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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 Aumann [email protected] Falk Florschütz florschü[email protected]

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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]

300783
VDRI
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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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Erläuterung des Messverfahrens der elektrischen Feldstärke

Beispiel für die Messung der Aufladespannungund der elektrischen Feldstärke

13.11.2015Elektrostatische Aufladung Dipl.-Ing. Falk Florschütz, Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann

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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.

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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

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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

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Messverfahren mit dem Speicheroszilloskop

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Seite 22

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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13.11.2015Elektrostatische Aufladung Dipl.-Ing. Falk Florschütz, Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann

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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)

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Messung eines Industriemotors(nach unterbrochener Prüfung 5 kV)

Messergebnis Kapazitätsmessung:

C = 150 nF

Umax = 1000 V

Q = 150 µC

W = 75 mJ

13.11.2015Elektrostatische Aufladung Dipl.-Ing. Falk Florschütz, Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann

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MessergebnisOszilloskop:

τ = 15,57 s

Umax = 1062 V

Q = 159 µC

W = 87,8 mJ(RM+ RV = 100 MOhm)

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Messung eines Industriemotors(nach unterbrochener Prüfung 5 kV)

Messergebnis Kapazitätsmessung:

C = 150 nF

Umax = 1000 V

Q = 150 µC

W = 75 mJ

13.11.2015Elektrostatische Aufladung Dipl.-Ing. Falk Florschütz, Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann

Seite 25

MessergebnisOszilloskop:

τ = 15,57 s

Umax = 1062 V

Q = 159 µC

W = 87,8 mJ(RM+ RV = 100 MOhm)

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Messung eines Industriemotors(nach abgeschlossener Prüfung 5 kV, kurzzeitige Erdung und Wartezeit von 15 min)

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Seite 26

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!

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UnfallbeispielÖlfiltration eines Großtransformators

13.11.2015Elektrostatische Aufladung Dipl.-Ing. Falk Florschütz, Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann

Seite 30

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.

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Messung am Anschlusspunkt der Oberspannung eines Großtransformators während der Ölfiltration

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Seite 31

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Messung am Großtransformator während der Ölfiltration 800kV-Anschluss

13.11.2015Elektrostatische Aufladung Dipl.-Ing. Falk Florschütz, Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann

Seite 32

Messung der elektrostatischen Aufladung dieses Spannungsabgangs gegenüber dem Erdpotential

Quelle: www.siemens.com

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Messung am Großtransformator während der Ölfiltration, 800kV-Anschluss

13.11.2015Elektrostatische Aufladung Dipl.-Ing. Falk Florschütz, Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann

Seite 34

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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13.11.2015Elektrostatische Aufladung Dipl.-Ing. Falk Florschütz, Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann

Seite 35

Messung am Großtransformator während der Ölfiltration 800kV-Anschluss

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13.11.2015Elektrostatische Aufladung Dipl.-Ing. Falk Florschütz, Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann

Seite 36

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

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Bsp. Lösungsmöglichkeit Großtransformator

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Seite 38

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UnfallbeispielHerstellung von Prägefolien

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Seite 40

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Messung Foliendrucken

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Seite 41

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

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Lösungsvorschläge für das Foliendrucken - Ionisatoren

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Seite 43

Quelle: Fa. KEYENCE

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13.11.2015Elektrostatische Aufladung Dipl.-Ing. Falk Florschütz, Dipl.-Ing.(FH) Anja Aumann

Seite 44

Lösungsvorschläge für das Foliendrucken

Erdungsschleifer

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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

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Lösungsvorschläge für die Kabelherstellung

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Lösungsvorschläge für die Kabelherstellung

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Seite 47

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Unfallbeispiel Hubarbeitsbühne

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Seite 48

Unfall 1:

Unfall 2:

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HubarbeitsbühneMessung mit dem Oszilloskop

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Seite 49

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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

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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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