Elektrostatische Aufladung in Ex-Zonen

MIT NORMGERECHTER ERDUNG DIE ZÜNDGEFAHREN ELEKTROSTATISCHER AUFLADUNG VERHINDERN

Häufig wird der elektrostatischen Aufladung als potenzieller Zündquelle nur wenig Beachtung geschenkt. Doch ein Blick auf die in den Funkenentladungen freiwerdende Energie zeigt deutlich, wie hoch die Zündgefahr tatsächlich ist.

Deshalb erfahren Sie in diesem Artikel, wie elektrostatische Aufladung entsteht und welche rechtlichen Vorgaben sie beachten sollten, um mit normgerechter Erdung elektrostatische Aufladung zu verhindern.

Neben dem physikalischen Hintergrund zur elektrostatischen Aufladung möchten wir Ihnen außerdem beispielhaft zeigen, welche realen Zündgefahren sich im alltäglichen Arbeitsumfeld ergeben können.

Eine ausführliche Beschreibung der physikalischen Hintergründe und Zündgefahren in Staub-Luft-Gemischen finden Sie im Folgenden Whitepaper:

Wie entsteht elektrostatische Aufladung in explosionsgefährdeten Bereichen?

In einer Vielzahl von Verarbeitungsprozessen und Befüll- sowie Entleervorgängen kommt es zu unvermeidbaren, intensiven Kontakten zwischen dem Material und den Betriebsmitteln, Maschinen und Beförderungseinrichtungen. Intensiver Kontakt bedeutet, dass die Oberflächen max. 10nm voneinander entfernt sind.

Aus physikalischer Sicht treffen in diesem Moment zwei unterschiedliche Materialien mit ihren jeweiligen Elektronenbindungskräften aufeinander. In dem Moment des intensiven Kontaktes kommt es dabei zum Ladungsaustausch zwischen diesen beiden Materialien, um einen elektrisch ausgeglichenen Zustand zwischen den Materialien herzustellen. Wird dieser Kontakt wieder gelöst, erfolgt normalerweise eine Rückübertragung der Elektronen.

Elektrostatische Aufladung durch Materialfluss in einem Förderrohr
Elektrostatische Aufladung durch Materialfluss in einem Förderrohr
Doch aufgrund der hohen Fördergeschwindigkeiten (min. > 1 m/s) und den daraus resultierenden, schnellen Aufprall- und Trenngeschwindigkeiten kann dieser Ladungsaustausch nicht vollständig abgeschlossen werden, da die Elektronen keine Zeit mehr haben, zu ihrem Ursprungsmaterial zurückzukehren. Dies führt dazu, dass auf dem Material mit den höheren Elektronenbindungskräften Elektronen zurückbleiben, sich also ein negativer Ladungsüberschuss bildet. Gegensätzliches ergibt sich für das andere Material, hier stellt sich ein Elektronenmangel und damit ein positiver Ladungsüberschuss ein.
 
Hierdurch wird eine hohe Potenzialdifferenz zwischen den Materialen messbar und es entsteht elektrostatische Aufladung.

Welche Zündgefahren entstehen durch die elektrostatische Aufladung?

Die aufgeladenen Oberflächen und Materialen streben anschließend danach, Ladungsneutralität herbeizuführen. Vereinfacht gesagt möchten sie also die überschüssigen Ladungen wieder loswerden.

Der einfachste Weg ist es, die überschüssigen Ladungen zum Erdpotenzial hin abzugeben. Ist als eine ausreichend leitfähige Verbindung zwischen einer der aufgeladenen Oberflächen und dem Erdpotenzial hergestellt (beispielsweise durch Annäherung eines Mitarbeiters mit ableitfähigem Schuhwerk), findet ein schlagartiger Ladungsaustausch statt. 

Dieser Ladungsaustausch kann, abhängig von der Stärke der Aufladung, auch schon vor einem wirklichen Kontakt mit der aufgeladenen Oberfläche erfolgen. Dies führt dann zu einer Funkenentladung, welche unkontrollierte Energie in die umgebende Atmosphäre freisetzt und damit eine Explosion verursachen kann. Hierbei gilt, dass schon die Aufladung kleinerer Objekte ausreichend ist, eine zündwirksame Entladung hervorzurufen.

So kann ein Kleinbehälter bis 50 l eine Zündenergie von bis zu 3 mJ aufweisen.

Potenzielle Zündenergien elektrostatischer Entladungen - TRGS 727

Potenzielle Zündenergien

elektrostatischer Entladungen – TRGS 727

 

Setzt man das ins Verhältnis zur Mindestzündenergie (MZE) explosionsfähiger Gase und Dämpfe zeigt sich deutlich, wie hoch die Explosionsgefahr ist:
Mindestzündenergien ausgewählter Gase und Dämpfe

Mindestzündenergien

ausgewählter Gase und Dämpfe

 

Und auch in reinen Staub-Luft-Gemischen sowie Mischzonen aus Gas- und Staub-Ex-Bereichen kann eine elektrostatische Entladung zündwirksam wirken.

Hierbei ist die MZE der Atmosphäre aber insbesondere von der Mediankorngröße des Staubes sowie dem Mischungsverhältnis zwischen Gas- und Staub-Ex-Atmosphäre abhängig.

Eine allgemeine Aussage trifft die Einteilung der Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie, die die Stäube gemäß ihrer Mindestzündenergien in insgesamt 4 unterschiedliche Klassen einteilt:
Mindestzündenergien von Stäuben

Eine mögliche Stelle zur Ermittlung der konkreten Zündgefahr in Ihrem Arbeitsumfeld ist die Staub-Ex Datenbank des IFA.

Wie kann die elektrostatische Aufladung verhindert werden?

Es zeigt sich also, dass elektrostatische Aufladung insbesondere in explosionsgefährdeten Atmosphären verhindert werden muss, um sie als Zündquelle für Explosionen ausschließen zu können.

Elektrostatische Aufladung kann sich nur dann auf einem Objekt ansammeln, wenn das Objekt vom Erdpotenzial isoliert ist oder ein so hoher Widerstand zwischen dem Objekt und dem Erdpotenzial vorhanden ist, dass die auftretenden, elektrostatischen Ladungen nicht schnell genug abgeführt werden können. So steigert sich die auf dem Objekt befindliche, elektrostatische Aufladung über Dauer bis sie sich schlagartig entlädt.

Das bedeutet, dass eine leitfähige Erdungsverbindung Abhilfe schaffen kann. Durch die Verbindung des Objektes mit einem ausgewiesenen Erdungspunkt (bspw. der Potentialausgleichsschiene) können die elektrischen Ladungen sofort abgeführt werden und sich nicht auf dem Objekt ansammeln.

Welche Vorgaben müssen die Erdungsverbindungen in Ex-Zonen erfüllen?

Bei der normgerechten Erdung ist in Deutschland insbesondere die TRGS 727 zu beachten, welche mit der internationalen Norm IEC/TS 60079-32-1 harmonisiert ist. Sie beschreiben Verfahrensabläufe und Maßnahmen zur Eindämmung von Gefahren aufgrund elektrostatischer Aufladung und gibt zudem Rechenbeispiele für die Ermittlung wichtiger Kenngrößen wie beispielsweise die potenzielle Zündenergie des Arbeitsvorgangs.

Timm EUS-2 overfill prevention controller international standard IECEx

IEC/TS 60079-32-1

Elektrostatische Gefährdungen, Leitfaden

 

Elektrostatische Aufladung in Ex-Zonen

TRGS 727

Vermeidung von Zündgefahr
infolge elektrostatischer Aufladungen

Der Konsens der Regelwerke ist, dass im Allgemeinen eine ausreichende Leitfähigkeit der Erdungsverbindung bei einem Widerstandswert von ≤  Ω gegeben ist. Allerdings geben sie, abweichend von diesem Wert, unterschiedliche Ableitwerte sowie Handlungsanweisungen für spezielle Anwendungsfälle wie die Erdung von Big Bags oder Tankwagen vor, die gesondert zu beachten sind. So gelten für Big Bags Typ C höhere Widerstandswerte als ausreichend während bei der Erdung von LKW eine überwachte Erdung empfohlen wird.

Nähere Informationen zu diesen Anwendungsfällen haben wir Ihnen in unserem „Fachwissen“-Bereich übersichtlich erläutert: Zu unseren Anwendungen

Welche Vorteile bieten überwachte Erdungslösungen in Ex-Zonen?

Grundsätzlich ist eine einfache, unüberwachte Erdungsverbindung mit hochwertigen und robusten Erdungszangen und Kabeln, wie die TIMM Bite Erdungsreihe, ausreichend um die maximalen Ableitwiderstände einzuhalten.

TIMM Bite Erdungszangen und Kabel

Allerdings kann eine unbemerkte Beschädigung des Kabels, ein Bruch des Kabelkerns oder auch eine Verunreinigung an der Kontaktstelle ausreichen, um die Ableitfähigkeit der Verbindung so weit zu vermindern, dass keine bzw. nicht ausreichend Ladung abgeführt werden kann.

Dadurch ist eine statische Aufladung weiterhin möglich.

Als Best Practice ist es deshalb empfehlenswert, eine kontrollierte Erdung mit einem Erdungsüberwachungsgerät zu nutzen. Der Anwender muss lediglich die Erdungszange am zu erdenden Objekt anbringen.

 Das Überwachungsgerät zeigt dem Anwender dann eine sichere Erdungsverbindung (bspw. über eine LED-Anzeige) an und übermittelt die Freigabe elektronisch über die Steuerausgänge an die Prozesssteuerung.

Während des Arbeitsprozesses überwacht es dauerhaft die Qualität der Erdung.

Sichere Erdung bei Verladeprozessen mit Fasspumpen durch überwachte Erdung mit dem TIMM EKX-4 2-polig
Sichere Erdung bei Verladeprozessen

mit Fasspumpen durch überwachte Erdung mit dem TIMM EKX-4 2-polig

Ist keine ausreichende Verbindung vorhanden, sperrt das Gerät die Steuerausgänge um den Arbeitsprozess zu stoppen und signalisiert die Gefahr über eine rote LED-Anzeige.

Für die zuverlässige Erdung von LKW und Big Bags bietet es sich zudem an, Erdungsgeräte mit Objekterkennung zu nutzen, die unterscheiden können, ob die Erdungszange wirklich am richtigen Objekt angeschlossen ist (LKW; Big Bag) oder ob eine Fehlbedienung vorliegt.

So können Dauerfreigaben (bspw. durch das Anklemmen der Zange auf einem Stück Metall) verhindert und unerfahrene Anwender angeleitet werden.

Einen Überblick über unser Portfolio an überwachten Erdungsgeräten finden Sie unter unserer Produktgruppenseite Erdungstestgeräte.

 

Sie sind sich unsicher, ob in ihrem Anwendungsfall eine elektrostatische Erdung notwendig ist?

Oder Sie wollen Genaueres über die Best-Practice erfahren? Sprechen Sie gerne unser Expertenteam an. 
 

Wir freuen uns darauf, Ihnen weiterzuhelfen.