Zaciski i kable muszą spełniać restrykcyjne warunki testów w celu zapobiegania wypadkom
Raporty w sprawie zdarzeń związanych z wyładowaniami elektrostatycznymi są dużo bardziej powszechne niż mogłoby się wydawać, pomimo że proste i niezawodne środki ochrony są łatwo dostępne.
Każdego roku w Stanach Zjednoczonych raportuje się średnio 280 zdarzeń tego typu. W Europie raportuje się nawet ponad 400 takich przypadków, włączając w to Wielką Brytanię.
W przypadkach, gdzie ładunek elektrostatyczny gromadzi się w pobliżu łatwopalnych lub wybuchowych materiałów, dochodzi do powstania zagrożenia.
Znaczną liczbę tych przypadków można byłoby wyeliminować poprzez zastosowanie niezawodnego, niskorezystancyjnego połączenia elektrycznego pomiędzy odpowiednimi elementami a punktem uziemienia. Wiele systemów eliminacji ładunków elektrostatycznych ma zalety, takie jak monitory połączeń i dodatki ochronne dla środowisk niebezpiecznych. Jednakże podstawowa zasada systemu ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi pozostaje prosta: mocny zacisk lub inne niezawodne połączenie ochranianego urządzenia z odpowiednio dobranym kablem zdolnym do przewodzenia ładunku elektrycznego do odpowiedniego punktu uziemienia.
Szczególnie w procesach wsadowych, które mogą wymagać wykonania i naprawy setek lub nawet tysięcy uziemień każdego dnia, kluczowym jest wykonanie za każdym razem dobrego połączenia z uziemieniem. Efektywność, niezawodność i trwałość każdego zacisku uziemiającego oraz połączonego z nim okablowania jest zatem podstawą do wyeliminowania zagrożenia wyładowań elektrostatycznych w procesach produkcyjnych.
Na przykład elektryczność statyczna jest wszechobecnym zagrożeniem podczas produkcji: lakierów, żywic, klejów, farb, rozpuszczalników, materiałów wybuchowych, łatwopalnych proszków i innych tego typu produktów. Powszechnym problemem w tych aplikacjach jest to, że urządzenia służące do przetwarzania oraz związane z nimi pojemniki, beczki i pojemniki IBC mogą zostać pokryte warstwą produktu bądź rdzy lub są pokryte innymi warstwami. Warstwy te mogą tworzyć nieprzewidywalną powierzchnię izolacyjną mogącą w łatwy sposób pokonać pewne typy zacisków oraz inne wewnątrzzakładowe metody wykonywania uziemień.
Obostrzenia prawne
Ważność projektu skutecznego zacisku uziemiającego i jego przydatność do użycia w łatwopalnych środowiskach nie uszła uwadze odpowiednich organizacji ustanawiających i zatwierdzających przepisy na całym świecie. Według dyrektyw ATEX zaciski uziemiające muszą spełniać pewne kryteria, aby mogły uzyskać certyfikat do zastosowania w środowiskach zagrożonych wybuchem. Na przykład zacisk uziemiający wykonany z aluminium i przeznaczony do wykorzystania w strefach 0 lub 20 musi być pokryty materiałem, który nie przyczyni się do powstawania iskrzenia mechanicznego podczas normalnych warunków pracy.
Wprowadzono także ograniczenia co do ilości plastiku, który może być użyty do pokrycia zacisku, gdyż może to spowodować zgromadzenie się na nim ładunku elektrycznego. Użycie plastiku może także spowodować problemy związane z trwałością i odpornością na czynniki chemiczne oraz stabilnością termiczną.
Zaciski są także badane jako potencjalne źródła gromadzenia się energii i ich możliwości wywoływania iskry w przypadku uwolnienia ładunku w strefie zagrożonej wybuchem. Głównym źródłem energii w zaciskach uziemiających jest sprężyna. Sprężyna ma zdolność do mechanicznego wywołania iskry poprzez kontakt z innym obiektem w przypadku, gdy wyskoczy z obudowy zacisku.
Zaciski są testowane pod kątem ich trwałości mechanicznej, dając w ten sposób pewność, że zgromadzona energia jest w sposób pewny zatrzymana w obrębie zacisku. W połączeniu z testami wytrzymałości mechanicznej odpowiednie organizacje w USA oceniają także kilkanaście innych kryteriów projektowych uważanych za kluczowe dla zacisków uziemiających.
W przypadku zastosowania w miejscach niebezpiecznych, rezystancja wzdłuż zacisku, włączając styki i obudowę nie może przekraczać 1 oma po podłączeniu do uziemianego urządzenia. Dodatkowe testy zapewniają, że zacisk jest odpowiedni do użycia w normalnych warunkach przemysłowych. Zacisk musi przejść próbę rozrywania, test minimalnej siły zaciskania oraz testy wibracyjne przy różnych częstotliwościach w celu zapewnienia pozytywnego i stabilnego styku z ruchomymi urządzeniami.
Zatwierdzone zaciski mają typowe oznaczenia, które można znaleźć na zaciskach zatwierdzonych przez ATEX i/lub FM.
Badania i testy
Inżynierowie z Newson Gale pracowali nad wpływem nagromadzenia się warstw różnych produktów, rdzy oraz powłok ochronnych na zdolność zacisków uziemiających do efektywnego rozpraszania ładunków statycznych. Testy laboratoryjne odzwierciedlające rzeczywiste warunki pracy były przeprowadzane w celu zbadania wpływu powłok ochronnych i klejów na zdolność zacisków do uzyskania pozytywnego styku z taśmami materiałów przewodzących. W oparciu o wymagania dla zacisków uziemiających, rezystancja testowanego zacisku została ustalona na wartość 1 oma.
Testy dały kilka zaskakujących rezultatów. W szczególności w testach z warstwami ochronnymi nawet najcieńsze (400 µm) warstwy dostarczały szeroki zakres odczytów rezystancji w zależności od typu zacisku. Test wykazał, że najwyższe poziomy rezystancji (powyżej 1 x 106 omów) uzyskane dla zacisków z różnymi kombinacjami dużych powierzchni styków w kombinacjach ze słabym i dobrym naciskiem sprężyny.
Zaciski, które wykazały spójne i pozytywne wartości (poniżej 1 oma) składały się ze styków o małej powierzchni i sprężyny z dobrym naciskiem. Styk o małej powierzchni, uzyskany poprzez zaostrzone nacięcia (typowo wykonane z węglika wolframu lub stali nierdzewnej) dodatkowo wspomagane przez dobry nacisk sprężyny, umożliwił penetrację wszystkich rodzajów badanych pokryć.
Najtrudniejszą okazała się próba z warstwami klejów. Na taśmy przewodzące nakładano warstwy o grubości 1 mm i wszystkie zaciski nie przeszły pierwszej próby zaciskania. Gdy zaczęto ręcznie poruszać zaciskami w celu usunięcia kleju, zaciski, które zdały test z pokryciami, zdały również test z klejami. Zardzewiałe i skorodowane zaciski były także zbadane pod kątem wartości rezystancji. Wyniki okazały się alarmująco wysokie nawet dla testów przeprowadzanych na czystych powierzchniach.
Testy w rzeczywistości pokazują, że naniesione warstwy mogą poważnie poddać w wątpliwość ogólnie zaakceptowane dobre metody uziemiania. Ważne ostrzeżenie: zaciski uziemienia spawarek, zaciski krokodylkowe i kable miedziane rozprowadzone po terenie zakładów pokazały wartości rezystancji przekraczające generalnie akceptowalne bezpieczne poziomy testowe dla ładunków elektrostatycznych.
Uziemianie i łączenie kabli
Skuteczne zaciski wymagają kabli i połączeń, które mogą wytrzymać rygorystyczne warunki stawiane w przemyśle. Ze względu na ich mechaniczną wytrzymałość stalowe kable wielożyłowe mają znacznie dłuższą żywotność niż miedziane warkocze bądź kable, które łatwo się utwardzają podczas ciągłego poruszania się. W miejscach produkcyjnych, gdzie występuje korozja, stosowane są nierdzewne kable wielożyłowe.
Elastyczne oraz sztywne kable i przewody uziemiające mogą być główną przyczyną potykania się w miejscu pracy. Użycie kabli o jasnych kolorach i dobrze widocznych osłonach (zgodnie z IEC 60446) jasno pokazuje, czy kabel służy do uziemień ładunków elektrostatycznych, czy do uziemień roboczych.
Konserwacja
Regularne inspekcje i zapisy spójności połączeń do dedykowanych punktów uziemień są podstawą. Spójność połączeń może być sprawdzona w miejscach niebezpiecznych za pomocą samoistnie bezpiecznych urządzeń przenośnych, które zapewniają prosty odczyt w celu upewnienia się, że zacisk utrzymuje efektywny i pozytywny styk z urządzeniem oraz że przewód uziemiający jest odpowiednio zamocowany do lokalnego punktu uziemiającego.
Kolory kabli
Nie ma zalecanych kolorów, które by identyfikowały osłonięte kable uziemiające ładunki elektrostatyczne. Należy jednak zwrócić uwagę na IEC60446 i ważność doboru kolorów, które nie mogą być pomieszane z kolorami przewidzianymi dla kabli przeznaczonych do zabezpieczeń. W Europie kabel Cen-Stat z pojedynczą żyłą jest zielony, aby można było go odróżnić od żółto-zielonego kabla przeznaczonego do uziemień roboczych. Kabel Cen-Stat o kolorze pomarańczowym jest używany do oznaczenia kabla z żyłą pojedynczą przeznaczonego do uziemień elektrostatycznych w Ameryce Północnej.
Wniosek
Łatwo zakładać, że użycie prostych zacisków automatycznie wyeliminuje ryzyko, jakie stanowi elektryczność statyczna. Jednakże złożoność efektywnego rozproszenia ładunków elektrostatycznych wymaga ostrożnego zaplanowania i rozsądnego podejścia do analizy ryzyka.
Organizacje regulacyjne w Europie i Ameryce Północnej podkreślają ważność wykorzystania specjalnie zaprojektowanych zacisków uziemiających, które zarówno pasują do rozpraszania ładunków elektrostatycznych w sposób bezpieczny oraz mogą być wykorzystane w przemyśle. Dla szczególnie niebezpiecznych zastosowań w niezmiernie wrażliwym na zapłon lub wybuch środowisku, gdzie niska rezystancja połączenia z zaciskiem uziomowym jest absolutną podstawą, zaleca się stosowanie samotestujących zacisków oraz systemów ze wskaźnikami i blokadami. Praca nad tymi standardami i zaleceniami jest sposobem na zapewnienie personelowi i zakładom ochrony przed niebezpieczną, wszechobecną i ukrytą elektrycznością statyczną.
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
Autor: Michael O’Brien
