EFFETTI FISIOPATOLOGICI DELLA CORRENTE ELETTRICA SUL CORPO UMANO

Ing. Francesco D'Angelo
Novembre 15, 2022

Conoscere gli effetti fisiopatologici della corrente elettrica sul corpo umano è necessario al fine di definire i requisiti relativi alla sicurezza elettrica e quindi le caratteristiche dei sistemi di protezione contro i contatti indiretti. La percezione della corrente elettrica e dei relativi effetti, quando questa attraversa il corpo umano, in seguito all’applicazione di una differenza di potenziale tra due punti, avvengono con valori di corrente diversi dipendenti sia da fattori soggettivi (sesso, massa corporea, stato di salute) sia a quelli legati alle caratteristiche della corrente stessa (intensità, frequenza, forma d’onda). Per questa ragione che i valori dell’intensità di corrente che vengono associati ai vari effetti sono da considerare valori medi ottenuti da risultati sperimentali effettuate su animali, esseri viventi e cadaveri.

Si consiglia la lettura dell’articolo INTERRUTTORE DIFFERENZIALE: QUANDO E PERCHè UTILIZZARLO e dell’articolo SOFTWARE TECNICI.

PREMESSA

La norma CEI 64-18 edizione 2011 “Effetti della corrente attraverso il corpo umano e degli animali domestici. Parte 1: aspetti generali.” fornisce, sulla base di dati statistici estrapolati da misure effettuate su animali, esseri viventi e cadaveri, le curve di pericolosità della corrente e quelle di sicurezza della tensione.

La norma CEI 64-18 definisce:

soglia di percezione: il valore minimo di corrente che causa una sensazione alla persona attraverso cui fluisce la corrente;
soglia di rilascio: il massimo valore di corrente per cui una persona può lasciare gli elettrodi con i quali è in contatto;
soglia di fibrillazione ventricolare: il valore minimo di corrente che provoca la fibrillazione ventricolare.

Gli effetti fisiopatologici della corrente elettrica sul corpo umano più frequenti e più importanti che la corrente elettrica produce sul corpo umano sono fondamentalmente quattro:

tetanizzazione;
arresto della respirazione;
fibrillazione ventricolare;
ustioni.

Il fenomeno della tetanizzazione consiste nella contrazione involontaria dei muscoli interessati al passaggio di corrente non consentendo, nella forma più grave, all’infortunato di poter riuscire ad allontanarsi dall’elemento in tensione superando in questo modo la soglia di rilascio che in corrente alternata alla frequenza di 50 Hz assume il valore di 10 mA. A questo punto il contatto permane nel tempo determinando fenomeni di asfissia, svenimenti e stato di incoscienza. La tetanizzazione è causa del 10% delle morti per folgorazione. L’arresto della respirazione si verifica quando il fenomeno della tetanizzazione interessa i muscoli coinvolti nella respirazione, ossia per correnti superiori a 20÷30 mA, determinando perdita di conoscenza e soffocamento.

L’arresto della respirazione è causa del 6% delle morti per folgorazione. Gli impulsi elettrici generati dai centri nervosi in condizioni normali costituiscono ordini di azionamento trasmessi al muscolo cardiaco, se altri impulsi elettrici estranei si sovrappongono ai primi, il cuore in mancanza di ordini coordinati si contrarrà in maniera caotica e disordinata determinando il fenomeno della fibrillazione ventricolare, responsabile del 90% delle morti per folgorazione. I valori di corrente che producono questo effetto (soglia di fibrillazione) vengono associati alla probabilità che si inneschi la fibrillazione. Il valore di soglia, espressi in mA, con la probabilità pari allo 0,5% di indurre fibrillazione in soggetti di massa 70 kg per una corrente alternata con frequenza di 50 Hz è legato alla durata t del contatto dalla seguente relazione:

$I=\frac{\left(165\div185\right)}{\sqrt{t}}$

La soglia di fibrillazione dipende anche dal percorso della corrente risultando minore (maggiore pericolosità) per i percorsi caratterizzati da una maggiore densità di corrente nella regione cardiaca.

Si definisce fattore di percorso il rapporto:

$F=\frac{I_{rif}}{I}$

Dove $I_{rif}$ e I sono rispettivamente le intensità di corrente, aventi la stessa probabilità di innescare la fibrillazione, relative al percorso di riferimento (mano sinistra – piedi) e a quello considerato.

Nella Figura seguente si riportano i fattori di percorso per alcuni percorsi tipici della corrente. Si osserva come il percorso più pericoloso nei confronti della fibrillazione ventricolare risulta è quello “mano sinistra – torace”. Un altro rischio importante collegato all’impiego dell’elettricità è legato alle ustioni, molto frequenti in ambiente domestico e soprattutto industriale.

Il passaggio della corrente sul corpo umano (effetti fisiopatologici della corrente elettrica sul corpo umano) è accompagnato da sviluppo di calore per effetto Joule e quindi da un aumento di temperatura nella parte in cui è avvenuto il contatto con l’elemento disperdente. La Figura mostra la relazione tra le alterazioni della pelle umana e la densità di corrente, espressa in $\textrm{mA/mm}^{2}$ , in funzione della durata del passaggio di corrente.

per valori inferiori di 10 $\textrm{mA/mm}^{2}$ non sono state osservate modifiche della pelle (zona 0);
per valori compresi tra 10 $\textrm{mA/mm}^{2}$ e 20 $\textrm{mA/mm}^{2}$ si verifica un arrossamento della pelle con un rigonfiamento di colore biancastro lungo i bordi dell’elettrodo (zona 1);
per valori compresi tra 20 $\textrm{mA/mm}^{2}$ e 50 $\textrm{mA/mm}^{2}$ si manifesta un colore brunastro al di sotto degli elettrodi che si estende sulla pelle. Per durate maggiori della corrente si osservano marchi elettrici attorno all’elettrodo (zona 2);
per valori superiori a 50 $\textrm{mA/mm}^{2}$ si può verificare la carbonizzazione della pelle (zona 3).

CURVE DI PERICOLOSITÀ DELLA CORRENTE

PERICOLOSITÀ DELLE CORRENTI SINUSOIDALI

Nella Figura sono riassunte gli effetti fisiopatologici della corrente elettrica sul corpo umano prodotti dalla corrente alternata (15÷100 Hz) in funzione del tempo per cui fluisce attraverso il corpo umano. Le curve rappresentate nella figura suddividono il diagramma in 4 zone di pericolosità della corrente elettrica. Nella AC-1, sino al valore di 0,5 mA (curva a), si è al di sotto della soglia di percezione. Nella AC-2, delimitata dalla curva a e dalla curva b, non si hanno in genere effetti fisiologici pericolosi. Nella AC-3, oltre la curva b, si hanno effetti che aumentano con l’intensità di corrente e con il tempo come ad esempio forti contrazioni involontarie dei muscoli, difficoltà di respirazione. Nella AC-4 è probabile l’innesco della fibrillazione ventricolare: nella AC-4.1, delimitata dalle curve c1-c2, la probabilità di fibrillazione ventricolare aumenta sino a circa il 5%, nella AC-4.2, delimitata dalle curve c2-c3, la probabilità aumenta sino a circa il 50% e nella AC-4.3, oltre la curva c3, la probabilità supera il 50%.

Nella Figura, analogamente, sono riassunte gli effetti fisiopatologici della corrente elettrica sul corpo umano prodotti dalla corrente elettrica in continua. Nella DC-1 si è al di sotto della soglia di percezione. Nella DC-2 non si hanno effetti fisiologici pericolosi. Nella DC-3 sono possibili contrazioni muscolari e perturbazioni reversibili nella formazione e trasmissione degli impulsi elettrici del cuore. Nella DC-4 è probabile l’innesco della fibrillazione ventricolare. La curva c1 indica la soglia di fibrillazione ventricolare e si riferisce a correnti continue ascendenti, cioè dirette dai piedi verso la testa. Le correnti discendenti sono meno pericolose e i valori di corrente della curva c1 devono essere raddoppiati.

PERICOLOSITÀ DELLE CORRENTI NON SINUSOIDALI

Nella diffusione sempre maggiore dei dispositivi elettronici, come ad esempio per la regolazione della potenza (inverter), computer e UPS, le correnti di forma d’onda non sinusoidale sono sempre più diffuse. Nella figura seguente sono riportate alcuni esempi di forme d’onde di corrente (continua, alternata e combinazioni con diversi rapporti tra c.a. e c.c..

Si definiscono i seguenti valori di corrente:

• $I_{eff}$ = efficace della coerente avente forma d’onda risultante;

• $I_{p}$ = massimo della coerente avente forma d’onda risultante;

• $I_{pp}$ = picco – picco della coerente avante forma d’onda risultante;

• $I_{ev}$ = efficace di una corrente sinusoidale che presenta lo stesso rischio, per quanto riguarda la fibrillazione ventricolare, di una corrente avente forma d’onda considerata.

Per durate di contatto superiori ad un ciclo cardiaco, cioè più di 1,5 $T_{C}$ , dove $T_{C}$ è il periodo cardiaco, la soglia di fibrillazione per la corrente continua è diverse volte superiore a quella per la corrente alternata infatti otteniamo:

$I_{ev}=\frac{I_{pp}}{2\sqrt{2}}$

Per durate inferiori a 200 ms (0,75 $T_{C}$ ), la soglia per la fibrillazione è all’incirca la stessa della corrente alternata, misurata in valore efficace, infatti si ha

$I_{ev}=\frac{I_{p}}{\sqrt{2}}$

In definitiva se il valore efficace della componente sin usoidale è inferiore al 10% della componente continua la corrente è da considerarsi, ai fini della pericolosità, come una corrente continua.

CURVE DI SICUREZZA DELLA TENSIONE

INTRODUZIONE

Nella pratica più che alle correnti pericolose ci si riferisce alle tensioni pericolose. Sia le tensioni che le correnti pericolose sono legate tra loro attraverso la ben nota legge di Ohm per il tramite della serie della resistenza del corpo umano $R_{B}$ e della resistenza della persona verso terra $R_{EB}$ quando durante un guasto d’isolamento la persona stessa è attraversata da una corrente $I_{B}$ ed è sottoposta ad una tensione di contatto $U_{T}$ . Nel ricavare la curva di sicurezza tensione – tempo ci si riferisce al percorso mani – piedi di una persona che tocca con entrambe le mani un apparecchio elettrico ed ha i due piedi a contatto con la terra. Il valore $R_{B}$ = 1000 Ω è stato assunto come resistenza convenzionale del corpo umano in condizioni ordinarie e $R_{B}$ = 200 Ω in condizioni particolari, per la definizione di alcune procedure di prova delle tensioni di contatto.

IMPIANTI UTILIZZATORI IN BASSA TENSIONE

Negli impianti utilizzatori in bassa tensione, conformemente alla norma CEI 64-8, si fa riferimento alla tensione di contatto a vuoto $U_{vT}$ e si definisce tensione di contatto a vuoto ammissibile $U_{vTP}$ tutti i valori della tensione $U_{vT}$ la cui durata non creano effetti pericolosi. Nella seguente figura sono riportate le curve di sicurezza determinate in condizione ordinarie e in condizioni particolari.

Dall’esame delle curve di sicurezza si evince che all’aumentare della durata del contatto diminuisce il valore della tensione di contatto a vuoto ammissibile $U_{vTP}$ in quanto aumenta la pericolosità della coerente. In accordo con la norma CEI 64-8 si definisce tensione di contatto limite convenzionale $U_{L}$ il massimo valore della tensione di contatto a vuoto che è possibile mantenere per un tempo indefinito in condizione ordinarie pari al valore di 50 V e in condizioni particolari pari al valore di 25 V.

IMPIANTI UTILIZZATORI CON TENSIONE SUPERIORE A 1000 V

Per gli impianti utilizzatori con tensione superiore a 1000 V si fa riferimento alla norma CEI EN 50522 “Messa a terra degli impianti elettrici a tensione superiore a 1 kV in c.a.” pubblicata nel 2011 abrogando la norma CEI 11-1. Tale norma prende in considerazione la tensione di contato ammissibile $U_{TP}$ . Nella seguente figura è riportato l’andamento delle tensioni di contatto ammissibili $U_{TP}$ per correnti di breve durata. Si riporta di seguito i valori di $U_{TP}$ per i tempi di guasto $t_{F}$ più comuni. Per guasti di durata maggiore di 10 s si può considerare come valore di $U_{TP}$ pari a 80 V.

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