BG BAU Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft

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2 Gefahren durch elektrischen Strom

Beim Lichtbogenschweißen steht der elektrische Strom als Gefahr an erster Stelle. Das leuchtet vielleicht nicht sofort ein, denn jeder hat mit elektrischen Geräten sowohl zu Hause als auch am Arbeitsplatz zu tun, ohne dass ständig die Gefahr des elektrischen Stromes betont wird. Hier besteht jedoch ein wichtiger Unterschied.

Bei Elektrowerkzeugen dient elektrischer Strom dazu, mit Motoren mechanische Bewegungen oder mit Heizelementen Wärme zu erzeugen. Alle unter elektrischer Spannung stehenden Teile sind gegen Berühren geschützt und es besteht, solange das Gerät ohne Fehler ist, keine Möglichkeit, unter Spannung stehende Teile zu berühren.

Beim Lichtbogenschweißen dagegen kann die Schweißspannung leicht zur Berührungsspannung werden, wenn z. B. Elektrode und Werkstück gleichzeitig berührt werden, denn hierbei wird der Strom im Lichtbogen unmittelbar als "Werkzeug" benutzt.

Im Schweißstromkreis bestehen deshalb für einige unter Spannung stehende Teile Ausnahmen von der Grundforderung des Berührungsschutzes, z. B. für:

  • Stabelektroden
  • Kontaktflächen des Elektrodenhalters
  • Düsenvorderteil und Elektrode am Schweißbrenner
  • Anschlussvorrichtung am Werkstück für die Schweißstromrückleitung
  • Werkstücke
  • Schweißvorrichtungen, Schweißtische, Zulagen

Der elektrische Unfall hat die Besonderheit, dass er sofort zum Tode führt, irreversible Schädigungen verursacht oder – wie beim elektrischen Schlag – bleibende Folgen nicht hinterlässt und deshalb oft gar nicht als Unfall angesehen wird. Schon leichte elektrische Schläge sind deshalb wichtige Hinweise. Im Wissen um die Gefahr des elektrischen Stromes sollten solche Hinweise immer ernst genommen werden und dazu führen, eine Situation, die zu einem elektrischen Schlag geführt hat, zu untersuchen und Missstände zu beseitigen. Oft hängt es nur von Zufällen ab, ob es zu einem tödlichen Unfall oder "nur" zu einem elektrischen Schlag kommt.



2.1 Wirkung des elektrischen Stromes auf den Menschen

Netzspannung von 230/400 Volt kann bekanntlich zu tödlichen Unfällen führen. Aber auch die fälschlich für ungefährlich gehaltene Schweißspannung führt immer wieder zu elektrischen Unfällen. Wie kann es dazu kommen?

Die Steuerung der menschlichen Lebensfunktionen erfolgt durch körpereigene kleinste elektrische Ströme. Diese Vorgänge können durch von außen dem Körper zugeführte Ströme gestört werden. Das Herz hat ein eigenes Steuerungssystem und ist gegen elektrische Ströme von außen besonders empfindlich.

Bei genügend großem Stromfluss verkrampft ein Muskel. Handelt es sich dabei um die Muskeln in einer Hand, so kann man einen erfassten Gegenstand nicht mehr loslassen. Ist der Brustkorb betroffen, so tritt Atemstillstand ein. Am Herzen kann Herzstillstand ausgelöst werden oder der geregelte Ablauf der einzelnen Herzmuskelbewegungen wird durcheinander gebracht, sodass eine ungeordnete Bewegung ohne Pumpwirkung entsteht – das Herzkammerflimmern.

Die Wirkung des elektrischen Stromes hängt ab:

  • von der Stromstärke
  • vom Weg des Stromes im Körper
  • von der Einwirkdauer
  • von der Frequenz

Bei Wechselstrom verkrampfen Muskeln schon bei geringen Stromstärken ab etwa 10/1000 Ampere = 0,01 A = 10 mA.



2.1.1 Ermittlung der Stromstärke beim Stromfluss durch den Menschen

Ein Strom l kann nur fließen, wenn eine Spannung U ihn durch einen Widerstand R treibt.

Die Verknüpfung dieser drei Größen drückt das ohmsche Gesetz aus:

I =  U
R

Der Strom fließt umso stärker durch den Widerstand, je größer die Spannung bei unverändertem Widerstand ist oder je kleiner der Widerstand bei unveränderter Spannung ist. Entscheidend für die Größe des Stromes sind also Spannung und die Größe des zu durchfließenden Widerstandes. Dieser Widerstand setzt sich aus der Summe aller Einzelwiderstände des Stromkreises zusammen. Das sind z. B. beim Lichtbogenhandschweißen folgende Widerstände:

  • Schweißstromquelle
  • Schweißstromleitungen
  • Elektrodenhalter
  • Elektrode
  • Werkstück
  • Kleidung, z. B. Schuhe, Arbeitsanzug, Handschuhe
  • Mensch, z. B. Haut, Körper
  • Übergänge von einem Material zum anderen

Der Widerstand der für die Fortleitung des Schweißstromes vorgesehenen Leiter ist gering. Für die Sicherheit des Schweißers sind deshalb zunächst nur

  • der Widerstand der Kleidung und
  • der Widerstand des Schweißers

von Bedeutung. Ihr Isolationswert kann von "ausreichend hoch" bis "lebensgefährlich niedrig" schwanken.

Der elektrische Widerstand von Bekleidungsstücken ist sehr unterschiedlich. Unbeschädigtes trockenes Schuhwerk mit Gummisohlen hat einen Widerstand von etwa 10 000 Ohm und ist eine ausreichende Isolation gegen eine leitfähige Standfläche. Nasse oder durchschwitzte Kleidung dagegen ist elektrisch leitfähig und hat fast keinen Widerstand. Eine auch unter schwierigen Verhältnissen sicher isolierende Arbeitskleidung mit brauchbaren Trageeigenschaften gibt es nicht!

Der elektrische
Widerstand des Menschen hängt

  • vom Stromweg
  • vom Zustand der Haut, z. B. trocken oder feucht, unverletzt oder verletzt
  • von der Größe der Spannung
  • von der Frequenz

ab und setzt sich aus Körperinnenwiderstand und Hautwiderstand zusammen.

Der Körperwiderstand beträgt ca. 1000 Ohm. Der Innenwiderstand je Arm oder Bein beträgt ca. 500 Ohm.

Damit ergibt sich überschlägig

  • bei Längsdurchströmung (Bild 2-1)
    Hand – Fuß       ca. 1000 Ohm
    Hand – Füße     ca.   750 Ohm
    Hände – Füße   ca.   500 Ohm
  • bei Querdurchströmung (Bild 2-2)
    Hand – Hand     ca. 1000 Ohm
  • bei Teildurchströmung
    Hand – Rumpf     ca. 500 Ohm
    Hände – Rumpf     ca. 250 Ohm

Mit diesen Werten und mit der Berührungsspannung, die in der Mehrzahl der Fälle bekannt ist, kann die Stromstärke abgeschätzt werden, z. B.

  • für den Stromweg Hand – Hand mit einem Widerstand von 1000 Ohm ergibt sich bei einer Berührungsspannung von 80 Volt die Stromstärke:
I =  U  =  80  =  0,080 Ampere = 80 mA
R 1000

 

Bild 2-1: Elektrische Längsdurchströmung

Bild 2-1: Elektrische Längsdurchströmung



Bild 2-2: Elektrische Querdurchströmung

Bild 2-2: Elektrische Querdurchströmung



2.1.2 Physiologische Wirkungen des Stromflusses

Der Stromweg im menschlichen Körper hat durch seine Länge Einfluss auf den Widerstand und damit auf die fließende Stromstärke. Vom Weg des Stromes im menschlichen Körper hängt auch der Anteil des Stromes entscheidend ab, der durch die Atemmuskulatur oder das Herz fließt. Die Größe dieses Stromanteiles und die Stromeinwirkungsdauer sind ausschlaggebend für die Reaktion von Atmung und Herzfunktion.

Zwischen der Größe des für den menschlichen Körper noch ungefährlichen Stromes und der Dauer seiner Einwirkung besteht eine Beziehung, die nicht geradlinig verläuft: Bei kurzen Einwirkzeiten bleiben vergleichsweise größere Stromstärken ohne schädliche Auswirkung als bei längerer Einwirkdauer.

Körperreaktion im Zeit-Stromdiagramm der AC

Bild 2-3: Zeit-Stromstärke-Abhängigkeit der Auswirkungen von Wechselstrom

Bild 2-3: Zeit-Stromstärke-Abhängigkeit der Auswirkungen von Wechselstrom im Frequenzbereich von 15 bis 100 Hz bei Körperdurchströmung nach IEC/CEI-Publikation 479: Längsdurchströmung – Diagramm in Anlehnung an VDE V 0140-479-1 –

Schon bei Stromstärken unterhalb der Loslassgrenze können Schreckreaktionen zu Sekundärunfällen, beispielsweise durch Sturz oder Fall, führen (vergleiche Abschnitt 2.2). In diesem Stromstärkebereich wäre theoretisch eine beliebig lange Einwirkdauer noch ungefährlich. Bei Stromstärken oberhalb der Loslassgrenze stellt das Erreichen der Flimmerschwelle des Herzens den kritischen Wert dar. Es lassen sich Zeit-Stromstärke-Kurven erstellen, die auch die Schwelle für das Auftreten von Herzkammerflimmern angeben.

Die Zeit-Stromstärke-Abhängigkeit für das Herzkammerflimmern steht in engerem Zusammenhang mit den Erregungsabläufen im Herzen. Herzkammerflimmern ist dann auslösbar, wenn der Strom in die Phase der Erregungsrückbildung fällt. In dieser Phase ist ein größerer Verband von Herzmuskeln in einem ungleich arbeitenden Erregungszustand. Bei Einwirkung eines genügend großen Stromes ist dann die Entstehung des Herzkammerflimmerns möglich (Bild 2-3).

Bei Quer- und Teildurchströmungen ist zu berücksichtigen, dass das Herz mehr oder weniger im Nebenschluss liegt. Man führt daher die Quer- oder Teildurchströmung mittels Stromwegfaktoren kH nach Sam auf eine für das Herz wirkungsgleiche Längsdurchströmung zurück. Dabei ist die tatsächliche Stromstärke mit dem jeweils zugehörigen Faktor kH zu multiplizieren.

Gleichstrom ist keinesfalls ungefährlich. Er wirkt aber bei gleicher Stromstärke weniger stark auf den Menschen als Wechselstrom. Das liegt daran, dass Muskelreizungen durch Stromänderungen hervorgerufen werden. Bei reinem Gleichstrom finden solche Stromänderungen nur beim Schließen und Öffnen des Stromkreises statt.

Der Gleichspannung aus Schweißstromquellen ist, je nach Art der Stromquelle, eine Wechselspannung überlagert. Bei einer Mischspannung üben Gleichspannung und Wechselspannung ihre Wirkung entsprechend ihrem Anteil aus.



2.2 Sekundärwirkungen des elektrischen Stromes

Eine elektrische Durchströmung kann dem Menschen auch indirekt schaden, wenn er beispielsweise durch einen elektrischen Schlag sein Gleichgewicht verliert und stürzt. Welche Folgen Sturzunfälle haben können, braucht hier nicht erörtert zu werden.



2.3 Vagabundierende Schweißströme

Nicht nur dem Menschen kann ein unbeabsichtigter Stromfluss schaden. Auch Bauteile und Leitungen, die für den Schweißstrom nicht vorgesehen sind, können durch vagabundierende Schweißströme gefährdet werden.

Besonders gefährdet sind z. B. Schutzleiter, leitfähige Trag- und Anschlagmittel. Vagabundierende Schweißströme können z. B. auftreten, wenn die Werkstücke geerdet sind oder während des Schweißens mit Elektrowerkzeugen der Schutzklasse l (mit Schutzleiteranschluss) in Berührung kommen und Fehler im Schweißstromkreis vorliegen (Bild 2-4).

Solche Fehler können z. B. sein: fehlender Schweißstromrückleitungsanschluss am Werkstück, nicht isoliertes Ablegen von Stabelektrodenhaltern und Lichtbogenbrennern (Bilder 2-5, 2-6, 2-7).

Bild 2-4: Elektrowerkzeuge der Schutzklasse l

Bild 2-4: Elektrowerkzeuge der Schutzklasse l
(mit Schutzleiteranschluss) auf Schweißwerkstücken



Bild 2-7

Bild 2-5: Wenn irrtümlich am Werkstück II zu schweißen begonnen wird, ohne die Schweißstromrückleitung von Werkstück I auf Werkstück II umzuklemmen, fließt der gesamte Schweißstrom über die Schutzleiter der beiden Elektrowerkzeuge und kann die Schutzleiter durchschmelzen.
Der Weg des vagabundierenden Schweißstromes ist punktiert.



Bild 2-6

Bild 2-6: Wenn der Elektrodenhalter mit eingespannter Stabelektrode unzulässig nicht isoliert auf der Schweißstromquelle abgelegt wird, können durch den Schweißstrom die Schutzleiter von Elektrowerkzeug und Schweißstromquelle durchbrennen.
Der Weg des vagabundierenden Schweißstromes ist punktiert.



Bild 2-10



Bild 2-7: Beim nicht isolierten Ablegen des Stabelektrodenhalters auf die Schweißstromquelle kann deren Schutzleiter auch dann durchschmelzen, wenn das Werkstück oder der Schweißtisch auch ohne Elektrowerkzeug eine Erdverbindung besitzt.
Der Weg des vagabundierenden Schweißstromes ist punktiert.

 

Webcode: M1522-4