Laboratoře Underwriters prováděly základní výzkum v oblasti bezpečnosti a výsledky tohoto výzkumu zveřejňovaly v řadě „Bulletinů výzkumu“. Bylo vydáno nejméně 58 bulletinů týkajících se požáru, výbuchu a úrazu elektrickým proudem. Jeden z těchto bulletinů, „Electric Shock as it Pertains to the Electric Fence“, je klasickým dokumentem v oblasti bezpečnosti výrobků. Výzkum prováděl v letech 1936 až 1939 Baron Whitaker, asistent elektroinženýra v UL. Whitaker se nakonec dostal do čela UL.
Whitakerův výzkum je dodnes aktuální. Podobný výzkum byl sice proveden na podporu moderních publikací IEC, ale takový výzkum je obvykle publikován pouze v dokumentech komisí IEC a je obvykle silně zaměřen na konkrétní normu nebo zprávu, kterou se IEC snaží napsat.
Tento bulletin UL o výzkumu elektrického ohradníku obsahuje mnoho informací, které se týkají mnohem více než jen elektrického ohradníku. Proto je to klasické dílo.
ÚVOD
Whitaker uvádí svůj výzkum popisem elektrického ohradníku: „Jednou z nejnovějších a nejnovějších aplikací elektřiny na venkově je dnes elektrický ohradník. Fyzicky se elektrický plot liší od běžného typu plotu z ostnatého nebo pleteného drátu tím, že je jednodušší konstrukce (obvykle má jeden drát) a nevyžaduje mechanickou pevnost nebo stabilitu starších typů. Funkčně se liší tím, že ovládá zvířata spíše strachem než silou nebo působením bolesti. Elektrický ohradník se skládá ze dvou odlišných částí, a to z ohradníkového drátu a z elektrického ovladače, který dodává elektrickou energii ohradníkovému drátu.“
ÚČEL A PODMÍNKY
Whitaker studoval zprávy o nehodách elektrického ohradníku zahrnující jak zranění elektrickým proudem, tak smrt způsobenou elektrickým proudem. Na základě své studie ohraničil svůj výzkum konstatováním, že elektrický ohradník by měl být bezpečný pro dvouleté dítě, „…bosé, stojící v kaluži vody nebo bláta a padající přes drát nebo chytající se drátu dvěma mokrýma nebo zpocenýma rukama, přičemž drát, pokud je dítěti známo, je obyčejný neelektrizovaný ohradníkový drát.“
(Anekdoticky kolega, jehož domovem je farma a používá elektrické ohradníky, uvedl, že právě za těchto podmínek zachránila jeho manželka dceru!)
V těchto podmínkách chtěl Whitaker určit maximální hodnotu proudu, a to jak střídavého, tak stejnosměrného, frekvenci a dobu trvání, které „lze považovat za neohrožující lidský život.“
Whitaker se zavázal určit hodnoty pro:
- Elektrický odpor těla
- Bezpečné napětí naprázdno
- Působení stejnosměrného proudu, přerušovaného stejnosměrného proudu, střídavého proudu, a frekvence střídavého proudu
- Maximální proud a doba trvání, které nezpůsobí tělesné poranění
- Minimální doba vypnutí
PŘÍČINA ELEKTRICKÉHO ÚRAZU
Whitaker zkoumal různé příčiny smrti způsobené elektrickou energií. Zjistil pět různých příčin:
- Paralýza dýchacích svalů, způsobující smrt v důsledku asfyxie
- Krvácení, způsobené zvýšením krevního tlaku při průchodu elektrického proudu
- Srdeční selhání, způsobené fibrilací komor
- Dýchací selhání, vyvolané nervovým útlumem nebo skutečným poškozením nervového systému
- Popáleniny kůže a těla s následnými komplikacemi
Whitakerův výzkum byl zaměřen na prevenci jednoho nebo více z těchto poranění. Nezabýval se prevencí vjemů nebo prevencí reflexní činnosti, jak to děláme u dnešních výrobků. Výrobci elektrických ohradníků navíc tvrdili, že účinný ohradník by měl poskytovat dostatečný proud k vyvolání svalové kontrakce a že doba „vypnutí“ by měla být co nejkratší.
TĚLESNÝ ELEKTRICKÝ ODPOR
Whitaker začíná svou úvahu o tělesném odporu tvrzením: „Nezbytným předpokladem pro stanovení bezpečných provozních vlastností ovladačů elektrických ohradníků je zohlednění lidského těla jako vodiče elektřiny.“
Whitaker inicioval u společnosti UL sérii testů na měření tělesného odporu. Whitaker tvrdí, že „vnější kůže… klade největší odpor…“ a že vysoké napětí regulátoru ohradníku odpor kůže narušuje. Whitaker však nemohl na své pokusné osoby použít vysoké napětí s neomezeným proudem, aby „zlomil“ odpor kůže. Proto Whitakerovy pokusy zahrnovaly smáčení rukou a nohou jeho subjektů 20% roztokem chloridu sodného.
Při konstantní ploše, konstantním tlaku a mokrých rukou Whitaker zjistil, že odpor těla je nezávislý na proudu, pokud se proud pohybuje v rozmezí 1 až 15 miliampér.
Whitakerova testovací sestava se skládala z 12voltového stejnosměrného zdroje (suché články), potenciometru, voltmetru a ampérmetru. Ruční elektrody byly tvořeny dráty č. 10 AWG. Nožní elektrodou byla čtvercová měděná deska o průměru 14 palců. Potenciometr byl nastaven na 5 miliampér pro dospělé a 1 miliampér pro děti. Měřilo se napětí na subjektu a vypočítával se odpor.
Whitaker měřil 40 dospělých a 47 dětí (ve věku 3 až 15 let). Zjistil, že u dospělých „neexistují žádné trendy nebo vztahy mezi tělesným odporem jedinců a jejich pohlavím, věkem, výškou nebo hmotností“. Histogramy různých Whitakerových měření jsem uvedl na obrázcích 1 a 2.
Obrázek 1
Obrázek 2
Na základě těchto údajů dospěl k závěru, že „nejnižší tělesný odpor, s nímž lze počítat v souvislosti s použitím elektrického ohradníku, by nebyl menší než 500 ohmů.“
(V pozdějším Bulletinu výzkumu použil tytéž údaje Karl Geiges k vývoji nechvalně známého měřiče unikajícího proudu. Geigesovu práci rozeberu v některém z příštích čísel.“
VOLTAGE
Whitaker potřeboval určit dva faktory s ohledem na napětí:
- Je-li výstupní proud omezen, je třeba kontrolovat napětí naprázdno
- Jestliže výstupní proud omezen není, jaké je maximální napětí naprázdno?
Whitaker určil, že maximální bezpečné napětí (ze zdroje napětí, kde výstupní proud není omezen) je takové napětí, které nezpůsobí tělesné zranění a umožní jedinci osvobodit se z ohrady.
Whitaker uvádí sérii testů, provedených na zaměstnancích UL v roce 1930, které mimochodem zaznamenaly napětí, které může jedinec vydržet a stále dobrovolně ovládat své svaly. Z těchto údajů vyplynulo, že minimální efektivní hodnota napětí byla 20 V.
Whitaker také uvádí testy společnosti International Harvester Co, při nichž bylo napětí připojeno ke kbelíku naplněnému vodou a k ruční elektrodě, kterou subjekt držel. Subjekt byl poté požádán, aby získal předmět ponořený do kbelíku. Společnost International Harvester zjistila, že maximální napětí pro vytažení předmětu bylo 12 až 20 V.
Whitaker dospěl k závěru, že „napětí naprázdno nemusí být omezeno za předpokladu, že zařízení obsahuje vlastní prvky omezující proud“.
„Pokud však v zařízení nejsou zabudovány žádné vlastní prvky omezující proud, maximální bezpečné napětí… by nemělo překročit 12 V.“. To vychází z teorie, že potenciál 12 V nebo nižší jen zřídka, pokud vůbec, způsobí prolomení kožního odporu dostatečné k tomu, aby tělem protékal proud takové intenzity, která by způsobila ztrátu svalové kontroly nebo fyzické zranění osoby.“
Frekvence
Whitaker uvádí, že „hlavní rozdíl ve fyzikálním účinku stejnosměrného proudu oproti střídavému spočívá v tom, že stejnosměrný proud nezpůsobuje kontrakci svalů v takové míře jako proud střídavý.“
Whitaker také uvádí, že Kouwenhoven i d’Arsonval zjistili, že se zvyšující se frekvencí se musí zvýšit i proud, aby měl stejný fyziologický účinek.
Witaker nicméně dochází k závěru, že „v současné době neexistuje žádný důvod pro povolení vyšších hodnot proudu… bez ohledu na použitou frekvenci.“
PROUD
Ze stejných údajů, kde Whitaker určil maximální napětí, a z dalších údajů Whitaker zjistil, že minimální a maximální hodnoty, při kterých si jedinci zachovávají dobrovolnou kontrolu svalů, jsou přibližně 6 miliampér a 20 miliampér.
Whitaker také studoval výsledky testů fibrilačního proudu na psech a ovcích, protože se mělo za to, že srdce těchto zvířat reaguje na podněty stejně jako srdce lidí. Na základě testů na ovcích a vzhledem k tomu, že ovce mají podobnou hmotnost těla a srdce jako lidé, Whitaker určil, že minimální fibrilační proud je přímo úměrný hmotnosti těla a hmotnosti srdce.
Další studium údajů z testů na ovcích ukázalo, že fibrilace je funkcí fáze srdečního cyklu v době, kdy došlo k šoku, a funkcí trvání šoku. Whitaker zjistil, že fibrilace při šoku trvajícím 0,1 sekundy vyžaduje desetkrát větší proud než při šoku trvajícím 3 sekundy.
Whitaker poté vykreslil 3sekundové fibrilační proudy pro různá dospělá zvířata jako funkci tělesné hmotnosti a hmotnosti srdce. Whitaker pak předpokládal, že minimální hodnota takové křivky představuje člověka. Whitaker dále předpokládal, že minimální fibrilační proud pro různé tělesné a srdeční hmotnosti je konstantní poměr za předpokladu, že doba trvání šoku je stejné procento srdečního cyklu a šok je zahájen ve stejném bodě srdečního cyklu.
Na základě těchto předpokladů a údajů Whitaker určil, že minimální 3sekundový fibrilační proud pro tělesnou hmotnost 125 liber je 126 miliampérů a pro tělesnou hmotnost 20 liber je 31 miliampérů. (Dvacet liber je bráno jako průměrná hmotnost dvouletého dítěte.)
Na základě těchto čísel Whitaker určil poměr 31:126 pro minimální fibrilační proudy pro tělesnou hmotnost 20 a 125 liber.
Na základě tohoto poměru a s přihlédnutím k procentu času pro úplný srdeční tep, k tělesné hmotnosti a k hmotnosti srdce byl Whitaker schopen sestrojit „Odvozenou křivku doby kontaktu versus minimální fibrilační proud pro dvouleté dítě“. Tato křivka se blížila pravoúhlé hyperbole. Viz Whitakerův „Graf 3“ na obrázku 3.
Obrázek 3
Dále Whitaker libovolně nastavil maximální proud na 65 miliampérů, maximální výkon na 4 miliampérsekundy a maximální dobu „zapnutí“ na 0,2 sekundy. Tato křivka „Doba kontaktu versus přípustný proud“ byla šestkrát menší než křivka minimálního fibrilačního proudu. Viz Whitakerův „Graf 4“ na obrázku 4.
Obrázek 4
Whitaker dospěl k závěru, že:
- maximální bezpečný trvalý proud je 5 miliampér a
- maximální doba trvání jakéhokoli proudu by neměla překročit křivku 4 miliampérsekundy.
VYPNUTÁ DOBA
V době Whitakerova výzkumu dodávaly ovladače ohradníků postupné rázy v přibližně jednosekundových intervalech. Whitaker potřeboval určit minimální dobu „vypnutí“, která by jedinci umožnila uvolnit se z ohrady.
UL provedl testy, při nichž bylo na jedince náhle přivedeno napětí a zaznamenával se čas do uvolnění. Tento test byl považován za „nedobrovolnou“ reakci. Whitaker si všiml, že doba vnímání pocitu je nepřímo úměrná intenzitě podnětu.
Whitaker studoval i další testy reakční doby. Většina údajů z těchto dalších testů se týkala „dobrovolné“ reakce na podněty, jako jsou dotykové, zrakové nebo sluchové. Whitaker si také všiml, že svalová kontrakce spojená s stejnosměrným proudem měla tendenci oběť od vodiče odhodit, zatímco svalová kontrakce spojená s střídavým proudem měla tendenci oběť nepustit.
Witaker proto dospěl k závěru, že „vypínací“ perioda u ovladačů střídavého proudu by měla být 0 minut.90 sekundy a pro stejnosměrné ovladače by měla být 0,75 sekundy.
PŘÍČINA
Whitaker také zkoumal, zda leknutí vyvolané neúmyslným kontaktem s „bezpečným“ ohradníkem může nepříznivě ovlivnit srdce nebo vyvolat fibrilaci. Lékařské autority, které konzultoval, nebyly schopny takovou událost předpovědět. Jedna autorita šla dokonce tak daleko, že uvedla, že tak slabý šok není schopen vyvolat ani leknutí, ani překvapení.
Navrhuji, abychom se z Whitakerovy práce poučili. Za prvé, Whitaker se zaměřil spíše na různá zranění způsobená elektrickým proudem než na dodržování norem. V té době samozřejmě žádné normy neexistovaly. Zdá se, že dnes, když analyzujeme novou bezpečnostní situaci, činíme tak spíše s ohledem na normu než na úraz.
Druhé, Whitaker provedl mnoho měření, ale použil pouze minimální, nejhorší zjištěné hodnoty. Tento druh pesimismu je v oblasti bezpečnosti skutečně nezbytný. Myslím, že příliš často máme tendenci používat spíše pravděpodobnostní a normální rozdělení než nejhorší možné hodnoty.
Zatřetí, Whitaker činí mnoho předpokladů a svévolných rozhodnutí, zejména pokud jde o zvířata představující lidi. Navrhuji, abychom měli na paměti, že hodnoty uváděné Whitakerem nejsou přesné. Mnoho dalších hodnot, které používáme v oblasti bezpečnosti, je podobně nepřesných, ale zacházíme s nimi, jako by byly přesné.
Nakonec zjišťuji, že takový výzkum již neprovádíme. Kolega J. F. Kalbach vymyslel termín BOGSAT, což znamená „Bunch Of Guys Sitting Around Talking“, aby popsal, jak se kdysi vyvíjela určitá křivka. Pro tuto křivku neexistoval žádný inženýrský ani fyzikální základ. Byla čistě libovolná. Domnívám se, že naše bezpečnostní normy obsahují příliš mnoho požadavků z procesu BOGSAT.
PODĚKOVÁNÍ
Jim Pierce ze zkušebních laboratoří ETL mi hodil na stůl kopii tohoto bulletinu UL a zeptal se, zda jsem ho četl. Bulletin jsem viděl a četl již před mnoha lety, takže kopie ležela na mém stole mnoho měsíců. Nakonec jsem ho vzal a začal číst. Práce na mě udělala dojem, a tak jsem si řekl, že ji pro vás zrecenzuju.
Rád bych také poděkoval Henrymu Jonesovi, poradci pro bezpečnost výrobků, za jeho připomínky k elektrickým ohradníkům. Děkuji také Timu Kramerovi ze společnosti Hewlett-Packard za přípravu histogramů odporu těla.
Richard Nute je konzultantem v oblasti bezpečnosti výrobků, který se zabývá bezpečnostním designem, bezpečnostní výrobou, bezpečnostní certifikací, bezpečnostními normami a forenzním vyšetřováním.
Foto: Tomás Fano 
.