Underwriters Laboratories betrieb Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Sicherheit und veröffentlichte die Ergebnisse dieser Forschung in einer Reihe von „Bulletins of Research“. Es wurden mindestens 58 Bulletins zu den Themen Feuer, Explosion und Stromschlag veröffentlicht. Eines dieser Bulletins, „Electric Shock as it Pertains to the Electric Fence“, ist ein klassisches Dokument auf dem Gebiet der Produktsicherheit. Die Untersuchungen wurden von 1936 bis 1939 von Baron Whitaker, einem stellvertretenden Elektroingenieur bei UL, durchgeführt. Whitaker stieg schließlich zum Präsidenten von UL auf.
Whitakers Forschung hat noch heute Bestand. Zwar wurden ähnliche Forschungsarbeiten zur Unterstützung moderner IEC-Publikationen durchgeführt, doch werden solche Forschungen in der Regel nur in IEC-Ausschusspapieren veröffentlicht und sind in der Regel stark auf die spezifische Norm oder den Bericht ausgerichtet, den die IEC zu verfassen versucht.
Dieses UL-Forschungsbulletin über den Elektrozaun enthält viele Informationen, die nicht nur für den Elektrozaun gelten. Deshalb ist es ein klassisches Werk.
EINFÜHRUNG
Whitaker leitet seine Forschung mit einer Beschreibung des Elektrozauns ein: „Eine der jüngsten und neuartigsten Anwendungen von Elektrizität in ländlichen Gebieten ist heute der Elektrozaun. Physisch unterscheidet sich der Elektrozaun vom herkömmlichen Stacheldraht- oder Drahtgeflechtzaun dadurch, dass er einfacher konstruiert ist (in der Regel besteht er aus einem einzigen Draht) und nicht die mechanische Festigkeit oder Stabilität der älteren Zauntypen erfordert. Funktionell unterscheidet er sich dadurch, dass er die Tiere durch Angst und nicht durch Kraft oder Schmerz kontrolliert. Der Elektrozaun besteht aus zwei verschiedenen Teilen, nämlich dem Zaundraht und dem elektrischen Steuergerät, das den Zaundraht mit elektrischer Energie versorgt.“
ZWECK UND BEDINGUNGEN
Whitaker untersuchte Berichte über Unfälle mit Elektrozäunen, bei denen es sowohl zu Verletzungen durch Stromschlag als auch zu Todesfällen durch Stromschlag kam. Auf der Grundlage seiner Studie stellte er fest, dass der Elektrozaun für ein zweijähriges Kind sicher sein sollte, „…wenn es barfuß in einer Wasser- oder Schlammpfütze steht und über den Draht fällt oder ihn mit zwei nassen oder verschwitzten Händen ergreift, wobei der Draht, soweit das Kind weiß, ein gewöhnlicher, nicht elektrifizierter Zaundraht ist.“
(Anekdotisch berichtete ein Kollege, dessen Haus ein Bauernhof ist und Elektrozäune verwendet, dass dies die Bedingungen waren, unter denen seine Frau seine Tochter rettete!)
Unter diesen Bedingungen wollte Whitaker den maximalen Stromwert, sowohl für Wechsel- als auch für Gleichstrom, die Frequenz und die Dauer bestimmen, die „als nicht gefährlich für das menschliche Leben angesehen werden können.“
Whitaker unternahm es, Werte zu bestimmen für:
- Elektrischer Widerstand des Körpers
- Sichere Leerlaufspannung
- Auswirkungen von Gleichstrom, unterbrochenem Gleichstrom, Wechselstrom, und Frequenz von Wechselstrom
- Höchststrom und -dauer, die keine Körperschäden verursachen
- Die Mindestausschaltzeit
Die Natur des elektrischen Schocks
Whitaker untersuchte die verschiedenen Ursachen des Todes durch elektrische Energie. Er fand fünf verschiedene Ursachen:
- Lähmung der Atemmuskulatur, die den Tod durch Erstickung herbeiführt
- Blutung, die durch die Erhöhung des Blutdrucks beim Durchgang des elektrischen Stroms hervorgerufen wird
- Herzversagen, das durch Kammerflimmern hervorgerufen wird
- Atemversagen, hervorgerufen durch nervöse Hemmungen oder tatsächliche Schädigung des Nervensystems
- Haut- und Fleischverbrennungen mit den sich daraus ergebenden Komplikationen
Whitakers Forschung zielte auf die Verhütung einer oder mehrerer dieser Verletzungen ab. Er befasste sich nicht mit der Verhinderung von Empfindungen oder der Verhinderung von reflexartigen Handlungen, wie wir sie bei den heutigen Produkten haben. Außerdem behaupteten die Hersteller von Elektrozäunen, dass ein wirksamer Zaun genügend Strom liefern sollte, um eine Muskelkontraktion zu verursachen, und dass die „Aus“-Phase so kurz wie möglich sein sollte.
Körperwiderstand
Whitaker beginnt seine Überlegungen zum Körperwiderstand mit der Feststellung: „Für die Festlegung der sicheren Betriebseigenschaften von Elektrozaun-Steuerungen ist die Berücksichtigung des menschlichen Körpers als Stromleiter unerlässlich.“
Whitaker initiierte bei UL eine Reihe von Tests zur Messung des Körperwiderstands. Whitaker behauptet, dass „die Außenhaut … den größten Widerstand bietet …“ und dass die Hochspannung eines Zaunsteuergeräts den Hautwiderstand bricht. Whitaker konnte jedoch keine Hochspannung mit unbegrenzter Stromstärke an seine Versuchspersonen anlegen, um den Hautwiderstand zu „brechen“. Deshalb benetzte Whitaker in seinen Experimenten die Hände und Füße seiner Versuchspersonen mit 20%iger Natriumchloridlösung.
Bei konstanter Fläche, konstantem Druck und nassen Händen stellte Whitaker fest, dass der Körperwiderstand unabhängig vom Strom war, wenn der Strom im Bereich von 1 bis 15 Milliampere lag.
Whitakers Versuchsaufbau bestand aus einer 12-Volt-Gleichstromquelle (Trockenzellen), einem Potentiometer, einem Voltmeter und einem Amperemeter. Die Handelektroden waren AWG-Drähte Nr. 10. Die Fußelektrode war eine quadratische 14-Zoll-Kupferplatte. Das Potentiometer wurde auf 5 Milliampere für Erwachsene und 1 Milliampere für Kinder eingestellt. Die Spannung über dem Probanden wurde gemessen und der Widerstand berechnet.
Whitaker maß 40 Erwachsene und 47 Kinder (im Alter von 3 bis 15 Jahren). Er stellte fest, dass es bei Erwachsenen „keine Tendenzen oder Beziehungen zwischen dem Körperwiderstand der Personen und ihrem Geschlecht, Alter, ihrer Größe oder ihrem Gewicht gibt.“ In den Abbildungen 1 und 2 habe ich Histogramme von Whitakers verschiedenen Messungen dargestellt.
Abbildung 1
Abbildung 2
Aus diesen Daten schloss er, dass „der niedrigste Körperwiderstand, mit dem im Zusammenhang mit der Anwendung von Elektrozäunen gerechnet werden kann, nicht weniger als 500 Ohm beträgt.“
(In einem späteren Bulletin of Research werden dieselben Daten von Karl Geiges verwendet, um das berüchtigte Ableitstrommessgerät zu entwickeln. Ich werde Geiges‘ Arbeit in einer späteren Ausgabe besprechen.)
Spannung
Whitaker musste zwei Faktoren in Bezug auf die Spannung bestimmen:
- Wenn der Ausgangsstrom begrenzt ist, muss dann die Leerlaufspannung kontrolliert werden?
- Wenn der Ausgangsstrom nicht begrenzt ist, wie hoch ist dann die maximale Leerlaufspannung?
Whitaker stellte fest, dass die maximale sichere Spannung (von einer Spannungsquelle, bei der der Ausgangsstrom nicht begrenzt ist) diejenige Spannung ist, die keine Körperverletzungen verursacht und es der Person ermöglicht, sich vom Zaun zu befreien.
Whitaker berichtet von einer Reihe von Tests, die 1930 mit UL-Mitarbeitern durchgeführt wurden und bei denen übrigens die Spannung aufgezeichnet wurde, die eine Person aushalten kann, ohne die Kontrolle über ihre Muskeln zu verlieren. Aus diesen Daten geht hervor, dass die Mindestspannung 20 Volt rms betrug.
Whitaker berichtet auch von Tests der International Harvester Co., bei denen die Spannung an einen mit Wasser gefüllten Eimer und an eine von der Testperson gehaltene Handelektrode angeschlossen wurde. Die Versuchsperson wurde dann aufgefordert, einen in den Eimer getauchten Gegenstand zu bergen. International Harvester stellte fest, dass die maximale Spannung zum Herausholen des Objekts zwischen 12 und 20 Volt lag.
Whitaker kam zu dem Schluss, dass „die Leerlaufspannung nicht begrenzt zu sein braucht, sofern das Gerät inhärente strombegrenzende Merkmale aufweist“
Wenn jedoch „keine inhärenten strombegrenzenden Merkmale in das Gerät eingebaut sind, sollte die maximale sichere Spannung … 12 Volt nicht überschreiten. Dies beruht auf der Theorie, dass ein Potential von 12 Volt oder weniger selten, wenn überhaupt, einen Zusammenbruch des Hautwiderstandes verursacht, der einen Stromfluss durch den Körper mit einer solchen Intensität ermöglicht, dass es zu einem Mangel an Muskelkontrolle oder zu körperlichen Schäden bei der Person kommt.“
FREQUENZ
Whitaker berichtet, dass „der Hauptunterschied in der physikalischen Wirkung von Gleichstrom im Gegensatz zu Wechselstrom darin besteht, dass der Gleichstrom keine Kontraktion der Muskeln in dem Ausmaß verursacht, wie dies bei Wechselstrom der Fall ist.“
Whitaker stellt auch fest, dass Kouwenhoven und d’Arsonval beide festgestellt haben, dass mit steigender Frequenz auch der Strom ansteigen muss, um die gleiche physiologische Wirkung zu erzielen.
Allerdings kommt Whitaker zu dem Schluss, dass „es derzeit keine Rechtfertigung dafür gibt, größere Stromwerte zuzulassen… unabhängig von der verwendeten Frequenz.“
STROM
Aus denselben Daten, aus denen Whitaker die maximale Spannung ermittelte, und aus anderen Daten ermittelte Whitaker, dass die Minimal- und Maximalwerte, bei denen Individuen die freiwillige Kontrolle über die Muskeln behalten, etwa 6 Milliampere bzw. 20 Milliampere betragen.
Whitaker untersuchte auch die Ergebnisse von Fibrillationsstromtests an Hunden und Schafen, da man davon ausging, dass die Herzen dieser Tiere genauso auf Reize reagieren wie die des Menschen. Aus den Tests an Schafen und weil Schafe ein ähnliches Körper- und Herzgewicht wie Menschen haben, stellte Whitaker fest, dass der minimale Flimmerstrom direkt proportional zum Körpergewicht und zum Herzgewicht ist.
Weitere Untersuchungen der Schaf-Testdaten zeigten, dass das Flimmern eine Funktion der Phase des Herzzyklus zum Zeitpunkt des Schocks und eine Funktion der Dauer des Schocks war. Whitaker stellte fest, dass für ein Flimmern bei einem Schock von 0,1 Sekunden Dauer der 10-fache Strom wie bei einem Schock von 3 Sekunden Dauer erforderlich war.
Whitaker zeichnete dann die 3-Sekunden-Fibrillationsströme für verschiedene ausgewachsene Tiere als Funktion des Körpergewichts und des Herzgewichts auf. Whitaker nahm dann an, dass der Minimalwert einer solchen Kurve den Menschen repräsentiert. Whitaker nahm ferner an, dass der minimale Fibrillationsstrom für verschiedene Körper- und Herzgewichte ein konstantes Verhältnis ist, vorausgesetzt, die Schockdauer entspricht demselben Prozentsatz des Herzzyklus und der Schock wird am selben Punkt des Herzzyklus eingeleitet.
Auf der Grundlage dieser Annahmen und Daten ermittelte Whitaker, dass der minimale 3-Sekunden-Fibrillationsstrom für 125 Pfund Körpergewicht 126 Milliampere und für 20 Pfund Körpergewicht 31 Milliampere beträgt. (
Auf der Grundlage dieser Zahlen ermittelte Whitaker das Verhältnis 31:126 für die minimalen Fibrillationsströme für Körpergewichte von 20 und 125 Pfund.
Auf der Grundlage dieses Verhältnisses und unter Berücksichtigung des prozentualen Anteils der Zeit für einen vollständigen Herzschlag, des Körpergewichts und des Herzgewichts konnte Whitaker eine „Abgeleitete Kurve der Kontaktzeit gegenüber dem minimalen Fibrillationsstrom für ein zweijähriges Kind“ konstruieren. Diese Kurve entsprach in etwa einer rechteckigen Hyperbel. Siehe Whitakers „Diagramm 3“ in Abbildung 3.
Abbildung 3
Als Nächstes setzte Whitaker willkürlich den maximalen Strom auf 65 Milliampere, die maximale Leistung auf 4 Milliampere-Sekunden und die maximale Einschaltdauer auf 0,2 Sekunden. Diese Kurve der „Kontaktzeit im Verhältnis zum zulässigen Strom“ lag um den Faktor 6 unter der Kurve des minimalen Fibrillierstroms. Siehe Whitakers „Diagramm 4“ in Abbildung 4.
Abbildung 4
Whitaker kam zu folgendem Schluss:
- der maximale sichere Dauerstrom beträgt 5 Milliampere, und
- die maximale Dauer eines Stroms sollte die 4-Milliampere-Sekunden-Kurve nicht überschreiten.
Ausschaltdauer
Zum Zeitpunkt von Whitakers Forschung lieferten Zaunsteuerungen aufeinander folgende Schocks in Abständen von etwa 1 Sekunde. Whitaker musste die minimale „Aus“-Periode bestimmen, die es einer Person ermöglichen würde, sich vom Zaun zu befreien.
UL führte Tests durch, bei denen einer Person plötzlich eine Spannung auferlegt und die Zeit bis zum Loslassen aufgezeichnet wurde. Dieser Test wurde als „unwillkürliche“ Reaktion betrachtet. Whitaker stellte fest, dass die Zeit bis zur Wahrnehmung der Empfindung umgekehrt proportional zur Intensität des Reizes ist.
Whitaker untersuchte auch andere Reaktionszeittests. Die meisten dieser anderen Testdaten betrafen „freiwillige“ Reaktionen auf Reize wie Berührung, visuelle oder auditive Reize. Whitaker stellte auch fest, dass die mit Gleichstrom verbundene Muskelkontraktion dazu neigte, das Opfer vom Leiter zu werfen, während die mit Wechselstrom verbundene Muskelkontraktion dazu neigte, nicht losgelassen werden zu können.
Daraus schloss Whitaker, dass die „Aus“-Periode für Wechselstrom-Steuergeräte 0.90 Sekunden und für Gleichstrom-Steuergeräte 0,75 Sekunden betragen sollte.
SCHRECKEN
Whitaker untersuchte auch, ob der Schreck, der durch den versehentlichen Kontakt mit einem „sicheren“ Zaun entsteht, das Herz beeinträchtigen oder Herzflimmern auslösen könnte. Die von ihm befragten Mediziner waren nicht in der Lage, ein solches Ereignis vorherzusagen. Eine Autorität ging sogar so weit zu sagen, dass ein so schwacher Schock weder Angst noch Überraschung auslösen kann.
Ich bin der Meinung, dass man aus Whitakers Arbeit einige Lehren ziehen kann. Erstens konzentrierte sich Whitaker auf die verschiedenen Verletzungen, die durch Stromschläge verursacht werden, und nicht auf die Einhaltung von Normen. Damals gab es natürlich noch keine Normen. Wenn wir heute eine neue Sicherheitssituation analysieren, scheinen wir dies eher mit Bezug auf eine Norm als auf die Verletzung zu tun.
Zweitens führte Whitaker viele Messungen durch, verwendete aber nur die minimalen, im schlimmsten Fall gefundenen Werte. Diese Art von Pessimismus ist auf dem Gebiet der Sicherheit wirklich notwendig. Ich denke, dass wir zu oft dazu neigen, Wahrscheinlichkeits- und Normalverteilungen zu verwenden, anstatt Worst-Case-Werte.
Drittens trifft Whitaker viele Annahmen und willkürliche Entscheidungen, insbesondere in Bezug auf Tiere, die Menschen repräsentieren. Ich schlage vor, dass wir uns vor Augen halten, dass die von Whitaker angegebenen Werte nicht präzise sind. Viele andere Werte, die wir im Bereich der Sicherheit verwenden, sind ebenfalls unpräzise, aber wir behandeln sie so, als wären sie präzise.
Schließlich stelle ich fest, dass wir solche Forschung nicht mehr betreiben. Ein Kollege, J. F. Kalbach, hat den Begriff BOGSAT geprägt, was „Bunch Of Guys Sitting Around Talking“ bedeutet, um zu beschreiben, wie eine bestimmte Kurve einmal entwickelt wurde. Es gab keine technische oder physikalische Grundlage für diese Kurve. Sie war rein willkürlich. Ich würde behaupten, dass unsere Sicherheitsstandards zu viele Anforderungen aus dem BOGSAT-Prozess enthalten.
HINWEISE
Jim Pierce, ETL Testing Laboratories, legte mir eine Kopie dieses UL Bulletins auf den Schreibtisch und fragte mich, ob ich es gelesen hätte. Ich hatte das Bulletin schon vor vielen Jahren gesehen und gelesen, und so lag das Exemplar viele Monate lang auf meinem Schreibtisch. Schließlich nahm ich es in die Hand und begann zu lesen. Ich war beeindruckt von dem Werk und dachte, ich würde es für Sie rezensieren.
Ich möchte mich auch bei Henry Jones, einem Berater für Produktsicherheit, für seine Kommentare zu Elektrozäunen bedanken. Dank auch an Tim Kramer von der Hewlett-Packard Company für die Erstellung der Histogramme des Körperwiderstands.
Richard Nute ist Berater für Produktsicherheit und beschäftigt sich mit Sicherheitsdesign, Sicherheitsherstellung, Sicherheitszertifizierung, Sicherheitsstandards und forensischen Untersuchungen.
Foto von Tomás Fano 