobrym przewodnikiem Bo w 60–70% składają się z wody z rozpuszczonymi solami mineralnymi Bo wytwarzają własne napięcie sieciowe 230 V Bo skóra człowieka zbudowana jest z metali

3. Od czego zależą skutki przepływu prądu zewnętrznego przez organizm człowieka?

Wyłącznie od napięcia źródła, niezależnie od oporu ciała Wyłącznie od masy ciała poszkodowanego Od natężenia prądu oraz czasu jego przepływu Od koloru izolacji przewodu, którym płynie prąd

Trzy przewody w domowym gniazdku: L, N i PE

Nowoczesna instalacja elektryczna prowadzona jest kablami trójżyłowymi o ściśle określonych kolorach izolacji:

Przewód fazowy (L — Line):
Kolor: brązowy lub czarny. Znajduje się pod pełnym, niebezpiecznym napięciem sieciowym $230\text{ V}$ względem ziemi. Bezpośrednie dotknięcie grozi śmiercią!
Przewód neutralny (N — Neutral):
Kolor: jasnoniebieski. Służy do zamykania obwodu z powrotem do transformatora. Jego potencjał jest bliski zeru woltów względem ziemi ($U \approx 0\text{ V}$).
Przewód ochronny (PE — Protective Earth):
Kolor: żółto-zielony (paski). Nie bierze udziału w normalnym zasilaniu urządzenia! Jest połączony z bolcem ochronnym w gniazdku oraz z płytą uziemiającą zakopaną w gruncie.

4. Jaki kolor izolacji ma przewód neutralny N?

brązowy lub czarny żółto-zielony w podłużne paski jednolity czerwony jasnoniebieski

5. Który przewód w domowym gniazdku znajduje się pod pełnym napięciem sieciowym 230 V względem ziemi?

fazowy L neutralny N ochronny PE wszystkie trzy, bo każdy jest podłączony do sieci

6. Do czego służy przewód ochronny PE?

Do zamykania obwodu i powrotu prądu do transformatora Do odprowadzania prądu do ziemi i łączenia obudów z bolcem Do doprowadzania napięcia 230 V do odbiornika Do ograniczania natężenia prądu w obwodzie do 30 mA

Jak chroni nas bolec uziemiający?

W urządzeniach o metalowej obudowie (np. pralka, lodówka, kuchenka mikrofalowa, zmywarka) obudowa jest fabrycznie połączona ze stykiem ochronnym wtyczki (a przez niego z bolcem w gniazdku i przewodem PE):

Działanie ochrony przez uziemienie:

Wyobraź sobie, że wewnątrz pralki zsuwa się przewód fazowy L i dotyka metalowej obudowy (tzw. przebicie izolacji):

Gdy jest uziemienie (bolec PE): prąd z fazy zamiast czekać na człowieka natychmiast ucieka przewodem PE do ziemi. Powstaje prąd zwarciowy, który w ułamku sekundy wybija bezpiecznik nadmiarowoprądowy i odcina prąd, zanim ktokolwiek dotknie obudowy!
Gdy nie ma uziemienia (odcięty bolec): na metalowej obudowie pralki utrzymuje się pełne napięcie $230\text{ V}$. Dotknięcie jej przez stojącego na wilgotnych kafelkach człowieka spowoduje przepływ śmiertelnego prądu przez serce do podłogi!

7. Co dzieje się po przebiciu izolacji w pralce, której obudowa jest prawidłowo uziemiona przewodem PE?

Obudowa pozostaje pod napięciem 230 V aż do chwili dotknięcia jej przez człowieka Prąd w obwodzie maleje do zera i pralka po prostu przestaje pracować Prąd z fazy spływa przewodem PE do ziemi, powstaje prąd zwarciowy i bezpiecznik odcina zasilanie Napięcie na obudowie wzrasta do 460 V, bo prąd z fazy sumuje się z prądem z ziemi

8. Czym grozi dotknięcie metalowej obudowy pralki z odciętym bolcem ochronnym po przebiciu izolacji?

Niczym, bo obudowa jest zawsze wykonana z izolatora Tylko lekkim mrowieniem, bo prąd przebicia jest mniejszy niż 1 mA Jedynie głośnym wyładowaniem, bez przepływu prądu przez ciało Przepływem śmiertelnego prądu przez serce do podłogi, bo obudowa ma pełne 230 V

9. Dlaczego obudowa pralki jest fabrycznie połączona ze stykiem ochronnym wtyczki?

Aby w razie przebicia izolacji prąd spływał do ziemi, zanim dotknie jej człowiek Aby pralka pobierała mniej energii elektrycznej podczas prania Aby silnik pralki mógł pracować przy napięciu 230 V Aby wyłącznik RCD mógł zmierzyć temperaturę uzwojeń silnika

Wyłącznik różnicowoprądowy (RCD — „różnicówka”)

Najważniejszym urządzeniem chroniącym ludzkie życie we współczesnych domach jest wyłącznik różnicowoprądowy (RCD, symbol schematyczny $\Delta I$):

Zasada działania wyłącznika RCD — waga prądowa:

Wyłącznik RCD nieustannie porównuje prąd wpływający do mieszkania przewodem fazowym ($I_L$) z prądem powracającym przewodem neutralnym ($I_N$):

W stanie normalnym: ile prądu wpłynęło, tyle samo wraca: $I_L = I_N \implies I_L - I_N = 0$.
Gdy człowiek dotknie fazy: część prądu popłynie przez jego ciało do ziemi. Wówczas prąd wracający $I_N$ jest mniejszy od wpływającego $I_L$ o wartość tzw. prądu upływu $\Delta I$.
Standardowy wyłącznik domowy ma czułość $\Delta I = \mathbf{30\text{ mA}}$. Gdy wykryje prąd upływu przekraczający $30\text{ mA}$, odcina zasilanie w czasie krótszym niż $0{,}03\text{ s}$ (30 milisekund)! Prąd zostaje wyłączony tak szybko, że serce człowieka nie zdąży wejść w stan migotania komór.

10. Na czym polega wykrywanie porażenia przez wyłącznik różnicowoprądowy?

Mierzy on napięcie na metalowej obudowie urządzenia Porównuje prąd wpływający przewodem L z wracającym przewodem N i reaguje na ich różnicę Mierzy temperaturę przewodów i rozłącza obwód przy przegrzaniu Wykrywa łuk elektryczny po charakterystycznym dźwięku

11. Jaki próg czułości i czas zadziałania ma standardowy domowy wyłącznik różnicowoprądowy?

300 mA i czas 0,3 s 30 mA i czas 3 s 30 mA i mniej niż 0,03 s 50 mA i czas 0,5 s

12. Jaki jest bilans prądów w obwodzie z RCD podczas normalnej pracy odbiornika?

I_L jest zawsze większy od I_N o 30 mA I_L jest mniejszy od I_N, bo część prądu wraca przez ziemię Różnica I_L − I_N wynosi dokładnie 0,03 A I_L = I_N, więc różnica prądów wynosi zero

Rysunek: schemat instalacji trójprzewodowej z wyłącznikiem RCD i uziemieniem

Ochrona przeciwporażeniowa: przewód ochronny PE uziemia metalową obudowę, a wyłącznik RCD natychmiast odcina prąd w razie upływu $\ge 30\text{ mA}$.

13. Co na schemacie instalacji oznacza pierścień (przekładnik) wewnątrz wyłącznika RCD?

Obejmuje przewody L i N i mierzy różnicę płynących w nich prądów Mierzy temperaturę uzwojenia silnika pralki Łączy przewód PE z obudową pralki Działa jako dodatkowy bezpiecznik topikowy w obwodzie

14. Z czym jest połączony przewód ochronny PE na schemacie?

Tylko z silnikiem pralki, który zasila Z bolcem gniazdka, metalową obudową pralki oraz z uziemieniem Z przewodem fazowym L wewnątrz wyłącznika RCD Wyłącznie z przewodem neutralnym N za wyłącznikiem

15. Co oznacza napis ΔI = 30 mA przy wyłączniku RCD na rysunku?

Największy dopuszczalny prąd roboczy obwodu Napięcie, przy którym wyłącznik zadziała Prąd upływu, przy którym wyłącznik odcina zasilanie Opór przewodu ochronnego PE wyrażony w miliamperach

Zasady pierwszej pomocy przy porażeniu prądem

Żelazny algorytm ratunkowy — zapamiętaj kolejność:

Bezpieczeństwo własne ratownika: NIGDY nie dotykaj poszkodowanego gołymi rękami, dopóki jest w kontakcie ze źródłem prądu! Sam możesz zostać porażony.
Natychmiastowe odcięcie zasilania: wyciągnij wtyczkę z gniazdka, wyłącz główny bezpiecznik w rozdzielnicy lub odepchnij przewód przedmiotem z suchego izolatora (np. drewnianym trzonkiem miotły, plastikową rurą).
Ocena stanu poszkodowanego i wezwanie pomocy: sprawdź przytomność i oddech. Zadzwoń pod numer alarmowy 112 lub 999.
Resuscytacja krążeniowo-oddechowa (RKO): jeżeli poszkodowany nie oddycha, natychmiast rozpocznij uciskanie klatki piersiowej (30 uciśnięć w tempie 100–120/min na głębokość ok. 5 cm, następnie 2 wdechy ratownicze). Jeśli dostępny jest automatyczny defibrylator AED — włącz go i postępuj zgodnie z poleceniami głosowymi.

16. Które numery alarmowe wskazuje tekst jako właściwe do wezwania pomocy po porażeniu prądem?

997 i 998 991 i 992 116 000 112 i 999

17. Czym należy odepchnąć przewód od poszkodowanego, gdy nie da się szybko wyłączyć zasilania?

Suchym przedmiotem z izolatora, np. drewnianym trzonkiem miotły Metalowym prętem, bo dobrze przewodzi prąd Mokrą ściereczką, aby poprawić kontakt Gołą ręką, jeśli poszkodowany jest nieprzytomny

18. Jakie parametry uciśnięć klatki piersiowej w resuscytacji podaje tekst?

15 uciśnięć w tempie 60/min na głębokość 2 cm 30 uciśnięć w tempie 100–120/min na głębokość ok. 5 cm, potem 2 wdechy 50 uciśnięć w tempie 150/min na głębokość 10 cm 10 uciśnięć na głębokość 1 cm bez wdechów

Animacja: interaktywny symulator ochrony przeciwporażeniowej

Włączaj i wyłączaj obecność przewodu ochronnego PE oraz wyłącznika różnicowoprądowego RCD. Kliknij przycisk „Przebicie fazy na obudowę”, aby sprawdzić, co dzieje się z człowiekiem dotykającym urządzenia:

Przewód ochronny PE (uziemienie) Wyłącznik różnicowoprądowy (RCD 30 mA)

19. W symulatorze wyłączono zarówno PE, jak i RCD, a następnie wywołano przebicie fazy na obudowę. Co pokazuje układ?

Obudowa pozostaje bezpieczna, bo pralka ma plastikowe elementy RCD nadal odcina zasilanie, bo działa niezależnie od swojego wyłącznika Obudowa jest pod pełnym napięciem, a dotknięcie grozi przepływem prądu przez ciało Prąd przebicia płynie wyłącznie przez silnik i nie wydostaje się na zewnątrz

20. W symulatorze włączono PE, a RCD wyłączono. Co dzieje się po przebiciu fazy na obudowę?

Obudowa pozostaje pod napięciem, bo brak RCD uniemożliwia jakąkolwiek ochronę Prąd w obwodzie spada do zera i bezpiecznik nie reaguje Napięcie na obudowie obniża się do 30 mV Prąd spływa przewodem PE do ziemi, wywołując prąd zwarciowy i zadziałanie bezpiecznika

21. W symulatorze wyłączono PE, ale pozostawiono RCD. Co dzieje się, gdy człowiek dotknie obudowy po przebiciu fazy?

Prąd upływu popłynie przez ciało do ziemi, a RCD odetnie zasilanie w ciągu 30 ms RCD nie zareaguje, bo prąd nie wraca przewodem neutralnym Bezpiecznik zadziała szybciej niż RCD i prąd nie popłynie przez ciało Napięcie na obudowie spadnie do zera, zanim człowiek ją dotknie

Przykłady obliczeniowe z pełnym rozwiązaniem

Przykład 1 — obliczanie prądu rażenia z prawa Ohma

Treść: Człowiek o oporze ciała wraz ze skórą $R_{\text{ciała}} = 2000\ \Omega$ dotknął niechcący nieizolowanego przewodu fazowego o napięciu $U = 230\text{ V}$. Oblicz natężenie prądu rażenia i oceń skutki dla zdrowia.

Rozwiązanie:

Stosujemy prawo Ohma: \[ I = \frac{U}{R_{\text{ciała}}} = \frac{230\text{ V}}{2000\ \Omega} = 0{,}115\text{ A} = 115\text{ mA} \]
Ocena fizjologiczna: Prąd $115\text{ mA}$ przekracza ponad dwukrotnie śmiertelny próg $50\text{ mA}$! Wywołuje natychmiastowe migotanie komór serca i paraliż mięśni oddechowych. Brak zadziałania wyłącznika RCD w ciągu 30 ms oznacza nieuchronną śmierć człowieka!

22. Człowiek o oporze ciała 2000 Ω dotknął przewodu fazowego o napięciu 230 V. Jaki prąd popłynie przez jego ciało?

11,5 mA 115 mA 460 mA 1,15 A

23. Jak zmieni się prąd rażenia przy tym samym napięciu, jeśli opór ciała zmaleje dwukrotnie, np. z powodu mokrej skóry?

Zmaleje dwukrotnie Nie zmieni się, bo zależy tylko od napięcia Wzrośnie dwukrotnie Wzrośnie czterokrotnie

24. Dlaczego w przykładzie z prądem rażenia 115 mA autor pisze o nieuchronnej śmierci przy braku zadziałania RCD w ciągu 30 ms?

Bo 115 mA jest mniejsze od progu wyczuwalności i działa tylko na skórę Bo przy takim prądzie mięśnie oddechowe i serce reagują dopiero po kilku minutach Bo RCD o czułości 30 mA przy prądzie 115 mA w ogóle nie może zadziałać Bo 115 mA wywołuje migotanie komór i paraliż mięśni oddechowych, więc liczy się każda milisekunda

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Zadanie 1. Jaki prąd popłynie przez ciało człowieka o oporze 2300 Ω w przypadku dotknięcia przewodu fazowego pod napięciem 230 V?

Wskazówka 1 — prawo Ohma

$I = \frac{U}{R}$.

Wskazówka 2 — zamiana na miliampery

$230 / 2300 = 0{,}1\text{ A} = 100\text{ mA}$.

$100\text{ mA}$ (z prawa Ohma: $I = 230\text{ V} / 2300\ \Omega = 0{,}1\text{ A}$) $10\text{ mA}$ (błędny wynik po omyłkowym podzieleniu przez $23\,000\ \Omega$) $1\text{ mA}$ (błędny wynik odpowiadający prądowi na granicy wyczuwalności)

Zadanie 2. Na jakiej zasadzie wyłącznik różnicowoprądowy (RCD) wykrywa, że człowiek ulega porażeniu prądem?

Wskazówka 1 — bilans prądów

Porównuje prąd wpływający (faza L) i wypływający (neutralny N).

Wskazówka 2 — prąd upływu

Prąd płynący przez człowieka do ziemi powoduje różnicę $I_L \ne I_N$.

Mierzy temperaturę powietrza w łazience i rozłącza obwód przy wzroście wilgotności Reaguje na głośny dźwięk krzyku poszkodowanego dzięki wbudowanemu mikrofonowi Reaguje na różnicę prądów w przewodzie L i N wywołaną ucieczką prądu przez ciało

Zadanie 3. Jaka jest pierwsza i najważniejsza czynność ratownika po wejściu do pomieszczenia, w którym człowiek leży porażony prądem?

Wskazówka 1 — bezpieczeństwo ratownika

Nie wolno dotykać poszkodowanego będącego pod napięciem.

Wskazówka 2 — odcięcie zasilania

Wyciągnij wtyczkę lub wyłącz bezpiecznik główny.

Natychmiastowe chwycenie poszkodowanego za ręce i odciągnięcie go w bezpieczne miejsce Bezpieczne odcięcie źródła prądu (wyłączenie bezpiecznika lub wyjęcie wtyczki z gniazda) Olanie poszkodowanego wodą w celu schłodzenia oparzeń wywołanych przepływem prądu

Quiz wiedzy — Moduł 18

1. Jaki kolor izolacji posiada w polskiej i europejskiej instalacji przewód ochronny PE połączony z bolcem uziemiającym? Wyłącznie jednolity kolor czarny lub brązowy, taki sam jak przewód fazowy Jednolity kolor jasnoniebieski, identyczny jak w przewodzie neutralnym Charakterystyczny dwukolorowy w podłużne paski: żółto-zielony (ochronny PE)

2. Dlaczego standardowy wyłącznik różnicowoprądowy RCD w mieszkaniu ma próg zadziałania ustawiony na 30 mA? Ponieważ prądy powyżej 30–50 mA stwarzają śmiertelne ryzyko migotania komór serca Ponieważ mniejsze prądy powodowałyby natychmiastowe stopienie domowego licznika Ponieważ prąd 30 mA jest maksymalnym prądem, jaki może wyprodukować elektrownia

3. Co należy zrobić, jeśli nie ma możliwości szybkiego wyłączenia bezpiecznika, a poszkodowany wciąż styka się z kablem? Chwycić poszkodowanego za ubranie mokrymi dłońmi i z całej siły pociągnąć Odepchnąć przewód od poszkodowanego za pomocą suchego przedmiotu z izolatora Przeciąć kabel nożyczkami z metalowymi rączkami bez użycia rękawic ochronnych

Podsumowanie modułu

Zapamiętaj:

Prąd o natężeniu powyżej $50\text{ mA}$ ($0{,}05\text{ A}$) jest śmiertelnie niebezpieczny dla życia człowieka.
Kolory przewodów: L (faza) — brązowy/czarny, N (neutralny) — niebieski, PE (ochronny) — żółto-zielony.
Bolec PE odprowadza prąd przebicia do ziemi, wyzwalając bezpiecznik zanim człowiek dotknie obudowy.
Wyłącznik RCD: reaguje na prąd upływu $30\text{ mA}$ w czasie $< 30\text{ ms}$, ratując życie przy bezpośrednim dotknięciu fazy.
Pierwsza pomoc: najpierw odetnij prąd; nigdy nie dotykaj poszkodowanego pod napięciem; w razie zatrzymania krążenia wykonuj RKO (30:2) i użyj AED.