Underwriters Laboratories a efectuat cercetări de bază în domeniul siguranței și a publicat rezultatele acestor cercetări într-o serie de „Buletine de cercetare”. Au fost publicate cel puțin 58 de buletine referitoare la incendii, explozii și șocuri electrice. Unul dintre aceste buletine, „Electric Shock as it Pertains to the Electric Fence”, este un document clasic în domeniul siguranței produselor. Cercetările au fost efectuate în perioada 1936-1939 de către Baron Whitaker, un inginer electrician asistent la UL. Whitaker a urcat în cele din urmă la președinția UL.
Cercetarea lui Whitaker este valabilă și astăzi. În timp ce cercetări similare au fost efectuate în sprijinul publicațiilor moderne ale IEC, astfel de cercetări sunt de obicei publicate doar în documentele comitetelor IEC și sunt de obicei foarte concentrate spre standardul sau raportul specific pe care IEC încearcă să îl scrie.
Acest Buletin UL de cercetare privind gardul electric conține multe informații care se aplică la mult mai mult decât la gardul electric. Acesta este motivul pentru care este o lucrare clasică.
INTRODUCERE
Whitaker își introduce cercetarea prin descrierea gardului electric: „Una dintre cele mai recente și mai noi aplicații ale electricității în zonele rurale din zilele noastre este gardul electric. Din punct de vedere fizic, gardul electric diferă de tipul convențional de gard din sârmă ghimpată sau din sârmă țesută prin faptul că este de construcție mai simplă (având de obicei o singură sârmă) și nu necesită rezistența mecanică sau stabilitatea tipurilor mai vechi. Din punct de vedere funcțional, este diferit prin faptul că controlează animalele prin intermediul fricii, mai degrabă decât prin forță sau prin provocarea durerii. Gardul electric este compus din două părți distincte, și anume, firul de gard și regulatorul electric care furnizează energia electrică firului de gard.”
SCOPUL ȘI CONDIȚIILE
Whitaker a studiat rapoartele de accidente cu garduri electrice care implică atât rănirea prin șoc electric, cât și moartea cauzată de șocul electric. Pe baza studiului său, el și-a delimitat cercetările afirmând că gardul electric ar trebui să fie sigur pentru un copil de doi ani, „…desculț, stând într-o baltă de apă sau noroi și căzând peste sau apucând sârma cu două mâini ude sau transpirate, sârma, în măsura în care copilul știe, fiind o sârmă de gard obișnuită neelectrificată.”
(Anecdotic, un coleg, a cărui casă este o fermă și folosește garduri electrice, a raportat că acestea au fost condițiile în care soția sa și-a salvat fiica!)
În aceste condiții, Whitaker a vrut să determine valoarea maximă a curentului, atât pentru c.a., cât și pentru c.c., frecvența și durata care „poate fi considerată ca nefiind periculoasă pentru viața umană”.”
Whitaker a întreprins să determine valorile pentru:
- Rezistența electrică a corpului
- Tensiunea de siguranță în circuit deschis
- Efectele curentului continuu, curentului continuu întrerupt, curentului alternativ, și frecvența curentului alternativ
- Curentul și durata maximă care nu provoacă vătămări corporale
- Timp minim de deconectare
NATURA ȘOCULUI ELECTRIC
Whitaker a cercetat diferitele cauze ale morții cauzate de energia electrică. El a găsit cinci cauze diferite:
- Paralizia mușchilor respiratori, producând moartea prin asfixie
- Hemoragie, produsă de creșterea presiunii sanguine în timpul trecerii curentului electric
- Insuficiență cardiacă, produsă de fibrilația ventriculară
- Insuficiență respiratorie, produsă de inhibiții nervoase sau de leziuni reale ale sistemului nervos
- Arderi ale pielii și ale cărnii, cu complicațiile rezultate
Cercetarea lui Whitaker a fost orientată spre prevenirea uneia sau mai multor leziuni de acest tip. El nu se ocupa de prevenirea senzațiilor sau de prevenirea acțiunilor reflexe, așa cum se întâmplă în cazul produselor de astăzi. Mai mult, producătorii de garduri electrice susțineau că un gard eficient ar trebui să furnizeze un curent suficient pentru a provoca contracția musculară și că perioada de „oprire” ar trebui să fie cât mai scurtă posibil.
REZISTENȚA ELECTRICĂ A CORPULUI
Whitaker își începe analiza rezistenței corporale cu afirmația: „Necesară pentru stabilirea caracteristicilor de funcționare sigură a regulatoarelor de garduri electrice este luarea în considerare a corpului uman ca un conductor de electricitate.”
Whitaker a inițiat o serie de teste la UL pentru a măsura rezistența corporală. Whitaker afirmă că „pielea exterioară… oferă cea mai mare rezistență…” și că voltajul ridicat al unui controler de gard rupe rezistența pielii. Dar, Whitaker nu a putut aplica o tensiune înaltă, la un curent nelimitat, subiecților săi pentru a „sparge” rezistența pielii. Prin urmare, experimentele lui Whitaker au inclus umezirea mâinilor și picioarelor subiecților săi cu o soluție de clorură de sodiu de 20%.
Cu o suprafață constantă, o presiune constantă și mâinile umede, Whitaker a constatat că rezistența corpului era independentă de curent, atunci când curentul era cuprins între 1 și 15 miliamperi.
Stabilimentul de testare al lui Whitaker a fost alcătuit dintr-o sursă de curent continuu de 12 volți (celule uscate), un potențiometru, un voltmetru și un ampermetru. Electrozii de mână au fost fire AWG nr. 10. Electrodul de picior a fost o placă de cupru pătrată de 14 inci. Potențiometrul a fost reglat la 5 miliamperi pentru adulți și la 1 miliamperiu pentru copii. Tensiunea la nivelul subiectului a fost măsurată, iar rezistența a fost calculată.
Whitaker a măsurat 40 de adulți și 47 de copii (cu vârste cuprinse între 3 și 15 ani). El a constatat că, în cazul adulților, „nu există tendințe sau relații între rezistența corporală a indivizilor și sexul, vârsta, înălțimea sau greutatea lor”. Am furnizat histogramele diferitelor măsurători ale lui Whitaker în figurile 1 și 2.
Figura 1
Figura 2
Din aceste date, el a concluzionat că „cea mai mică rezistență corporală care ar putea fi luată în considerare în legătură cu aplicarea gardului electric nu ar fi mai mică de 500 ohmi.”
(Într-un buletin de cercetare ulterior, aceleași date sunt folosite de Karl Geiges pentru a dezvolta infamul contor de curent de scurgere. Voi trece în revistă munca lui Geiges într-un număr viitor.)
VOLTAJ
Whitaker trebuia să determine doi factori în ceea ce privește tensiunea:
- Dacă curentul de ieșire este limitat, trebuie controlată tensiunea la circuit deschis?
- Dacă curentul de ieșire nu este limitat, care este tensiunea maximă la circuit deschis?
Whitaker a determinat că tensiunea maximă de siguranță (de la o sursă de tensiune la care curentul de ieșire nu este limitat) ar fi acea tensiune care nu provoacă vătămări corporale și care permite individului să se elibereze din gard.
Whitaker raportează o serie de teste, efectuate pe personalul UL în 1930, care, întâmplător, a înregistrat tensiunea pe care o poate suporta un individ și care, în continuare, are controlul voluntar al mușchilor săi. Din aceste date, tensiunea minimă a fost de 20 volți rms.
Whitaker raportează, de asemenea, teste efectuate de International Harvester Co. în care tensiunea a fost conectată la o găleată plină cu apă și la un electrod de mână ținut de subiect. Subiectului i s-a cerut apoi să recupereze un obiect scufundat în găleată. International Harvester a constatat că tensiunea maximă pentru recuperarea obiectului a fost cuprinsă între 12 și 20 de volți.
Whitaker a concluzionat că „tensiunea de circuit deschis nu trebuie să fie limitată, cu condiția ca dispozitivul să încorporeze caracteristici inerente de limitare a curentului.”
Cu toate acestea, „în cazul în care în dispozitiv nu sunt încorporate caracteristici inerente de limitare a curentului, tensiunea maximă de siguranță… nu trebuie să depășească 12.”. Acest lucru se bazează pe teoria conform căreia un potențial de 12 volți sau mai puțin va provoca rareori, sau chiar niciodată, o ruptură a rezistenței pielii suficientă pentru a permite un flux de curent prin corp de o asemenea intensitate încât să provoace lipsa controlului muscular sau vătămarea fizică a persoanei.”
FRECVENȚA
Whitaker raportează că „principala diferență în efectul fizic al curentului continuu, spre deosebire de cel alternativ, este că curentul continuu nu provoacă contracția mușchilor în măsura asociată cu curentul alternativ.”
Whitaker notează, de asemenea, că atât Kouwenhoven cât și d’Arsonval au constatat că pe măsură ce crește frecvența, curentul trebuie, de asemenea, să crească pentru a avea același efect fiziologic.
Cu toate acestea, Whitaker concluzionează că „nu există nici o justificare actuală pentru a permite valori mai mari ale curentului… indiferent de frecvența folosită.”
CURENT
Din aceleași date în care Whitaker a determinat tensiunea maximă și din alte date, Whitaker a determinat că valorile minime și maxime la care indivizii își păstrează controlul voluntar al mușchilor sunt de aproximativ 6 miliamperi și, respectiv, 20 de miliamperi.
Whitaker a studiat, de asemenea, rezultatele testelor cu curent de fibrilație pe câini și oi, deoarece se considera că inimile acestor animale au același răspuns la stimuli ca și cele ale oamenilor. Din testele efectuate pe oi și pentru că oile au o greutate corporală și cardiacă asemănătoare cu cea a oamenilor, Whitaker a determinat că curentul minim de fibrilație este direct proporțional cu greutatea corporală și cu greutatea inimii.
Studiul ulterior al datelor testelor pe oi a arătat că fibrilația era o funcție a fazei ciclului cardiac în momentul în care se producea șocul și o funcție a duratei șocului. Whitaker a constatat că fibrilația pentru un șoc cu durata de 0,1 secunde, a necesitat un curent de 10 ori mai mare decât pentru un șoc cu durata de 3 secunde.
Whitaker a trasat apoi curenții de fibrilație de 3 secunde pentru diferite animale adulte în funcție de greutatea corporală și de greutatea inimii. Whitaker a presupus apoi că valoarea minimă a unei astfel de curbe reprezintă omul. Whitaker a mai presupus că valoarea minimă a curentului de fibrilație pentru diferite greutăți corporale și cardiace este un raport constant, cu condiția ca durata șocului să fie același procent din ciclul cardiac, iar șocul să fie inițiat în același punct al ciclului cardiac.
Utilizând aceste ipoteze și date, Whitaker a determinat că valoarea minimă a curentului de fibrilație de 3 secunde pentru o greutate corporală de 125 de kilograme este de 126 miliamperi, iar pentru o greutate corporală de 20 de kilograme este de 31 miliamperi. (Douăzeci de lire sterline este considerată greutatea medie a unui copil de doi ani.)
Utilizând aceste cifre, Whitaker a determinat raportul 31:126 pentru curenții minimi de fibrilație pentru greutățile corporale de 20 și 125 de lire sterline.
Utilizând acest raport și ținând cont de procentul de timp pentru o bătaie completă a inimii, pentru greutatea corporală și pentru greutatea inimii, Whitaker a putut construi o „Curbă derivată a timpului de contact în funcție de curentul minim de fibrilație pentru un copil de doi ani”. Această curbă se apropia de o hiperbolă dreptunghiulară. A se vedea „Graficul 3” al lui Whitaker în figura 3.
Figura 3
În continuare, Whitaker a stabilit în mod arbitrar curentul maxim la 65 miliamperi, ieșirea maximă la 4 miliamperi-secundă, iar perioada maximă de „pornire” la 0,2 secunde. Această curbă „Timp de contact în funcție de curentul admisibil” a fost cu un factor de 6 mai mică decât curba curentului minim de fibrilație. A se vedea „Graficul 4” al lui Whitaker din figura 4.
Figura 4
Whitaker a concluzionat că:
- curentul continuu maxim de siguranță este de 5 miliamperi, iar
- durata maximă a oricărui curent nu trebuie să depășească curba de 4 miliamperi-secundă.
Perioada de dezactivare
În momentul cercetărilor lui Whitaker, controlorii de garduri furnizau șocuri succesive la intervale de aproximativ 1 secundă. Whitaker trebuia să determine perioada minimă de „dezactivare” care ar permite unui individ să se elibereze de gard.
UL a efectuat teste în care o tensiune a fost imprimată brusc unui individ, iar timpul până la eliberare a fost înregistrat. Acest test a fost considerat o reacție „involuntară”. Whitaker a observat că timpul de percepere a senzației este invers proporțional cu intensitatea stimulului.
Whitaker a studiat și alte teste de timp de reacție. Cele mai multe dintre datele acestor alte teste au fost pentru reacții „voluntare” la stimuli precum cel tactil, vizual sau auditiv. Whitaker a observat, de asemenea, că contracția musculară asociată cu dc tindea să arunce victima de pe conductor, în timp ce contracția musculară asociată cu ac tindea să fie imposibil de lăsat să plece.
De aceea, Whitaker a concluzionat că perioada de „oprire” pentru controlorii ac ar trebui să fie 0.90 de secunde, iar pentru controlorii de c.c. ar trebui să fie de 0,75 secunde.
FRIGHT
Whitaker a investigat, de asemenea, dacă spaima generată de contactul neintenționat cu un gard „sigur” ar putea afecta negativ inima sau declanșa fibrilația. Autoritățile medicale pe care le-a consultat nu au fost în măsură să prezică un astfel de eveniment. O autoritate a mers chiar atât de departe încât a spus că un șoc atât de slab nu era capabil să provoace nici spaimă, nici surpriză.
Suger că există câteva lecții care pot fi învățate din munca lui Whitaker. În primul rând, Whitaker s-a concentrat pe diferitele leziuni cauzate de șocurile electrice mai degrabă decât pe respectarea standardelor. Desigur, nu existau standarde la acea vreme. Astăzi, când analizăm o nouă situație de siguranță, se pare că o facem mai degrabă cu referire la un standard decât la vătămare.
În al doilea rând, Whitaker a făcut o mulțime de măsurători, dar a folosit doar valorile minime, cele mai rele cazuri găsite. Acest tip de pesimism este cu adevărat necesar în domeniul siguranței. Cred că prea des avem tendința de a folosi probabilitatea și distribuțiile normale mai degrabă decât valorile din cel mai rău caz.
În al treilea rând, Whitaker face o mulțime de presupuneri și decizii arbitrare, în special în ceea ce privește animalele care reprezintă oamenii. Sugerez că trebuie să ținem cont de faptul că valorile prezentate de Whitaker nu sunt precise. Multe alte valori pe care le folosim în domeniul siguranței sunt la fel de imprecise, dar le tratăm ca și cum ar fi precise.
În sfârșit, constat că nu mai facem astfel de cercetări. Un coleg, J. F. Kalbach, a inventat un termen, BOGSAT, însemnând „Bunch Of Guys Sitting Around Talking” (o grămadă de tipi care stau de vorbă) pentru a descrie modul în care a fost dezvoltată cândva o anumită curbă. Nu exista nicio bază inginerească sau fizică pentru această curbă. Pur și simplu arbitrară. Aș sugera că standardele noastre de siguranță conțin prea multe cerințe din procesul BOGSAT.
RECUNOȘTINȚE
Jim Pierce, ETL Testing Laboratories, a lăsat o copie a acestui buletin UL pe biroul meu, întrebându-mă dacă l-am citit. Văzusem și citisem buletinul cu mulți ani în urmă, așa că exemplarul a stat pe biroul meu timp de mai multe luni. În cele din urmă, am luat-o și am început să o citesc. Am fost impresionat de lucrare și m-am gândit să o recenzez pentru dumneavoastră.
Doresc, de asemenea, să-i mulțumesc lui Henry Jones, un consultant în domeniul siguranței produselor, pentru comentariile sale privind gardurile electrice. Mulțumesc, de asemenea, lui Tim Kramer de la Hewlett-Packard Company pentru pregătirea histogramelor de rezistență corporală.
Richard Nute este consultant în domeniul siguranței produselor, implicat în proiectarea siguranței, fabricarea siguranței, certificarea siguranței, standarde de siguranță și investigații criminalistice.
Fotografie de Tomás Fano 