Elektryczność statyczna nie potrzebuje uszkodzonego silnika, gorącej powierzchni ani otwartego płomienia. Wystarczy przepływ cieczy, przesypywanie proszku, napełnianie beczki albo operator poruszający się po nieodpowiedniej posadzce. Jeśli powstający ładunek nie ma kontrolowanej drogi odpływu, metalowy pojemnik, cysterna lub element instalacji może osiągnąć napięcie zdolne do wygenerowania iskry.

W obecności palnych par, gazów, mgieł lub pyłów taka iskra może stać się skutecznym źródłem zapłonu.

Artykuł opracowano na podstawie materiału dotyczącego przemysłowych zastosowań uziemiania i połączeń wyrównawczych ng-uk-gb-handbook-0923-r14.pdf oraz materiału szkoleniowego wyjaśniającego mechanizm powstawania, gromadzenia i odprowadzania ładunków 2 - Fundamentals L1PT KS V3.1.0.pdf.

W tym artykule wyjaśniamy, jak powstaje elektryczność statyczna, czym różni się uziemienie od połączenia wyrównawczego, skąd wynika wartość 10 Ω oraz kiedy prosty przewód powinien zostać zastąpiony systemem monitorującym z blokadą procesu.

Jak powstaje ładunek elektrostatyczny?

Ładunek powstaje podczas kontaktu i rozdzielania dwóch powierzchni. W przemyśle dzieje się to praktycznie bez przerwy:

• ciecz przepływa przez rurociąg, filtr lub wąż,
• proszek przesuwa się w przenośniku,
• granulat spada do mieszalnika,
• paliwo lub rozpuszczalnik wpływa do beczki,
• materiał jest zasysany przez cysternę próżniową,
• folia odkleja się od opakowania,
• pracownik chodzi po posadzce.

Jeżeli co najmniej jeden z materiałów ma wysoką rezystywność, wytworzony ładunek nie odpływa wystarczająco szybko. Może zostać przeniesiony wraz z produktem albo zgromadzić się na odizolowanym elemencie przewodzącym.

Szczególnie niebezpieczne są metalowe obiekty, które pozornie wyglądają na uziemione, ale zostały odizolowane przez:

• farbę,
• rdzę,
• osad produktu,
• gumowe koła,
• uszczelki z tworzywa,
• podkładki antywibracyjne,
• smar,
• przerwaną spiralę przewodzącą w wężu,
• niewłaściwie wykonane połączenie kołnierzowe.

Metalowy zbiornik stojący na betonowej posadzce nie musi mieć skutecznego połączenia z ziemią. Sama masa urządzenia również nie chroni przed wzrostem potencjału.

Kiedy wyładowanie staje się źródłem zapłonu?

Aby doszło do zapłonu, muszą spotkać się trzy elementy:

1. proces wytwarza ładunek elektrostatyczny,
2. ładunek gromadzi się na odizolowanym obiekcie,
3. w miejscu wyładowania znajduje się atmosfera wybuchowa, której minimalna energia zapłonu jest niższa od energii iskry.

Energię zgromadzoną na przewodzącym obiekcie można w uproszczeniu opisać równaniem:

E = ½ × C × V²

gdzie:

• E – energia wyładowania,
• C – pojemność elektryczna obiektu,
• V – jego napięcie względem otoczenia.

Napięcie występuje w równaniu w drugiej potędze. Oznacza to, że jego wzrost bardzo szybko zwiększa energię możliwej iskry.

W szkoleniowym przykładzie nieuziemionej cysterny próżniowej zasysającej toluen przyjęte parametry prowadziły po 20 sekundach do napięcia przekraczającego 22 kV i obliczeniowej energii około 863 mJ. Minimalna energia zapłonu toluenu przyjęta w przykładzie wynosiła 0,24 mJ.

To model obliczeniowy, a nie uniwersalna wartość dla każdej cysterny. Dobrze pokazuje jednak skalę różnicy między energią możliwej iskry a energią potrzebną do zapłonu par rozpuszczalnika.

Uziemienie i połączenie wyrównawcze – to nie jest to samo

Te dwa pojęcia często stosuje się zamiennie, chociaż pełnią inne funkcje.

Połączenie dwóch beczek przewodem może wyrównać ich potencjały, ale nie musi odprowadzić ładunku do ziemi. Z kolei podłączenie jednego elementu instalacji do przypadkowej rury nie potwierdza, że wszystkie kołnierze, zawory i węże pozostają elektrycznie ciągłe.

Prawidłowy system powinien zapewniać zarówno połączenia wyrównawcze pomiędzy elementami procesu, jak i kontrolowaną drogę do zweryfikowanego punktu uziemiającego.

Skąd bierze się wartość 10 Ω?

W wytycznych przemysłowych wartość 10 Ω jest często przyjmowana jako praktyczna granica rezystancji metalowego obwodu uziemienia elektrostatycznego.

Nie oznacza to, że dokładnie przy 10,1 Ω natychmiast powstaje zagrożenie zapłonem. Prądy generowane elektrostatycznie są zwykle bardzo małe, dlatego do samego odprowadzania ładunku mogłaby wystarczyć znacznie wyższa rezystancja.

Niska granica pełni jednak dodatkową funkcję diagnostyczną. Pozwala wykrywać:

• niedociśnięty zacisk,
• skorodowane połączenie,
• zerwaną żyłę przewodu,
• brudną powierzchnię styku,
• kontakt przez farbę albo osad,
• niewłaściwy punkt podłączenia.

Wartość 10 Ω jest więc przede wszystkim kryterium jakości i ciągłości metalowego obwodu. Nie należy jej mylić z wartością rezystancji uziomu budynku mierzoną metodami stosowanymi dla instalacji elektrycznych lub odgromowych.

Zielona kontrolka nie bada całego uziomu zakładu

System monitorujący może potwierdzić, że pomiędzy podłączonym obiektem a wskazanym punktem zakładowej sieci uziemiającej występuje rezystancja nieprzekraczająca ustawionego progu.

Nie dowodzi jednak automatycznie, że sama sieć zakładowa ma prawidłowe połączenie z ziemią.

Dlatego konieczne są dwa niezależne poziomy kontroli:

• okresowa weryfikacja sieci uziemiającej przez osobę posiadającą odpowiednie kompetencje,
• kontrola połączenia konkretnej cysterny, beczki, IBC lub urządzenia przed rozpoczęciem procesu.

Podłączenie systemu do przypadkowej konstrukcji stalowej, rurociągu albo śruby nie jest równoważne z wykorzystaniem zweryfikowanego punktu uziemiającego.

Uziemienie pasywne czy system monitorowany?

Najprostszy wariant obejmuje przewód i zacisk połączony ze stałym punktem uziemiającym. Może być wystarczający, gdy:

• proces jest prosty i dobrze nadzorowany,
• powierzchnia styku jest czysta oraz niepokryta farbą,
• ryzyko błędu operatora jest niewielkie,
• ciągłość przewodu jest regularnie sprawdzana,
• procedura nie wymaga potwierdzenia przed uruchomieniem pompy.

Problem polega na tym, że operator najczęściej nie wie, czy połączenie rzeczywiście działa. Zacisk może być założony na farbę, rdzę albo pozostałości produktu.

System monitorowany może dodatkowo zapewniać:

• ciągły pomiar rezystancji,
• jednoznaczną sygnalizację poprawnego połączenia,
• alarm po utracie ciągłości,
• blokadę uruchomienia pompy lub zaworu,
• automatyczne zatrzymanie procesu po odłączeniu uziemienia,
• rejestrację stanu lub integrację ze sterowaniem procesu.

Im większa ilość materiału, niższa minimalna energia zapłonu i większe prawdopodobieństwo błędu operatora, tym mocniejsze jest uzasadnienie dla monitoringu i blokady.

Najpierw uziemienie, potem transfer

Prawidłowa kolejność operacji powinna być jednoznaczna:

1. podstawić pojemnik lub pojazd,
2. zatrzymać i zabezpieczyć urządzenie,
3. podłączyć uziemienie do właściwego punktu,
4. potwierdzić ciągłość obwodu,
5. dopiero wtedy otworzyć zawór lub uruchomić pompę,
6. po zakończeniu transferu zamknąć przepływ,
7. zaczekać przez wymagany czas relaksacji ładunku,
8. dopiero na końcu odłączyć uziemienie.

Zakładanie zacisku po rozpoczęciu przelewania może samo wywołać wyładowanie. Podobnie odłączenie przewodu w trakcie pracy nie jest bezpiecznym sposobem zatrzymania procesu.

Nawet jeżeli blokada natychmiast wyłączy pompę, materiał może jeszcze poruszać się w przewodach, opadać do zbiornika albo wypływać wskutek różnicy poziomów.

Gdzie najczęściej potrzebna jest kontrola elektrostatyczna?

Autocysterny i cysterny próżniowe

Gumowe opony skutecznie izolują pojazd od ziemi. Uziemienie należy podłączyć przed otwarciem włazu, uruchomieniem pompy, zasysaniem lub rozpoczęciem napełniania.

Przy instalacjach o wysokim ryzyku warto stosować system, który nie tylko mierzy rezystancję, lecz również potwierdza właściwe podłączenie pojazdu i blokuje transfer.

Beczki i zbiorniki IBC

Metalową beczkę należy połączyć z uziemieniem, ale również wyrównać potencjał pomiędzy:

• beczką źródłową,
• pojemnikiem odbiorczym,
• pompą,
• stalową wanną wychwytową,
• lejkiem,
• zaworem,
• przewodzącym wężem.

Standardowy plastikowy IBC z metalową klatką nie staje się automatycznie pojemnikiem odpowiednim do strefy Ex. Właściwy wariant musi mieć określoną konstrukcję antystatyczną lub przewodzącą oraz przewidziany sposób uziemienia.

W ofercie Explosiv dostępne są zbiorniki IBC do stref Ex, które należy dobrać do właściwości cieczy i warunków procesu.

Węże elastyczne

Wąż może zawierać metalową spiralę albo inne elementy zapewniające ciągłość elektryczną. Uszkodzenie spirali, korozja złączy lub niewłaściwy montaż może przerwać obwód.

Samo oznaczenie węża jako przewodzącego nie zastępuje okresowego pomiaru od końca do końca.

Instalacje proszkowe

Transport pneumatyczny, przesiewanie, mielenie, mieszanie i filtracja generują duże ilości ładunku. Dodatkowym problemem są częste demontaże instalacji do mycia i czyszczenia.

Po ponownym montażu łatwo pominąć przewód wyrównawczy albo odizolować fragment urządzenia przez uszczelkę. W rozbudowanych instalacjach warto monitorować kilka punktów jednocześnie.

Worki FIBC typu C

FIBC typu C zawierają elementy przewodzące i wymagają podłączenia do uziemienia podczas napełniania oraz opróżniania. Aktualna IEC 61340-4-4:2018 dopuszcza maksymalną rezystancję do punktu uziemienia równą 100 MΩ, czyli 1 × 10⁸ Ω. W tej edycji limit zwiększono z wcześniejszych 10 MΩ na podstawie danych eksperymentalnych. IEC 61340-4-4:2018.

Pomiar przy punkcie uziemiającym nie potwierdza jednak automatycznie stanu całego worka, wkładki ani wszystkich włókien przewodzących. FIBC musi być właściwie dobrany, oznakowany i sprawny.

Człowiek

Pracownik również może gromadzić ładunek. Podstawowym rozwiązaniem jest odpowiednio dobrany układ:

• obuwie antystatyczne lub elektrostatycznie rozpraszające,
• właściwa posadzka,
• kontrola rezystancji układu człowiek–obuwie–podłoże,
• odzież, która nie generuje niebezpiecznych wyładowań.

Opaski nadgarstkowe stosowane przy ochronie elektroniki ESD nie są automatycznie właściwym rozwiązaniem dla przemysłowej strefy Ex. Trzeba uwzględnić ochronę przed porażeniem, możliwość zaczepienia przewodu oraz wymagania danego procesu.

ESD i ATEX to dwa różne cele

Oznaczenia „ESD”, „antystatyczny”, „przewodzący” i „odpowiedni do strefy Ex” nie są synonimami.

System ESD może być przeznaczony przede wszystkim do ochrony wrażliwej elektroniki przed uszkodzeniem. W strefie Ex celem jest zapobieganie wyładowaniom zdolnym do zapłonu atmosfery wybuchowej.

Produkt odpowiedni dla stanowiska montażu elektroniki nie musi być certyfikowany ani bezpieczny w atmosferze zawierającej pary rozpuszczalników lub pył palny.

Co mówią przepisy ATEX?

Dyrektywa 1999/92/WE dotycząca bezpieczeństwa pracowników wymaga, aby ocena ryzyka wybuchu uwzględniała prawdopodobieństwo wystąpienia i uaktywnienia źródeł zapłonu, w tym wyładowań elektrostatycznych. W Polsce wymaganie to realizuje obowiązujące rozporządzenie Ministra Gospodarki z 8 lipca 2010 r..

Z kolei dyrektywa 2014/34/UE dotyczy urządzeń i systemów ochronnych wprowadzanych na rynek do stosowania w atmosferach potencjalnie wybuchowych. Wymaga zapobiegania ładunkom zdolnym do wywołania niebezpiecznych wyładowań. Dyrektywa 2014/34/UE.

W praktyce pracodawca powinien:

• przeprowadzić ocenę ryzyka wybuchu,
• zidentyfikować procesy generujące ładunki,
• określić możliwe rodzaje wyładowań,
• wyznaczyć strefy zagrożenia wybuchem,
• wskazać wymagane zabezpieczenia,
• ująć je w Dokumencie Zabezpieczenia Przed Wybuchem,
• wdrożyć instrukcje i szkolenia,
• zapewnić pomiary, przeglądy oraz ich dokumentowanie.

Podstawowym dokumentem technicznym dotyczącym zagrożeń elektrostatycznych w atmosferach wybuchowych pozostaje IEC TS 60079-32-1. Aktualną amerykańską praktyką jest NFPA 77, edycja 2024.

Uziemienie nie likwiduje strefy Ex

Skuteczne uziemienie ogranicza jedno ze źródeł zapłonu. Nie usuwa jednak możliwości powstania atmosfery wybuchowej.

Nawet prawidłowo uziemione stanowisko nadal może wymagać:

• wentylacji,
• urządzeń elektrycznych odpowiedniej kategorii,
• kontroli temperatury powierzchni,
• ograniczenia emisji par lub pyłu,
• zabezpieczeń przed iskrami mechanicznymi,
• detekcji gazów,
• ochrony przeciwwybuchowej.

Nie należy więc automatycznie zmniejszać zasięgu strefy tylko dlatego, że zamontowano przewód uziemiający.

Najczęstsze błędy

• podłączenie zacisku do powierzchni pokrytej farbą,
• uznanie metalowej klatki IBC za wystarczające zabezpieczenie,
• brak wyrównania potencjałów między pojemnikiem źródłowym i odbiorczym,
• wykorzystywanie przypadkowej rury jako punktu uziemiającego,
• brak pomiaru elastycznych węży,
• odłączanie przewodu przed zakończeniem przepływu,
• zakładanie zacisku po rozpoczęciu transferu,
• brak ponownego sprawdzenia instalacji po czyszczeniu lub remoncie,
• stosowanie zwykłego miernika w czynnej strefie Ex,
• brak blokady pompy mimo dużego ryzyka błędu operatora,
• traktowanie zielonej kontrolki jako pomiaru całego uziomu budynku,
• brak zapisów z kontroli i przeglądów.

Lista kontrolna stanowiska przelewania

Przed uruchomieniem procesu należy sprawdzić:

• czy substancja może tworzyć atmosferę wybuchową,
• jaka jest jej minimalna energia zapłonu,
• czy ciecz ma niską przewodność,
• czy pył może tworzyć obłok lub warstwę palną,
• które elementy procesu są przewodzące,
• gdzie występują elementy izolacyjne,
• czy wszystkie pojemniki mają punkty uziemienia,
• czy powierzchnie styku są czyste,
• czy węże zachowują ciągłość elektryczną,
• czy punkt uziemienia zakładu został zweryfikowany,
• czy system powinien blokować pompę lub zawór,
• czy operator otrzymuje jednoznaczne potwierdzenie,
• czy użyte urządzenia są odpowiednie dla danej strefy Ex,
• czy instrukcja określa kolejność podłączania i odłączania,
• czy wyniki kontroli są dokumentowane.

Elektrostatyczność w rozwiązaniach Explosiv

Uziemienie powinno być uwzględnione już podczas projektowania stanowiska, kontenera lub magazynu. Dotyczy to szczególnie miejsc, w których znajdują się:

• beczki z cieczami łatwopalnymi,
• zbiorniki IBC,
• stalowe wanny wychwytowe,
• pompy i mieszadła,
• instalacje przelewowe,
• autocysterny,
• FIBC z proszkami,
• wentylowane szafy na chemikalia.

W przypadku stalowych wanien wychwytowych należy przewidzieć właściwy punkt przyłączeniowy oraz potwierdzić ciągłość konstrukcji. Przy elementach lakierowanych sama stalowa budowa nie gwarantuje skutecznego połączenia, ponieważ powłoka może izolować zacisk od metalu.

Explosiv może uwzględnić w projekcie stanowiska:

• punkty uziemienia i połączenia wyrównawcze,
• dobór IBC do strefy Ex,
• organizację stanowiska przelewania,
• integrację uziemienia z pompą lub zaworem,
• rozmieszczenie przewodów i zacisków,
• wymagania dla posadzki i obuwia,
• oznakowanie oraz instrukcję obsługi,
• wymagania ATEX wynikające z oceny ryzyka.

Podsumowanie

Elektryczność statyczna jest niewidoczna, ale nie jest nieprzewidywalna. Można określić, gdzie powstaje ładunek, na jakich elementach może się gromadzić i jaką drogą powinien zostać bezpiecznie odprowadzony.

Najważniejsze zasady są proste:

• połącz elementy przewodzące,
• zapewnij zweryfikowaną drogę do ziemi,
• podłącz uziemienie przed rozpoczęciem procesu,
• nie odłączaj go przed całkowitym zakończeniem transferu,
• kontroluj rezystancję,
• uwzględnij farbę, rdzę, uszczelki i węże,
• przy wysokim ryzyku zastosuj monitoring i blokadę procesu,
• regularnie sprawdzaj cały system.

Sam przewód nie chroni przed wybuchem. Chroni dopiero potwierdzone, utrzymywane i prawidłowo używane połączenie będące częścią kompletnego systemu bezpieczeństwa Ex.