Wat is ESD?

Electro Static Discharge (ESD) staat voor elektrostatische ontlading en betreft een vonk; een miniatuur bliksem die overspringt van een geladen geleidend oppervlak naar een ander geleidend oppervlak. Het is de ontlading van opgebouwde statische elektriciteit.

Wat is statische elektriciteit?

We hebben het allemaal wel eens ondervonden; het gevoel van statische elektriciteit. Meestal is het een onverwachte schok bij het uitstappen bij de auto op een droge winterse dag of het knetterende geluid van ontladingen bij het uittrekken van een wollen trui. In de installatietechniek heeft dit verschijnsel vaak verstrekkende gevolgen voor de goede werking van de installatie.

Wat zijn de oorzaken?

Binnen elke stof bevinden zich geladen deeltjes: protonen (positieve elektrische lading) en elektronen (negatieve lading), Deze zijn normaal in evenwicht. Maar door verschillende oorzaken kan (meestal) een deel van de elektronen los worden getrokken. De stof of het materiaal is dan plotseling geladen, terwijl zich ergens anders de tegenlading bevindt en er spanningsverschillen (in volts) ontstaan.
De mate waarin stoffen en/of materialen elektriciteit kunnen geleiden (of isoleren) speelt hierbij een belangrijke rol. Het geleidingsvermogen wordt uitgedrukt in soortelijke weerstand of in geleidbaarheid. Weerstand is het omgekeerde van geleidbaarheid; een grote weerstand is hetzelfde als een lage geleidbaarheid. Voor vloeistoffen wordt meestal geleidbaarheid (Siemens per meter, S/m) gebruikt, voor vaste stoffen soortelijke weerstand (ohm.meter, Ω.m). Er is een aantal opladingsmechanismen bekend. De belangrijkste en in de industrie frequent voorkomende zijn:

contactelektrificatie

Contactelektrificatie is het belangrijkste opladingsmechanisme. Oplading ontstaat door contact tussen twee ongelijke stoffen, De grootte van het spanningsverschil kan tijdens de contactperiode variëren van millivolts tot (slechts) enkele volts. Dit is afhankelijk van de eigenschappen van de stoffen en de, omstandigheden zoals de sterkte van het contact ('licht', 'goed aangedrukt' of 'wrijvend') en de grootte van het contactvlak.

Tijdens het contact vormen de beide tegengestelde ladingen een dunne 'dubbellaag', Wanneer het contact vervolgens wordt verbroken, worden 'de tegengestelde ladingen uit elkaar getrokken. Doordat de onderlinge afstand vele malen groter wordt stijgt het spanningsverschil sterk. Het kan daardoor oplopen tot enkele duizenden volts! Dit gebeurt niet tussen twee geleiders, maar kan wel optreden wanneer er een slechtgeleidende stof bij betrokken is, Oplading door contact kan gebeuren tussen vaste stoffen, tussen vloeistoffen of tussen vaste stoffen en vloeistoffen. Zuivere gassen kunnen niet door contactelektrificatie worden opgeladen, Als een gas vaste deeltjes of vloeistofdruppeltjes bevat, kunnen de deeltjes of druppeltjes zelf door contact wel worden opgeladen. Het gas kan dan toch lading dragen en verplaatsen.

inductie

Inductie doet zich voor indien een geaard lichaam wordt blootgesteld aan een elektrisch veld. Het elektrische veld induceert lading op dit lichaam, Als de aardverbinding vervolgens wordt verbroken, zal het lichaam de geïnduceerde lading behouden. Verplaatsing of verwijdering van het lichaam uit het elektrisch veld maakt de geïnduceerde lading beschikbaar voor een elektrostatische ontlading.

influentie

Influentie is een bijzondere vorm van inductie. Onder invloed van een elektrisch veld zal er in een elektrisch geïsoleerd lichaam een ladingsverschuiving plaatsvinden. De netto lading van het lichaam verandert echter niet. Komt het lichaam in de buurt van een ander voorwerp, dan kan daardoor makkelijker een elektrostatische ontlading optreden. 

thermische oplading

In de hete kern van vlammen kunnen stofdeeltjes (roet) worden opgeladen door elektronenoverdracht. Met deze thermische oplading moet rekening gehouden worden bij toepassing van inert gas uit verbrandingsreacties.

Oplading door faseverandering

Faseveranderingen zoals condensatie en kristallisatie kunnen ook tot elektrische dubbellaagvorming leiden. Vooral kristallisatieprocessen in slechtgeleidende vloeistoffen kunnen lokale gebieden met extreem hoge ladingdichtheden opwekken.

Vloeistofverstuiving

Verneveling van vloeistof of het uiteenspatten van vloeistof stralen (bijvoorbeeld bij hogedrukreiniging) kan een geladen mist veroorzaken. Uit ervaring blijkt dat vloeistoffen goed geleidend moeten zijn om een significante oplading te geven.

Ladingsoverdracht

Als een opgeladen stof met een niet-opgeladen stof in aanraking komt, dan zal de lading zich over de twee stoffen verdelen. Dit kan een krachtige bron van oplading vormen: denk bijvoorbeeld aan geladen sprays, nevels of stofwolken die een voorwerp treffen of erop neerslaan of uitzakken.

Wat zijn de gevaren van statische elektriciteit?

Typische gevaren van statische elektriciteit zijn het veroorzaken van schokreacties bij mensen (waardoor iemand ten val komt) en het vormen van een ontstekingsbron bij explosieve mengsels van brandbare gassen, dampen en poeders (waardoor een explosie en brand ontstaan).

Wat kan ertegen gedaan worden?

Aarding van geleidende voorwerpen
- Voorkom het ontstaan van geïsoleerde geleiders: verbindt alle geleidende delen met aarde;
- Verbind alle in- en uitgaande leidingen bij de grens van een gebied met ontploffingsgevaar bij voorkeur geleidend door en aard de leidingen rechtstreeks.
- Verbind flenzen die bijvoorbeeld door pakkingen, lijm, emaillering, ebonitering, oxidatie, enzovoort volledig van elkaar zijn geïsoleerd, geleidend met elkaar door. Aanwezige trekbouten die niet-geïsoleerd ten opzichte van de flenzen zijn aangebracht, kunnen als voldoende geleidende verbinding worden beschouwd.
- Aard vaten, filters, herverdampers (reboilers), transportkokers, pompen. Het aarden van pompen is niet noodzakelijk als deze met de elektromotor op één fundatieplaat zijn gebouwd en als de motor voorzien is van een veiligheidsaarding. Als apparaten zijn opgesteld op niet-geleidende ondersteuningen of fundamenten, is een bewuste aardverbinding noodzakelijk.
- Aard alle metalen delen. Denk aan: meetschijven, puntzeven, terugslagkleppen, brilf1enzen in slechtgeleidende pijpleidingen, drijvende tankdaken en beschermplaten die rondom thermische isolatie van leidingen zijn aangebracht. Door hun opstelling kunnen deze beschermplaten elektrostatisch geladen worden (bijvoorbeeld door lekkende stoom).
- Aard relaxatiestukken waarin een opgeladen vloeistof de gelegenheid krijgt een deel van de lading af te voeren.

Aarding van verplaatsbare apparatuur
Als elektrostatische aarding noodzakelijk is, is deze bij verplaatsbare apparatuur aan te brengen door bijvoorbeeld geleidende wielen of rollen op een geleidende vloer te gebruiken. Is dit niet mogelijk, dan moet de aarding worden aangebracht met een flexibele verbinding en een aardklem.

Aarding van roterende delen
Roterende delen hoeven niet te worden geaard als het smeermiddel voldoende geleidbaar is.
Bij twijfel moet worden gemeten of de afleidweerstand bij de draaiende machine beneden de 10⁶ Ω blijft. Is dit niet het geval, aard dan met een aardingsborstel of verhoog de geleidbaarheid van het smeermiddel.

Verbinding van slechtgeleidende voorwerpen met aarde
In de praktijk kan het nodig zijn de lading van slechtgeleidende voorwerpen af te laten vloeien naar aarde. In dergelijke gevallen wordt de verbinding, afhankelijk van de omstandigheden, meestal niet met een metalen aardverbinding aangebracht, maar bijvoorbeeld door:
- geleidend en geaard (vezel)materiaal in te brengen of in te vlechten;
- geleidende vulstoffen toe te voegen;
- de voorwerpen met geleidende verf te bestrijken;
- de voorwerpen te omwikkelen met gaas;
- de lucht te ioniseren;
- additieven te gebruiken die de oppervlakteweerstand van bepaalde stoffen verlagen.

Speciale situaties

Vloeren
In ruimten met ontploffingsgevaar mag de afleidingsweerstand van vloeren en/of vloerbedekking niet hoger zijn dan 10⁸ Ω. Bij het leggen van een geleidende vloerbedekking moet ook het gebruikte kleefmateriaal voldoende geleidend zijn. Als dit niet zo is, moeten bijzondere maatregelen worden genomen. Afleidingsweerstanden van vloeren kunnen beneden de 10⁸ Ω worden gehouden door de vloer voortdurend vochtig te houden. Maar de weerstand kan ook door het opbrengen van reinigingsmiddelen veel te hoog worden.

Maatregelen tegen oplading van personen
Personen kunnen worden opgeladen door beweging of door influentie. Kledingstukken die niet voldoende geleidend zijn, bevorderen de oplading. Lading kan ook op personen overgaan doordat zij opgeladen voorwerpen aanraken of zich in de buurt van een opgeladen lichaam bevinden.
Personen worden alleen opgeladen als zij geïsoleerd staan opgesteld: bijvoorbeeld op niet-geleidende schoenzolen op een niet-geleidende vloer.
Personen kunnen zó worden opgeladen dat een vonk- of borstelontlading ontstaat als zij geaarde of geleidende voorwerpen naderen. Deze vonkontlading kan voldoende energie bevatten om een ontplofbaar mengsel te ontsteken. De maximale elektrische energie die een persoon kan dragen, wordt geschat op 25 à 40 mJ.
Als personen worden geaard via de vloer of vloerbedekking, let er dan op dat de aarding niet wordt opgeheven door stoelen, matten, kunststoffolie of iets dergelijks.

N.B.: Meestal worden personen in zone 0-gebieden niet toegelaten (zie ook NPR 7910). Als zij wel worden toegelaten, moet een aantal specifieke maatregelen genomen worden die het gevaar tijdens de werkzaamheden zoveel mogelijk opheffen. Pas dan wordt een werkvergunning verkregen. De hierna genoemd de maatregelen voor zone 0 zijn additioneel.

Schoeisel voert lading in het algemeen voldoende snel af als de weerstand in een normaal klimaat (temperatuur 23°C, relatieve vochtigheid 50%) tussen een elektrode aan de binnenzijde van de schoenzool en een elektrode aan de buitenzijde kleiner is dan 10⁸ Ω.

Als personen schoeisel dragen dat voldoende geleidend is en de vloer of vloerbedekking voldoende geleidend, zal gewone kleding geen gevaarlijke ontlading veroorzaken.

Bij gebruik van veiligheidshandschoenen kunnen geleidende voorwerpen worden geïsoleerd en daardoor opgeladen worden. De doorgangsweerstand van deze handschoenen moet daarom minder dan 10⁸ Ω zijn. 

Specifieke maatregelen bij gassen
Zuivere gassen of mengsels van zuivere gassen zijn nauwelijks elektrostatisch oplaadbaar. Het zijn vrijwel absolute isolatoren. In de industrie komen zuivere gassen echter vrijwel niet voor. Tijdens het gebruik en het transport worden gassen verontreinigd door vaste deeltjes, zoals stof, roest en kristallen. Ook kan er vloeistof (water of het gecondenseerde gas zelf) als fijne druppeltjes in de gasstroom aanwezig zijn.

Een gas ioniseert in een sterk elektrisch veld door sterke verhitting of door een stralingsbron. De geleidbaarheid neemt dan toe. Geaccumuleerde ladingen op geïsoleerde voorwerpen in de gaswolk kunnen in dit geval afvloeien via het gas. Door contact met de leidingwanden en met de uittrede openingen van systemen veroorzaken de vaste verontreinigingen in de gasstroom elektrostatische oplading van het transportsysteem. De verontreinigingen in de gasstroom dragen ook een lading, echter van tegengesteld teken.
De mate waarin opslag plaatsvindt, hangt onder andere af van de aard, de grootte en het aantal deeltjes in de gasstroom. De snelheid; de druk en de temperatuur van de gasstroom zijn ook factoren van betekenis.
De opgeladen verontreinigingen in het gas kunnen hun lading afgeven aan voorwerpen die in de gasstroom zijn geplaatst. Als een dergelijk voorwerp een geïsoleerde geleider is, kan de lading op het voorwerp, en daarmee het potentiaalverschil van het voorwerp ten opzichte van zijn omgeving, zó hoog oplopen, dat doorslag naar aarde of een geaard voorwerp in de nabijheid optreedt. Omdat het aantal deeltjes in een gasstroom meestal beperkt is, zal de ladingdichtheid in de gaswolk niet groot worden.