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
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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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Folie Nr. 3
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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Folie Nr. 4
Definitionen und Grenzwerte
Worum geht es?
Schrittspannung
Berührungs-spannung
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Folie Nr. 5
Definitionen und Grenzwerte
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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Folie Nr. 6
Definitionen und Grenzwerte
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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Folie Nr. 7
Definitionen und Grenzwerte
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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Folie Nr. 8
Elektrische Vorgänge im Körper
Beispiel: Einzelzelle (a – extrazellurär; b – intrazellulär)
Folgender Grundsatz gilt:
Leben bedeutet Elektrizität – Elektrizität bedeutet Leben !
b
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Folie Nr. 9
Elektrische Vorgänge im Körper
Aktionspotentiale sorgen für den internen Informationsaustausch
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Folie Nr. 10
Elektrische Vorgänge im Körper
Summen-Aktionspotentiale können an der Körperoberfläche abgeleitet werden
Beispiel: Elektrokardiogramm, abgekürzt EKG
Vulnerable Phase
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Folie Nr. 11
Elektrische Vorgänge im Körper
Elektrische Signale sind auch beim Herzen für den Herz-internen Erregungsablauf verantwortlich(autonomer natürlicher „Herzschrittmacher“!)
Beispiel: Herzerregung
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Folie Nr. 12
Elektrische Vorgänge im Körper
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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Folie Nr. 13
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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Folie Nr. 14
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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Folie Nr. 15
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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Folie Nr. 16
Impedanz des menschlichen Körpers
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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Folie Nr. 17
Impedanz des menschlichen Körpers
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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Folie Nr. 18
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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Folie Nr. 19
Körperimpedanz von Tieren
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Folie Nr. 20
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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Folie Nr. 21
Anwendung des OHM´schen Gesetzes
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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Folie Nr. 22
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:
Anwendung des OHM´schen Gesetzes
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Folie Nr. 23
Anwendung des OHM´schen Gesetzes
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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Folie Nr. 24
Anwendung des OHM´schen Gesetzes
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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Folie Nr. 25
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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Folie Nr. 26
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
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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Folie Nr. 27
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
1. Stromart
Wellige Gleichspannung muss z. B. nach Oberwellengehalt und Spannungsschwankungen bewertet werden.
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Folie Nr. 28
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
2. Frequenz
Bereich des Maximums der physiologischen Reizwirkung
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Folie Nr. 29
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
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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Folie Nr. 30
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
4. Dauer der Durchströmung
Beispiel: 50 Hz-Wechselspannung –Vorschlag KUPFER für den Verlauf der Flimmerschwelle in Abhängigkeit von der Durchströmungszeit.
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Folie Nr. 31
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
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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Folie Nr. 32
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
6. Vulnerable Phase EKG:
5. Vulnerable Phase EKG – Extrasystolentheorie
Herzperiodendauer ist kein Kriterium!
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Folie Nr. 33
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
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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Folie Nr. 34
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
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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Folie Nr. 35
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
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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Folie Nr. 36
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
Beispiel: Standortbeschaffenheit und zusätzliche Erder
Suchanek, S.: Untersuchungen an Blitzschutzerdungsanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Schrittspannung, Dissertation, Technischen Universität Darmstadt, 2013
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Folie Nr. 37
Schritt- und Berührungsspannungen –Parameter beachten!
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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Folie Nr. 38
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
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Folie Nr. 39
Stromwirkung auf Organe
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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Folie Nr. 40
Stromwirkung auf Organe
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
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Folie Nr. 41
Stromwirkung auf Organe
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
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Folie Nr. 42
Stromwirkung auf Organe
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
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Folie Nr. 43
Stromwirkung auf Organe
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!).
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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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Folie Nr. 45
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!
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Folie Nr. 46
Wir dankenfür Ihre Aufmerksamkeit!
Auswirkungen der Schritt-und Berührungsspannungen auf den menschlichen Körper