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40. Strom

Kapitel-Editor:  Dominique Folliot

 


 

Inhaltsverzeichnis 

Abbildungen und Tabellen

Elektrizität – Physiologische Wirkungen
Dominique Folliot

Statische Elektrizität
Claude Mengue

Prävention und Standards
Renzo Comini

Tische

Klicken Sie unten auf einen Link, um die Tabelle im Artikelkontext anzuzeigen.

1. Schätzungen der Rate der Stromschläge-1988
2. Grundlegende Zusammenhänge in der Elektrostatik-Gleichungssammlung
3. Elektronenaffinitäten ausgewählter Polymere
4. Typische untere Entflammbarkeitsgrenzen
5. Spezifische Gebühr in Verbindung mit ausgewählten Industriebetrieben
6. Beispiele für elektrostatisch empfindliche Geräte

Zahlen

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Montag, Februar 28 2011 19: 19

Elektrizitätsphysiologische Wirkungen

Das Studium der Gefahren, der Elektrophysiologie und der Verhütung von Elektrounfällen erfordert ein Verständnis mehrerer technischer und medizinischer Konzepte.

Die folgenden Definitionen elektrobiologischer Begriffe sind Kapitel 891 des International Electrotechnical Vocabulary (Electrobiology) (International Electrotechnical Commission) (IEC) (1979) entnommen.

An Elektroschock ist die physiopathologische Wirkung, die sich aus dem direkten oder indirekten Durchgang eines äußeren elektrischen Stroms durch den Körper ergibt. Es umfasst direkte und indirekte Kontakte sowie unipolare und bipolare Ströme.

Personen – lebend oder verstorben – die einen Stromschlag erlitten haben, sollen gelitten haben Elektrifizierung; der Begriff Stromschlag sollte Todesfällen vorbehalten bleiben. Blitzeinschläge sind tödliche Stromschläge durch Blitzschlag (Gourbiere et al. 1994).

Internationale Statistiken zu Elektrounfällen wurden vom Internationalen Arbeitsamt (ILO), der Europäischen Union (EU), der Union Internationale des Producteurs et Distributors d'énergie électrique (UNIPEDE), der Internationalen Vereinigung für Soziale Sicherheit (ISSA) und dem TC64-Ausschuss der Internationalen Elektrotechnischen Kommission. Die Interpretation dieser Statistiken wird durch Unterschiede in den Datenerhebungsverfahren, Versicherungspolicen und Definitionen tödlicher Unfälle von Land zu Land behindert. Dennoch sind folgende Abschätzungen der Stromschlagrate möglich (Tabelle 1).

Tabelle 1. Schätzungen der Stromschlagrate - 1988

 

Stromschläge
pro Million Einwohner

Gesamt
Todesfälle

USA*

2.9

714

Frankreich

2.0

115

Deutschland

1.6

99

Österreich

0.9

11

Japan

0.9

112

Schweden

0.6

13

 

* Nach Angaben der National Fire Protection Association (Massachusetts, USA) spiegeln diese US-Statistiken eher eine umfangreiche Datensammlung und gesetzliche Meldepflichten wider als eine gefährlichere Umgebung. US-Statistiken umfassen Todesfälle durch Kontakt mit öffentlichen Übertragungssystemen und durch Verbraucherprodukte verursachte Stromschläge. 1988 wurden 290 Todesfälle durch Konsumgüter verursacht (1.2 Todesfälle pro Million Einwohner). 1993 sank die Todesrate durch Stromschlag jeglicher Ursache auf 550 (2.1 Todesfälle pro Million Einwohner); 38 % waren verbraucherproduktbezogen (0.8 Todesfälle pro Million Einwohner).

 

Die Zahl der Stromschläge nimmt langsam ab, sowohl in absoluten Zahlen als auch, noch auffälliger, als Funktion des gesamten Stromverbrauchs. Etwa die Hälfte der Stromunfälle sind beruflich bedingt, die andere Hälfte ereignet sich zu Hause und bei Freizeitaktivitäten. In Frankreich betrug die durchschnittliche Zahl der Todesfälle zwischen 1968 und 1991 151 Todesfälle pro Jahr, so die Nationales Institut für Gesundheit und medizinische Forschung (INSERM).

Physikalische und physiopathologische Grundlagen der Elektrifizierung

Elektrospezialisten unterteilen elektrische Kontakte in zwei Gruppen: direkte Kontakte, die Kontakt mit spannungsführenden Komponenten beinhalten, und indirekte Kontakte, die Kontakt mit geerdeten Kontakten beinhalten. Jede davon erfordert grundlegend unterschiedliche präventive Maßnahmen.

Aus medizinischer Sicht ist der Stromweg durch den Körper die entscheidende prognostische und therapeutische Determinante. Beispielsweise führt ein zweipoliger Kontakt des Mundes eines Kindes mit einem Stecker eines Verlängerungskabels zu äußerst schweren Verbrennungen im Mund – aber nicht zum Tod, wenn das Kind gut vom Boden isoliert ist.

In Arbeitsumgebungen, in denen hohe Spannungen üblich sind, kann es auch zu Lichtbögen zwischen einem unter Hochspannung stehenden aktiven Bauteil und Arbeitern kommen, die sich zu nah nähern. Auch bestimmte Arbeitssituationen können sich auf die Folgen von Stromunfällen auswirken: Beispielsweise können Arbeiter stürzen oder sich unangemessen verhalten, wenn sie von einem ansonsten relativ harmlosen Stromschlag überrascht werden.

Stromunfälle können durch den gesamten Spannungsbereich am Arbeitsplatz verursacht werden. Jeder Industriesektor hat seine eigenen Bedingungen, die einen direkten, indirekten, unipolaren, bipolaren, Lichtbogen- oder induzierten Kontakt und letztendlich Unfälle verursachen können. Obwohl es natürlich den Rahmen dieses Artikels sprengen würde, alle menschlichen Aktivitäten zu beschreiben, die mit Elektrizität zu tun haben, ist es nützlich, den Leser an die folgenden Hauptarten von Elektroarbeiten zu erinnern, die Gegenstand internationaler Präventionsrichtlinien waren, die im Kapitel beschrieben werden Verhütung:

  1. Tätigkeiten mit Arbeiten an stromführenden Leitungen (durch die Anwendung äußerst strenger Protokolle ist es gelungen, die Anzahl der Elektrifizierungen bei dieser Art von Arbeiten zu reduzieren)
  2. Aktivitäten, die Arbeiten an stromlosen Leitungen umfassen, und
  3. Tätigkeiten in der Nähe von spannungsführenden Leitungen (diese Tätigkeiten erfordern die größte Aufmerksamkeit, da sie oft von Personal ausgeführt werden, das keine Elektriker sind).

 

Physiopathologie

Alle Variablen des Jouleschen Gleichstromgesetzes—

W=V x I x t = RI2t

(die von einem elektrischen Strom erzeugte Wärme ist proportional zum Widerstand und zum Quadrat des Stroms) – sind eng miteinander verbunden. Bei Wechselstrom muss zusätzlich der Einfluss der Frequenz berücksichtigt werden (Folliot 1982).

Lebewesen sind elektrische Leiter. Elektrifizierung tritt auf, wenn zwischen zwei Punkten im Organismus eine Potentialdifferenz besteht. Es ist wichtig zu betonen, dass die Gefahr eines elektrischen Unfalls nicht durch bloßen Kontakt mit einem stromführenden Leiter entsteht, sondern vielmehr durch gleichzeitigen Kontakt mit einem stromführenden Leiter und einem anderen Körper auf einem anderen Potential.

Die Gewebe und Organe entlang des Strompfades können einer funktionellen motorischen Erregung unterliegen, in einigen Fällen irreversibel, oder vorübergehend oder dauerhaft geschädigt werden, im Allgemeinen als Folge von Verbrennungen. Das Ausmaß dieser Verletzungen ist eine Funktion der freigesetzten Energie oder der Strommenge, die durch sie hindurchfließt. Die Laufzeit des elektrischen Stroms ist daher entscheidend für den Grad der Verletzung. (Zum Beispiel erzeugen Zitteraale und Rochen äußerst unangenehme Entladungen, die Bewusstlosigkeit hervorrufen können. Trotz einer Spannung von 600 V, einer Stromstärke von ungefähr 1 A und einem Objektwiderstand von ungefähr 600 Ohm sind diese Fische jedoch nicht in der Lage, eine tödlicher Schock, da die Entladungsdauer zu kurz ist, in der Größenordnung von zehn Mikrosekunden.) Daher ist der Tod bei hohen Spannungen (> 1,000 V) häufig auf das Ausmaß der Verbrennungen zurückzuführen. Bei niedrigeren Spannungen ist der Tod eine Funktion der Strommenge (Q=Ich x t), die das Herz erreichen, bestimmt durch Art, Ort und Fläche der Kontaktpunkte.

In den folgenden Abschnitten werden der Mechanismus des Todes durch Stromunfälle, die effektivsten Soforttherapien und die Faktoren erörtert, die die Schwere der Verletzung bestimmen – nämlich Widerstand, Intensität, Spannung, Frequenz und Wellenform.

Todesursachen bei elektrischen Unfällen in der Industrie

In seltenen Fällen kann Asphyxie die Todesursache sein. Dies kann durch anhaltenden Tetanus des Zwerchfells, Hemmung der Atemzentren bei Kopfkontakt oder sehr hohe Stromdichten, zB durch Blitzschlag, verursacht werden (Gourbiere et al. 1994). Wenn die Versorgung innerhalb von drei Minuten erfolgen kann, kann das Opfer mit ein paar Atemzügen einer Mund-zu-Mund-Beatmung wiederbelebt werden.

Andererseits bleibt der periphere Kreislaufkollaps als Folge von Kammerflimmern die Haupttodesursache. Dies entwickelt sich ausnahmslos in Abwesenheit einer gleichzeitig mit der Mund-zu-Mund-Beatmung angewendeten Herzdruckmassage. Diese Eingriffe, die allen Elektrikern beigebracht werden sollten, sollten bis zum Eintreffen der medizinischen Notfallversorgung aufrechterhalten werden, was fast immer länger als drei Minuten dauert. Sehr viele Elektropathologen und Ingenieure auf der ganzen Welt haben die Ursachen von Kammerflimmern untersucht, um bessere passive oder aktive Schutzmaßnahmen zu entwickeln (International Electrotechnical Commission 1987; 1994). Die zufällige Desynchronisation des Myokards erfordert einen anhaltenden elektrischen Strom mit einer bestimmten Frequenz, Intensität und Laufzeit. Am wichtigsten ist, dass das elektrische Signal während des sogenannten Myokards ankommt anfällige Phase des Herzzyklus, entsprechend dem Beginn der T-Welle des Elektrokardiogramms.

Die International Electrotechnical Commission (1987; 1994) hat Kurven erstellt, die die Auswirkung der Stromstärke und der Laufzeit auf die Wahrscheinlichkeit (ausgedrückt in Prozent) von Fibrillation und den Hand-Fuß-Strompfad bei einem 70 kg schweren Mann bei guter Gesundheit beschreiben. Diese Werkzeuge sind für industrielle Ströme im Frequenzbereich von 15 bis 100 Hz geeignet, wobei derzeit höhere Frequenzen untersucht werden. Für Laufzeiten von weniger als 10 ms ist die Fläche unter der elektrischen Signalkurve eine vernünftige Annäherung an die elektrische Energie.

Rolle verschiedener elektrischer Parameter

Jeder der elektrischen Parameter (Strom, Spannung, Widerstand, Zeit, Frequenz) und Wellenform sind wichtige Determinanten von Verletzungen, sowohl für sich als auch aufgrund ihrer Wechselwirkung.

Stromschwellenwerte wurden für Wechselstrom sowie für andere oben definierte Bedingungen festgelegt. Die Stromstärke während der Elektrifizierung ist unbekannt, da sie eine Funktion des Gewebewiderstands im Moment des Kontakts ist (I = V/R), ist aber im Allgemeinen bei Pegeln von etwa 1 mA wahrnehmbar. Relativ niedrige Ströme können Muskelkontraktionen verursachen, die ein Opfer daran hindern können, ein energetisiertes Objekt loszulassen. Die Schwelle dieses Stroms ist eine Funktion von Kondensation, Kontaktfläche, Kontaktdruck und individuellen Schwankungen. Nahezu alle Männer und fast alle Frauen und Kinder können bei Strömen bis 6 mA loslassen. Bei 10 mA wurde beobachtet, dass 98.5 % der Männer und 60 % der Frauen und 7.5 % der Kinder loslassen können. Nur 7.5 % der Männer und keine Frauen oder Kinder können bei 20 mA loslassen. Bei 30 mA und mehr kann niemand loslassen.

Ströme von etwa 25 mA können Tetanus des Zwerchfells, des stärksten Atemmuskels, verursachen. Wenn der Kontakt drei Minuten lang aufrechterhalten wird, kann es auch zum Herzstillstand kommen.

Kammerflimmern wird bei Pegeln von etwa 45 mA zur Gefahr, mit einer Wahrscheinlichkeit von 5 % bei Erwachsenen nach 5 Sekunden Kontakt. Bei Herzoperationen, zugegebenermaßen ein Sonderzustand, ein Strom von 20 bis 100 × 10-6Eine direkte Anwendung auf das Myokard reicht aus, um ein Flimmern zu induzieren. Diese myokardiale Empfindlichkeit ist der Grund für strenge Standards, die für elektromedizinische Geräte gelten.

Alle anderen Dinge (V, R, Frequenz) sind Stromschwellen auch abhängig von Wellenform, Tierart, Gewicht, Stromrichtung im Herzen, Verhältnis der Stromlaufzeit zum Herzzyklus, Punkt im Herzzyklus, an dem der Strom ankommt, und individuelle Faktoren.

Die bei Unfällen auftretende Spannung ist allgemein bekannt. Bei direktem Kontakt sind Kammerflimmern und die Schwere von Verbrennungen direkt proportional zur Spannung, da

V = RI und W = V x I x t

Verbrennungen durch Hochspannungs-Elektroschocks sind mit vielen Komplikationen verbunden, von denen nur einige vorhersehbar sind. Dementsprechend müssen Unfallopfer von sachkundigen Fachkräften betreut werden. Die Wärmefreisetzung erfolgt hauptsächlich in den Muskeln und neurovaskulären Bündeln. Plasmaaustritt nach Gewebeschädigung verursacht Schock, in manchen Fällen schnell und intensiv. Bei einer bestimmten Oberfläche sind elektrothermische Verbrennungen – Verbrennungen, die durch elektrischen Strom verursacht werden – immer schwerer als andere Arten von Verbrennungen. Elektrothermische Verbrennungen treten sowohl äußerlich als auch innerlich auf und können, obwohl dies zunächst nicht offensichtlich ist, Gefäßschäden mit schwerwiegenden Nebenwirkungen hervorrufen. Dazu gehören innere Stenosen und Thromben, die aufgrund der dadurch induzierten Nekrose häufig eine Amputation erforderlich machen.

Die Gewebezerstörung ist auch für die Freisetzung von Chromoproteinen wie Myoglobin verantwortlich. Eine solche Freisetzung wird auch bei Opfern von Quetschverletzungen beobachtet, obwohl das Ausmaß der Freisetzung bei Opfern von Hochspannungsverbrennungen bemerkenswert ist. Es wird angenommen, dass die Myoglobin-Präzipitation in den Nierentubuli als Folge einer durch Anoxie und Hyperkaliämie verursachten Azidose die Ursache der Anurie ist. Diese experimentell bestätigte, aber nicht allgemein akzeptierte Theorie ist die Grundlage für Empfehlungen zur sofortigen Alkalisierungstherapie. Die empfohlene Vorgehensweise ist die intravenöse Alkalisierung, die auch Hypovolämie und Azidose infolge des Zelltods korrigiert.

Bei indirekten Kontakten die Berührungsspannung (V) und konventionelle Spannungsgrenze müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Die Berührungsspannung ist die Spannung, der eine Person ausgesetzt wird, wenn sie gleichzeitig zwei Leiter berührt, zwischen denen aufgrund mangelhafter Isolierung eine Spannungsdifferenz besteht. Die Intensität des resultierenden Stromflusses hängt von den Widerständen des menschlichen Körpers und des äußeren Stromkreises ab. Dieser Strom darf nicht über sichere Werte ansteigen, dh er muss sicheren Zeit-Strom-Kurven entsprechen. Die höchste Kontaktspannung, die auf unbestimmte Zeit toleriert werden kann, ohne elektropathologische Wirkungen hervorzurufen, wird als die bezeichnet herkömmliche Spannungsbegrenzung oder, intuitiver, die Sicherheitsspannung.

Der tatsächliche Widerstandswert bei Stromunfällen ist unbekannt. Schwankungen der Reihenwiderstände – zum Beispiel Kleidung und Schuhe – erklären einen Großteil der Schwankungen, die bei den Auswirkungen scheinbar ähnlicher Elektrounfälle beobachtet werden, haben aber wenig Einfluss auf das Ergebnis von Unfällen mit bipolaren Kontakten und Hochspannungselektrifizierungen. Bei Wechselspannung muss der Einfluss kapazitiver und induktiver Erscheinungen zur Standardberechnung nach Spannung und Strom hinzugerechnet werden (R=V/I).

Der Widerstand des menschlichen Körpers ist die Summe des Hautwiderstandes (R) an den beiden Berührungspunkten und dem Körperinnenwiderstand (R). Der Hautwiderstand variiert mit Umgebungsfaktoren und ist, wie von Biegelmeir (International Electrotechnical Commission 1987; 1994) festgestellt, teilweise eine Funktion der Kontaktspannung. Auch andere Faktoren wie Druck, Kontaktfläche, Hautbeschaffenheit an der Kontaktstelle und individuelle Faktoren beeinflussen den Widerstand. Es ist daher unrealistisch zu versuchen, vorbeugende Maßnahmen auf Schätzungen des Hautwiderstands zu stützen. Prävention sollte stattdessen auf der Anpassung von Geräten und Verfahren an den Menschen beruhen und nicht umgekehrt. Der Einfachheit halber hat die IEC vier Arten von Umgebungen definiert – trocken, feucht, nass und Eintauchen – und Parameter definiert, die für die Planung von Präventionsmaßnahmen in jedem Fall nützlich sind.

Die Frequenz des für Stromunfälle verantwortlichen elektrischen Signals ist allgemein bekannt. In Europa sind es fast immer 50 Hz und in Amerika generell 60 Hz. In seltenen Fällen bei Eisenbahnen in Ländern wie Deutschland, Österreich und der Schweiz können es 16 sein 2/3 Hz, eine Frequenz, die theoretisch ein größeres Risiko für Tetanisierung und Kammerflimmern darstellt. Es sollte daran erinnert werden, dass Flimmern keine Muskelreaktion ist, sondern durch wiederholte Stimulation verursacht wird, mit einer maximalen Empfindlichkeit bei etwa 10 Hz. Dies erklärt, warum extrem niederfrequenter Wechselstrom bei gegebener Spannung im Hinblick auf andere Wirkungen als Verbrennungen als drei- bis fünfmal gefährlicher angesehen wird als Gleichstrom.

Die zuvor beschriebenen Schwellenwerte sind direkt proportional zur Frequenz des Stroms. Bei 10 kHz ist die Erkennungsschwelle also zehnmal höher. Die IEC untersucht überarbeitete Fibrillationsgefahrenkurven für Frequenzen über 1,000 Hz (International Electrotechnical Commission 1994).

Ab einer bestimmten Frequenz ändern sich die physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Stromdurchdringung im Körper vollständig. Thermische Effekte in Bezug auf die freigesetzte Energiemenge werden zum Haupteffekt, da kapazitive und induktive Phänomene zu dominieren beginnen.

Die Wellenform des elektrischen Signals, das für einen elektrischen Unfall verantwortlich ist, ist normalerweise bekannt. Es kann ein wichtiger Faktor für Verletzungen bei Unfällen mit Kontakt mit Kondensatoren oder Halbleitern sein.

Klinische Studie zum Elektroschock

Klassischerweise werden Elektrifizierungen in Nieder- (50 bis 1,000 V) und Hochspannungsereignisse (>1,000 V) unterteilt.

Niederspannung ist eine bekannte, ja allgegenwärtige Gefahr, und durch sie verursachte Stromschläge sind in Haushalt, Freizeit, Landwirtschaft und Krankenhaus sowie in der Industrie anzutreffen.

Bei der Betrachtung des Bereichs von Niederspannungs-Elektroschocks, von den trivialsten bis zu den schwerwiegendsten, müssen wir mit unkomplizierten Elektroschocks beginnen. In diesen Fällen sind die Opfer in der Lage, sich selbst aus dem Schaden zu befreien, das Bewusstsein zu bewahren und eine normale Belüftung aufrechtzuerhalten. Kardiale Wirkungen sind auf eine einfache Sinustachykardie mit oder ohne geringfügige elektrokardiographische Anomalien beschränkt. Trotz der relativ geringen Folgen solcher Unfälle bleibt die Elektrokardiographie eine angemessene medizinische und rechtsmedizinische Vorsorge. Die technische Untersuchung dieser potenziell schwerwiegenden Vorfälle ist als Ergänzung zur klinischen Untersuchung indiziert (Gilet und Choquet 1990).

Schockopfer mit etwas stärkeren und länger anhaltenden elektrischen Kontaktschlägen können unter Störungen oder Bewusstlosigkeit leiden, erholen sich jedoch mehr oder weniger schnell vollständig; Behandlung beschleunigt die Genesung. Die Untersuchung zeigt im Allgemeinen neuromuskuläre Hypertonien, hyperreflektive Ventilationsprobleme und Kongestion, von denen letztere oft sekundär zu einer oropharyngealen Obstruktion sind. Kardiovaskuläre Störungen sind sekundär zu Hypoxie oder Anoxie oder können die Form von Tachykardie, Bluthochdruck und in einigen Fällen sogar Infarkt annehmen. Patienten mit diesen Erkrankungen müssen im Krankenhaus behandelt werden.

Die gelegentlichen Opfer, die innerhalb weniger Sekunden nach dem Kontakt das Bewusstsein verlieren, erscheinen blass oder zyanotisch, hören auf zu atmen, haben kaum wahrnehmbare Pulse und zeigen Mydriasis, was auf eine akute Gehirnverletzung hinweist. Obwohl in der Regel auf Kammerflimmern zurückzuführen, ist die genaue Pathogenese dieses scheinbaren Todes jedoch irrelevant. Wichtig ist der rasche Beginn einer wohldefinierten Therapie, da seit längerem bekannt ist, dass dieser Krankheitszustand nie zum Tod führt. Die Prognose in diesen Fällen von Stromschlägen, von denen eine vollständige Genesung möglich ist, hängt von der Schnelligkeit und Qualität der Ersten Hilfe ab. Statistisch gesehen wird diese am ehesten von nichtmedizinischem Personal durchgeführt, weshalb eine Schulung aller Elektrofachkräfte in den grundlegenden überlebenssichernden Eingriffen indiziert ist.

Bei offensichtlichem Tod muss die Notfallbehandlung Vorrang haben. In anderen Fällen muss jedoch auf multiple Traumata geachtet werden, die durch heftigen Tetanus, Stürze oder das Hochschleudern des Opfers durch die Luft verursacht wurden. Sobald die unmittelbare lebensbedrohliche Gefahr beseitigt ist, sollten Verletzungen und Verbrennungen, einschließlich solcher, die durch Niederspannungskontakte verursacht wurden, behandelt werden.

Bei Hochspannungsunfällen kommt es neben den bei Niederspannungsunfällen beschriebenen Folgen zu erheblichen Verbrennungen. Die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme erfolgt sowohl intern als auch extern. In einer Studie über elektrische Unfälle in Frankreich, die von der medizinischen Abteilung des Energieversorgers EDF-GDF durchgeführt wurde, erlitten fast 80 % der Opfer Verbrennungen. Diese lassen sich in vier Gruppen einteilen:

  1. Lichtbogenverbrennungen, die normalerweise ungeschützte Haut betreffen und in einigen Fällen durch Verbrennungen durch brennende Kleidung kompliziert werden
  2. mehrfache, ausgedehnte und tiefe elektrothermische Verbrennungen, verursacht durch Hochspannungskontakte
  3. klassische Verbrennungen, verursacht durch brennende Kleidung und das Herumspritzen von brennendem Material, und
  4. Mischverbrennungen, verursacht durch Lichtbogen, Brand und Stromfluss.

 

Nachsorge- und Ergänzungsuntersuchungen werden je nach Unfallgeschehen nach Bedarf durchgeführt. Die zur Erstellung einer Prognose oder für medizinisch-rechtliche Zwecke verwendete Strategie wird natürlich durch die Art der beobachteten oder erwarteten Komplikationen bestimmt. Bei Hochspannungselektrifizierungen (Folliot 1982) und Blitzeinschlägen (Gourbiere et al. 1994) sind Enzymologie und die Analyse von Chromoproteinen und Blutgerinnungsparametern obligatorisch.

Der Genesungsverlauf nach einem Elektrotrauma kann durchaus durch frühe oder späte Komplikationen beeinträchtigt werden, insbesondere solche, die das Herz-Kreislauf-, Nerven- und Nierensystem betreffen. Diese Komplikationen an sich sind Grund genug, Opfer von Hochspannungselektrifizierungen ins Krankenhaus zu bringen. Einige Komplikationen können funktionelle oder kosmetische Folgen hinterlassen.

Wenn der Strompfad derart ist, dass ein signifikanter Strom das Herz erreicht, werden kardiovaskuläre Komplikationen vorliegen. Die am häufigsten beobachteten und harmlosesten davon sind funktionelle Störungen mit oder ohne klinische Korrelate. Arrhythmien – Sinustachykardie, Extrasystole, Flattern und Vorhofflimmern (in dieser Reihenfolge) – sind die häufigsten elektrokardiographischen Anomalien und können bleibende Folgen haben. Leitungsstörungen sind seltener und lassen sich ohne vorheriges Elektrokardiogramm nur schwer mit Stromunfällen in Verbindung bringen.

Schwerwiegendere Erkrankungen wie Herzversagen, Klappenverletzungen und Myokardverbrennungen wurden ebenfalls berichtet, sind aber selbst bei Opfern von Hochspannungsunfällen selten. Es wurden auch eindeutige Fälle von Angina pectoris und sogar Infarkten gemeldet.

Periphere Gefäßverletzungen können in der Woche nach der Hochspannungselektrifizierung beobachtet werden. Mehrere pathogene Mechanismen wurden vorgeschlagen: arterieller Spasmus, die Einwirkung von elektrischem Strom auf die medialen und muskulären Schichten der Gefäße und die Veränderung der Blutgerinnungsparameter.

Eine Vielzahl von neurologischen Komplikationen ist möglich. Am frühesten tritt ein Schlaganfall auf, unabhängig davon, ob das Opfer zunächst einen Bewusstseinsverlust erlitten hat. Die Physiopathologie dieser Komplikationen umfasst ein Schädeltrauma (dessen Vorhandensein festgestellt werden sollte), die direkte Wirkung von Strom auf den Kopf oder die Veränderung des zerebralen Blutflusses und die Induktion eines verzögerten zerebralen Ödems. Außerdem können durch Traumata oder die direkte Einwirkung von elektrischem Strom medulläre und sekundäre periphere Komplikationen verursacht werden.

Sensibilitätsstörungen betreffen das Auge und das audiovestibuläre oder cochleäre System. Es ist wichtig, die Hornhaut, die Augenlinse und den Augenhintergrund so schnell wie möglich zu untersuchen und Opfer von Lichtbögen und direktem Kopfkontakt auf verzögerte Auswirkungen zu verfolgen. Katarakte können sich nach einer symptomfreien Zeit von mehreren Monaten entwickeln. Vestibuläre Störungen und Hörverlust sind hauptsächlich auf Explosionseffekte und, bei Opfern von Blitzeinschlägen, die über Telefonleitungen übertragen wurden, auf elektrische Traumata zurückzuführen (Gourbiere et al. 1994).

Verbesserungen in mobilen Notfallpraxen haben die Häufigkeit von Nierenkomplikationen, insbesondere Oligo-Anurie, bei Opfern von Hochspannungselektrifizierungen stark reduziert. Eine frühzeitige und sorgfältige Rehydrierung und intravenöse Alkalisierung ist die Behandlung der Wahl bei Opfern schwerer Verbrennungen. Einige wenige Fälle von Albuminurie und persistierender mikroskopischer Hämaturie wurden berichtet.

Klinische Porträts und diagnostische Probleme

Das klinische Bild des Elektroschocks wird durch die Vielfalt industrieller Anwendungen von Elektrizität und die zunehmende Häufigkeit und Vielfalt medizinischer Anwendungen von Elektrizität erschwert. Elektrounfälle wurden jedoch lange Zeit ausschließlich durch Blitzeinschläge verursacht (Gourbiere et al. 1994). Bei Blitzeinschlägen kann es zu beachtlichen Strommengen kommen: Jedes dritte Opfer eines Blitzeinschlags stirbt. Die Auswirkungen eines Blitzeinschlags – Verbrennungen und scheinbarer Tod – sind vergleichbar mit denen von Industrieelektrizität und sind auf elektrischen Schlag, die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme, Explosionseffekte und die elektrischen Eigenschaften von Blitzen zurückzuführen.

Blitzeinschläge sind bei Männern dreimal so häufig wie bei Frauen. Dies spiegelt Arbeitsmuster mit unterschiedlichen Blitzexpositionsrisiken wider.

Verbrennungen durch Kontakt mit geerdeten metallischen Oberflächen elektrischer Skalpelle sind die häufigsten Folgen, die bei Opfern iatrogener Elektrifizierung beobachtet werden. Die Größe akzeptabler Leckströme in elektromedizinischen Geräten variiert von Gerät zu Gerät. Mindestens Herstellerangaben und Anwendungsempfehlungen sollten beachtet werden.

Zum Abschluss dieses Abschnitts möchten wir auf den Sonderfall des Stromschlags bei Schwangeren eingehen. Dies kann zum Tod der Frau, des Fötus oder beider führen. In einem bemerkenswerten Fall wurde ein lebender Fötus 15 Minuten nach dem Tod seiner Mutter an den Folgen eines Stromschlags durch einen 220-V-Schock erfolgreich per Kaiserschnitt entbunden (Folliot 1982).

Die pathophysiologischen Mechanismen der durch Elektroschock verursachten Abtreibung bedürfen weiterer Untersuchungen. Wird es durch Leitungsstörungen im embryonalen Herzschlauch verursacht, der einem Spannungsgradienten ausgesetzt ist, oder durch einen Riss der Plazenta infolge einer Vasokonstriktion?

Das Auftreten von Stromunfällen wie diesem glücklicherweise seltenen ist ein weiterer Grund, alle Fälle von Verletzungen durch Strom zu melden.

Positive und gerichtsmedizinische Diagnose

Die Umstände, unter denen ein elektrischer Schlag auftritt, sind im Allgemeinen ausreichend klar, um eine eindeutige ätiologische Diagnose zu ermöglichen. Dies ist jedoch auch im industriellen Umfeld nicht immer der Fall.

Die Diagnose eines Kreislaufversagens nach einem Stromschlag ist äußerst wichtig, da es erforderlich ist, dass Umstehende sofort und mit grundlegender Erster Hilfe beginnen, sobald der Strom abgeschaltet wurde. Atemstillstand bei fehlendem Puls ist eine unbedingte Indikation für den Beginn einer Herzmassage und Mund-zu-Mund-Beatmung. Bisher wurden diese nur durchgeführt, wenn eine Mydriasis (Erweiterung der Pupillen), ein diagnostisches Zeichen einer akuten Hirnschädigung, vorlag. Derzeitige Praxis ist es jedoch, mit diesen Eingriffen zu beginnen, sobald der Puls nicht mehr nachweisbar ist.

Da es einige Sekunden dauern kann, bis sich ein Bewusstseinsverlust aufgrund von Kammerflimmern entwickelt, können sich die Opfer möglicherweise von den für den Unfall verantwortlichen Geräten distanzieren. Dies kann von medizinrechtlicher Bedeutung sein – zum Beispiel, wenn ein Unfallopfer mehrere Meter von einem Schaltschrank oder einer anderen Spannungsquelle entfernt ohne Spuren einer elektrischen Verletzung gefunden wird.

Es kann nicht genug betont werden, dass das Fehlen elektrischer Verbrennungen die Möglichkeit eines Stromschlags nicht ausschließt. Wenn die Autopsie von Personen, die in elektrischen Umgebungen oder in der Nähe von Geräten gefunden wurden, die gefährliche Spannungen entwickeln können, keine sichtbaren Jelinek-Läsionen und keine offensichtlichen Todeszeichen zeigt, sollte ein Stromschlag in Betracht gezogen werden.

Wird die Leiche im Freien gefunden, wird durch das Ausschlussverfahren die Diagnose Blitzeinschlag gestellt. In einem Umkreis von 50 Metern um den Körper herum sollte nach Anzeichen für einen Blitzeinschlag gesucht werden. Das Museum für Elektropathologie in Wien bietet eine fesselnde Ausstellung solcher Zeichen, einschließlich karbonisierter Vegetation und verglastem Sand. Vom Opfer getragene Metallgegenstände können schmelzen.

Obwohl Selbstmord durch elektrische Mittel in der Industrie glücklicherweise selten ist, bleibt der Tod durch Mitverschulden eine traurige Realität. Dies gilt insbesondere für nicht standardmäßige Standorte, insbesondere für die Installation und den Betrieb provisorischer elektrischer Einrichtungen unter anspruchsvollen Bedingungen.

Elektrische Unfälle sollten eigentlich nicht mehr vorkommen, wenn es wirksame vorbeugende Maßnahmen gibt, die im Artikel „Prävention und Normen“ beschrieben sind.

 

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Montag, Februar 28 2011 19: 25

Statische Elektrizität

Alle Materialien unterscheiden sich in dem Grad, in dem elektrische Ladungen sie passieren können. Dirigenten Ladungen fließen lassen, während Isolatoren Ladungsverkehr behindern. Elektrostatik ist das Gebiet, das der Untersuchung von Ladungen oder geladenen Körpern in Ruhe gewidmet ist. Statische Elektrizität entsteht, wenn sich an Gegenständen elektrische Ladungen aufbauen, die sich nicht bewegen. Fließen die Ladungen, entsteht ein Strom und der Strom ist nicht mehr statisch. Der Strom, der durch bewegte Ladungen entsteht, wird von Laien allgemein als Elektrizität bezeichnet und in den anderen Artikeln dieses Kapitels behandelt. Statische Elektrifizierung bezeichnet jeden Prozess, der zur Trennung positiver und negativer elektrischer Ladungen führt. Die Leitung wird mit einer Eigenschaft namens gemessen Leitfähigkeit, während ein Isolator durch seine gekennzeichnet ist Widerstand. Als Folge mechanischer Prozesse kann es zu einer Ladungstrennung kommen, die zur Elektrifizierung führt – beispielsweise durch Kontakt zwischen Gegenständen und Reibung oder durch den Zusammenstoß zweier Oberflächen. Die Oberflächen können zwei Festkörper oder ein Festkörper und eine Flüssigkeit sein. Der mechanische Prozess kann seltener das Aufbrechen oder Trennen von festen oder flüssigen Oberflächen sein. Dieser Artikel konzentriert sich auf Kontakt und Reibung.

Elektrifizierungsprozesse

Das Phänomen der Erzeugung statischer Elektrizität durch Reibung (Triboelektrifizierung) ist seit Tausenden von Jahren bekannt. Der Kontakt zwischen zwei Materialien reicht aus, um eine Elektrifizierung zu induzieren. Reibung ist einfach eine Art Wechselwirkung, die die Kontaktfläche vergrößert und Wärme erzeugt –Reibung ist der allgemeine Begriff, um die Bewegung zweier Objekte in Kontakt zu beschreiben; der ausgeübte Druck, seine Schergeschwindigkeit und die erzeugte Wärme sind die Hauptdeterminanten der durch Reibung erzeugten Ladung. Manchmal führt Reibung auch zum Abreißen fester Partikel.

Wenn die beiden in Kontakt stehenden Festkörper Metalle sind (Metall-Metall-Kontakt), wandern Elektronen von einem zum anderen. Jedes Metall ist durch ein anderes Anfangspotential (Fermipotential) gekennzeichnet, und die Natur bewegt sich immer in Richtung Gleichgewicht – das heißt, natürliche Phänomene arbeiten daran, die Potentialunterschiede zu beseitigen. Diese Wanderung von Elektronen führt zur Erzeugung eines Kontaktpotentials. Da die Ladungen in einem Metall sehr mobil sind (Metalle sind hervorragende Leiter), rekombinieren die Ladungen sogar am letzten Kontaktpunkt, bevor die beiden Metalle getrennt werden. Es ist daher unmöglich, eine Elektrifizierung herbeizuführen, indem zwei Metalle zusammengebracht und dann getrennt werden; Die Ladungen fließen immer, um die Potentialdifferenz zu beseitigen.

Wenn eine Metall und ein Isolator im Vakuum in nahezu reibungsfreien Kontakt kommen, nähert sich das Energieniveau der Elektronen im Metall dem des Isolators an. Oberflächen- oder Massenverunreinigungen verursachen dies und verhindern außerdem eine Lichtbogenbildung (die Entladung von Elektrizität zwischen den beiden geladenen Körpern – den Elektroden) bei der Trennung. Die auf den Isolator übertragene Ladung ist proportional zur Elektronenaffinität des Metalls, und jeder Isolator hat auch eine damit verbundene Elektronenaffinität oder Anziehungskraft für Elektronen. Somit ist auch eine Übertragung positiver oder negativer Ionen vom Isolator auf das Metall möglich. Die Ladung auf der Oberfläche nach Kontakt und Trennung wird durch Gleichung 1 in Tabelle 1 beschrieben.


Tabelle 1. Grundlegende Zusammenhänge in der Elektrostatik – Gleichungssammlung

Gleichung 1: Aufladung durch Kontakt eines Metalls mit einem Isolator

Im Allgemeinen ist die Oberflächenladungsdichte () nach Kontakt und Trennung 

kann ausgedrückt werden durch:

woher

e ist die Ladung eines Elektrons
NE ist die Energiezustandsdichte an der Oberfläche des Isolators
fi die Elektronenaffinität des Isolators ist, und
fm ist die Elektronenaffinität des Metalls

Gleichung 2: Aufladung nach Kontakt zwischen zwei Isolatoren

Für den Ladungstransfer gilt die folgende allgemeine Form von Gleichung 1
zwischen zwei Isolatoren mit unterschiedlichen Energiezuständen (nur bei perfekt sauberen Oberflächen):

woher NE1 und NE2 sind die Energiezustandsdichten an der Oberfläche der beiden Isolatoren, 

und  Ø1 und Ø 2 sind die Elektronenaffinitäten der beiden Isolatoren.

Gleichung 3: Maximale Oberflächenladungsdichte

Die Spannungsfestigkeit (EG) des umgebenden Gases setzt der Ladung eine obere Grenze
möglich, auf einer ebenen isolierenden Oberfläche zu erzeugen. In der Luft, EG beträgt etwa 3 MV/m.
Die maximale Oberflächenladungsdichte ist gegeben durch:

Gleichung 4: Maximale Ladung auf einem kugelförmigen Teilchen

Wenn nominell kugelförmige Teilchen durch den Koronaeffekt aufgeladen werden, das Maximum
Die Ladung, die jedes Teilchen annehmen kann, ist durch die Pauthenier-Grenze gegeben:

woher

qmax ist die maximale Gebühr
a ist der Teilchenradius
eI ist die relative Permittivität und

Gleichung 5: Entladungen von Leitern

Das Potential eines isolierten, geladenen Leiters Q ist gegeben durch V = Q/C und
die gespeicherte Energie durch:

Gleichung 6: Zeitverlauf des Potentials des geladenen Leiters

In einem von konstantem Strom aufgeladenen Leiter (IG), der zeitliche Verlauf der
Potenzial wird beschrieben durch:

woher Rf ist der Ableitwiderstand des Leiters

Gleichung 7: Endpotential des geladenen Leiters

Für lange Zeit natürlich, t >Rf C, dies reduziert sich auf:

und die gespeicherte Energie ist gegeben durch:

Gleichung 8: Gespeicherte Energie des geladenen Leiters


Wenn sich zwei Isolatoren berühren, kommt es aufgrund der unterschiedlichen Zustände ihrer Oberflächenenergie zu einem Ladungstransfer (Gleichung 2, Tabelle 1). Auf die Oberfläche eines Isolators übertragene Ladungen können tiefer in das Material wandern. Feuchtigkeit und Oberflächenverunreinigung können das Verhalten von Ladungen stark verändern. Insbesondere die Oberflächenfeuchtigkeit erhöht die Oberflächenenergiezustandsdichten durch Erhöhen der Oberflächenleitung, was die Ladungsrekombination begünstigt und die Ionenmobilität erleichtert. Die meisten Menschen werden dies aus ihrer täglichen Lebenserfahrung daran erkennen, dass sie bei trockenen Bedingungen dazu neigen, statischer Elektrizität ausgesetzt zu sein. Der Wassergehalt einiger Polymere (Kunststoffe) ändert sich während des Ladens. Die Zunahme oder Abnahme des Wassergehalts kann sogar die Richtung des Ladungsflusses (seine Polarität) umkehren.

Die Polarität (relative Positivität und Negativität) zweier Isolatoren in Kontakt miteinander hängt von der Elektronenaffinität jedes Materials ab. Isolatoren können nach ihrer Elektronenaffinität eingestuft werden, und einige veranschaulichende Werte sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Elektronenaffinität eines Isolators ist eine wichtige Überlegung für Präventionsprogramme, die später in diesem Artikel besprochen werden.

Tabelle 2. Elektronenaffinitäten ausgewählter Polymere*

Berechnen

Material

Elektronenaffinität (EV)

-

PVC (Polyvinylchlorid)

4.85

 

Polyamid

4.36

 

Polycarbonat

4.26

 

PTFE (Polytetrafluorethylen)

4.26

 

PETP (Polyethylenterephthalat)

4.25

 

Polystyrol

4.22

+

Polyamid

4.08

* Ein Material erhält eine positive Ladung, wenn es mit einem darüber aufgeführten Material in Kontakt kommt, und eine negative Ladung, wenn es mit einem darunter aufgeführten Material in Kontakt kommt. Die Elektronenaffinität eines Isolators ist jedoch multifaktoriell.

 

Obwohl versucht wurde, eine triboelektrische Reihe zu erstellen, die Materialien so einordnet, dass diejenigen, die bei Kontakt mit Materialien eine positive Ladung annehmen, in der Reihe höher erscheinen als diejenigen, die bei Kontakt eine negative Ladung annehmen, wurde keine allgemein anerkannte Reihe erstellt.

Treffen ein Feststoff und eine Flüssigkeit aufeinander (um a Fest-Flüssig-Grenzfläche) erfolgt eine Ladungsübertragung aufgrund der Wanderung von Ionen, die in der Flüssigkeit vorhanden sind. Diese Ionen entstehen durch die Dissoziation von eventuell vorhandenen Verunreinigungen oder durch elektrochemische Oxidations-Reduktions-Reaktionen. Da es in der Praxis keine vollkommen reinen Flüssigkeiten gibt, sind immer mindestens einige positive und negative Ionen in der Flüssigkeit verfügbar, um an die Flüssig-Fest-Grenzfläche zu binden. Es gibt viele Arten von Mechanismen, durch die diese Bindung erfolgen kann (z. B. elektrostatische Haftung an Metalloberflächen, chemische Absorption, elektrolytische Injektion, Dissoziation polarer Gruppen und, wenn die Gefäßwand isolierend ist, Flüssig-Fest-Reaktionen).

Da Substanzen, die sich auflösen (dissoziieren), zunächst elektrisch neutral sind, erzeugen sie gleich viele positive und negative Ladungen. Elektrifizierung findet nur statt, wenn entweder die positiven oder die negativen Ladungen bevorzugt an der Oberfläche des Festkörpers haften. Dabei entsteht eine sehr kompakte Schicht, die sogenannte Helmholtz-Schicht. Da die Helmholtz-Schicht geladen ist, zieht sie Ionen mit entgegengesetzter Polarität an. Diese Ionen sammeln sich zu einer diffuseren Schicht, der sogenannten Gouy-Schicht, die auf der Oberfläche der kompakten Helmholtz-Schicht ruht. Die Dicke der Gouy-Schicht nimmt mit dem spezifischen Widerstand der Flüssigkeit zu. Leitende Flüssigkeiten bilden sehr dünne Gouy-Schichten.

Diese Doppelschicht trennt sich, wenn die Flüssigkeit fließt, wobei die Helmholtz-Schicht an der Grenzfläche gebunden bleibt und die Gouy-Schicht von der fließenden Flüssigkeit mitgerissen wird. Die Bewegung dieser geladenen Schichten erzeugt eine Potentialdifferenz (die zeta Potenzial), und der durch die sich bewegenden Ladungen induzierte Strom wird als bezeichnet Strom streamen. Die Ladungsmenge, die sich in der Flüssigkeit ansammelt, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die Ionen zur Grenzfläche diffundieren, und vom spezifischen Widerstand der Flüssigkeit (R). Der Strömungsstrom ist jedoch über die Zeit konstant.

Weder stark isolierende noch leitende Flüssigkeiten werden aufgeladen – erstens, weil sehr wenige Ionen vorhanden sind, und zweitens, weil in Flüssigkeiten, die Elektrizität sehr gut leiten, die Ionen sehr schnell rekombinieren. In der Praxis tritt Elektrifizierung nur in Flüssigkeiten mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 10 auf7Ωm oder weniger als 1011Ωm, mit den höchsten beobachteten Werten für r 109 zu 1011 Ohm.

Fließende Flüssigkeiten induzieren eine Ladungsakkumulation in isolierenden Oberflächen, über die sie fließen. Das Ausmaß, in dem sich die Oberflächenladungsdichte aufbaut, ist begrenzt durch (1) wie schnell die Ionen in der Flüssigkeit an der Flüssig-Feststoff-Grenzfläche rekombinieren, (2) wie schnell die Ionen in der Flüssigkeit durch den Isolator geleitet werden oder ( 3) ob Oberflächen- oder Massenlichtbogen durch den Isolator auftritt und die Ladung somit entladen wird. Turbulente Strömung und Strömung über raue Oberflächen begünstigen die Elektrifizierung.

Wenn eine Hochspannung – beispielsweise mehrere Kilovolt – an einen geladenen Körper (eine Elektrode) mit kleinem Radius (z. B. einen Draht) angelegt wird, ist das elektrische Feld in unmittelbarer Nähe des geladenen Körpers hoch, nimmt jedoch schnell ab Distanz. Kommt es zu einer Entladung der gespeicherten Ladungen, beschränkt sich die Entladung auf den Bereich, in dem das elektrische Feld stärker ist als die Durchschlagsfestigkeit der umgebenden Atmosphäre, ein Phänomen, das als Koronaeffekt bekannt ist, da der Lichtbogen ebenfalls Licht emittiert. (Menschen haben vielleicht tatsächlich gesehen, wie sich kleine Funken gebildet haben, als sie persönlich einen Schock durch statische Elektrizität erlebt haben.)

Die Ladungsdichte auf einer isolierenden Oberfläche kann auch durch die Bewegung von Elektronen verändert werden, die durch ein hochintensives elektrisches Feld erzeugt werden. Diese Elektronen erzeugen Ionen aus allen Gasmolekülen in der Atmosphäre, mit denen sie in Kontakt kommen. Wenn die elektrische Ladung des Körpers positiv ist, stößt der geladene Körper alle erzeugten positiven Ionen ab. Elektronen, die von negativ geladenen Objekten erzeugt werden, verlieren Energie, wenn sie sich von der Elektrode entfernen, und sie lagern sich an Gasmoleküle in der Atmosphäre an und bilden so negative Ionen, die sich weiterhin von den Ladungspunkten entfernen. Diese positiven und negativen Ionen können auf jeder isolierenden Oberfläche zur Ruhe kommen und verändern die Ladungsdichte der Oberfläche. Diese Art der Aufladung ist viel einfacher zu kontrollieren und gleichmäßiger als die durch Reibung erzeugten Aufladungen. Der Höhe der auf diese Weise erzielbaren Gebühren sind Grenzen gesetzt. Die Grenze wird mathematisch in Gleichung 3 in Tabelle 1 beschrieben.

Um höhere Ladungen zu erzeugen, muss die Spannungsfestigkeit der Umgebung erhöht werden, entweder durch Erzeugen eines Vakuums oder durch Metallisieren der anderen Oberfläche des Isolierfilms. Die letztere Strategie zieht das elektrische Feld in den Isolator und reduziert folglich die Feldstärke im umgebenden Gas.

Bei einem Leiter in einem elektrischen Feld (E) geerdet ist (siehe Bild 1), können Ladungen durch Induktion erzeugt werden. Unter diesen Bedingungen induziert das elektrische Feld eine Polarisation – die Trennung der Schwerpunkte der negativen und positiven Ionen des Leiters. Ein Leiter, der vorübergehend nur an einem Punkt geerdet ist, trägt eine Nettoladung, wenn er von der Erde getrennt wird, aufgrund der Wanderung von Ladungen in der Nähe des Punktes. Dies erklärt, warum leitende Teilchen, die sich in einem gleichförmigen Feld befinden, zwischen Elektroden oszillieren und sich bei jedem Kontakt aufladen und entladen.

Abbildung 1. Mechanismus zum Aufladen eines Leiters durch Induktion

ELE030F1

Gefahren im Zusammenhang mit statischer Elektrizität

Die negativen Auswirkungen, die durch die Ansammlung statischer Elektrizität verursacht werden, reichen von dem Unbehagen, das man beim Berühren eines aufgeladenen Objekts, wie z. B. eines Türgriffs, erfährt, bis hin zu sehr schweren Verletzungen, sogar Todesfällen, die durch eine durch statische Elektrizität induzierte Explosion auftreten können. Die physiologische Wirkung elektrostatischer Entladungen auf den Menschen reicht von unangenehmem Kribbeln bis hin zu heftigen Reflexaktionen. Diese Effekte werden durch den Entladungsstrom und insbesondere durch die Stromdichte auf der Haut erzeugt.

In diesem Artikel beschreiben wir einige praktische Möglichkeiten, wie Oberflächen und Gegenstände aufgeladen werden können (Elektrifizierung). Wenn das induzierte elektrische Feld die Fähigkeit der Umgebung übersteigt, der Ladung zu widerstehen (d. h. die Durchschlagsfestigkeit der Umgebung übersteigt), tritt eine Entladung auf. (In Luft wird die Durchschlagsfestigkeit durch die Paschen-Kurve beschrieben und ist eine Funktion des Produkts aus Druck und Abstand zwischen den geladenen Körpern.)

Durchschläge können folgende Formen annehmen:

  • Funken oder Lichtbögen, die zwei geladene Körper überbrücken (zwei Metallelektroden)
  • Teil- oder Büschelentladungen, die eine Metallelektrode und einen Isolator oder sogar zwei Isolatoren überbrücken; diese Entladungen werden partiell genannt, weil der leitende Pfad zwei Metallelektroden nicht vollständig kurzschließt, sondern normalerweise mehrfach und bürstenartig ist
  • Koronaentladungen, auch Punkteffekte genannt, die im starken elektrischen Feld um geladene Körper oder Elektroden mit kleinem Radius entstehen.

 

Isolierte Leiter haben eine Nettokapazität C relativ zum Boden. Diese Beziehung zwischen Ladung und Potential wird in Gleichung 5 in Tabelle 1 ausgedrückt.

Eine Person, die isolierende Schuhe trägt, ist ein übliches Beispiel für einen isolierten Leiter. Der menschliche Körper ist ein elektrostatischer Leiter mit einer typischen Kapazität gegenüber Erde von ungefähr 150 pF und einem Potential von bis zu 30 kV. Da Menschen isolierende Leiter sein können, können sie elektrostatische Entladungen erfahren, wie z. B. das mehr oder weniger schmerzhafte Gefühl, das manchmal entsteht, wenn sich eine Hand einem Türgriff oder einem anderen Metallgegenstand nähert. Wenn das Potential ungefähr 2 kV erreicht, wird das Äquivalent einer Energie von 0.3 mJ erfahren, obwohl diese Schwelle von Person zu Person unterschiedlich ist. Stärkere Entladungen können zu unkontrollierbaren Bewegungen und damit zu Stürzen führen. Bei Arbeitern, die Werkzeuge verwenden, können die unwillkürlichen Reflexbewegungen zu Verletzungen des Opfers und anderer Personen führen, die möglicherweise in der Nähe arbeiten. Die Gleichungen 6 bis 8 in Tabelle 1 beschreiben den zeitlichen Verlauf des Potentials.

Eine tatsächliche Lichtbogenbildung tritt auf, wenn die Stärke des induzierten elektrischen Felds die Durchschlagsfestigkeit von Luft übersteigt. Aufgrund der schnellen Wanderung von Ladungen in Leitern fließen im Wesentlichen alle Ladungen zum Entladungspunkt, wodurch die gesamte gespeicherte Energie in einen Funken freigesetzt wird. Dies kann schwerwiegende Folgen haben, wenn mit brennbaren oder explosiven Stoffen oder unter brennbaren Bedingungen gearbeitet wird.

Die Annäherung einer geerdeten Elektrode an eine geladene isolierende Oberfläche modifiziert das elektrische Feld und induziert eine Ladung in der Elektrode. Wenn sich die Oberflächen einander nähern, nimmt die Feldstärke zu, was schließlich zu einer Teilentladung von der aufgeladenen isolierten Oberfläche führt. Da Ladungen auf isolierenden Oberflächen wenig beweglich sind, nimmt nur ein kleiner Teil der Oberfläche an der Entladung teil, und die bei dieser Art der Entladung freigesetzte Energie ist daher viel geringer als bei Lichtbögen.

Die Ladung und die übertragene Energie scheinen bis zu etwa 20 mm direkt proportional zum Durchmesser der Metallelektrode zu sein. Die anfängliche Polarität des Isolators beeinflusst auch Ladung und übertragene Energie. Teilentladungen von positiv geladenen Oberflächen sind energieärmer als solche von negativ geladenen. Es ist unmöglich festzustellen, a priori, die Energie, die durch eine Entladung von einer isolierenden Oberfläche übertragen wird, im Gegensatz zu der Situation mit leitenden Oberflächen. Da die isolierende Oberfläche nicht äquipotential ist, ist es nicht einmal möglich, die beteiligten Kapazitäten zu definieren.

Schleichende Entladung

Wir haben in Gleichung 3 (Tabelle 1) gesehen, dass die Oberflächenladungsdichte einer isolierenden Oberfläche in Luft 2,660 pC/cm nicht überschreiten kann2.

Betrachten wir eine isolierende Platte oder einen dicken Film a, die auf einer Metallelektrode ruhen oder eine Metallfläche haben, lässt sich leicht zeigen, dass das elektrische Feld durch die induzierte Ladung auf der Elektrode in den Isolator gezogen wird, wenn Ladungen auf der nichtmetallischen Fläche abgeschieden werden. Infolgedessen ist das elektrische Feld in der Luft sehr schwach und niedriger als es wäre, wenn eine der Flächen nicht aus Metall wäre. In diesem Fall begrenzt die Durchschlagsfestigkeit von Luft die Ladungsakkumulation auf der isolierenden Oberfläche nicht, und es können sehr hohe Oberflächenladungsdichten (>2,660 pC/cm2). Diese Ladungsakkumulation erhöht die Oberflächenleitfähigkeit des Isolators.

Nähert sich eine Elektrode einer isolierenden Oberfläche, so kommt es zu einer Kriechentladung, die einen großen Teil der leitend gewordenen geladenen Oberfläche einbezieht. Aufgrund der großen beteiligten Oberflächen setzt diese Art der Entladung große Energiemengen frei. Bei Folien ist das Luftfeld sehr schwach und der Abstand zwischen Elektrode und Folie darf nicht größer sein als die Foliendicke, damit eine Entladung auftritt. Eine gleitende Entladung kann auch auftreten, wenn ein geladener Isolator von seiner metallischen Unterschicht getrennt wird. Unter diesen Umständen steigt das Luftfeld abrupt an und die gesamte Oberfläche des Isolators entlädt sich, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.

Elektrostatische Entladungen und Brand- und Explosionsgefahren

In explosionsgefährdeten Bereichen können heftige exotherme Oxidationsreaktionen mit Energieübertragung an die Atmosphäre ausgelöst werden durch:

  • offene Flammen
  • elektrische Funken
  • Hochfrequenzfunken in der Nähe einer starken Funkquelle
  • Funken, die durch Kollisionen entstehen (z. B. zwischen Metall und Beton)
  • elektrostatische Entladungen.

 

Uns interessiert hier nur der letzte Fall. Die Flammpunkte (die Temperatur, bei der sich Flüssigkeitsdämpfe bei Kontakt mit einer offenen Flamme entzünden) verschiedener Flüssigkeiten und die Selbstentzündungstemperatur verschiedener Dämpfe sind im Chemischen Teil dieses Dokuments angegeben Enzyklopädie. Die mit elektrostatischen Entladungen verbundene Brandgefahr kann anhand der unteren Zündgrenze von Gasen, Dämpfen und festen oder flüssigen Aerosolen beurteilt werden. Diese Grenze kann erheblich variieren, wie Tabelle 3 zeigt.

Tabelle 3. Typische untere Entflammbarkeitsgrenzen

Discharge

Begrenzen

Einige Pulver

Mehrere Joule

Sehr feine Schwefel- und Aluminiumaerosole

Mehrere Millijoule

Dämpfe von Kohlenwasserstoffen und anderen organischen Flüssigkeiten

200 Mikrojoule

Wasserstoff und Acetylen

20 Mikrojoule

Sprengstoffe

1 Mikrojoule

 

Ein Gemisch aus Luft und einem brennbaren Gas oder Dampf kann nur explodieren, wenn die Konzentration des brennbaren Stoffes zwischen seiner oberen und unteren Explosionsgrenze liegt. Innerhalb dieses Bereichs ist die minimale Zündenergie (MIE) – die Energie, die eine elektrostatische Entladung besitzen muss, um das Gemisch zu zünden – stark konzentrationsabhängig. Es hat sich durchgängig gezeigt, dass die minimale Zündenergie von der Geschwindigkeit der Energiefreisetzung und damit von der Entladungsdauer abhängt. Elektrodenradius ist auch ein Faktor:

  • Elektroden mit kleinem Durchmesser (in der Größenordnung von mehreren Millimetern) führen eher zu Koronaentladungen als zu Funken.
  • Bei Elektroden mit größerem Durchmesser (in der Größenordnung von mehreren Zentimetern) dient die Elektrodenmasse zur Kühlung der Funken.

 

Im Allgemeinen werden die niedrigsten MIEs mit Elektroden erhalten, die gerade groß genug sind, um Koronaentladungen zu verhindern.

Der MIE hängt auch vom Abstand zwischen den Elektroden ab und ist am niedrigsten beim Löschabstand („Abstand de Pincement“), dem Abstand, bei dem die in der Reaktionszone erzeugte Energie die Wärmeverluste an den Elektroden übersteigt. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass jeder brennbare Stoff einen maximalen Sicherheitsabstand hat, der dem minimalen Elektrodenabstand entspricht, bei dem eine Explosion auftreten kann. Bei Kohlenwasserstoffen beträgt diese weniger als 1 mm.

Die Wahrscheinlichkeit von Pulverexplosionen ist konzentrationsabhängig, wobei die höchste Wahrscheinlichkeit mit Konzentrationen in der Größenordnung von 200 bis 500 g/m verbunden ist3. Der MIE ist auch von der Partikelgröße abhängig, wobei feinere Pulver leichter explodieren. Sowohl für Gase als auch für Aerosole nimmt die MIE mit der Temperatur ab.

Industrielle Beispiele

Viele Prozesse, die routinemäßig zum Handhaben und Transportieren von Chemikalien verwendet werden, erzeugen elektrostatische Aufladungen. Diese beinhalten:

  • Pulver aus Säcken gießen
  • regelmäßigen Abständen
  • Transport in Rohrleitungen
  • Flüssigkeitsbewegung, insbesondere in Gegenwart von mehreren Phasen, suspendierten Feststoffen oder Tröpfchen von nicht mischbaren Flüssigkeiten
  • Sprühen oder Vernebeln von Flüssigkeiten.

 

Die Folgen der Erzeugung elektrostatischer Aufladung umfassen mechanische Probleme, eine Gefahr durch elektrostatische Entladung für das Bedienpersonal und, wenn Produkte verwendet werden, die brennbare Lösungsmittel oder Dämpfe enthalten, sogar eine Explosion (siehe Tabelle 4).

Tabelle 4. Spezifische Abgaben im Zusammenhang mit ausgewählten Industriebetrieben

Produktion

Spezifische Gebühr
(q/m) (C/kg)

Untersuchungen

10-8 -10-11

Silo befüllen oder entleeren

10-7 -10-9

Transport per Schneckenförderer

10-6 -10-8

Schleifen

10-6 -10-7

Mikronisierung

10-4 -10-7

Pneumatischer Transport

10-4 -10-6

 

Flüssige Kohlenwasserstoffe wie Öl, Kerosin und viele gängige Lösungsmittel haben zwei Eigenschaften, die sie besonders anfällig für Probleme mit statischer Elektrizität machen:

  • hoher spezifischer Widerstand, der es ihnen ermöglicht, hohe Ladungsniveaus zu akkumulieren
  • brennbare Dämpfe, die das Risiko von energiearmen Entladungen erhöhen, die Brände und Explosionen auslösen.

 

Ladungen können während des Transportflusses (z. B. durch Rohrleitungen, Pumpen oder Ventile) erzeugt werden. Beim Durchgang durch Feinfilter, wie sie beispielsweise beim Befüllen von Flugzeugtanks verwendet werden, können Ladungsdichten von mehreren hundert Mikrocoulomb pro Kubikmeter entstehen. Partikelsedimentation und die Erzeugung von aufgeladenen Nebeln oder Schäumen während der Durchflussbefüllung von Tanks können ebenfalls Aufladungen erzeugen.

Zwischen 1953 und 1971 war statische Elektrizität für 35 Brände und Explosionen während oder nach dem Befüllen von Kerosintanks verantwortlich, und noch mehr Unfälle ereigneten sich beim Befüllen von LKW-Tanks. Das Vorhandensein von Filtern oder Spritzer während des Befüllens (aufgrund der Bildung von Schaum oder Nebel) waren die am häufigsten identifizierten Risikofaktoren. Auch an Bord von Öltankern ist es zu Unfällen gekommen, insbesondere bei der Tankreinigung.

Prinzipien der Vermeidung statischer Elektrizität

Alle Probleme im Zusammenhang mit statischer Elektrizität ergeben sich aus:

  • Erzeugung elektrischer Ladungen
  • Akkumulation dieser Ladungen auf Isolatoren oder isolierten Leitern
  • von diesen Ladungen erzeugtes elektrisches Feld, das wiederum zu einer Krafteinwirkung oder einem Durchschlag führt.

 

Vorbeugende Maßnahmen zielen darauf ab, die Akkumulation elektrostatischer Aufladungen zu vermeiden, und die Strategie der Wahl besteht darin, die Erzeugung der elektrischen Aufladungen von vornherein zu vermeiden. Ist dies nicht möglich, sollten Maßnahmen zur Erdung der Ladungen getroffen werden. Schließlich sollten bei unvermeidbaren Entladungen empfindliche Objekte vor den Auswirkungen der Entladungen geschützt werden.

Unterdrückung oder Reduzierung der elektrostatischen Aufladungserzeugung

Dies ist der erste Ansatz zum Schutz vor elektrostatischer Aufladung, der ergriffen werden sollte, da dies die einzige vorbeugende Maßnahme ist, die das Problem an seiner Quelle beseitigt. Wie bereits erwähnt, werden jedoch immer dann Ladungen erzeugt, wenn zwei Materialien, von denen mindestens eines isolierend ist, in Kontakt kommen und anschließend getrennt werden. In der Praxis kann es sogar bei Kontakt und Trennung eines Materials mit sich selbst zu einer Ladungserzeugung kommen. Tatsächlich betrifft die Ladungserzeugung die Oberflächenschichten von Materialien. Da der kleinste Unterschied in der Oberflächenfeuchtigkeit oder Oberflächenverunreinigung zur Erzeugung statischer Aufladungen führt, ist es unmöglich, die Aufladungserzeugung vollständig zu vermeiden.

So reduzieren Sie die Ladungsmenge, die durch Kontaktflächen erzeugt wird:

  • Vermeiden Sie, dass Materialien miteinander in Kontakt kommen, wenn sie sehr unterschiedliche Elektronenaffinitäten haben, also in der triboelektrischen Reihe sehr weit voneinander entfernt sind. Vermeiden Sie beispielsweise den Kontakt zwischen Glas und Teflon (PTFE) oder zwischen PVC und Polyamid (Nylon) (siehe Tabelle 2).
  • Reduzieren Sie die Fließgeschwindigkeit zwischen den Materialien. Dies verringert die Schergeschwindigkeit zwischen festen Materialien. Beispielsweise kann man die Fließgeschwindigkeit bei der Extrusion von Kunststofffolien, der Bewegung von zerkleinerten Materialien auf einem Förderband oder von Flüssigkeiten in einer Rohrleitung reduzieren.

 

Es wurden keine endgültigen Sicherheitsgrenzen für Durchflussraten festgelegt. Der britische Standard BS-5958-Teil 2  Verhaltenskodex zur Kontrolle unerwünschter statischer Elektrizität empfiehlt, dass das Produkt aus Geschwindigkeit (in Metern pro Sekunde) und Rohrdurchmesser (in Metern) für Flüssigkeiten mit einer Leitfähigkeit von weniger als 0.38 pS/m (in Pikosiemens pro Meter) weniger als 5 und für Flüssigkeiten weniger als 0.5 beträgt mit Leitfähigkeiten über 5 pS/m. Dieses Kriterium gilt nur für einphasige Flüssigkeiten, die mit Geschwindigkeiten von nicht mehr als 7 m/s transportiert werden.

Es sollte angemerkt werden, dass die Verringerung der Scher- oder Strömungsgeschwindigkeit nicht nur die Ladungserzeugung verringert, sondern auch dazu beiträgt, alle erzeugten Ladungen abzuleiten. Dies liegt daran, dass niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten zu längeren Verweilzeiten führen als in Entspannungszonen, in denen die Strömungsgeschwindigkeiten durch Strategien wie die Erhöhung des Rohrdurchmessers reduziert werden. Dies wiederum erhöht die Erdung.

Erdung statischer Elektrizität

Die Grundregel des Schutzes vor elektrostatischer Aufladung besteht darin, die Potentialunterschiede zwischen Objekten zu beseitigen. Dies kann durch Verbinden oder Erden erfolgen. Isolierte Leiter können jedoch Ladungen ansammeln und somit durch Induktion aufgeladen werden, ein Phänomen, das für sie einzigartig ist. Entladungen von Leitern können die Form von hochenergetischen – und gefährlichen – Funken annehmen.

Diese Regel steht im Einklang mit den Empfehlungen zur Vermeidung von Stromschlägen, die auch die Erdung aller zugänglichen Metallteile elektrischer Geräte gemäß der französischen Norm vorschreiben Elektrische Niederspannungsinstallationen (NFC 15-100). Für maximale elektrostatische Sicherheit, unser Anliegen hier, sollte diese Regel auf alle leitenden Elemente verallgemeinert werden. Dazu gehören Tischgestelle aus Metall, Türgriffe, elektronische Bauteile, Tanks für die chemische Industrie und Fahrgestelle von Fahrzeugen für den Transport von Kohlenwasserstoffen.

Aus Sicht der elektrostatischen Sicherheit wäre die ideale Welt eine Welt, in der alles leitend und dauerhaft geerdet wäre, wodurch alle Ladungen in die Erde abgeleitet würden. Unter diesen Umständen wäre alles dauerhaft äquipotential, und das elektrische Feld – und das Entladungsrisiko – wäre folglich Null. Aus folgenden Gründen ist es jedoch fast nie möglich, dieses Ideal zu erreichen:

  • Nicht alle zu handhabenden Produkte sind leitfähig und viele können nicht durch Zusatzstoffe leitfähig gemacht werden. Beispiele hierfür sind landwirtschaftliche und pharmazeutische Produkte sowie hochreine Flüssigkeiten.
  • Wünschenswerte Eigenschaften des Endprodukts, wie optische Transparenz oder geringe Wärmeleitfähigkeit, können die Verwendung leitfähiger Materialien ausschließen.
  • Es ist unmöglich, mobile Geräte wie Metallkarren, kabellose elektronische Werkzeuge, Fahrzeuge und sogar menschliche Bediener dauerhaft zu erden.

 

Schutz vor elektrostatischen Entladungen

Es ist zu beachten, dass es in diesem Abschnitt nur um den Schutz elektrostatisch gefährdeter Betriebsmittel vor unvermeidbaren Entladungen, die Reduzierung der Aufladung und die Beseitigung von Aufladungen geht. Die Fähigkeit, Geräte zu schützen, beseitigt nicht die grundlegende Notwendigkeit, elektrostatische Aufladungen von vornherein zu verhindern.

Wie Abbildung 2 zeigt, betreffen alle elektrostatischen Probleme eine Quelle der elektrostatischen Entladung (das ursprünglich aufgeladene Objekt), ein Ziel, das die Entladung aufnimmt, und die Umgebung, durch die sich die Entladung ausbreitet (dielektrische Entladung). Es sollte beachtet werden, dass entweder das Ziel oder die Umgebung elektrostatisch empfindlich sein kann. Einige Beispiele für empfindliche Elemente sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Abbildung 2. Schematische Darstellung des Problems der elektrostatischen Entladung

ELE030F2

Tabelle 6. Beispiele für elektrostatisch empfindliche Geräte

Empfindliches Element

Beispiele

Quelle

Ein Bediener berührt einen Türgriff oder das Fahrgestell eines Autos A
Aufgeladenes elektronisches Bauteil kommt in Kontakt mit a
geerdetes Objekt

Target

Elektronische Komponenten oder Materialien, die einen aufgeladenen Bediener berühren

Arbeitsumfeld

Ein explosives Gemisch, das durch eine elektrostatische Entladung gezündet wird

 

Schutz der Arbeitnehmer

Arbeitnehmer, die Grund zu der Annahme haben, dass sie sich elektrisch aufgeladen haben (z. B. beim Aussteigen aus einem Fahrzeug bei trockenem Wetter oder beim Gehen mit bestimmten Arten von Schuhen), können eine Reihe von Schutzmaßnahmen ergreifen, z. B. die folgenden:

  • Reduzieren Sie die Stromdichte auf Hautebene, indem Sie einen geerdeten Leiter mit einem Metallstück wie einem Schlüssel oder Werkzeug berühren.
  • Reduzieren Sie den Scheitelwert des Stroms, indem Sie ihn an einem ableitenden Objekt entladen, falls vorhanden (eine Tischplatte oder eine spezielle Vorrichtung, z. B. ein Schutzarmband mit Serienwiderstand).

 

Schutz in explosionsgefährdeten Atmosphären

In explosionsgefährdeten Atmosphären ist die Umgebung selbst empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen, und Entladungen können zu einer Entzündung oder Explosion führen. Der Schutz besteht in diesen Fällen darin, die Luft entweder durch ein Gasgemisch zu ersetzen, dessen Sauerstoffgehalt unter der unteren Explosionsgrenze liegt, oder durch ein Inertgas wie Stickstoff. Inertgas wurde in Silos und in Reaktionsbehältern in der chemischen und pharmazeutischen Industrie verwendet. In diesem Fall sind angemessene Vorkehrungen erforderlich, um sicherzustellen, dass die Arbeiter eine ausreichende Luftzufuhr erhalten.

 

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Montag, Februar 28 2011 19: 43

Prävention und Standards

Gefahren und vorbeugende Maßnahmen an elektrischen Anlagen

Die vielen Komponenten, aus denen Elektroinstallationen bestehen, weisen unterschiedliche Robustheit auf. Ungeachtet ihrer inhärenten Zerbrechlichkeit müssen sie jedoch alle unter strengen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Leider unterliegen elektrische Geräte selbst unter den besten Umständen Ausfällen, die zu Personen- oder Sachschäden führen können.

Der sichere Betrieb elektrischer Anlagen ist das Ergebnis einer guten Anfangsplanung, nicht der bloßen Nachrüstung von Sicherheitssystemen. Dies ist eine Folge der Tatsache, dass, obwohl Strom mit Lichtgeschwindigkeit fließt, alle elektromechanischen und elektronischen Systeme Reaktionslatenzen aufweisen, die hauptsächlich durch thermische Trägheit, mechanische Trägheit und Wartungsbedingungen verursacht werden. Diese Latenzen, unabhängig von ihrem Ursprung, sind lang genug, um Menschen zu verletzen und Ausrüstung zu beschädigen (Lee, Capelli-Schellpfeffer und Kelly 1994; Lee, Cravalho und Burke 1992; Kane und Sternheim 1978).

Es ist wichtig, dass die Geräte von qualifiziertem Personal installiert und gewartet werden. Es sei betont, dass technische Maßnahmen sowohl zum sicheren Betrieb von Anlagen als auch zum Schutz von Mensch und Material erforderlich sind.

Einführung in elektrische Gefahren

Der ordnungsgemäße Betrieb elektrischer Anlagen erfordert, dass Maschinen, Geräte und elektrische Schaltkreise und Leitungen vor Gefahren geschützt werden, die sowohl durch interne (dh innerhalb der Installation entstehende) als auch durch externe Faktoren verursacht werden (Andreoni und Castagna 1983).

Interne Ursachen sind:

  • Überspannungen
  • Kurzschlüsse
  • Modifikation der Wellenform des Stroms
  • Induktion
  • Einmischung
  • Überströme
  • Korrosion, was zu elektrischen Leckströmen zur Erde führt
  • Erhitzen von leitenden und isolierenden Materialien, was zu Verbrennungen des Bedieners, Emissionen giftiger Gase, Bränden von Komponenten und in brennbaren Atmosphären zu Explosionen führen kann
  • Lecks von Isolierflüssigkeiten, wie z. B. Öl
  • Bildung von Wasserstoff oder anderen Gasen, die zur Bildung explosionsfähiger Gemische führen können.

 

Jede Gefahr-Ausrüstungs-Kombination erfordert spezifische Schutzmaßnahmen, die teilweise gesetzlich oder durch interne technische Vorschriften vorgeschrieben sind. Hersteller sind dafür verantwortlich, sich spezifischer technischer Strategien bewusst zu sein, die Risiken reduzieren können.

Äußere Ursachen sind:

  • mechanische Faktoren (Stürze, Stöße, Vibrationen)
  • physikalische und chemische Faktoren (natürliche oder künstliche Strahlung, extreme Temperaturen, Öle, ätzende Flüssigkeiten, Feuchtigkeit)
  • Wind, Eis, Blitz
  • Vegetation (Bäume und Wurzeln, sowohl trocken als auch nass)
  • Tiere (sowohl in städtischen als auch in ländlichen Umgebungen); diese können die Isolierung der Stromleitung beschädigen und so Kurzschlüsse oder Fehlkontakte verursachen

Zuguterletzt,

  • Erwachsene und Kinder, die sorglos oder leichtsinnig sind oder die Risiken und Betriebsverfahren nicht kennen.

 

Andere externe Ursachen sind elektromagnetische Interferenzen durch Quellen wie Hochspannungsleitungen, Funkempfänger, Schweißmaschinen (die transiente Überspannungen erzeugen können) und Solenoide.

Die häufigsten Ursachen für Probleme ergeben sich aus Fehlfunktionen oder Nicht-Standard:

  • mechanische, thermische oder chemische Schutzausrüstung
  • Lüftungssysteme, Maschinenkühlsysteme, Geräte, Leitungen oder Kreisläufe
  • Koordination von Isolatoren, die in verschiedenen Anlagenteilen verwendet werden
  • Koordination von Sicherungen und Sicherungsautomaten.

 

Eine einzelne Sicherung oder ein Sicherungsautomat kann keinen ausreichenden Schutz gegen Überstrom in zwei verschiedenen Stromkreisen bieten. Sicherungen oder Sicherungsautomaten können Schutz gegen Phase-Nullleiter-Ausfälle bieten, aber der Schutz gegen Phase-Erde-Ausfälle erfordert automatische Fehlerstromschutzschalter.

  • Verwendung von Spannungsrelais und -entladern zur Koordinierung von Schutzsystemen
  • Sensoren und mechanische oder elektrische Komponenten in den Schutzsystemen der Anlage
  • Trennung von Stromkreisen mit unterschiedlichen Spannungen (ausreichende Luftabstände müssen zwischen den Leitern eingehalten werden; Verbindungen sollten isoliert sein; Transformatoren sollten mit geerdeten Abschirmungen und einem geeigneten Schutz gegen Überspannung ausgestattet sein und vollständig getrennte Primär- und Sekundärspulen haben)
  • Farbcodes oder andere geeignete Vorkehrungen, um eine falsche Identifizierung von Drähten zu vermeiden
  • Die Verwechslung der aktiven Phase mit einem Neutralleiter führt zur Elektrifizierung der externen metallischen Komponenten des Geräts
  • Schutzausrüstung gegen elektromagnetische Störungen.

 

Diese sind besonders wichtig für Instrumentierung und Leitungen, die zur Datenübertragung oder zum Austausch von Schutz- und/oder Steuersignalen verwendet werden. Zwischen den Leitungen müssen ausreichende Abstände eingehalten oder Filter und Abschirmungen verwendet werden. Glasfaserkabel werden manchmal für die kritischsten Fälle verwendet.

Das mit elektrischen Installationen verbundene Risiko nimmt zu, wenn die Geräte erschwerten Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, am häufigsten als Folge elektrischer Gefahren in feuchten oder nassen Umgebungen.

Die dünnen flüssigen leitfähigen Schichten, die sich in feuchten oder nassen Umgebungen auf metallischen und isolierenden Oberflächen bilden, schaffen neue, unregelmäßige und gefährliche Strompfade. Das Eindringen von Wasser verringert die Effizienz der Isolierung, und wenn Wasser in die Isolierung eindringt, kann es zu Kriechströmen und Kurzschlüssen kommen. Diese Effekte beschädigen nicht nur elektrische Anlagen, sondern erhöhen auch die Risiken für Menschen erheblich. Diese Tatsache rechtfertigt die Notwendigkeit besonderer Standards für Arbeiten in rauen Umgebungen wie Freigelände, landwirtschaftlichen Anlagen, Baustellen, Badezimmern, Bergwerken und Kellern und einigen Industrieumgebungen.

Ausrüstung zum Schutz vor Regen, seitlichen Spritzern oder vollständigem Eintauchen ist erhältlich. Idealerweise sollte die Ausrüstung eingehaust, isoliert und korrosionsbeständig sein. Metallgehäuse müssen geerdet werden. Der Mechanismus des Versagens in diesen feuchten Umgebungen ist derselbe wie der in feuchten Atmosphären beobachtete, aber die Auswirkungen können schwerwiegender sein.

Elektrische Gefahren in staubigen Atmosphären

Feine Stäube, die in Maschinen und elektrische Geräte gelangen, verursachen Abrieb, insbesondere an beweglichen Teilen. Leitende Stäube können ebenfalls Kurzschlüsse verursachen, während isolierende Stäube den Stromfluss unterbrechen und den Kontaktwiderstand erhöhen können. Ansammlungen von feinen oder groben Stäuben um Gerätegehäuse herum sind potenzielle Feuchtigkeits- und Wasserspeicher. Trockener Staub ist ein Wärmeisolator, der die Wärmeableitung verringert und die lokale Temperatur erhöht; Dies kann elektrische Schaltkreise beschädigen und Brände oder Explosionen verursachen.

An industriellen oder landwirtschaftlichen Standorten, an denen staubige Prozesse durchgeführt werden, müssen wasser- und explosionsgeschützte Systeme installiert werden.

Elektrische Gefahren in explosionsgefährdeten Atmosphären oder an Orten mit explosiven Materialien

Explosionen, einschließlich Explosionen in Atmosphären, die explosive Gase und Stäube enthalten, können durch Öffnen und Schließen unter Spannung stehender Stromkreise oder durch jeden anderen transienten Prozess ausgelöst werden, der Funken mit ausreichender Energie erzeugen kann.

Diese Gefahr besteht an Standorten wie:

  • Bergwerke und unterirdische Standorte, an denen sich Gase, insbesondere Methan, ansammeln können
  • chemische Industrie
  • Lagerräume für Bleibatterien, in denen sich Wasserstoff ansammeln kann
  • die Lebensmittelindustrie, wo natürliche organische Pulver erzeugt werden können
  • der Kunststoffindustrie
  • Metallurgie, insbesondere die mit Aluminium und Magnesium.

 

Wo diese Gefahr besteht, sollte die Anzahl der Stromkreise und Geräte minimiert werden, indem beispielsweise Elektromotoren und Transformatoren entfernt oder durch pneumatische Geräte ersetzt werden. Elektrische Geräte, die nicht entfernt werden können, müssen umschlossen sein, um jeglichen Kontakt von brennbaren Gasen und Stäuben mit Funken zu vermeiden, und innerhalb des Gehäuses muss eine Inertgasatmosphäre mit Überdruck aufrechterhalten werden. Wo Explosionsgefahr besteht, müssen explosionsgeschützte Gehäuse und feuerfeste Elektrokabel verwendet werden. Für einige Hochrisikoindustrien (z. B. die Öl- und Chemieindustrie) wurde eine vollständige Palette explosionsgeschützter Geräte entwickelt.

Aufgrund der hohen Kosten für explosionsgeschützte Ausrüstung werden Anlagen üblicherweise in elektrische Gefahrenzonen eingeteilt. Bei diesem Ansatz wird in Hochrisikozonen Spezialausrüstung eingesetzt, während in anderen ein gewisses Risiko in Kauf genommen wird. Verschiedene branchenspezifische Kriterien und technische Lösungen wurden entwickelt; Diese umfassen normalerweise eine Kombination aus Erdung, Komponententrennung und der Installation von Zonenbarrieren.

Potentialausgleich

Wenn alle gleichzeitig berührbaren Leiter einschließlich der Erde auf dem gleichen Potential liegen würden, bestünde keine Gefahr für den Menschen. Potentialausgleichssysteme sind ein Versuch, diesen Idealzustand zu erreichen (Andreoni und Castagna 1983; Lee, Cravalho und Burke 1992).

Beim Potentialausgleich werden alle freiliegenden Leiter von nicht zur Übertragung bestimmten elektrischen Betriebsmitteln und alle berührbaren Fremdleiter am selben Standort mit einem Schutzleiter verbunden. Es sollte daran erinnert werden, dass die Leiter von Nicht-Übertragungsgeräten während des normalen Betriebs stromlos sind, nach einem Isolationsfehler jedoch unter Spannung stehen können. Durch die Verringerung der Berührungsspannung verhindert der Potentialausgleich, dass metallische Bauteile für Personen und Geräte gefährliche Spannungen erreichen.

In der Praxis kann es erforderlich sein, dieselbe Maschine an mehreren Stellen an das Potentialausgleichsnetz anzuschließen. Bereiche mit schlechtem Kontakt, beispielsweise aufgrund von Isolatoren wie Schmiermittel und Farbe, sollten sorgfältig identifiziert werden. Ebenso hat es sich bewährt, alle lokalen und externen Versorgungsleitungen (z. B. Wasser, Gas und Heizung) an das Potentialausgleichsnetz anzuschließen.

Erdung

In den meisten Fällen ist es notwendig, den Spannungsabfall zwischen den Leitern der Installation und der Erde zu minimieren. Dies wird erreicht, indem die Leiter mit einem geerdeten Schutzleiter verbunden werden.

Es gibt zwei Arten von Masseverbindungen:

  • Funktionserde – zum Beispiel Erdung des Neutralleiters eines Dreiphasensystems oder des Mittelpunkts der Sekundärspule eines Transformators
  • Schutzerdung – zum Beispiel Erdung aller Leiter an einem Gerät. Das Ziel dieser Art der Erdung besteht darin, die Leiterspannungen zu minimieren, indem ein bevorzugter Pfad für Fehlerströme geschaffen wird, insbesondere für solche Ströme, die wahrscheinlich Menschen betreffen.

 

Unter normalen Betriebsbedingungen fließt kein Strom durch Masseverbindungen. Bei einer versehentlichen Aktivierung des Stromkreises ist jedoch der Stromfluss durch die niederohmige Masseverbindung hoch genug, um die Sicherung oder die nicht geerdeten Leiter zu schmelzen.

Die von den meisten Normen zugelassene maximale Fehlerspannung in Äquipotentialnetzen beträgt 50 V für trockene Umgebungen, 25 V für nasse oder feuchte Umgebungen und 12 V für medizinische Labors und andere Umgebungen mit hohem Risiko. Obwohl diese Werte nur Richtlinien sind, sollte die Notwendigkeit einer angemessenen Erdung am Arbeitsplatz, in öffentlichen Räumen und insbesondere in Wohnungen betont werden.

Die Wirksamkeit der Erdung hängt in erster Linie vom Vorhandensein hoher und stabiler Erdableitströme ab, aber auch von einer ausreichenden galvanischen Kopplung des Äquipotentialnetzes und dem Durchmesser der zum Netz führenden Leiter. Aufgrund der Bedeutung des Erdschlusses muss dieser mit großer Genauigkeit bewertet werden.

Erdverbindungen müssen so zuverlässig sein wie Äquipotentialnetze, und ihre ordnungsgemäße Funktion muss regelmäßig überprüft werden.

Wenn der Erdungswiderstand zunimmt, nähert sich das Potential sowohl des Erdungsleiters als auch der Erde um den Leiter dem des Stromkreises an; im Fall der Erde um den Leiter herum ist das erzeugte Potential umgekehrt proportional zum Abstand vom Leiter. Um gefährliche Schrittspannungen zu vermeiden, müssen Erdungsleiter ordnungsgemäß abgeschirmt und in ausreichender Tiefe im Boden verlegt werden.

Als Alternative zur Geräteerdung erlauben Normen die Verwendung von doppelt isolierten Geräten. Dieses Gerät, das für den Einsatz in Wohnumgebungen empfohlen wird, minimiert die Wahrscheinlichkeit eines Isolationsversagens, indem es zwei separate Isolationssysteme bereitstellt. Auf doppelt isolierte Geräte kann man sich nicht verlassen, um angemessen vor Schnittstellenfehlern zu schützen, wie sie beispielsweise mit losen, aber stromführenden Steckern verbunden sind, da die Stecker- und Steckdosenstandards einiger Länder die Verwendung solcher Stecker nicht berücksichtigen.

Leistungsschalter

Die sicherste Methode, elektrische Gefahren für Menschen und Geräte zu reduzieren, besteht darin, die Dauer des Fehlerstrom- und Spannungsanstiegs zu minimieren, idealerweise bevor die elektrische Energie überhaupt ansteigt. Schutzsysteme in elektrischen Betriebsmitteln enthalten normalerweise drei Relais: ein Fehlerstromrelais zum Schutz gegen Fehler gegen Erde, ein magnetisches Relais und ein thermisches Relais zum Schutz vor Überlast und Kurzschluss.

Bei Fehlerstromschutzschaltern werden die Leiter des Stromkreises um einen Ring gewickelt, der die Vektorsumme der in das zu schützende Gerät ein- und austretenden Ströme erfasst. Die Vektorsumme ist im Normalbetrieb gleich Null, im Fehlerfall aber gleich dem Ableitstrom. Wenn der Leckstrom den Schwellenwert des Unterbrechers erreicht, wird der Unterbrecher ausgelöst. Fehlerstromschutzschalter können schon ab 30 mA mit Latenzen bis 30 ms auslösen.

Der maximale Strom, der von einem Leiter sicher geführt werden kann, ist eine Funktion seines Querschnitts, seiner Isolierung und seiner Installation. Eine Überhitzung tritt auf, wenn die maximale sichere Belastung überschritten wird oder wenn die Wärmeableitung begrenzt ist. Überstromschutzeinrichtungen wie Sicherungen und magnetothermische Schutzschalter unterbrechen automatisch den Stromkreis, wenn übermäßiger Stromfluss, Erdschluss, Überlastung oder Kurzschluss auftreten. Überstromschutzeinrichtungen sollen den Stromfluss unterbrechen, wenn er die Kapazität des Leiters überschreitet.

Die Auswahl einer Schutzausrüstung, die sowohl Personen als auch Geräte schützen kann, ist eine der wichtigsten Fragen bei der Verwaltung elektrischer Anlagen und muss nicht nur die Strombelastbarkeit der Leiter, sondern auch die Eigenschaften der Stromkreise und der angeschlossenen Geräte berücksichtigen Sie.

Bei Stromkreisen mit sehr hohen Strombelastungen müssen spezielle Hochleistungssicherungen oder Leistungsschalter verwendet werden.

Sicherungen

Es sind mehrere Arten von Sicherungen erhältlich, die jeweils für eine bestimmte Anwendung ausgelegt sind. Die Verwendung eines falschen Sicherungstyps oder einer Sicherung mit der falschen Kapazität kann zu Verletzungen und Schäden an der Ausrüstung führen. Eine Überhitzung führt häufig zu überhitzten Kabeln oder Geräten, was wiederum Brände verursachen kann.

Vor dem Ersetzen von Sicherungen den Stromkreis absperren, kennzeichnen und testen, um sicherzustellen, dass der Stromkreis stromlos ist. Testen kann Leben retten. Identifizieren Sie als nächstes die Ursache von Kurzschlüssen oder Überlastungen und ersetzen Sie durchgebrannte Sicherungen durch Sicherungen des gleichen Typs und der gleichen Kapazität. Setzen Sie niemals Sicherungen in einen Stromkreis ein.

Leistungsschalter

Obwohl Leistungsschalter seit langem in Hochspannungsschaltungen mit großen Stromkapazitäten verwendet werden, werden sie zunehmend in vielen anderen Arten von Schaltungen verwendet. Es sind viele Typen erhältlich, die eine Auswahl zwischen sofortigem und verzögertem Einsetzen und manuellem oder automatischem Betrieb bieten.

Leistungsschalter fallen in zwei allgemeine Kategorien: thermische und magnetische.

Thermische Schutzschalter reagieren ausschließlich auf Temperaturanstieg. Schwankungen der Umgebungstemperatur des Leistungsschalters wirken sich daher auf den Auslösepunkt des Leistungsschalters aus.

Magnetische Leistungsschalter hingegen reagieren ausschließlich auf die Stromstärke, die durch den Stromkreis fließt. Diese Art von Schalter ist vorzuziehen, wenn große Temperaturschwankungen eine Überdimensionierung des Leistungsschalters erfordern würden oder wenn der Schalter häufig ausgelöst wird.

Beim Kontakt mit hochstrombelasteten Leitungen können Schutzschaltungen Personen- oder Sachschäden nicht verhindern, da sie nur dazu dienen, Stromleitungen und Anlagen vor zu hohem Stromfluss durch Fehler zu schützen.

Aufgrund des Erdungswiderstands ist der Strom, der durch ein Objekt fließt, das gleichzeitig die Leitung und die Erde berührt, normalerweise kleiner als der Auslösestrom. Fehlerströme, die durch Menschen fließen, können durch den Körperwiderstand weiter reduziert werden, bis sie den Leistungsschalter nicht auslösen, und sind daher äußerst gefährlich. Es ist praktisch unmöglich, ein Stromversorgungssystem zu entwerfen, das Verletzungen oder Schäden an Objekten verhindert, die die Stromleitungen stören, und gleichzeitig ein nützliches Energieübertragungssystem bleibt, da die Auslöseschwellen für die relevanten Schaltkreisschutzgeräte weit über dem Gefahrenniveau für Menschen liegen.

Normen und Vorschriften

Der Rahmen internationaler Normen und Vorschriften ist in Abbildung 1 dargestellt (Winckler 1994). Die Zeilen entsprechen dem geografischen Anwendungsbereich der Standards, entweder weltweit (international), kontinental (regional) oder national, während die Spalten den Anwendungsbereichen der Standards entsprechen. Die IEC und die Internationale Organisation für Normung (ISO) teilen sich eine Dachstruktur, die Joint Presidents Coordinating Group (JPCG); das europäische Äquivalent ist die Joint Presidents Group (JPG).

Abbildung 1. Der Rahmen internationaler Standards und Vorschriften

ELE040F1

Jedes Normungsgremium hält regelmäßige internationale Treffen ab. Die Zusammensetzung der verschiedenen Gremien spiegelt die Entwicklung der Normung wider.

Die Europäisches Komitee für die Normalisierung der Elektrotechnik (CENELEC) wurde von den Ausschüssen für Elektrotechnik der Länder gegründet, die 1957 die Römischen Verträge zur Gründung der Europäischen Wirtschaftsgemeinschaft unterzeichnet haben. Zu den sechs Gründungsmitgliedern kamen später die Mitglieder der Europäischen Freihandelsassoziation (EFTA), und CENELEC in seiner jetzigen Form geht auf den 13. Februar 1972 zurück.

Im Gegensatz zur Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) konzentriert sich CENELEC eher auf die Umsetzung internationaler Normen in den Mitgliedsländern als auf die Schaffung neuer Normen. Es ist besonders wichtig, daran zu erinnern, dass die Übernahme von IEC-Normen durch die Mitgliedsländer zwar freiwillig ist, die Übernahme von CENELEC-Normen und -Vorschriften in der Europäischen Union jedoch obligatorisch ist. Über 90 % der CENELEC-Normen sind von IEC-Normen abgeleitet, und über 70 % davon sind identisch. Der Einfluss von CENELEC hat auch das Interesse osteuropäischer Länder geweckt, von denen die meisten 1991 angeschlossene Mitglieder wurden.

Die International Association for Testing and Materials, der Vorläufer der ISO, wie sie heute bekannt ist, wurde 1886 gegründet und war bis zum Ersten Weltkrieg aktiv, danach hörte sie auf, als internationale Vereinigung zu fungieren. Einige nationale Organisationen, wie die American Society for Testing and Materials (ASTM), überlebten. 1926 wurde die International Standards Association (ISA) in New York gegründet und war bis zum Zweiten Weltkrieg aktiv. Die ISA wurde 1946 durch die ISO ersetzt, die für alle Bereiche außer Elektrotechnik und Telekommunikation zuständig ist. Das Europäisches Komitee für Normalisierung (CEN) ist das europäische Äquivalent der ISO und hat die gleiche Funktion wie CENELEC, obwohl nur 40 % der CEN-Normen von ISO-Normen abgeleitet sind.

Die aktuelle Welle der internationalen wirtschaftlichen Konsolidierung erzeugt einen Bedarf an gemeinsamen technischen Datenbanken im Bereich der Normung. Dieser Prozess ist derzeit in mehreren Teilen der Welt im Gange, und es ist wahrscheinlich, dass außerhalb Europas neue Normungsgremien entstehen werden. CANENA ist eine regionale Normungsorganisation, die von den Ländern des nordamerikanischen Freihandelsabkommens (NAFTA) (Kanada, Mexiko und die Vereinigten Staaten) gegründet wurde. Die Verkabelung von Räumlichkeiten in den USA unterliegt dem National Electrical Code, ANSI/NFPA 70-1996. Dieser Kodex wird auch in mehreren anderen Ländern in Nord- und Südamerika verwendet. Sie enthält Installationsanforderungen für Gebäudeverkabelungsinstallationen über den Anschlusspunkt an das elektrische Versorgungssystem hinaus. Es umfasst die Installation von elektrischen Leitern und Geräten in oder an öffentlichen und privaten Gebäuden, einschließlich Wohnmobilen, Freizeitfahrzeugen und schwimmenden Gebäuden, Viehhöfen, Jahrmärkten, Parkplätzen und anderen Grundstücken sowie industriellen Umspannwerken. Sie deckt keine Installationen in Schiffen oder Wasserfahrzeugen mit Ausnahme von schwimmenden Gebäuden ab – Eisenbahnrollstopps, Flugzeuge oder Kraftfahrzeuge. Der National Electric Code gilt auch nicht für andere Bereiche, die normalerweise durch den National Electrical Safety Code geregelt werden, wie z. B. Installationen von Kommunikationsversorgungsgeräten und Stromversorgungsinstallationen.

Europäische und amerikanische Normen für den Betrieb elektrischer Anlagen

Die Europäische Norm EN 50110-1, Betrieb von Elektroinstallationen (1994a), erstellt von der CENELEC Task Force 63-3, ist das grundlegende Dokument, das für den Betrieb und die Arbeiten an, mit oder in der Nähe von elektrischen Anlagen gilt. Die Norm legt die Mindestanforderungen für alle CENELEC-Länder fest; weitere nationale Normen sind in separaten Unterteilen der Norm (EN 50110-2) beschrieben.

Die Norm gilt für Anlagen, die für die Erzeugung, Übertragung, Umwandlung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie ausgelegt sind und mit allgemein vorkommenden Spannungspegeln betrieben werden. Obwohl typische Installationen mit Niederspannung betrieben werden, gilt die Norm auch für Klein- und Hochspannungsinstallationen. Die Installationen können entweder dauerhaft und ortsfest (z. B. Verteilungsinstallationen in Fabriken oder Bürokomplexen) oder mobil sein.

Sichere Betriebs- und Wartungsverfahren für Arbeiten an oder in der Nähe von elektrischen Anlagen sind in der Norm festgelegt. Zu den anwendbaren Arbeitstätigkeiten gehören neben allen Arten von Elektroarbeiten auch nicht elektrische Arbeiten wie Bauarbeiten in der Nähe von Freileitungen oder Erdkabeln. Bestimmte Elektroinstallationen, beispielsweise an Bord von Flugzeugen und Schiffen, fallen nicht unter die Norm.

Der entsprechende Standard in den Vereinigten Staaten ist der National Electrical Safety Code (NESC), American National Standards Institute (1990). Der NESC gilt für Versorgungseinrichtungen und -funktionen vom Erzeugungsort von Elektrizität und Kommunikationssignalen über das Übertragungsnetz bis zum Lieferort an den Einrichtungen eines Kunden. Bestimmte Anlagen, darunter solche in Bergwerken und Schiffen, unterliegen nicht dem NESC. Die NESC-Richtlinien sollen die Sicherheit von Arbeitern gewährleisten, die mit der Installation, dem Betrieb oder der Wartung von elektrischen Versorgungs- und Kommunikationsleitungen und zugehörigen Geräten beschäftigt sind. Diese Richtlinien stellen den akzeptablen Mindeststandard für die Arbeitssicherheit und die öffentliche Sicherheit unter den angegebenen Bedingungen dar. Der Code ist nicht als Designspezifikation oder Bedienungsanleitung gedacht. Formal muss der NESC als nationaler Sicherheitskodex angesehen werden, der für die Vereinigten Staaten gilt.

Die umfangreichen Regeln sowohl der europäischen als auch der amerikanischen Normen sorgen für die sichere Durchführung von Arbeiten an elektrischen Anlagen.

Die Europäische Norm (1994a)

Definitionen

Die Norm enthält nur Definitionen für die gebräuchlichsten Begriffe; weitere Informationen finden sich in der International Electrotechnical Commission (1979). Elektroinstallation im Sinne dieser Norm bezieht sich auf alle Geräte, die an der Erzeugung, Übertragung, Umwandlung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie beteiligt sind. Dazu gehören alle Energiequellen, einschließlich Batterien und Kondensatoren (ENEL 1994; EDF-GDF 1991).

Grundprinzipien

Sichere Operation: Das Grundprinzip für sicheres Arbeiten an, mit oder in der Nähe einer elektrischen Anlage ist die Notwendigkeit, das elektrische Risiko vor Beginn der Arbeiten zu bewerten.

Personal: Die besten Regeln und Verfahren für Arbeiten an, mit oder in der Nähe von elektrischen Anlagen sind wertlos, wenn die Arbeiter nicht gründlich damit vertraut sind und sich nicht strikt daran halten. Alle Personen, die an Arbeiten an, mit oder in der Nähe einer elektrischen Anlage beteiligt sind, müssen über die für ihre Arbeit geltenden Sicherheitsanforderungen, Sicherheitsregeln und Unternehmensrichtlinien unterrichtet werden. Bei langen oder komplexen Arbeiten ist diese Unterweisung zu wiederholen. Arbeitnehmer müssen diese Anforderungen, Regeln und Anweisungen einhalten.

Organisation: Jede Elektroinstallation muss der Verantwortung der benannten Person unterstellt werden, die die Kontrolle über die Elektroinstallation hat. Bei Unternehmen, an denen mehr als eine Anlage beteiligt ist, ist es unerlässlich, dass die benannten Personen, die die Kontrolle über jede Anlage haben, zusammenarbeiten.

Jede Arbeitstätigkeit liegt in der Verantwortung der benannten Person, die die Leitung der Arbeit hat. Wenn die Arbeit Teilaufgaben umfasst, werden für die Sicherheit jeder Teilaufgabe verantwortliche Personen bestimmt, die jeweils dem Koordinator unterstellt sind. Dieselbe Person kann als benannte Person für die Leitung der Arbeiten und als benannte Person für die Leitung der Elektroinstallation fungieren.

Kommunikation: Dazu gehören alle Mittel der Informationsübertragung zwischen Personen, dh gesprochenes Wort (einschließlich Telefon, Funk und Sprache), Schrift (einschließlich Fax) und visuelle Mittel (einschließlich Instrumententafeln, Video, Signale und Lichter).

Alle Informationen, die für den sicheren Betrieb der elektrischen Anlage erforderlich sind, z. B. Netzanordnungen, Schaltanlagenzustand und die Position von Sicherheitseinrichtungen, müssen förmlich mitgeteilt werden.

Baustelle: An elektrischen Anlagen, an denen, mit oder in der Nähe von Arbeiten gearbeitet werden soll, müssen ausreichend Arbeitsraum, Zugang und Beleuchtung vorhanden sein.

Werkzeuge, Ausrüstung und Verfahren: Werkzeuge, Ausrüstung und Verfahren müssen den Anforderungen einschlägiger europäischer, nationaler und internationaler Normen entsprechen, sofern vorhanden.

Zeichnungen und Berichte: Die Zeichnungen und Berichte der Installation müssen aktuell und leicht verfügbar sein.

Beschilderung: Während des Betriebs der Anlage und während aller Arbeiten sind bei Bedarf angemessene Beschilderungen anzubringen, die auf besondere Gefahren hinweisen.

Standardablauf

Betriebliche Tätigkeiten: Bedienhandlungen dienen dazu, den elektrischen Zustand einer elektrischen Anlage zu verändern. Es gibt zwei Arten:

  • Handlungen, die darauf abzielen, den elektrischen Zustand einer elektrischen Anlage zu verändern, zB um Betriebsmittel zu verwenden, eine Anlage oder einen Teil einer Anlage anzuschließen, zu trennen, zu starten oder zu stoppen, um Arbeiten auszuführen. Diese Aktivitäten können lokal oder ferngesteuert durchgeführt werden.
  • Trennen vor oder Wiederanschließen nach dem Betrieb im stromlosen Zustand, muss von qualifiziertem oder geschultem Personal durchgeführt werden.

 

Funktionsprüfungen: Dazu gehören Mess-, Prüf- und Inspektionsverfahren.

Unter Messen versteht man die Gesamtheit der Tätigkeiten zur Erhebung physikalischer Daten in elektrischen Anlagen. Die Messung muss von qualifizierten Fachleuten durchgeführt werden.

Die Prüfung umfasst alle Tätigkeiten, die dazu bestimmt sind, den Betrieb oder den elektrischen, mechanischen oder thermischen Zustand einer elektrischen Anlage zu überprüfen. Die Prüfung ist von qualifiziertem Personal durchzuführen.

Die Inspektion ist die Überprüfung, dass eine elektrische Installation den anwendbaren technischen Vorschriften und Sicherheitsvorschriften entspricht.

Arbeitsabläufe

Allgemein: Die benannte Person, die die Elektroinstallation leitet, und die benannte Person, die die Arbeiten leitet, müssen beide sicherstellen, dass die Arbeitnehmer vor Beginn und nach Abschluss der Arbeiten spezifische und detaillierte Anweisungen erhalten.

Vor Beginn der Arbeiten hat der für die Arbeiten Beauftragte den Beauftragten für die Elektroinstallation über Art, Ort und Auswirkungen der beabsichtigten Arbeiten auf die Elektroinstallation zu informieren. Diese Mitteilung hat, insbesondere bei komplexen Arbeiten, vorzugsweise schriftlich zu erfolgen.

Arbeitstätigkeiten lassen sich in drei Kategorien einteilen: Arbeiten unter Spannung, Arbeiten unter Spannung und Arbeiten in der Nähe von unter Spannung stehenden Anlagen. Für jede Art von Arbeit wurden Maßnahmen zum Schutz vor Stromschlägen, Kurzschlüssen und Lichtbögen entwickelt.

Induktion: Bei Arbeiten an elektrischen Leitungen mit Induktionsstrom sind folgende Vorsichtsmaßnahmen zu treffen:

  • Erdung in angemessenen Abständen; Dadurch wird das Potential zwischen Leitern und Erde auf ein sicheres Niveau reduziert
  • Potentialausgleich der Baustelle; dies verhindert, dass Arbeiter sich in die Induktionsschleife einführen.

 

Wetterverhältnisse: Wenn Blitze gesehen oder Donner gehört werden, dürfen Arbeiten an Außenanlagen oder Innenanlagen, die direkt an Freileitungen angeschlossen sind, nicht begonnen oder fortgesetzt werden.

Tot arbeitend

Die folgenden grundlegenden Arbeitspraktiken stellen sicher, dass die elektrischen Installationen auf der Baustelle für die Dauer der Arbeiten stromlos bleiben. Sofern keine klaren Kontraindikationen vorliegen, sollten die Praktiken in der angegebenen Reihenfolge angewendet werden.

Vollständige Trennung: Der Anlagenteil, in dem die Arbeiten durchgeführt werden, ist spannungsfrei zu schalten und gegen Wiedereinschalten zu sichern.

Sicherung gegen Wiedereinschalten: Alle zum Freischalten der elektrischen Anlage für die Arbeiten verwendeten Trennvorrichtungen müssen verriegelt sein, vorzugsweise durch Verriegeln des Betätigungsmechanismus.

Überprüfung, ob die Installation tot ist: Die Stromfreiheit muss an allen Polen der elektrischen Installation auf der Baustelle oder so nahe wie möglich an der Baustelle überprüft werden.

Erden und Kurzschließen: An allen Hochspannungs- und einigen Niederspannungsarbeitsplätzen müssen alle zu bearbeitenden Teile geerdet und nach dem Abschalten kurzgeschlossen werden. Erdungs- und Kurzschließsysteme müssen zuerst geerdet werden; Die zu erdenden Komponenten dürfen erst im geerdeten Zustand an das System angeschlossen werden. Soweit praktikabel, müssen die Erdungs- und Kurzschließsysteme von der Baustelle aus sichtbar sein. Nieder- und Hochspannungsinstallationen haben ihre eigenen spezifischen Anforderungen. Bei diesen Installationsarten müssen alle Seiten der Baustelle und alle in die Baustelle eingeführten Leiter geerdet und kurzgeschlossen werden.

Schutz vor benachbarten spannungsführenden Teilen: Können Teile einer elektrischen Anlage in der Nähe der Baustelle nicht stromlos gemacht werden, sind zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich. Arbeitnehmer dürfen mit der Arbeit nicht beginnen, bevor sie die Erlaubnis dazu von der für die Arbeit zuständigen Person erhalten haben, die ihrerseits die Genehmigung von der für die Leitung der Elektroinstallation bestimmten Person erhalten muss. Nach Abschluss der Arbeiten müssen die Arbeiter die Baustelle verlassen, Werkzeuge und Ausrüstung gelagert und Erdungs- und Kurzschlusssysteme entfernt werden. Die für die Arbeiten zuständige Person muss dann die für die Elektroinstallation zuständige Person benachrichtigen, dass die Installation wieder angeschlossen werden kann.

Live-Arbeiten

Allgemein: Arbeiten unter Spannung sind Arbeiten, die innerhalb einer Zone ausgeführt werden, in der Strom fließt. Leitlinien für die Abmessungen des Arbeitsbereichs unter Spannung finden sich in der Norm EN 50179. Es müssen Schutzmaßnahmen zur Verhinderung von Stromschlägen, Lichtbögen und Kurzschlüssen getroffen werden.

Ausbildung und Qualifikation: Es müssen spezielle Schulungsprogramme eingerichtet werden, um die Fähigkeit qualifizierter oder geschulter Arbeitnehmer zur Durchführung von Arbeiten unter Spannung zu entwickeln und aufrechtzuerhalten. Nach Abschluss des Programms erhalten die Arbeiter eine Qualifikationseinstufung und die Berechtigung, bestimmte Arbeiten unter Spannung an bestimmten Spannungen durchzuführen.

Aufrechterhaltung der Qualifikation: Die Fähigkeit, unter Spannung zu arbeiten, muss entweder durch Übung oder neue Ausbildung aufrechterhalten werden.

Arbeitstechniken: Derzeit gibt es drei anerkannte Techniken, die sich durch ihre Anwendbarkeit auf verschiedene Arten von stromführenden Teilen und die erforderliche Ausrüstung zur Verhinderung von Stromschlägen, Lichtbögen und Kurzschlüssen unterscheiden:

  • Hotstick funktioniert
  • Isolierhandschuh arbeiten
  • Arbeiten mit bloßen Händen.

 

Jede Technik erfordert unterschiedliche Vorbereitung, Ausrüstung und Werkzeuge, und die Auswahl der am besten geeigneten Technik hängt von den Eigenschaften der betreffenden Arbeit ab.

Werkzeuge und Ausrüstung: Die Eigenschaften, Lagerung, Wartung, Transport und Inspektion von Werkzeugen, Geräten und Systemen sind festzulegen.

Wetterverhältnisse: Für das Arbeiten unter Spannung bei widrigen Wetterbedingungen gelten Einschränkungen, da die Isoliereigenschaften, die Sicht und die Mobilität der Arbeiter eingeschränkt sind.

Arbeitsorganisation: Die Arbeit ist angemessen vorzubereiten; Bei komplexen Arbeiten ist eine schriftliche Ausarbeitung vorab einzureichen. Die Anlage im Allgemeinen und der Bereich, in dem die Arbeiten ausgeführt werden sollen, im Besonderen, muss in einem Zustand gehalten werden, der der erforderlichen Vorbereitung entspricht. Die benannte Person für die Leitung der Arbeiten muss die benannte Person für die Leitung der Elektroinstallation über die Art der Arbeiten, den Ort in der Anlage, an dem die Arbeiten ausgeführt werden, und die voraussichtliche Dauer der Arbeiten informieren. Vor Beginn der Arbeiten müssen sich die Arbeitnehmer die Art der Arbeit, die einschlägigen Sicherheitsmaßnahmen, die Rolle jedes Arbeitnehmers und die zu verwendenden Werkzeuge und Ausrüstungen erklären lassen.

Für Kleinspannungs-, Niederspannungs- und Hochspannungsanlagen gibt es spezielle Praktiken.

Arbeiten Sie in der Nähe von spannungsführenden Teilen

Allgemein: Arbeiten in der Nähe von spannungsführenden Teilen mit Nennspannungen über 50 VAC oder 120 VDC dürfen nur durchgeführt werden, wenn Sicherheitsmaßnahmen ergriffen wurden, um sicherzustellen, dass spannungsführende Teile nicht berührt oder der spannungsführende Bereich nicht betreten werden kann. Hierzu können Abschirmungen, Absperrungen, Einhausungen oder isolierende Abdeckungen verwendet werden.

Vor Beginn der Arbeiten hat die für die Arbeiten zuständige Person die Arbeiter, insbesondere diejenigen, die mit der Arbeit in der Nähe von spannungsführenden Teilen nicht vertraut sind, über die auf der Baustelle einzuhaltenden Sicherheitsabstände, die wichtigsten Sicherheitsmaßnahmen und die zu unterweisen Notwendigkeit eines Verhaltens, das die Sicherheit der gesamten Arbeitsmannschaft gewährleistet. Arbeitsstättengrenzen sind genau festzulegen und zu kennzeichnen und auf ungewöhnliche Arbeitsbedingungen hinzuweisen. Diese Information ist bei Bedarf zu wiederholen, insbesondere nach Änderungen der Arbeitsbedingungen.

Arbeiter müssen sicherstellen, dass kein Teil ihres Körpers oder irgendein Gegenstand in die Live-Zone gelangt. Beim Umgang mit langen Gegenständen, z. B. Werkzeugen, Kabelenden, Rohren und Leitern, ist besondere Vorsicht geboten.

Schutz durch Abschirmungen, Barrieren, Gehäuse oder isolierende Abdeckungen: Die Auswahl und Installation dieser Schutzeinrichtungen muss einen ausreichenden Schutz gegen vorhersehbare elektrische und mechanische Belastungen gewährleisten. Die Ausrüstung ist während der Arbeiten angemessen zu warten und zu sichern.

Wartung

Allgemein: Zweck der Instandhaltung ist es, die elektrische Anlage im geforderten Zustand zu erhalten. Die Wartung kann vorbeugend (dh regelmäßig durchgeführt werden, um Ausfällen vorzubeugen und die Betriebsfähigkeit der Geräte aufrechtzuerhalten) oder korrigierend (dh zum Ersetzen defekter Teile durchgeführt) erfolgen.

Wartungsarbeiten können in zwei Risikokategorien eingeteilt werden:

  • Arbeiten mit Stromschlaggefahr, bei denen die für Arbeiten unter Spannung und Arbeiten in der Nähe von spannungsführenden Teilen geltenden Vorschriften befolgt werden müssen
  • Arbeiten, bei denen das Gerätedesign die Durchführung einiger Wartungsarbeiten ohne vollständige Arbeitsverfahren unter Spannung zulässt

 

Personal: Das Personal, das die Arbeiten ausführen soll, muss ausreichend qualifiziert oder geschult sein und mit geeigneten Mess- und Prüfwerkzeugen und -geräten ausgestattet sein.

Reparatur: Die Reparaturarbeiten bestehen aus folgenden Schritten: Fehlerortung; Fehlerbehebung und/oder Austausch von Komponenten; Wiederinbetriebnahme des reparierten Anlagenteils. Jeder dieser Schritte kann spezifische Verfahren erfordern.

Ersatzarbeiten: Im Allgemeinen muss der Sicherungswechsel in Hochspannungsanlagen als stromlose Arbeit durchgeführt werden. Der Sicherungswechsel muss von qualifiziertem Personal nach geeigneten Arbeitsverfahren durchgeführt werden. Der Austausch von Lampen und abnehmbaren Teilen wie Startern erfolgt als Eigenleistung. In Hochspannungsanlagen gelten die Reparaturverfahren auch für Ersatzarbeiten.

Schulung des Personals über elektrische Gefahren

Eine effektive Arbeitsorganisation und Sicherheitsschulung ist ein Schlüsselelement in jeder erfolgreichen Organisation, jedem Präventionsprogramm und Arbeitsschutzprogramm. Die Arbeitnehmer müssen über eine angemessene Ausbildung verfügen, um ihre Arbeit sicher und effizient erledigen zu können.

Die Verantwortung für die Durchführung von Mitarbeiterschulungen liegt beim Management. Das Management muss erkennen, dass die Mitarbeiter ein bestimmtes Leistungsniveau erreichen müssen, bevor die Organisation ihre Ziele erreichen kann. Um diese Niveaus zu erreichen, müssen Schulungsrichtlinien für Arbeitnehmer und im weiteren Sinne konkrete Schulungsprogramme eingerichtet werden. Programme sollten Ausbildungs- und Qualifizierungsphasen umfassen.

Live-Working-Programme sollten die folgenden Elemente enthalten:

Ausbildung: In einigen Ländern müssen Programme und Schulungseinrichtungen von einem Live-Arbeitsausschuss oder einem ähnlichen Gremium formell genehmigt werden. Die Programme basieren hauptsächlich auf praktischer Erfahrung, ergänzt durch technische Schulungen. Die Ausbildung erfolgt in Form von praktischer Arbeit an Modellanlagen im Innen- oder Außenbereich, ähnlich denen, an denen tatsächlich gearbeitet werden soll.

Qualifikationen: Arbeiten unter Spannung sind sehr anspruchsvoll, und es ist wichtig, die richtige Person am richtigen Ort einzusetzen. Dies ist am einfachsten zu erreichen, wenn qualifiziertes Personal unterschiedlicher Qualifikationsniveaus zur Verfügung steht. Die benannte Person, die die Arbeit leitet, sollte ein qualifizierter Arbeiter sein. Wo eine Beaufsichtigung erforderlich ist, sollte diese ebenfalls von einer qualifizierten Person durchgeführt werden. Arbeitnehmer sollten nur an Anlagen arbeiten, deren Spannung und Komplexität ihrem Qualifikations- oder Ausbildungsniveau entspricht. In einigen Ländern ist die Qualifikation durch nationale Standards geregelt.

Schließlich sollten die Arbeitnehmer in wesentlichen lebensrettenden Techniken unterwiesen und geschult werden. Für weitere Informationen wird der Leser auf das Kapitel Erste Hilfe verwiesen.

 

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HAFTUNGSAUSSCHLUSS: Die ILO übernimmt keine Verantwortung für auf diesem Webportal präsentierte Inhalte, die in einer anderen Sprache als Englisch präsentiert werden, der Sprache, die für die Erstproduktion und Peer-Review von Originalinhalten verwendet wird. Bestimmte Statistiken wurden seitdem nicht aktualisiert die Produktion der 4. Auflage der Encyclopaedia (1998)."

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