Negli ultimi anni, le conoscenze sulla natura degli archi elettrici accidentali e sul loro potenziale impatto sugli operatori hanno registrato significativi progressi. Migliaia di lavoratori sono potenzialmente a rischio, per esempio quelli che lavorano in ambienti industriali come gli impianti chimici e le raffinerie, oltre ovviamente a chi lavora a contatto con l'elettricità nei servizi ecc.
Grazie ai lavori di Stoll e altri, il pericoloso effetto del calore radiante e convettivo sulla pelle è ben documentato e sono stati stabiliti i livelli di soglia prima dell'insorgere di ustioni di secondo grado. Sono stati sviluppati speciali sensori calorimetrici per riprodurre le reazioni della cute all'esposizione alle fiamme e registrare il livello di ustioni di secondo e terzo grado registrate durante la riproduzione di fiammate e archi elettrici in condizioni di laboratorio.
Conoscendo le condizioni (corrente, tensione, durata, ecc.) di un potenziale arco elettrico, è possibile stimare l'energia termica totale. Sono disponibili strumenti in grado di quantificare le prestazioni termiche nei confronti degli archi elettrici (Arc Thermal Performance Value, ATPV) di un sistema tessile per abbigliamento protettivo personale. Il livello di protezione deve essere proporzionato all'entità del rischio ed inoltre il sistema di abbigliamento protettivo scelto deve essere comodo e durare a lungo come richiede chi lo deve indossare.

L'ultimo decennio ha registrato importanti scoperte nella conoscenza della natura degli incidenti provocati dagli archi elettrici e dei pericoli per quanti si trovano nelle vicinanze. Oltre ai rischi più ovvi di elettrocuzione e di shock fisico, esiste un altro rischio, forse più insidioso, ossia l'effetto termico prodotto dall'arco elettrico. Insidioso perché l'evento genera una grande quantità di energia termica radiante che, invisibile agli occhi, può avere gravi conseguenze, anche fatali, per le ustioni di secondo o terzo grado sulla cute.

Un arco elettrico è, per definizione, un fenomeno accidentale e quindi inaspettato. In confronto a una fiammata improvisa, fenomeno più comune, l'arco elettrico è un evento piuttosto breve, che in genere non dura oltre un secondo perchè gli interruttori di sicurezza interrompono il circuito appena si verifica l'incidente. L'energia generata dall'arco elettrico puù essere fino a tre o quattro volte superiore a quella di una forte fiammata improvisa ed è proprio questa concentrazione di energia in un cosè breve lasso di tempo che puù avere effetti fatali sui lavoratori che si trovano nelle vicinanze. Un'altra significativa differenza è che una fiammata è visibile, a causa delle fiamme appunto, e l'energia termica è per il 50% circa di tipo convettivo (le fiamme) e per il restante 50% radiante. Nel caso di un arco elettrico, l'energia radiante può raggiungere il 90% e si possono quindi avere ustioni severe anche se l'evento è accompagnato da poca o da nessuna fiamma.
L'energia prodotta dall'arco elettrico può incendiare gli indumenti oppure scioglierli o romperli, provocando gravi ustioni alla pelle. Le ustioni sono classificate in tre categorie. Quelle di 1¡ grado provocano dolore, la cute diventa rossa ma non presenta segni di pustole; le ustioni di 2° grado causano pustole alla cute e l'epidermide deve rigenerarsi; infine le ustioni di 3° grado provocano un degrado completo dell'epidermide e la cute non può rigenerarsi, con conseguente formazione di cicatrici.
La maggior parte dei paesi europei registra il numero di archi elettrici accidentali che si verificano ogni anno, il tipo di installazione in cui si sono manifestati e le condizioni elettriche, compresa la tensione dell'evento. Per esempio, nel 1997 in Svezia, paese in cui la consapevolezza dei rischi e le norme di sicurezza sono giù ad un livello molto elevato, si sono verificati 48 casi di arco elettrico, per un terzo in reti di distribuzione elettrica e per un altro terzo nell'industria manifatturiera. Quasi il 90% di questi incidenti si è verificato a bassa tensione (meno di 1.000 V) e oltre la metà ha avuto luogo in zone di commutazione, comprese le cassette di distribuzione. Nel Regno Unito, sono stati accertati negli ultimi 2 o 3 anni diversi incidenti con gravi ustioni anche mortali, a causa di urti a cavi sotterranei. Tra il 1987 e il 1998 sono state comunicate all'Health and Safety Executive 10 morti, 727 incidenti gravi e 1.197 casi di assenza per più di tre giorni. La maggior parte di questi incidenti ha riguardato cavi a bassa tensione. Nello stesso periodo, sono stati rilevati oltre 68.250 casi di danneggiamento di cavi durante lavori di scavo.
Nel caso di addetti che lavorano con l'alta tensione i rischi sono ben noti e si sono adottate misure di sicurezza come la dotazione di un adeguato equipaggiamento protettivo, mentre c'è molta meno consapevolezza dei rischi che corrono centinaia di migliaia di lavoratori nelle industrie di tutta Europa a causa degli incidenti per archi elettrici a bassa tensione che possono provocare ustioni di 2° e 3° grado. Vi sono compresi non solo i lavoratori dei servizi elettrici, ma anche gli addetti dell'industria chimica e petrolchimica, della distribuzione del gas e dell'acqua, delle raffinerie.
Il costo di un incidente da arco elettrico è stimato, in paesi diversi, in circa 0,5 milioni di marchi tedeschi, considerando i costi sanitari per le vittime dell'incidente, i giorni lavorativi persi, i danni alle attrezzature, i costi legali e i risarcimenti. é quindi molto conveniente per l'azienda valutare i rischi presen nei diversi ambienti di lavoro e fornire l'adeguato abbigliamento protettivo ai propri dipendenti. Questo è comunque richiesto dalla normativa europea "EC Directive 89/686" [1].
Occorre sottolineare che l'uso dell'equippaggiamento protettivo personale non può mai sostituire l'adozione di procedure operative sicure. L'obiettivo dovrebbe essere la completa rimozione della fonte di rischio e, di conseguenza, quando si parla di elettricità, è essenziale evitare di lavorare sotto tensione. Quando ciò non è possibile, occorre fornire agli addtti abbigliamento protettivo adeguato, scelto in base alla valutazione dei rischi di ogni ambiente di lavoro. L'obiettivo dell'abbigliamento protettivo dagli effetti termici dell'arco elettrico è di fornire all'operatore più tempo per allontanarsi dalla fonte di calore così da ridurre il livello delle ustioni e aumentare la possibilità di sopravvivenza.

Il lavoro effettuato da Stoll e Chianta negli anni '60 [2,3] ha aiutato a quantificare la risposta della pelle e dei tessuti umani alle fonti di energia termica. Quando i tessuti passano dalla temperatura normale del sangue di 36,5°C a una temperatura superiore a 44°C, cominciano a verificarsi ustioni della pelle ad una velocità che dipende dal livello della temperatura. Per esempio, a 50°C il danno alla cute è circa 100 volte più rapido di quello che si avrebbe a 45°C, mentre a 72°C la cute subisce quasi istantaneamente una distruzione completa. Dato che l'energia termica di un arco elettrico può generare temperature intorno a 13.000°C, più del doppio della temperatura della superficie del sole [4], un operatore vicino all'incidente ha un altissimo rischio di ustioni di secondo o terzo grado.
In seguito ai lavori di Stoll, Chianta e altri, sono stati sviluppati sensori calorimetrici per rappresentare il modo in cui la cute umana risponde all'aumento della temperatura e prevedere l'insorgere di ustioni di secondo grado in condizioni di laboratorio. Questi rilevatori sono essenzialmente dischi in rame con capacità termica nota, collegati a termocoppie che trasmettono l'aumento di temperatura registrato a un software che può tradurre tale informazione in forma grafica.
La Figura 1 mostra un'uscita tipica, conosciuta come curva di Stoll, che rappresenta l'aumento di temperatura in funzione del tempo sulla superficie del rilevatore. Si possono effettuare prove su piccola scala utilizzando fonti controllate di calore convettivo, radiante, o una combinazione di entrambi. Dopo avere stabilito il livello di energia termica generato dalla fonte di energia, i tessuti possono essere sistemati di fronte al rilevatore: la capacità del tessuto di impedire all'energia termica di raggiungere il rilevatore è una misura delle sue prestazioni termiche protettive. Questo fattore di protezione può essere espresso in cal/cm²: più questo valore è grande, più è elevato il fattore di protezione fornito dal sistema tessile protettivo. Questo metodo permette di classificare i sistemi tessili in base alle loro prestazioni protettive.

Oltre al collaudo dei tessuti su piccola scala, questa teoria è stata estesa al collaudo di indumenti protettivi su manichini dotati di rilevatori calorimetrici collegati a sistemi informatici per analisi quantitative. Un esempio di questo tipo di attrezzature di collaudo è il sistema computerizzato Thermo-Man® di DuPont, dotato di 122 sensori distribuiti uniformemente sulla superficie del manichino. Per la prova viene generata una forte fiammata e il software traduce l'informazione dell'aumento della temperatura come percentuale di possibilità di ustioni di secondo e terzo grado.
Poichè l'energia generata da un arco elettrico risulta ampiamente superiore a quella di una tipica fiammata improvisa, sono stati sviluppati impianti specializzati per la riproduzione controllata di incidenti da arco elettrico, come il sistema Arc-Man™ di DuPont, situato vicino all'European Technical Centre di DuPont a Ginevra. Questi strumenti sono basati sulle normative americane ASTM F1958 e F1959 [5,6] e possono assistere gli utilizzatori finali nella valutazione quantitativa e qualitativa di tessuti e sistemi di abbigliamento progettati per la protezione personale dagli effetti termici di un arco elettrico.
La Figura 2 mostra la sistemazione dell'attrezzatura per i collaudi di tessuti e abbigliamento.

L'abbigliamento protettivo deve fornire una resistenza permanente alle fiamme. Non può fondere, prendere fuoco o continuare a bruciare dopo l'incidente; non può rompersi e deve isolare l'utilizzatore dall'energia termica generata dall'arco elettrico. I tessuti convenzionali possono prendere fuoco e continuare a bruciare sul corpo, aumentando cosè la gravità delle ustioni. Possono prendere fuoco i tessuti a base di cotone, viscosa e lana, mentre possono prendere fuoco ed inoltre sciogliersi quelli in poliestere e poliammide. Attualmente un gran numero di lavoratori dell'industria indossa indumenti di questo tipo e, nel caso di un incidente da arco elettrico, non hanno nessuna protezione e possono subire ustioni gravissime se non addirittura fatali. E' possibile migliorare nettamente il livello di protezione utilizzando indumenti realizzati con fibre capaci di proteggere dal calore e dalle fiamme.

Il primo passo per realizzare questo miglioramento deve essere compiuto dalle aziende che devono valutare il rischio dello specifico ambiente di lavoro, definendo lo scenario peggiore in termini di valori massimi di corrente, tensione, distanza fra i poli e durata di un arco, oltre alla distanza tra lavoratore e arco elettrico. Con questi dati è possibile valutare, in cal/cm², l'energia termica generata da un arco elettrico. Contemporaneamente, effettuando diversi test di esposizione all'arco, ad esempio con Arc-Man di DuPont, si può misurare la prestazione di un sistema tessile esposti. Nel caso specifico di protezione dai rischi dell'arco elettrico, il valore della prestazione - denominato Arch Thermal Performance Value (ATPV) - è definito come il limite di energia termica che un tessuto può sopportare prima che l'utilizzatore subisca ustioni di secondo grado; più elevato l'ATPV, maggiore la protezione.
Le informazioni raccolte con la valutazione dei rischi e le prove che mostrono gli ATPV per i diversi sistemi protettivi permettono all'azienda di scegliere il giusto sistema di abbigliamento protettivo per i suoi operatori. Per esempio, se la valutazione dei rischi mostra che, nel peggiore dei casi, un arco elettrico potrebbe generare 6 cal/cm² di energia termica per incidente, l'abbigliamento protettivo appropriato dovrà avere un valore ATP di almeno 6 cal/cm².
Sulla base di oltre 8.000 prove di laboratorio sugli effetti dell'arco elettrico, DuPont ha preparato alcune indicazioni (Tavola 1) sulle combinazioni di abbigliamento per differenti condizioni operative [7,8,9]. Secondo queste indicazioni, per esempio, un ambiente lavorativo con un rischio di un incidente per arco elettrico che generi, nel peggior dei casi, energia termica di 6 cal/cm² è classificato in categoria 2A. In questo caso particolare l'abbigliamento a strato singolo resistente alla fiamma indossato sopra indumenti intimi tradizionali in cotone dovrebbe fornire sufficiente protezione contro gli effetti termici di tale arco, poichè le numerose prove effettuate da DuPont mostrano che questa combinazione tessile ha in genere un ATPV minimo di 8 cal/cm².

L'ATPV aumenta con l'aumento del peso dei tessuti protettivi. Inoltre il livello di protezione termica fornito da due strati di tessuto leggero è molto superiore rispetto a quello di un singolo strato pesante e superiore alla somma dei due strati presi singolarmente, grazie allo strato isolante di aria tra i tessuti. Per esempio, un tessuto Nomex® Delta C del peso di 225 g/m² ha un ATPV di 6 cal/cm² e due strati dello stesso tessuto hanno un ATPV, non di 12 cal/cm², ma di 22 cal/cm², con un incremento di 10 cal/cm².Torniamo all'esempio di un ambiente operativo dove un arco elettrico, nel peggiore dei casi, può generare 6 cal/cm². Questa energia può svilupparsi in modi diversi, perchè dipende da quantità di corrente, tensione, durata e distanza fra i poli, insieme alla distanza dell'addetto dall'arco. Un modo in cui si può sviluppare un'energia di 6 cal/cm² è mostrato in Tavola 2, dove la corrente dell'arco è 4 kiloampere, la durata 0,5 secondi, la tensione 300 V, la distanza fra i poli 15 cm e la distanza tra lavoratore e fonte dell'arco 30 cm (cioè la distanza dal gomito alle dita, com'è normale lavorando con basse tensioni). Si vede che l'energia termica generata aumenta notevolmente con l'aumentare della corrente o della durata dell'arco. Lo stesso andamento per la distanza fra i poli.

Riducendo alla metà la distanza fra addetto ed arco il lavoratore è sottoposto ad una una energia termica quattro volte superiore. L'effetto di un arco elettrico può quindi essere ridotto in modo significativo portando gli operatori ad una distanza superiore dalle apparecchiature sotto tensione. È inoltre chiaro che, in occasione di incidenticon livelli molto elevati di energia, gli addetti non possono avere una adeguata protezione col solo uso di abbigliamento protettivo e dovrebbero utilizzare altre pratiche operative, come bastoni a gancio per rimanere distanti dalle apparecchiature sotto tensione.Oltre al test per misurare l'ATPV dei tessuti è possibile effettuare prove sull'indumento protettivo. Questo approccio più qualitativo permette un'ispezione visuale dell'indumento realizzato con un sistema tessile di cui è già conosciuto l'ATPV e verifica se il tessuto può prendere fuoco, sciogliersi o rompersi. Si può inoltre realizzare ildiagramma della curva di Stoll, collegando i rivelatori termici ad uno specifico software. Se la curva dell'indumento è superiore alla curva di Stoll di riferimento, significa che l'utilizzatore di tale indumento non ha una protezione adeguata contro le ustioni di secondo grado; se invece è inferiore l'indumento può fornire un livello adeguatodi protezione termica dall'arco in quelle particolari condizioni operative. È necessario sottolineare, comunque, che i risultati delle prove sugli indumenti non possono essere estrapolati ad altre condizioni operative e quindi è più scientifico e sicuro stabilire l'ATPV sui sistemi tessili protettivi piuttosto che effettuare collaudi qualitativi sugli indumenti.

Il pericolo degli incidenti da arco elettrico è reale e le conseguenze sono costose in termini umani ed economici. Come per ogni altra situazione pericolosa negli ambienti di lavoro, l'azienda deve effettuare una valutazione dei rischi e fornire un adeguato equipaggiamento protettivo ai lavoratori che operano in aree dove potrebbe verificarsi unincidente per arco elettrico [1]. L'abbigliamento protettivo deve essere selezionato per rispondere alle esigenze del caso peggiore di esposizione per ogni particolare situazione operativa. Una protezione non adeguata porta ha ovvie conseguenze in termini di livello di ustioni, ma anche una sovrapprotezione è da evitare perché di solito significa un abbigliamento protettivo troppo pesante e ingombrante con effetti negativi sul comfort del lavoratore. Gli indumenti pesanti possano anche indurre alla tentazione di sbottonare camicia o maniche, se non addirittura a togliersi camicia o giacca che fanno parte del sistema di abbigliamento protettivo. Occorre quindi trovare la combinazione ottimale tra protezione termica e comfort per ottenere un sistema protettivo del giusto peso e con un adeguato numero di strati di tessuto. Il design degli indumenti può anche fare la differenza nel comfort e nelle prestazioni termiche protettive: gli indumenti ampi forniscono ulteriore protezione termica grazie all'aria tra tessuto e corpo. Il sistema tessile protettivo deve inoltre essere resistente all'usura per risultare una soluzione economicamente vantaggiosa per l'azienda che deve fornire i sistemi di protezione personale ai dipendenti. Le fibre aramidiche Nomex® di DuPont rappresentano una soluzione ideale per realizzare tessuti e indumenti con intrinseca resistenza alla fiamma, che non prendono fuoco, non si sciolgono, non continuano a bruciare nel caso di arco elettrico, che non si rompono e che forniscono all'utilizzatore un isolamento ottimale dal calore sviluppato nell'incidente. Nomex offre un adeguato bilanciamento fra livello di protezione, comfort e durata degli indumenti e rappresenta una soluzione di notevole interesse per l'azienda che sceglie di proteggere i suoi lavoratori dagli effetti degli archi elettrici.

Nomex® e Thermo-Man® sono marchi commerciali registrati di DuPont Arc-Man™ è un marchio commerciale di DuPont.

[1] EC Directive 89/686/EEC, "On the approximation of the laws of the Member States relating to Personal Protective Equipment", Dec 1989.

[2] A.M.Stoll, M.A.Chianta, "Method and Rating System for Evaluation of Thermal Protection", Aerospace Medicine, Vol.40, No.11, Nov 1969.

[3] A.M.Stoll, M.A.Chianta, "Burn Production and Prevention in Convective and Radiant Heat Transfer", Aerospace Medicine, Vol.39, No.10, Oct 1968.

[4] R.H.Lee, "The Other Electrical Hazard: Electric Arc Blast Burns", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.1A-18, No.3, May/June 1982.

[5] "Standard Test Method for Determining the Arc Thermal Performance Value of Materials for Clothing", ASTM Standard F1959/F1959M-99, 1999.

[6] "Standard Test Method for Determining the Ignitability of Non-flame-Resistant Materials for Clothing by Electric Arc Exposure Method Using Mannequins", ASTM Standard F1958/F1958M-99, 1999.

[7] T.E.Neal, A.H.Bingham, R.L.Doughty, "Protective Clothing Guidelines for Electric Arc Exposure", IEEE Paper No. PCIC-96-34, p.281, 1996.

[8] R.L.Doughty, T.E.Neal, T.A.Dear, A.H.Bingham, "Testing Update on Protective Clothing & Equipment for Electric Arc Exposure", IEEE Paper No. PCIC-97-35, p.323, 1997.

[9] R.L.Doughty, T.E.Neal, H.Landis Floyd II, "Predicting Incident Energy to Better Manage the Electric Arc Hazard on 600 V Power Distribution Systems", IEEE Paper No. PCIC-98-36, 1998.