Unfälle durch elektrostatische Aufladung

Unfälle durch elektrostatische Aufladung Anja Aumann aumann.anja@bgetem.de Falk Florschütz florschütz.falk@bgetem.de Messung von elektrostatischen Aufladungen Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann, Dipl.-Ing. Falk Florschütz

Motivation Alltägliches Phänomen Teilweise schmerzhaft Arbeitswelt Ursache für Explosionen Schädigung von Bauteilen Gefährdung von Personen? Messung von elektrostatischen Aufladungen 2

Physikalische Grundlagen Aufladung und Entladung Messung von elektrostatischen Aufladungen 3

Physikalische Grundlagen Es gibt verschiedene Möglichkeiten eine elektrostatische Aufladung zu erzeugen: Trennung Rollbewegung Reibung Zerkleinerung Ausschüttung Strömung von Flüssigkeit oder aerosolbeladenem Gas in Leitungen Messung von elektrostatischen Aufladungen 4

Entladungsformen Beispiel Funkenentladung Daneben gibt es die Büschel- und Gleitbüschelentladung Quelle: nach Berndt 2009 Messung von elektrostatischen Aufladungen 5

Leitfähigkeit Isolierend meist reine Kunststoffe => Möglichkeit zur gefährlichen Aufladung Ableitfähig Definition nach TRBS 2153: spezifischer Widerstand: > 10 4 Ωm und < 10 9 Ωm Oberflächenwiderstand: > 10 4 Ω und < 10 9 Ω (bei 23 C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit) Messung von elektrostatischen Aufladungen 6

Triboelektrische Reihe für Feststoffe Positives Ende der Reihe (+) Asbest Glas Nylon Wolle Blei Seide Aluminium Papier Baumwolle Stahl Hartgummi Nickel/Kupfer Messing/Silber Synthetischer Gummi Polyethylen Teflon (PTFE) Silikongummi ( ) negatives Ende der Reihe Messung von elektrostatischen Aufladungen Seite 7

Ladung und Ladungsenergie Messung von elektrostatischen Aufladungen 8

Ladung und Ladungsenergie Messung von elektrostatischen Aufladungen 9

Rechtliche Grundlagen Arbeitsstättenverordnung Allgemeiner Hinweis: Keine Gefährdung für die Sicherheit und Gesundheit der Beschäftigten durch die Arbeitsstätte Betriebssicherheitsverordnung Gefährliche elektrostatische Aufladungen müssen vermieden bzw. begrenzt werden ( 8 BetrSichV) Gefahrstoffverordnung Elektrostatische Entladung als Zündquelle muss beurteilt werden Messung von elektrostatischen Aufladungen 10

Gefahren durch elektrostatische Entladungen Elektrische Ladung Elektrische Energie Wahrnehmbarkeitsgrenze 0,5 µc 3) 0,5 mj 1) Schmerzgrenze = max. zulässiger Grenzwert 50 µc 1) 1) 2) 3) 4) 5) 350 mj 1) TRBS 2153: 2009 - Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen 2) DGUV Vorschrift 3: 1997 - Unfallverhütungsvorschrift Elektrische Anlagen und Betriebsmittel 3) DIN EN 61140 (VDE 0140-1): 2007-03 - Schutz gegen elektrischen Schlag 4) DIN EN 50110-1 (VDE 0105-1): 2014-02 - Betrieb von elektrischen Anlagen 5) DIN EN 50191 (VDE 0104): 2011-10 - Errichten und Betreiben elektrischer Prüfanlagen Messung von elektrostatischen Aufladungen 11

Gefahren durch elektrostatische Entladungen Physiologische Auswirkungen Schmerzen Taubheitsgefühl Lähmungserscheinungen Übelkeit Die Symptome im Nervensystem und der Muskulatur liegen meist nach ein paar Stunden oder Tagen wieder ab. Messung von elektrostatischen Aufladungen 12

Gefahren durch elektrostatische Entladungen Indirekte Gefährdungen Sekundärunfall Menschliche Fehlhandlungen Psychische Belastungen Zündquelle Externe statische elektrische Felder (mehr als 30 kv/m) Aufladung von Flüssigkeiten Beschädigung und Störung von Geräten Messung von elektrostatischen Aufladungen 13

Unfallstatistik Unfälle pro Jahr Die Grafik zeigt die Entwicklung von Unfällen durch elektrostatische Entladungen von 1982 bis heute. Die Trendlinie zeigt, dass statistisch pro Jahr drei weitere elektrostatische Unfälle hinzukommen. Messung von elektrostatischen Aufladungen 14

Unfallstatistik Anteil an Stromunfällen Die Grafik zeigt den prozentualen Anteil von Unfällen durch elektrostatische Entladungen an allen Stromunfällen. Auch in dieser Grafik ist eine deutlich steigende Tendenz erkennbar. Dies bedeutet, dass elektrostatische Unfälle stärker zu nehmen als durch Strom verursachte Unfälle. Messung von elektrostatischen Aufladungen 15

Messobjekt Kochtopf Seite 16

Erläuterung des Messverfahrens der elektrischen Feldstärke Beispiel für die Messung der Aufladespannung und der elektrischen Feldstärke Mittels des Feldstärkemessgeräts (elektronische Feldmühle) kann die Spannung der elektrostatischen Aufladung nachgewiesen werden. Werte für die elektrische Ladung oder für die Ladungsenergie lassen sich mit diesen Messverfahren nur schwer bestimmen. Seite 17

Erläuterung der Messverfahrens Kapazitätsmessung Ermittlung der Kapazität Mit den Formeln W = ½ * C * U max ² und Q = C * U wird die Ladungsenergie und die elektrische Ladung bestimmt. Seite 18

Beispiel: Bedrucken einer mehrschichtigen Folie Problemstellung Das Bedrucken von Folien, bestehend aus Papier, Aluminium und Kunststoff erfolgt unter hohen elektrostatischen Aufladungen. Diese werden nicht immer sicher entladen. Weiterhin lädt sich die Folie durch das Aufspulen selbständig elektrostatisch auf. Aufbau des Folienwickels (eine Folie): Kunststoffschicht Aluschicht Papierschicht Seite 19

Die Spannungsüberschläge aufgrund der elektrostatischen Aufladung hinterlassen Spuren auf den Transportwalzen Seite 20

Erläuterung des Verfahrens zur Messung der elektrischen Ladung mittels eines Coulombmeters Mittels eines Coulombmeters kann die elektrische Ladung direkt gemessen werden. Quelle: www.haines.com Quelle: www.electrotechsystems.com Die Messbereiche liegen oft im Nanocoulombbereich (nc). Hinsichtlich der elektrischen Gefährdung werden Messbereiche im Mikrocoulombbereich (µc) benötigt. Die Verfügbarkeit solcher Messgeräte in Betrieben und Laboren ist sehr gering. Deshalb wurde diese Messmethode gegenwärtig noch nicht angewandt. Seite 21

Messverfahren mit dem Speicheroszilloskop Der aufgeladene Prüfling wird mittels Tastkopf kontaktiert und die Entladekurve aufgezeichnet. Durch das Oszilloskop werden die Maximalspannung (U max ) und der Zeitwert (τ), bei dem die Spannung auf 37 % der Maximalspannung abgesunken ist, ermittelt. Mit den Formeln W = ½ * C * U max ² und Q = C * U wird die Ladungsenergie und die elektrische Ladung bestimmt. R M + R V = 100 MOhm Seite 22

Berechnungsergebnisse aus Beispielfilm Messung einer PE-Gasleitung Maximalspannung: U max = 6750 V τ = 250 µs Kapazität: τ = R * C C = τ / R = 250 µs / 100 MΩ = 2,5 pf Elektrische Ladung: Q = C * U = 2,5 pf * 6750 V = 0,017 µc Ladungsenergie: W = ½ * C * U² = ½ * 2,5 pf * (6750 V)² = 0,057 mj U Aufladespannung in V (Volt) τ Entladezeitkonstante in s (Sekunden) C Kapazität in F (Farad) R Entladewiderstand in Ω (Ohm) C Kapazität in F (Farad) Q elektrische Ladung in C (Coloumb) W Entladungsenergie in J (Joule) Seite 23

Messung eines Industriemotors (nach unterbrochener Prüfung 5 kv) Messergebnis Oszilloskop: τ = 15,57 s U max = 1062 V Q = 159 µc W = 87,8 mj (R M + R V = 100 MOhm) Messergebnis Kapazitätsmessung: C = 150 nf U max = 1000 V Q = 150 µc W = 75 mj Seite 24

Messung eines Industriemotors (nach unterbrochener Prüfung 5 kv) Messergebnis Oszilloskop: τ = 15,57 s U max = 1062 V Q = 159 µc W = 87,8 mj (R M + R V = 100 MOhm) Messergebnis Kapazitätsmessung: C = 150 nf U max = 1000 V Q = 150 µc W = 75 mj Seite 25

Messung eines Industriemotors (nach abgeschlossener Prüfung 5 kv, kurzzeitige Erdung und Wartezeit von 15 min) Messergebnis Oszilloskop: τ = 15 s U max = 188 V Q = 28 µc W = 2,7 mj (R M + R V = 100 MOhm) Es wurde eine selbständige Wiederaufladung des Motors nachgewiesen! Seite 26

Unfallbeispiel Ölfiltration eines Großtransformators Im Zeitraum von 2 Tagen erlitten 3 Mitarbeiter an den Spannungsabgängen eines Großtransformators zu verschiedenen Zeiten einen Stromschlag. Der Trafo war elektrisch nicht angeschlossen. Der elektrische Schlag erfolgte vermutlich durch eine elektrostatische Aufladung aufgrund der Ölfiltration. Die Stärke der Körperdurchströmung ist unbekannt. Seite 30

Messung am Anschlusspunkt der Oberspannung eines Großtransformators während der Ölfiltration Seite 31

Messung am Großtransformator während der Ölfiltration 800kV-Anschluss Messung der elektrostatischen Aufladung dieses Spannungsabgangs gegenüber dem Erdpotential Quelle: www.siemens.com Seite 32

Messung am Großtransformator während der Ölfiltration, 800kV-Anschluss Messergebnis mit Oszilloskop nach 5 min Unterbrechung der Kurzschlussleitung: τ = 1,36 s U max = 5,75 kv C = 1,36 s / 100 MOhm = 13,6 nf Q = 78,2 µc W = 225 mj Messergebnis der Kapazitätsmessung: C = 13nF Seite 34

Messung am Großtransformator während der Ölfiltration 800kV-Anschluss Seite 35

Messung am Großtransformator während der Ölfiltration 800kV-Anschluss 400 mj zeitliche Zunahme der Ladungsenergie 350 mj 300 mj Grenzwert für die elektrische Gefährdung 350 mj 250 mj 200 mj E = 1/2 * C * Umax² in mj 150 mj 100 mj 50 mj 0 mj 2 min 3 min 4 min 5 min 6 min Seite 36

Bsp. Lösungsmöglichkeit Großtransformator Seite 38

Unfallbeispiel Herstellung von Prägefolien Seite 40

Messung Foliendrucken Messung Nr.: Maximale Spannung U max : Entladezeitkonstante τ: Ermittelte Kapazität C: 3 4 5 87 V 152 V 194 V 19,2 ms 23,8 ms 23,8 ms 192 pf 238 pf 238 pf C = τ/r M Ermittelte Ladung Q = C * U Ermittelte Ladungsenergie: W = ½ C * U² 16,7 nc 36,2 nc 46,2 nc 0,72 µj 2,74 µj 4,47 µj Seite 41

Lösungsvorschläge für das Foliendrucken - Ionisatoren Quelle: Fa. KEYENCE Seite 43

Lösungsvorschläge für das Foliendrucken Erdungs schleifer Seite 44

Unfallbeispiel Kabelprüfung Unfallanalyse mit Kapazitätsmessung Prüfgerät: U = 0-35 kv I max = 2 ma Kapazität des Kabels zum Erdpotential: C = 1,08 µf!!! Ladung bei 20 kv: Ladungsenergie: Q = 21,6 mc W = 216 J 45

Lösungsvorschläge für die Kabelherstellung Seite 46

Lösungsvorschläge für die Kabelherstellung Seite 47

Unfallbeispiel Hubarbeitsbühne Unfall 1: Unfall 2: Seite 48

Hubarbeitsbühne Messung mit dem Oszilloskop Seite 49

Hubarbeitsbühne Messung mit dem Multimeter Ergebnis Kapazitätsmessung: 0,8 nf Seite 50

Hubarbeitsbühne in Bezug auf die Fahrstrecke Seite 51

Lösungsvorschlag Hubarbeitsbühne - Erdungsschleifer Seite 52

Messung einer Photovoltaikanlage Fläche ca. 35 m² Bei einer flächenspezifischen Kapazität von 1,15 nf/m² und einer Spannung von 1000 V ist bei einer Fläche von 609 m² pro String mit einer Aufladung von 350 mj zu rechnen. Freiflächenanlagen mit Zentralwechselrichtern verfügen meist über solche ausgedehnten zusammengeschalteten Modulflächen. Eine selbständige Wiederaufladung bzw. die elektrostatische Relaxation wurde im Rahmen der Messungen festgestellt. Die Kapazität der PV-Anlage hängt stark von den Klima- bzw. Wetterverhältnissen ab. Seite 53

Messung einer Photovoltaikanlage Fläche ca. 35 m² Seite 54

ENDE Seite 55