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Dieses Dokument ist Teil der Anfrage „"Gutachten zur elektrostatischen Aufladung an Fluggastkontrollstelle Hamburg"“
SCHUBERT GMD
Gutachten 2020-11 - Bundespolizei
Bundespolizeipräsidium
Referat 65 - Forschung und Erprobung
Schwartauer Landstr. 1-5
23554 LÜBECK
13. Januar 2020
Gutachten 2020-11
Aufgabenstellung
Wolfgang Schubert
Dipl.-Ing.
Industrieberatung
Unabhängiger Sachverständiger
für Elektrostatik
Öffentlich bestellter und vereidig-
ter Sachverständiger für Druckver-
fahren und Druckmaschinen,
Be-und Verdruckbarkeit,
Verpackungsdruck
Weidenweg 15, 04425 Taucha
Fon 034298/67323
Fax 0322 2687 3033
Mobil 0171 4080394
ws@schubert-gmd.de
www.schubert-gmd.de
Sachverständigengutachten über Untersuchungen zum Auftreten elektrostatischer Entla-
dungen durch Geräte und Anlagen in Luftsicherheitskontrollspuren auf das Sicherheitsper-
sonal
Auftraggeber
Bundespolizeipräsidium
Referat 62
Heinrich-Mann- Allee 103
14473 Potsdam
T: 0331 97997 6225
E: bpol.ref62.besch@polizei.bund.de
Auftragnehmer
Dipl.-Ing. Wolfgang Schubert
Weidenweg 15
D-04425 Taucha
T: 034298 67323
M: 0171 4080394
F: 03222 6873033
E: ws@schubert-gmd.de
www.schubert-gmd.de
USt.-ID DE185413734
Mb Gutachten 2020-11-Bundespolizei Seite 2 von 23 o& = m wi SCHUBERT GMD Inhaltsverzeichnis 1 PETE ET En EEE TEEN ETE 3 2 Ortsbesichtigung ............ss002s4s00n0nsssennonnnnsennnnnnnensnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 3 3 Sofortmaßnahmen ......uuuesssssnnnnnnnnnunnnnnnnnnnnnnnnnnunnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnunnnnnnnsnnnsnssnnnsnnnnnnnn 4 3.1 Anlagentechnische Maßnahmen. ...........uuusssesnensnnennennnnennnnnnnennnsnnnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnenenn 4 3.2 Persönliche Sch za usrÜs EN anni 4 4 Grundlagen der Elektrostatik ..........u...u04044440444400000nnnnnnennenennnnnnnnnnnnnnnnnnnnsnnssnsssnsnnnen 5 4.1 Entstehung von Aufladung..........uussseesssnesssnnenssnnensnnnennnnnnnnnsnnnnnnsnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 5 4.2 Ableitfähigkeit von Personen.......uueeeeseeseseenesessneneeeensenenn Beeren en ET ER ERERE 5 4.2.1 Personen mit: Herzschrittmächer 0.3.00 nennen 6 4.3 Influenz (auch »elektrostatische Induktion« genannt).............uuussssneesnnnennneeseneeeneennennn 6 4.4 Aufladung einer Person durch Influenz .............20044s222202002neesseenennnnnnnnnnnnnnnsnnnnenennnnnn 8 4.5 Feldlinien und Äquipotentiallinien.......uuueeesesesesesenenenennnnenennnennenennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 9 5 Ursachenermittlung - Ergebnisse der Ortsbesichtigung .............sses222020222000000ne 200 11 51 Bedingungen an en nememnansan: 11 5.2 Personen messen ......uuunsnsnnnessssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnssnssnsnsnnnnsnnnsnnnnnnnssssssssssnnnnnn 11 5.3 Messungen an den technischen Anlagen ............uusssss2snsnnnenensnennnnnnnnnnnnnnnnnnsnnnnnenennnn 13 5.4 Messüngen an den Wannen... nennen anna nn annnnnnnunnn 13 5.5 Messungen an einer elektrischen Kapazität..........eeesesssssnesessnenessennenssnnnnesnnnennnenennnenen 14 5.6 Messungen der Handschuhe............nmsesessnnnneesssnnnenenensnnnnennnnsnnnnnnnnnnsssnnnnnensnsnnnnnenennnn 16 6 Bewertung der Messergebnisse und Ortsbesichtigung...................s020s0020200000000n00 17 6.1 Vermeidung von Personenaufladung ............200sss004sssnneeennnenennneneennnnenennnenensnnensenanennn 17 6.1.1 Persönen-Ableitfähigkeit u... een nn 17 6.1.2 Verwendung von Handschuhen u... une unwensen 18 6.2 Anlagentechnik... een ame 18 6.2.1 Erdungszungen.....uueessesnnnssssnnnnesssnnneensnnnnanennnnnnnnnennnnnnnnnnnensnnnnnssensnnnnnnensnsnnnnnensssnannennn 18 6.2.2 Transportspuren.......neesssnsnnensesssensnnnnnnnnennensnsnnnnnnnnnnnnnnnennennennnnnnnnnsnsnnnnnnnnnnnnnnnssssssnnnann 19 6.2.3 Transportwannen „au... anna ennannennnnnannnene 20 6.2.4 Elektrostatische Entladung der Wannen .......uueeeeesesseesessssnnneennnsnnsnnnnnnnssnnnnnnensennnnnnenn 21 6.2.4.1 Aktive Entladung der Wannen .............2uuuusssssnnsesssnnnnnnnnsnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnennnnnnnnannnnnn 21 6.2.4.2 Passive Entladung der Wannen............uueessssessnnsssnnnensnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnenennnnnnnnnnnnnnnnnnen 21 6.2.5 Relative Luftfeuchtigkeit ................000002204s0esssnnnnenssnnnnnnnnnnnnnunnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnennennnn 22 7 Zusammenfassung ....uusessssssennesunnssnonnennnnnnsnnnensnnnnnnnnssnnsnsnnnnnnnsennssnnnssnssssnnnsssnnsssnnen 23
an r as Gutachten 2020-11-Bundespolizei Seite 3 von 23 o& u ww SCHUBERT GMD 1 Auftragserteilung Auftraggeber: Bundespolizeipräsidium Referat 65 - Forschung und Erprobung Schwartauer Landstr. 1-5 23554 LÜBECK E: bpolp.ref65@polizei.bund.de www.bundespolizei.de 2 Ortsbesichtigung Die Ortsbesichtigung erfolgte am 16.12.2019 in der Zeit von 12 bis 17 Uhr an den Luftsicherheitskontrollspuren 21 und 22 sowie an der Linie 15 (Kaktus) im Flughafen Hamburg. Diskussion zur Auswertung am 17.12.2019. Infolge verschiedener Vorkommnisse bei den an den Luftsicherheitskontrollspuren (im weiteren LSK) beschäftigten Personen wurden die o.g. Anlagen eingehend be- sichtigt. Auslöser für die Untersuchungen sollen elektrostatische Entladungen gewe- sen sein. Die durchgeführten Messungen hinsichtlich ordnungsgemäßer Erdung der Anlagen, möglicher Entstehung elektrostatischer Aufladungen und deren Entladung über das Luftsicherheitspersonal führen zum Vorschlag für folgende Maßnahmen.
2. Gutachten 2020-11-Bundespolizei Seite 4 von 23 o& ax SCHUBERT GMD 3 Sofortmaßnahmen Folgende Sofortmaßnahmen wurden mit dem Gutachten 2019-18 vom 18.12.2019 bereits übermittelt. 3.1 Anlagentechnische Maßnahmen a) In den Rollenbahnen ist mindestens jede fünfte Kunststoffrolle durch eine ab- leitfähige und geerdete Metallrolle zu ersetzen. b) Bereits vorhandene Metallrollen sind zu erden (z.B. durch die Kontaktierung mit leitfähigen Bürste r . c) Im Auslauf der Scanner sind geeignete passive Entladeeinrichtungen anzuord- nen (z.B. leitfähige Bürsten oder Erdungszungen). Abb. 1: Erdungszungen d) Im Bereich der Anlage sollen Erdungszungen in der Höhe von 400 mm über dem Band (= Durchlasshöhe der Scanner) zur passiven Entladung der Wannen inklu- sive Gut der Passagiere angeordnet werden. e) Bei automatischen Rückführanlagen der Wannen sind kurz vor der Entnahmes- tation passive Erdungszungen in Höhe der Oberkante der Wannen im Abstand von ca. 400 mm voneinander 5 Stück über die Breite (500 mm) anzuordnen. 3.2 Persönliche Schutzausrüstung a) An den Steharbeitsplätzen sind ableitfähige und geerdete Fußmatten einzuset- zen. b) Die Mitarbeiter sind mit ableitfähigen Berufsschuhen auszustatten (Ableitwiderstand < 10° Ohm, Schuhe mit dem ESD-Button entspre- (A) chen i.d.R. diesen Anforderungen). „ESD-Button“ c) Bis zur Umsetzung der Ausstattung der Mitarbeiter mit ableitfähigem Schuh- werk an den Luftsicherheitskontrollspuren ist der Erlass einer Arbeitsanweisung angezeigt: „Beim Handhaben der Wannen sollte nach höchstens drei Wannen der Kontakt zur geerdeten Anlage erfolgen, um eventuell erfolgte Aufladung ab- zuleiten.“
Er Gutachten 2020-11-Bundespolizei Seite 5 von 23 o& a Wr SCHUBERT GMD 4 Grundlagen der Elektrostatik 4.1 Entstehung von Aufladung Grundsätzlich ist festzustellen, dass durch physikalische Gesetzmäßigkeiten bei jegli- chem Kontakt und Trennung stets elektrostatische Aufladung entsteht. Die Erhal- tung der Aufladung wird nur durch die elektrischen Widerstände der Materialien bestimmt. Bei hohen Widerstandswerten (< 10'? Ohm) bleibt elektrostatische La- dung lange erhalten. In Abb. 2 ist die prinzipielle Funktionsweise der Entstehung elektrostatischer Aufla- dungen dargestellt. Es ist stets so, dass bei Kontakt von Materialpartnern - unterschiedlicher, aber auch gleicher Art - es zu einem Elektronenaustausch kommt, der bei der Trennung zum Anstieg elektrostatischer Aufladungen führt. Abb. 2: Prinzip der Entstehung von elektrostatischer Aufladung 4.2 Ableitfähigkeit von Personen Zum Verständnis muss erklärt werden, warum der Wert von < 10° Ohm für die Ab- leitfähigkeit von Personen festgelegt wurde: Der Mensch hat eine elektrische Kapazität von 100 bis 200 pF (Pico-Farad), die man sich wie ein Behältnis vorstellen kann. Dieses nimmt bis zu einem bestimmten Punkt Ladung auf und entlädt sich dann bei entsprechender Gelegenheit. Damit das nicht passieren kann, sollte dem „Behältnis Mensch“ (der Kapazität) die Möglichkeit gegeben werden, dass die Ladung abfließen kann. In Abb. 3 A ist nur ein kleines Loch zu sehen und die vorhandene Ladung benötigt lange Zeit um abzufließen. Der Teil B zeigt ein sehr viel größeres Loch, durch das die Ladung schnell verschwinden kann.
Gutachten 2020-11-Bundespolizei Seite 6 von 23 o& aa SCHUBERT GMD 4.2.1 Abb. 3: A Person nicht ableitfähig B: Person ableitfähig Das „Loch im Behälter“ muss also vergrößert werden und das geschieht mit den ab- leitfähigen Schuhen. Dies lässt sich auch mit entsprechenden Formeln berechnen. Bei Teil A benötigt eine Ladung von 10.000 V ca. 2 Minuten und bei Teil B nur 0,01 Sekunde. Personen mit Herzschrittmacher o.ä. Zum Thema Herzschrittmacher gibt es nach meiner Kenntnis keine belastbaren An- gaben! In der SDGUV-Information 213-060 (TRGS 727) Anhang D ist eine Größen- ordnung von 2 m) genannt. In den FAQ’s zur TRGS 727 steht lediglich, dass Personen mit Herzschrittmachern gefährdet werden können. Nach meiner persönlichen Auffassung hängt die Gefährdung im Wesentlichen vom Weg des Stromflusses durch den Körper ab. Träger von Herzschrittmachern sollten i.d.R. ausführliche Informationen dazu ha- ben. Um allen Eventualitäten aus dem Weg zu gehen, sollten Mitarbeiter mit Herzschritt- macher, ICD (implantierter Defibrillator) oder Ähnlichem nicht in gefährdeten Berei- chen beschäftigt werden. Herzschrittmacher werden nach meiner Kenntnis nach der DIN EN 60601-1-11:2015 geprüft. Der Testlevel soll + 8 kV betragen. Diesen niedrigen Wert halte ich für fahr- lässig gering. Unabhängig davon ist mir z.Zt. keine Aussage zur hinter dieser Ladung stehenden elektrischen Kapazität bekannt. 4.3 Influenz (auch »elektrostatische Induktion« genannt) An den LSK werden die Mitarbeiter durch Influenz elektrostatisch aufgeladener Ge- genstände aufgeladen. Zum Verständnis dieses schwierigen Themas der Elektrizi- tätslehre sollen nachfolgende Erläuterungen dienen!: Ungeladene leitfähige Objekte weisen stets die gleiche Anzahl positiver und negati- ver Ladungen auf, die gegenseitig gebunden sind. Durch ein von außen einwirken- des elektrisches Feld können diese Ladungen - entsprechend dem Coulomb schen Gesetz — verschoben werden.
Mr Gutachten 2020-11-Bundespolizei Seite 7 von 23 o& we ” u 7 SCHUBERT GMD Mit der Bildsequenz Abb. 4 wird schematisch erklärt, wie der Ablauf einer solchen Ladungsverschiebung infolge Influenz erfolgt. Anordnung der Objekte (A): Links befindet sich ein als Ladungsquelle dienender Bandgenerator, rechts daneben ist ein kleiner, gegen Erde isolierter Behälter aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet. Auf ihm soll die Ladungsverschiebung erfolgen. Bezogen auf die LSK ist die Ladungsquelle die Kunststoffwanne und der Behälter ver- gleichbar zur Person, die eine elektrische Kapazität von 100...200 x 10"? Farad hat. Ladungsverschiebung (B): Kurzes Laufen des Bandgenerators führt seiner Kugel eine negative Aufladung zu, die auch nach Abschalten des Bandantriebs erhalten bleibt. Das von der Kugel ausgehende elektrische Feld bewirkt infolge der abstoßenden Kraftwirkung auf die Leitungselektronen des Behälters eine Verschiebung der La- dungen auf seiner bisher elektrisch neutralen Oberfläche. (Die gleichnamigen nega- tiven Ladungen werden zur kugelabgewandten Seite gedrängt, die dadurch freige- setzten positiven Ladungen von der Kugel angezogen.) Ladungsableitung (C): Zur Identifikation der Ladungsverschiebung wird an der kugel- abgewandten Seite des Behälters kurzzeitig eine Verbindung zur Erde hergestellt. Dadurch fließt die abgedrängte negative Ladung zur Erde ab. Gebundene Ladung (D): Die auf dem Behälter verbliebene positive Ladung ist von diesem ersten Erdungsschritt zunächst unbeeinflusst und bleibt weiterhin durch das von der negativ geladenen Kugel ausgehende elektrische Feld gebunden. Nach au- ßen erscheint das System jetzt elektrisch neutral, das heißt die Summe von Plus und Minus =0. Kugelableitung (E): Wenn danach der auf der Kugel des Bandgenerators vorhande- nen negativen Ladung ebenfalls die Möglichkeit geboten wird, zur Erde abzufließen, wird die felderzeugende Ursache aufgehoben und das elektrische Feld verschwin- det.
Gutachten 2020-11-Bundespolizei Seite 8 von 23 o& a —_ Sn — ” ww“ SCHUBERT GMmD Aufgeladener Behälter (F): Dieser zweite Erdungsvorgang setzt die positive Ladung wieder frei, die vorher auf dem Behälter durch das von der Kugel ausgehende Feld gebunden war. Die Ladung kann sich nun auf der gesamten Oberfläche des Behäl- ters ausbreiten. Er trägt jetzt eine reale Überschussladung, unabhängig davon, ob die Kugel weiter geerdet bleibt oder nicht. Für den Vorgang der Influenz ist es ohne Belang, ob er an ruhenden oder bewegten Teilen erfolgt. In der Bildsequenz wurde von der aufgeladenen Kugel des Bandgene- rators (Wanne), der isolierte Behälter (Mensch) influenziert, geerdet und danach das elektrische Feld wieder abgebaut, woraus letztlich die Aufladung des Behälters resultierte. Zu einer Aufladung des Behälters infolge Influenz käme es aber auch, wenn es aus größerer Entfernung (einem feldfreien Bereich von Erde isoliert, z.B. auf eine Person mit isolierendem Schuhwerk) in die Nähe der aufgeladenen Bandge- neratorkugel gebracht würde, dort kurzzeitigen Erdkontakt erhielte und anschlie- ßend wieder entfernt würde. Entscheidend für den Aufladungsvorgang durch In- fluenz ist lediglich, dass der leitfähige Gegenstand während des Feldeinflusses kurz- zeitig geerdet wird. An dieser Stelle seien die Begriffe leitfähig, ableitfähig und isolierend definiert: « Jleitfähig Widerstand R < 10* Ohm e ableitfähig Widerstand R < 10°? Ohm e isolierend Widerstand R > 10!* Ohm Es ist gut zu erkennen, dass die Grenzen fließend sind und je nach Bedingungen ver- schoben werden können bzw. müssen. 4.4 Aufladung einer Person durch Influenz Der komplexe Ablauf einer Aufladung durch Influenz soll durch das Praxisbeispiel in Abb. 5 verdeutlicht werden: Eine Person (z.B. der Mitarbeiter an der LSK) trägt iso- lierendes Schuhwerk und geht auf einen aufgeladenen Gegenstand zu. Das ist in un- serem Falle die Kunststoffwanne (im Bild ist es eine umlaufende aufgeladene Folien- bahn). In deren Nähe, also im Einflussbereich ih- res elektrischen Feldes, berührt die Per- son kurzzeitig ein geerdetes Teil. Im hier- bei verspürten ersten Stromschlag wird die auf ihrem Körper durch Influenz ver- schobene Ladung zur Erde abgeleitet. Beim Weitergehen oder Ablegen der auf- geladenen Kunststoffwanne wird die vor- her gebundene Influenzladung wieder frei. Die Person ist jetzt tatsächlich aufge- laden und wird bei erneuter Berührung eines geerdeten Gegenstandes einen zweiten, erwartungsgemäß stärkeren Stromschlag verspüren. Abb. 5: Ladungsverschiebung infolge Influenz
Gutachten 2020-11-Bundespolizei Seite 9 von 23 o& a FT Tr a Te Te we SCHUBERT GMD 4.5 Feldlinien und Äquipotentiallinien Um die im Bericht vom 10.12.2019 (sc senannten Vorkommnisse anschaulich zu machen, muss auf Feldlinien und Äquipotentiallinien eingegangen werden. Elektrische Felder sind am 1 besten durch besagte Feldlinien zu verstehen. Sie sind 3 ul | nicht nur theoretischer Natur, sondern lassen sich auch experimentell darstellen, z.B. klassisch durch Grießkörnchen in z.B. Rizinusöl wie Abb. 6 zeigt. De- finitionsgemäß gehen sie von der positiven Ladung aus, durchmessen den umgebenden Raum und en- den schließlich auf der negativen Ladung. Abb. 6: Foto einer Feldliniendarstellung Die Dichte der Feldlinien stellt ein Maß für die Stärke des elektrischen Feldes dar; z.B. ist an der gekrümmten Oberfläche einer Elektrode die Feldstärke stets höher als an ihrem ebenen Teil. Jede Feldlinie wird dabei mit einer Pfeilspitze versehen, wo- raus die Richtung des elektrischen Feldes ersichtlich wird. Dabei gehen die Feldli- nien von leitfähigen Flächen, die in elektrostatischer Hinsicht ein „Äquipotential“ darstellen, stets senkrecht aus und treffen auch ebenso auf ihnen auf. Demgemäß informieren Feldlinien über Stärke und Richtung elektrischer Felder. Sie können sich an keiner Stelle kreuzen. Absprühen N Randfeld Homogener Feldbereich Aquipotentiallinien Abb. 7: Darstellung des elektrischen Feldes Zwischen parallel angeordneten ebenen Elektroden ist das elektrische Feld homo- gen. Wie in Abb. 7 zu sehen ist, entsteht an den Enden der Elektroden ein stetig ab- nehmendes Randfeld, dessen Inhomogenität mit zunehmender Entfernung von den Elektroden größer wird. Scharfe Kanten oder Spitzen führen zum Absprühen der Ladung in den Raum (siehe Pkt. 6.2.4.2).
Gutachten 2020-11-Bundespolizei Seite 10 von 23 o& a a a a Tr m WW SCHUBERT GMD Der bereits genannte Begriff Äquipotential muss nun mit den Feldlinien zusammen- gebracht werden. Jedem Raumpunkt kann nicht nur eine Feldstärke, sondern auch ein Potential zugeordnet werden, vergleichbar mit den Höhenangaben in einer to- pographischen Landkarte. Verbindet man alle Orte gleichen Potentials mit- einander, so erhält man üblicherweise eine gekrümmte Fläche, die als Poten- tialfläche bezeichnet wird. Äquipoten- tiallinien repräsentieren die zweidi- mensionale Darstellung eines solchen Potentialverlaufs. Abb. 8 zeigt die Feldsituation eines Beschäftigten, der einen metallenen Eimer in ein leitfähi- ges geerdetes Fass entleert. Er trägt ableitfähige Schuhe und steht auf ei- ner isolierenden Stufe, die sich auf dem leitfähigen geerdeten Fußboden befindet. Mithin sind Fußboden und Fass auf Nullpotential und durch den rag Entleervorgang wird der Beschäftigte eg auf 6 kV aufgeladen. Ai er Zar Abb. 8: Praktische Anwendung von Feldlinien (rot) und Äquipotentiallinien (gestri- chelt) Größte Dichte der Feldlinien und geringster Abstand der Äquipotentiallinien sind zwischen Eimer und Fass zu erkennen. Folglich ist an dieser Stelle die Gefahr einer Entladung am größten. Alle Feldsituationen lassen sich grundsätzlich wie in diesem Bild veranschaulichen, um ihre Gefährdungspotentiale herauszufinden. Insofern sind die in Anlage 1 vielfach genannten Entladungen am Oberschenkel oder auf Arm und Finger im Sinne Abb. 8 zu verstehen. Das heißt, zwischen der Person und einem geerdeten Teil — der technischen Einrichtung der LSK — muss es zur Entla- dung kommen.
