Mi is az az elektromágneses zavarvédelem?
Amit az elektrosztatikus feltöltődésről tudni kell....
2004/4. lapszám | Dr. Fodor István | 4862 |
Figylem! Ez a cikk 22 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az elmúlt két évtizedben egyre többet lehetett találkozni az elektrosztatikus jelenségekkel: egyre több ipari alkalmazással találkozhattunk és egyre több ipari problémával, melyek súlyossága a kellemetlenségtől a katasztrófáig terjedt. A megfelelő védekezés szempontjából fontos az elektrosztatikai jelenségek alapjainak megismerése, az okozott veszély nagyságának felmérése és a gyakorlati tennivalók tisztázása.
Az elektrosztatikus feltöltődés folyamata
Sokszor találkozunk manapság az elektronikus eszközök környezetében az ESD -re figyelmeztető jellel. (1. ábra) Miről is van szó, mire figyelmeztet a jel? A jelenségek megértéséhez először itt is a fizikai alapokat kell tisztáznunk.
Nyugalmi állapotban az anyagok többsége villamosan semleges tulajdonságú, a pozitív és negatív töltések egyensúlyban vannak. A természetes illetve mesterséges környezetben lejátszódó különféle fizikai és kémiai folyamatok eredményeként az addig egyensúlyban lévő töltések szétválhatnak, s felhalmozódhatnak.
Elektrosztatikus feltöltődésnek nevezzük azt a folyamatot, amikor a villamosan semleges anyag esetében (külső behatások révén) a töltések elkülönülnek s felhalmozódnak, így az anyag töltötté válik. Az, hogy mekkora a feltöltődés mértéke alapvetően két dologtól függ: egyfelől a töltés elkülönülés intenzitásától, másfelől a szétvált, és valamilyen testen, felületen felhalmozódott töltések fogyásának sebességétől. A feltöltődés mértékére jellemző villamos térerősség vagy feszültség addig nő, amíg a keletkezett töltések mennyisége meghaladja a távozó vagy semlegesített töltések mennyiségét. A töltések fogyását alapvetően a környezet minősége határozza meg: a jó szigetelő anyagok jelenléte rendkívüli mértékben lassítja a folyamatot, míg ha jó elvezetési utat biztosítunk a föld felé, gyorsan fogynak a töltések. (Ezt a "fogyást" mesterséges rekombináció-erősítéssel, eliminátorokkal – ismertebb nevükön ionizátorokkal – is elő lehet segíteni.)
A töltés elkülönülési folyamatok rendkívül sokfélék lehetnek, a leggyakoribbak az alább felsoroltak:
- érintkezés, szétválás,
- súrlódó felületek,
- emisszió,
- aprítás,
- halmazállapot változás,
- külső villamos tér hatása,
- részecskefeltöltődés.
Az érintkezés, szétválás tipikus esete a papír- és műanyagipar henger lecsévélési folyamata, amely akár 100 kV-os feszültséget is előállíthat.
A súrlódó felületek okozta töltődés az élet szinte minden területén tapasztalható: az iparban az egymáson elmozduló szigetelő testektől az otthon felhúzott pulóverig tart a sor. Az aprítás számos műanyag megmunkálása, forgácsolása során okoz a feltöltődés miatt nehézséget. A halmazállapot-változás elsősorban a párolgás és a fagyás során járhat töltésszétválással. A külső villamos tér hatása viszonylag ritkább, de számítani kell rá azokon a helyszíneken, ahol nagyfeszültség van jelen. A részecskefeltöltődés elsősorban a két fázisú anyagmozgatás (anyagmozgás) "mellékterméke", jellegzetes példája a por kezelő-szállító rendszerek okozta feltöltődés, vagy a szennyezett szigetelő folyadék (pl. keverék üzemanyag) áramlása. A töltés szétválás intenzitásának csökkentését általában a súrlódási, szétválási, mozgási, áramlási sebességek korlátozásával lehet elérni, illetve a technológiai folyamatban résztvevő anyagok megváltoztatásával (ha erre mód van).
A töltésfelhalmozódás következményei
Az, hogy a feltöltődés adott szituációban megengedhető-e, a technológia és a környezet érzékenységétől, illetve veszélyességétől függ: a felhalmozott töltések mechanikai (tapadás, porosodás, stb), villamos (áramlöket, térerő), és termikus hatása (gyújtóhatás) okozhat problémát. A két legsúlyosabb (nemkívánatos) következmény a tűz- és robbanásveszélyes környezetben bekövetkező szikrakisülés okozta tűz (vagy robbanás), ahol így a feltöltődés következményei katasztrofálisak is lehetnek, valamint az elektronikus eszközök, rendszerek vagy alkatrészek tönkremenetele a töltésfelhalmozódás következtében.
A kisülések gyújtó hatása
Gyakran előfordul, hogy kis tárgyakon, felületeken vagy az emberi testen felhalmozódó töltések szikra kisülést okoznak, mivel az általuk létrehozott térerősség meghaladja a levegő (vagy más gáz) villamos szilárdságát. Mindenki számára ismerős jelenség a szikrázó pulóver, a "rázó" vízcsap vagy kilincs. Tűz- és robbanásveszélyes környezetben a keletkezett szikra, illetve villamos kisülés (amennyiben az anyag koncentrációja a veszélyes határok között van) energiája határozza meg a továbbiakat. Amennyiben ez az energia meghaladja a tűz- és robbanásveszélyes anyagra jellemző ún. minimális gyulladási energiát, a kisülés begyújthatja az anyagot. Elsősorban az A és B tűzveszélyességi osztályba tartozó anyagok veszélyesek, de ebből a szempontból az anyagok szikraérzékenységi osztálya a döntő.
Az anyagokat minimális gyulladási energiájuk alapján sorolják szikraérzékenységi osztályokba.
- Rendkívül nagy szikraérzékenységű anyagok
Ezek az anyagok már 0,1 mJ hatására gyulladhatnak, viszonylag kis elszigetelt fémtest, vagy néhány dm²-es feltöltött szigetelőfelület képes ilyen szikrát indítani. Az ilyen anyagok a legkisebb villamos kisüléstől gyulladhatnak (pl. benzin, hidrogén, pirotechnikai anyagok). - Nagy szikraérzékenységű anyagok
Minimális gyulladási energiájuk 0,1 - 4 mJ között van, a legkisebb energiájú villamos kisülésre, a koronakisülésre már nem érzékenyek. - Átlagos szikraérzékenységű anyagok
Minimális gyulladási energiájuk 4–20 mJ között van. Csak a vezető testekről levehető szikrakisülés energiája képes begyújtani az anyagot. (A feltöltött ember itt még veszélyforrás, a szigetelő felületek - ebben az értelemben - már nem.) - Kis szikraérzékenységű anyagok
Ide tartoznak azok az anyagok melyek csak 20 mJ-nál nagyobb energiával gyújthatók be. (Ezek az anyagok már nem érzékenyek a feltöltött emberi testről induló kisülésre sem).
Az elektronikus rendszerek meghibásodása
A modern objektumokban manapság az elektronikus rendszerek, készülékek dzsungele vesz körül bennünket. Ezek a bonyolult, nagy érzékenységű elektronikus eszközök és hálózatok többé vagy kevésbé, de érzékenyek az elektrosztatikus feltöltődést kísérő jelenségekre. Bár az elektronikus eszközökben okozott kár kevésbé látványos, az elektrosztatikus szikra könnyűszerrel tehet tönkre PC-ket, folyamatirányító számítógépeknél okozhat programfutás vagy hardver hibát, illetve esetleg megbénítja a különböző védelmi rendszereket, fals működést okozva vezethet súlyos üzemzavarhoz. Ráadásul, az elektronikus eszközökben sok esetben nem azonnal, hanem késleltetetten jelentkezik a feltöltődés roncsoló hatása, megnehezítve a kiváltó ok feltárását, illetve a hiba időbeni észlelését. Ez utóbbi okozza sok esetben az elektronikai beszállító iparban ismert jelenséget, amikor a gyári minőség-ellenőrzésen a termék átmegy, és néhány hét múlva -látszólag minden ok nélkül - meghibásodva érkezik vissza garanciális javításra. (Meg kell jegyeznünk, hogy az elektronikus eszközök esetében a hibát nagyon sok esetben nem a szikra kisülés, hanem az elektrosztatikus feltöltődés által keltett villamos térerősség okozza).
A védekezés lehetősége
Az, hogy az elektrosztatikus feltöltődés káros következményinek elkerüléséhez szükséges hatékony védelmi módszerek közül melyeket alkalmazzuk, elsősorban a kockázattól függnek, másodsorban a műszaki lehetőségektől, s harmadsorban a gazdasági kihatásoktól. Általános irányelv, hogy ha módunkban áll, meg kell akadályozni a töltés elkülönülést vagy legalábbis csökkenteni kell a folyamat intenzitását.
Másik lehetőség: meg kell akadályozni a töltések felhalmozódását, azaz lehetővé kell tenni a töltések elvezetését. (Ez az esetek nagy részében a földeléssel megoldható). Ha egyik megoldás sem alkalmazható, megfelelő előjelű és mennyiségű töltést kell juttatni a feltöltődés helyére, így semlegesítve a káros töltéseket (eliminátorok). Ha az adott A és B tűzveszélyességi osztályba tartozó objektum esetén a fenti megoldások nem járnak kielégítő eredménnyel, és nem tudjuk veszélytelen szintre csökkenteni a feltöltődést, csak a környezet gyökeres átalakítása jelenthet megoldást: az inertizálás.
Az elektrosztatikai földelés
Az esetek szinte mindegyikében a védekezés alapfeltétele a töltések elvezetése, amit általában földeléssel oldanak meg, azaz le kell földelni minden tárgyat, eszközt, ami nem szigetelő. Itt érdemes megállni egy pillanatra: az anyagok hagyományos villamos "besorolása" szerint léteznek vezetők (általában a fémek) és szigetelők (ma már zömmel műanyagok). Az elektrosztatika másként csoportosít. Szempontjai szerint a létező kategóriák a következők: sztatikai árnyékoló anyag, sztatikai vezető anyag, disszipatív anyag és szigetelő anyag. (A besorolás magyarázata kisé bonyolult, itt el is tekintünk tőle, de lényegében a töltés szétválási és elvezetési idők összehangolási lehetőségén alapszik az osztályozás).
Ennek megfelelően a földelés fogalma is mást jelent, mint az erősáramú területen. Ha a földelési út ellenállása 1M? körül van , már elfogadható a földelés!
Az elektrosztatikus feltöltődés elleni védekezés eszköztárának leggyakrabban használt eleme a disszipatív (sokszor mondják antisztatikusnak vagy vezetőnek) padlóburkolat. Ezek a burkolatok sok esetben lemezszerű, ragasztással rögzítendő anyagok, melyek vezetőképessége sokkal jobb egy szokványos PVC padlóburkolatnál. Nagyon gyakran megfelelő működésük alapfeltétele, hogy a felület, amire ragasztják őket, ne legyen szigetelő, vagy ha az, akkor fém földelőháló kerüljön a burkolat alá. A felhasznált ragasztó az esetek zömében speciális, vezetőképes termék, mással nem helyettesíthető.
Egyéb védelmi eszközök
A rendelkezésre álló védelmi arzenálból (csuklópánttól a speciális, antisztatikus székig) terjedelmi okokból itt és most csak egy sokak számára ismeretlen eszközre hívjuk fel a figyelmet. Bár ritkábban találkozunk - általában igényes gyártási vagy javítási folyamatokban - a védekezés egyik speciális eszközével, az eliminátorral, mégis érdemes néhány szót ejteni róla. Ezek a készülékek általában egy -egy munkahely védelmét látják el, és többségük villamos elven működik. Lényegében töltött részecskéket, ionokat hoznak létre, s ezek semlegesítik a felhalmozott töltéseket. Sok eliminátor ezt úgy éri el, hogy nagyfeszültséget (néhány ezer voltot) állít elő, és ezeket kapcsolják rá az ionokat előállító tűsorra. Ilyenkor általában felvetődik a kérdés: nem életveszélyes a tűk megérintése? A válasz egyértelmű nem. A nagyfeszültségű tápegység ugyanis csak milliampernél kisebb áramokat tud kibocsátani.
Eliminátor pisztoly
Gyakori hibák
Az egyik leggyakoribb hiba a padlóburkolat nem megfelelő, a fektetési előírásoktól eltérő telepítése. A járatlan kivitelező például a viszonylag jó állapotú szigetelő PVC padlóburkolatot nem szedi fel, és ennek tetejére ragasztja a disszipatív padlót, melyet így sikeresen elszigetel a földtől! Előfordul, hogy a burkolat alatti fémhálót nem vezetik ki és nem földelik le.
Mi a teendő?
Az elektrosztatikus feltöltődés reális veszélyt jelent az ipari gyakorlatban. A villanyszerelő sokszor szembesül a jelenséggel, hiszen ha "ráz" valami, először mindenki az érintésvédelem hibájára gondol, s hívja a villamos szakembert. Ha kiderül, hogy az érintésvédelem hibátlan és elektrosztatikus feltöltődés a "bűnös", célszerű e területen jártas szakemberhez fordulni, aki méréseket végezve megkeresi a feltöltődéshez vezető folyamatokat és a védelmi stratégiát meghatározva javaslatot tesz a szükséges műszaki intézkedésekre.
