W artykule omówimy kwestie pomiaru ładunków elektrostatycznych, które gromadzą się podczas procesów produkcyjnych i przyjrzymy się przykładom, jak obliczyć potencjalną energię iskry elektrostatycznej podczas wyładowania. Wyładowania elektrostatyczne stanowią jedną z ważniejszych przyczyn pożarów i wybuchów w przemyśle. Ich energia może przekraczać nawet 1000 mJ, przez co są w stanie doprowadzić do zapłonu i wybuchów nie tylko gazów i par cieczy, ale także dużej części pyłów. Z tego względu tak istotną rolę odgrywają systemy uziemień.
Elektryzacja i pomiar ładunków elektrostatycznych
Elektryzacja, czyli wzrost ładunków elektrycznych w wyniku tarcia, dotyku lub indukcji ma miejsce, gdy opór elektryczny ścieżki od naładowanego obiektu do ziemi uniemożliwia odprowadzanie nadmiaru ładunków. Gdy dwa przedmioty o różnych potencjałach elektrycznych znajdą się w pobliżu, wytwarza się między nimi pole elektryczne. Jednostką pomiaru tego potencjału elektrycznego są volty [V]. Na poniższym filmie widzimy pomiar ładunków elektrostatycznych, które wytworzyły się podczas procesów tarcia, czy przesypywania.
Przeskok iskry elektrostatycznej – film
Kontynuując powyższy opis, w przypadku, gdy wartość pola elektrostatycznego przekracza wytrzymałość przebiciową atmosfery pomiędzy dwoma ciałami, może dojść do przeskoku iskry elektrostatycznej. Powyższy film pokazuje wyładowania elektrostatyczne, do jakich może dochodzić w czasie pracy przenośników taśmowych. Jak widać elektryczność statyczna, choć w teorii jest zagrożeniem niewidzialnym, to już wyładowanie elektrostatyczne jest widoczne i stwarza ogromne zagrożenie. Takie zjawisko w chwili, gdy napotka atmosferę wybuchową, może zadziałać podobnie jak iskrownik piezoelektryczny w zapalniczce. Z łatwością dojdzie do zapłonu i wybuchu.
Jak obliczyć potencjalną energię iskry elektrostatycznej?
Energię potencjalną wyładowania elektrostatycznego W [mJ] można obliczyć, znając pojemność przedmiotu, na którym gromadzą się ładunki C [pF] oraz potencjał przedmiotu wywołany gromadzeniem się ładunków V [kV]:
W = ½ CV2
Przykład 1 – obliczanie energii wyładowania ładunków elektrostatycznych zgromadzonych na człowieku
Na podstawie powyższego wzoru możemy obliczyć, iż człowiek o pojemności 200 pF w wyniku tzw. elektryzacji może naładować się elektrycznie do poziomu 30 kV [IchemE]. W rezultacie może prowadzić to do wyładowania elektrostatycznego o energii 90 mJ.
Przykład 2 – energia iskry elektrostatycznej z cysterny drogowej
Cysterna drogowa o pojemności 5000 pF w wyniku gromadzenia ładunków może naładować się elektrycznie do poziomu 30 kV [IchemE]. Wartość ta stanowi ogromne zagrożenie dla obiektów produkcyjnych, ponieważ bez uziemienia zaobserwujemy przeskok iskry elektrostatycznej o energii 2250 mJ.
Przykład 3 – gromadzenie ładunków na wiadrze i pomiar energii wyładowania
Jaką energię możemy zmierzyć przy wyładowaniu na powierzchni wiadra? Ma ono pojemność 20 pF. Oznacza to, że w wyniku elektryzacji może naładować się elektrycznie do poziomu 30 kV [IchemE]. W rezultacie może prowadzić to do pojawienia się iskry elektrostatycznej o energii 9 mJ. Czy to mało i zagrożenia nie ma? A może już taka energia iskry elektrostatycznej może doprowadzić do wybuchów na produkcji? O tym piszemy poniżej.
Zagrożenia elektryczności statycznej dla produkcji
Kluczowym parametrem, który wskaże nam, czy pomiar wyładowania może zagrozić wybuchem na produkcji, jest minimalna energia zapłonu. To właśnie ona wskazuje, czy w wyniku wyładowania ładunków elektrostatycznych występuje zagrożenie zapłonu atmosfery wybuchowej (pyłowej lub gazowej) wewnątrz urządzeń produkcyjnych, lub w zewnętrznych strefach zagrożenia wybuchem.
Minimalna energia zapłonu pyłów
Poniżej prezentujemy kilka przykładowych wartości minimalnej energii zapłonu dla pyłów. W tym miejscu należy podkreślić, że wartość ta jest zależna od kilku czynników, jak choćby wilgotność materiału czy też średnica jego drobin. Z tego względu najlepszą praktyką pozwalającą określić MEZ dla konkretnego pyłu jest przeprowadzenie jego badań wybuchowości pyłu.
Przywołując raz jeszcze przykład energii z ładunku elektrostatycznego z wiadra (9 mJ), jak widać, dla części pyłów występuje realne zagrożenie zapłonu atmosfer wybuchowych. Wyładowanie pochodzące od człowieka, a tym bardziej od cysterny samochodowej spowoduje zapłon większości pyłowych atmosfer wybuchowych.
| Chmura pyłu | Minimalna energia zapłonu [mJ] |
| Mąka pszenna | 50 |
| Cukier | 30 |
| Aluminium | 10 |
| Żywica epoksydowa | 9 |
| Cyrkon | 5 |
| Niektóre półprodukty farmaceutyczne | 1 |
Minimalna energia zapłonu gazów / par cieczy
W przypadku gazowych atmosfer wybuchowych energia wyładowania z wiadra (np. przy wykonywaniu czynności przelewania niebezpiecznych cieczy) już z pewnością wystarczy, żeby nastąpił zapłon gazowej atmosfery wybuchowej.
| Atmosfera wybuchowa | Minimalna energia zapłonu [mJ] |
| Propanol | 0,65 |
| Octan etylu | 0,46 |
| Metan | 0,28 |
| Heksan | 0,24 |
| Metanol | 0,14 |
| Dwusiarczek węgla | 0,01 |
