Unfälle durch elektrostatische Aufladung -...
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13.11.2015
Messung von elektrostatischen Aufladungen Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann, Dipl.-Ing. Falk Florschütz
Unfälle durch elektrostatische Aufladung
Anja [email protected]
Falk Florschützflorschü[email protected]
Motivation
Alltägliches Phänomen
• Teilweise schmerzhaft
Arbeitswelt
• Ursache für Explosionen
• Schädigung von Bauteilen
• Gefährdung von Personen?
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Aufladung und Entladung
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Physikalische Grundlagen
Physikalische Grundlagen
Es gibt verschiedene Möglichkeiten eine elektrostatische Aufladung zu erzeugen:
• Trennung
• Rollbewegung
• Reibung
• Zerkleinerung
• Ausschüttung
• Strömung von Flüssigkeit oder aerosolbeladenem Gas in Leitungen
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Entladungsformen
Beispiel Funkenentladung
Daneben gibt es die Büschel- und Gleitbüschelentladung
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Quelle: nach Berndt 2009
Leitfähigkeit
Isolierend
meist reine Kunststoffe => Möglichkeit zur gefährlichen Aufladung
Ableitfähig
Definition nach TRBS 2153:
spezifischer Widerstand: > 104 Ωm und < 109 Ωm
Oberflächenwiderstand: > 104 Ω und < 109 Ω
(bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit)
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Triboelektrische Reihe für Feststoffe
Positives Ende der Reihe (+)
Asbest
Glas
Nylon
Wolle
Blei
Seide
Aluminium
Papier
Baumwolle
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Stahl
Hartgummi
Nickel/Kupfer
Messing/Silber
Synthetischer Gummi
Polyethylen
Teflon (PTFE)
Silikongummi
(−) negatives Ende der Reihe
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Ladung und Ladungsenergie
Ladung und Ladungsenergie
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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
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Gefahren durch elektrostatische Entladungen
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Elektrische Ladung Elektrische Energie
Wahrnehmbarkeitsgrenze 0,5 µC 3) 0,5 mJ
1)
Schmerzgrenze = max. zulässiger Grenzwert 50 µC 1) 350 mJ 1) 2) 3) 4) 5)
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
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.
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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
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Unfallstatistik – Unfälle pro Jahr
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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.
Unfallstatistik –Anteil an Stromunfällen
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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.
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Messobjekt Kochtopf
Erläuterung des Messverfahrens der elektrischen Feldstärke
Beispiel für die Messung der Aufladespannungund der elektrischen Feldstärke
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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.
Erläuterung der Messverfahrens Kapazitätsmessung
Ermittlung der Kapazität
Mit den Formeln W = ½ * C * Umax ² und Q = C * U wird die Ladungsenergie und die elektrische Ladung bestimmt.
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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.
Kunststoffschicht Aluschicht Papierschicht
Aufbau des Folienwickels (eine Folie):
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Die Spannungsüberschläge aufgrund der elektrostatischen Aufladung hinterlassen Spuren auf den Transportwalzen
Erläuterung des Verfahrens zur Messung der elektrischen Ladung mittels eines Coulombmeters
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Quelle: www.electrotechsystems.com
Mittels eines Coulombmeters kann die elektrische Ladung direkt gemessen werden.
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.
Quelle: www.haines.com
Messverfahren mit dem Speicheroszilloskop
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Der aufgeladene Prüfling wird mittels Tastkopf kontaktiert und die Entladekurve aufgezeichnet.
Durch das Oszilloskop werden die Maximalspannung (Umax) und der Zeitwert (ττττ), bei dem die Spannung auf 37 % der Maximalspannung abgesunken ist, ermittelt.
Mit den Formeln W = ½ * C * Umax ² und Q = C * U wird die Ladungsenergie und die elektrische Ladung bestimmt.
RM+ RV = 100 MOhm
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Berechnungsergebnisse aus Beispielfilm Messung einer PE-Gasleitung
Maximalspannung: Umax= 6750 V τ = 250 µs
Kapazität: τ = R * CC = 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)
Messung eines Industriemotors(nach unterbrochener Prüfung 5 kV)
Messergebnis Kapazitätsmessung:
C = 150 nF
Umax = 1000 V
Q = 150 µC
W = 75 mJ
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MessergebnisOszilloskop:
τ = 15,57 s
Umax = 1062 V
Q = 159 µC
W = 87,8 mJ(RM+ RV = 100 MOhm)
Messung eines Industriemotors(nach unterbrochener Prüfung 5 kV)
Messergebnis Kapazitätsmessung:
C = 150 nF
Umax = 1000 V
Q = 150 µC
W = 75 mJ
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MessergebnisOszilloskop:
τ = 15,57 s
Umax = 1062 V
Q = 159 µC
W = 87,8 mJ(RM+ RV = 100 MOhm)
Messung eines Industriemotors(nach abgeschlossener Prüfung 5 kV, kurzzeitige Erdung und Wartezeit von 15 min)
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MessergebnisOszilloskop:
τ = 15 s
Umax = 188 V
Q = 28 µC
W = 2,7 mJ(RM + RV = 100 MOhm)
Es wurde eine selbständige Wiederaufladung des Motors nachgewiesen!
UnfallbeispielÖlfiltration eines Großtransformators
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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.
Messung am Anschlusspunkt der Oberspannung eines Großtransformators während der Ölfiltration
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Messung am Großtransformator während der Ölfiltration 800kV-Anschluss
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Messung der elektrostatischen Aufladung dieses Spannungsabgangs gegenüber dem Erdpotential
Quelle: www.siemens.com
Messung am Großtransformator während der Ölfiltration, 800kV-Anschluss
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Messergebnis der Kapazitätsmessung:
C = 13nF
Messergebnis mit Oszilloskop nach 5 min Unterbrechung der Kurzschlussleitung:
τ = 1,36 s
Umax = 5,75 kV
C = 1,36 s / 100 MOhm = 13,6 nF
Q = 78,2 µC
W = 225 mJ
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Messung am Großtransformator während der Ölfiltration 800kV-Anschluss
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0 mJ
50 mJ
100 mJ
150 mJ
200 mJ
250 mJ
300 mJ
350 mJ
400 mJ
2 min 3 min 4 min 5 min 6 min
zeitliche Zunahme der Ladungsenergie
E = 1/2 * C * Umax² in mJ
Grenzwert für die
elektrische Gefährdung
350 mJ
Messung am Großtransformator während der Ölfiltration 800kV-Anschluss
Bsp. Lösungsmöglichkeit Großtransformator
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UnfallbeispielHerstellung von Prägefolien
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Messung Foliendrucken
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Messung Nr.:
Maximale Spannung Umax:
Entladezeitkonstante τ:
Ermittelte Kapazität C:
C = τ/RM
Ermittelte Ladung
Q = C * U
Ermittelte Ladungsenergie:
W = ½ C * U²
3 4 5
87 V 152 V 194 V
19,2 ms 23,8 ms 23,8 ms
192 pF 238 pF 238 pF
16,7 nC 36,2 nC 46,2 nC
0,72 µJ 2,74 µJ 4,47 µJ
Lösungsvorschläge für das Foliendrucken - Ionisatoren
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Quelle: Fa. KEYENCE
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Lösungsvorschläge für das Foliendrucken
Erdungsschleifer
Unfallbeispiel KabelprüfungUnfallanalyse mit Kapazitätsmessung
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Kapazität des Kabels zum Erdpotential:
C = 1,08 µF !!!
Prüfgerät:U = 0 - 35 kVImax = 2 mA
Ladung bei 20 kV: Q = 21,6 mCLadungsenergie: W = 216 J
Lösungsvorschläge für die Kabelherstellung
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Lösungsvorschläge für die Kabelherstellung
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Unfallbeispiel Hubarbeitsbühne
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Unfall 1:
Unfall 2:
HubarbeitsbühneMessung mit dem Oszilloskop
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HubarbeitsbühneMessung mit dem Multimeter
Ergebnis Kapazitätsmessung:
0,8 nF
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Hubarbeitsbühne
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Elektrostatische Aufladung in Bezug auf die Fahrstrecke
LösungsvorschlagHubarbeitsbühne - Erdungsschleifer
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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.
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Messung einer Photovoltaikanlage Fläche ca. 35 m²
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ENDEENDEENDEENDE
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