Общие представления об электризации

ГЛАВА 9

ЗАЩИТА ОТ РАЗРЯДОВ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Статическое электричество – это совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и реализацией свободно электрического разряда на поверхности или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках [50].

Ряд производственных процессов с участием твердых, жидких или газообразных диэлектрических сред сопровождается статической электризацией, т.е. возникновением и разделением положительных и отрицательных зарядов. Иногда эти заряды быстро стекают в землю, рассеиваются или нейтрализуются. В других случаях они накапливаются и создают поле с высокой электрической напряженностью, обусловливающее электрические разряды (пробои воздуха или среды). В производствах, связанных с применением легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, газов с наличием горючих пылей и волокон, искровые разряды статического электричества могут вызвать взрыв и пожар. В некоторых случаях статическое электричество приводит к браку продукции, препятствует увеличению скорости работы машин и аппаратов и, следовательно, повышению производительности труда. При определенных условиях разряды статического электричества причиняют травмы обслуживающему персоналу.

Общие представления об электризации

Возникновение статического электричества – сложный процесс, зависящий от множества факторов, и в настоящее время нет еще единой теории, объясняющей это явление. Наиболее распространена гипотеза о контактной электризации веществ и материалов. Согласно этой гипотезе, электризация возникает при соприкосновении двух разнородных веществ, обладающих различными атомными и молекулярными силами притяжения на поверхности соприкосновения. Одна из контактирующих поверхностей должна быть из диэлектрического материала. При этом происходит перераспределение электронов или ионов веществ, образующее двойной электрический слой с зарядами противоположных знаков.

Однако образование двойных электрических слоев возможно при контакте тел и из одинаковых диэлектрических материалов за счет наличия на их поверхностях загрязнений, различной температуры тел и т.д. Находящиеся в контакте тела с образовавшимся на границе раздела двойным электрическим слоем остаются электрически нейтральными, т.е. суммарный заряд системы может быть равен нулю, если до соприкосновения тела не несли избыточного заряда. Каждое из контактирующих тел приобретает электрический заряд, плотность которого равна плотности заряда, возникшего двойного электрического слоя. Знаки зарядов взаимодействующих тел противоположны. Заряды будут оставаться на поверхности тел после их разделения, если время разрушения контакта между ними будет меньше времени релаксации зарядов.

При оценке наэлектризованности пользуются удельной поверхностной (у твердых диэлектриков) или объемной (у сыпучих и жидких диэлектриков) плотностью заряда, а в некоторых случаях удельным зарядом, приходящимся на единицу длины. Наэлектризованные тела или их участки, несущие заряды статического электричества, оказывают силовое воздействие друг на друга. В окружающем их пространстве образуется электрическое поле, действие которого проявляется и обнаруживается при внесении в него заряженных и нейтральных предметов. Основными параметрами, характеризующими электрическое поле зарядов, являются напряженность электрического поля и потенциалы его отдельных точек.

Контактная разность потенциалов не одинакова и зависит от диэлектрических свойств соприкасающихся материалов, их физического состояния, величины давления поверхностей друг на друга, а также от влажности, температуры поверхности и окружающей среды. При разделении поверхностей с возникшей контактной электризацией каждая из них сохраняет свой заряд, а контактная разность потенциалов по мере уменьшения емкости между поверхностями может достичь десятков и сотен киловольт. Так, при максимальной плотности (30 мкКл/м² и более) увеличение расстояния между наэлектризованными поверхностями на 1 см повышает разность потенциалов на десятки киловольт. Этим и объясняются высокие потенциалы, встречающиеся в производстве. Экспериментами установлено также, что из двух трущихся веществ положительно заряжается то, у которого диэлектрическая проницаемость больше. Если вещества имеют одинаковую диэлектрическую проницаемость, то заряды не возникнут. В ряде технологических процессов потенциал относительно земли (или проводящих металлических тел, связанных с землей) при статической электризации достигает десятков киловольт. Ниже приведены потенциалы от электрического поля статического электричества, кВ.

В кинофотопленочной промышленности – 15 и выше;

На предприятиях резиновой промышленности и искусственной
кожи – 10-15;

В производствах, связанных с размолом, тонким добавлением и т.д. – 10-15;

При разбрызгивании красок – 10;

При трении целлулоида – 40;

При движении резиновой ленты транспортера (со скоростью 4 м/с) – 45;

При фильтрации смеси бензина с асфальтом через шелк – 335.

Токи при статической электризации составляют обычно несколько микроампер и даже меньше. Так, при протекании к цистернам бензина по трубопроводу был измерен ток от 1 до 10 мкА и этот ток оказался прямо пропорционален скорости течения бензина.

Статическое электричество может накапливаться и на людях, особенно если на человеке обувь с непроводящими электричество подошвами, одежда и белье из шерсти, шелка и искусственного волокна, а также при движении по токонепроводящему полу и при выполнении ручных операций с диэлектриками. Потенциал изолированного от земли тела человека может превышать 7 кВ. Иногда (в зависимости от вида полимера и интенсивности трения частей костюма) этот потенциал может достигать 14-45 кВ.

Гипотеза о контактной разности потенциалов не может дать количественной, а иногда и качественной оценки процесса электризации. Однако наряду с этой гипотезой имеются и другие, где образование двойного электрического слоя объясняется поверхностной ориентацией нейтральных молекул, содержащих электрические диполи, пьезоэлектрическими явлениями, трением или образованием электролита на контактирующих поверхностях и т.д. Таким образом, при статической электризации могут наблюдаться процессы, которые пока еще изучены недостаточно, поэтому для борьбы со статическим электричеством в конкретных условиях требуются предварительные экспериментальные исследования и проверка предложенных защитных мер.

9.2. Воспламеняющая способность искр статического
электричества и его физиологическое воздействие
на организм человека

Когда на разделенных поверхностях веществ образуются электрические заряды Q и эти поверхности становятся пластинами конденсатора с емкостью С, между ними возникает напряжение U, равное

U = Q / C, (9.1)

где U – напряжение, В; С – емкость, Ф; Q – заряд, Кл.

Энергия искры (W _и, Дж), способной возникнуть под действием этого напряжения (или напряжения между пластиной и каким-либо заземленным предметом), может быть оценена по запасенной конденсатором энергии

W _и = 0,5 СU ², (9.2)

поэтому воспламеняющую способность искровых зарядов характеризуют в основном их энергией. Однако формула (9.2) не может быть использована для расчета энергии разряда между заряженными диэлектрическими поверхностями, так как только часть накопленного заряда на диэлектрике может быть перенесена в разряде.

Энергия dW _и, рассеиваемая при переносе бесконечно малого заряда dq с заряженной поверхности, при разряде равна

dW _и = U^.dq, (9.3)

где U – разность потенциалов между начальной и конечной точками траектории разряда.

Полная энергия определяется по формуле

W _и= . (9.4)

Определение полной энергии, выделенной в разряде, представляет значительную трудность, так как заряженные диэлектрики имеют неэквипотенциальную поверхность. Кроме того, поверхность заряженного диэлектрика, которая отдает заряд, не имеет точных размеров. В этом случае энергию электростатического разряда можно приближенно определить, если принять в формуле (9.4) вместо переменной U максимальный потенциал на диэлектрической поверхности, рассчитанный по пробивному расстоянию для данной конфигурации электродов. Для определения полного заряда, переносимого в единичном разряде с заряженного диэлектрика, можно использовать метод осциллографирования.

В некоторых случаях для приближенной оценки энергии разрядов статического электричества с диэлектрических поверхностей применяют методы непосредственного контроля искровых разрядов статического электричества (на слух, по физиологическому воздействию, визуально и фотографированием и др.), аналитические методы, а также экспериментальное воспламенение горючих смесей электростатическими разрядами. Следует отметить, что экспериментальное исследование воспламеняющей способности электростатических разрядов является наиболее объективным методом оценки их энергии.

Реальная воспламеняющая способность электрической искры зависит от концентрации, температуры и давления взрывоопасной смеси. Условием воспламенения (взрыва) такой смеси от искры статического электричества является следующее:

W _и W _min, (9.5)

где W _и – энергия разряда статического электричества с заряженного материала (зависит от свойств материала, конструкции аппарата, технологического процесса и др.); W _min – минимальная энергия зажигания горючей смеси, образование которой возможно в данном технологическом процессе (зависит только от свойств горючей смеси и является характеристикой чувствительности ее к воспламенению), определяется экспериментально.

Обычно минимальная энергия, необходимая для воспламенения пылевоздушных взрывоопасных смесей, выше энергии, воспламеняющей паровоздушные взрывоопасные смеси. Например, для многих паро- и газовоздушных взрывоопасных смесей W _min составляет 0,009…2 мДж, а для пылевоздушных – 2…250 мДж. Примеры минимальных энергий приводятся в прил. 1 и 2 [15], а также в правилах [47]. Разряды статического электричества не в состоянии воспламенять смеси с минимальной энергией воспламенения 100 мДж и выше.

Средняя напряженность электрического поля, при которой возможен разряд, составляет 4×10²…5×10² кВ/м для резко неоднородного, 1,5×10²…20×10² кВ/м для слабонеоднородного и до 30×10² кВ/м для однородного электрического поля.

При разности потенциалов 3 кВ искровой разряд может воспламенить почти все горючие газы, а при 5 кВ также большую часть горючих пылей.

Степень электризации предмета (машины, аппарата и т.п.) или вещества является безопасной, если измеренная поверхностная плотность заряда s, напряженность поля Е или потенциал V на любом участке этой поверхности не превосходит допустимых значений в этой среде. При этом допустимыми считаются такие значения s, E и V, при которых максимально возможная энергия разряда с поверхности данного предмета или вещества не превосходит 1/4 минимальной энергии воспламенения окружающей среды (например, смеси горючих паров жидкости с воздухом).

Таким образом, статическое электричество может вызвать воспламенение взрывоопасной смеси при совокупности следующих условий:

наличии источника статических электрических разрядов;

накоплении значительных зарядов на контактирующих поверхностях;

достаточной разности потенциалов для электрического пробоя среды;

наличии достаточной запасенной электрической энергии;

возможности возникновения электрических разрядов.

Отсутствие любого из условий исключает пожаровзрывоопасные последствия статического электричества.

Условие безопасности от статического электричества может быть выражено неравенством

W _и 0,4 W _min. (9.6)

В пожаро- и взрывоопасных производствах реальную опасность представляет «контактная» электризация людей, работающих с движущимися диэлектрическими материалами (при прорезинивании тканей, покрытии резиной кордов на каландрах, обработке синтетических тканей и нитей, полимерных пленок и т.д.). На человеке накапливается статическое электричество, которое при соприкосновении человека с заземленным предметом вызывает искры и воспламенение смеси. Энергия разряда этой искры может составлять 2,5-7,5 мДж. Кроме того, такое электричество оказывает неприятное физиологическое воздействие на человека, вызывая слабые, умеренные или сильные уколы или удары, зависящие от энергии разряда. Так как ток при этом незначителен, уколы и удары непосредственную опасность для
человека не представляют. Но известны случаи с тяжелым исходом, когда искра, проскакивающая между телом человека и заряженным объектом, вызывает испуг, сопровождающийся непроизвольными нескоординированными движениями и соприкосновением с неогороженными вращающимися частями машин, падение с высоты и т.п. Длительное воздействие статического электричества является причиной ряда заболеваний.

Расчетная зависимость, показывающая, при каком значении будет существовать опасность физиологического воздействия на человека и при каком потенциале возникает опасность воспламенения некоторых горючих смесей, представлена на рис. 9.1. Границы зон видов физиологического воздействия несколько условны, так как это воздействие зависит от особенностей человеческого организма и специфики производства. Поэтому допустимым потенциалом на человеке по физиологическому воздействию считают V _доп = 4…6 кВ. Допустимый же потенциал по пожаро- и взрывоопасности для некоторых сред определяется непосредственно по кривой (см. рис. 9.1).

Рис. 9.1. Зависимость энергии электрического разряда с тела человека
и физиологического воздействия от потенциала зарядов
статического электричества

Исследованиями установлены допустимые уровни напряженности электростатических полей на рабочих местах и сформулированы технические требования к средствам защиты, обеспечивающим снижение вредного воздействия полей на человека [48, 49, 50, 15]. Время t пребывания на рабочем месте ограничивается при напряженности поля 20 кВ/м или более. Так при 60 кВ/м t =1 ч, а при 20 кВ/м t =9 ч. Промежуточные значения Е _доп в пределах временного интервала от 1 до 9 часов определяют по формуле Е _доп=60/ . Сверхнормативное систематическое воздействие на организм человека электростатического поля может вызвать функциональные изменения центральной нервной, сердечно-сосудистой, нейрогуморальной и других систем организма.

Чтобы исключить формирование воспламеняющих разрядов с человека, необходимо обеспечить быструю утечку зарядов. С этой целью уменьшают сопротивление обуви и пола. В производствах, где существует опасность воспламенения взрывоопасных смесей разрядом с человека, необходимо обеспечивать работающих электропроводящей (антистатической) обувью (например, с кожаным верхом и подошвой из электропроводящей резиновой пластины).

Обувь считается электропроводящей, если электрическое сопротивление между электродом в форме стельки, находящимся внутри обуви, и наружным электродом меньше 10⁷ Ом.

Покрытие пола считается электропроводящим из бетона толщиной 3 см, спецбетона или пенобетона, ксилолита, настила из антистатической резины и т.д.

Особое внимание устранению электрического заряда с человека следует уделять при выполнении некоторых ручных операций (промывка, чистка, протирка, проклеивание, прорезинивание) с применением бензина, бензола, ацетона, резинового клея и т.п.

9.3. Приборы для измерения параметров статического
электричества

Электрические измерения необходимы для изучения причин и условий электризации и постоянного контроля электростатических величин: разности потенциалов U между заряженным телом и землей или заземленными предметами; поверхностной плотности электрических зарядов s и напряженности электрического поля Е.

Указателями электрических потенциалов служат различные механические (лепестковые, стрелочные, струнные, квадрантные) и электронные электрометры. В механических электрометрах измеряемый заряд подается на один из пары электродов, кулоновское взаимодействие которых фиксируется различными методами. Например, принцип действия квадрантных электрометров положен в основу электростатических вольтметров. Электростатический заряд воздействует на подвижный секторный электрод, который под воздействием кулоновских сил перемещается. По углу поворота судят о величине измеряемого напряжения. При этом потенциал, показываемый прибором, нельзя считать потенциалом заряженного тела, так как входная емкость его переменна и вносит погрешность. Основные характеристики выпускаемых промышленностью электростатических вольтметров приведены в табл. 9.1. Время успокоения у всех – 6 с, класс точности – 1.

Таблица 9.1

Тип прибора	Конечное значение рабочей части шкалы, кВ	Входная емкость, пФ
С50/1	0,08
С50/2	0,075
С50/3	0,15
С50/4	0,3
С50/5	0,6
С50/6	1,0

Окончание табл. 9.1

Тип прибора	Конечное значение рабочей части шкалы, кВ	Входная емкость, пФ
С50/7	1,5
С50/8	3,0
С50/9	0,45
С196	7,5-15-30

Примечание. Выпускаются приборы С53 класса точности 0,5, имеющие такую же модификацию, как приборы типа С50.

Электронные электрометры позволяют измерять электростатические величины без непосредственного контакта с заряженным телом. В простейших статических индукционных электрометрах с преобразованием входного сигнала удаленный от заряженной диэлектрической поверхности конец проводника-датчика соединен с сеткой электрометрической лампы или полевого транзистора. Поэтому индуцированный на нем заряд определяет ток анода лампы (ток транзистора).

По такому принципу работает прибор ПК2-3А, созданный научно-исследовательским институтом охраны труда. Прибор проградуирован в единицах поверхностного потенциала и плотности заряда. Диапазон 0,1-50 кВ (0,2-20 мкКл/м²) перекрывается тремя пределами: 0,1-1 кВ; 0,5-10 кВ; 1,0-50 кВ. Перейти с одного предела на другой можно с помощью сменных насадок с дисковыми диафрагмами, надеваемых на переднюю цилиндрическую часть прибора, внутри которой находится электрометрическая лампа в герметичном стальном экране. Прибор не может применяться во взрывоопасных зонах. Характеристики некоторых приборов приведены в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Прибор

Характеристика прибора и измерения

Индикатор статических зарядов типа: ИСПИ-4   МИЭП-1 и МИЭП-2   Статический вольтметр с датчиком СМ-2/С-95 Электрометр электронного типа: ПК-2-3А   П2-1   П2-2

Потенциал заряженной поверхности до 50 кВ. Питание батарейное. Взрывозащищенный. Потенциал до 40 кВ. Без питания. Взрывозащищенный Напряжение 0,03-3 кВ. Питание батарейное 1,6 В. Взрывозащищенный   Потенциал поверхности и тела человека до 50 кВ. Поверхностный заряд 0,2-20 мкКл/м2 Напряженность электрического поля до 50 кВ/м. Питание 3-127-220 В Напряжение до 2,5 кВ. Питание батарейное 1,6 В. Взрывозащищенный

Окончание табл. 9.2

Прибор	Характеристика прибора и измерения
ИСЭП-9     Динамический электрометр с вращающимся экраном: ВИНЭП-2     ИНЭП-1   ПЗСЭ-73	Напряженность электрического поля до 260 кВ/м. Питание батарейное 1,5 В. Взрывозащищенный     Напряженность электрического поля 3-2400 кВ/м. Питание батарейное 9 В. Взрывозащищенный Напряженность электрического поля 4-2500 кВ/м. Питание 127/220 В. Напряжение до 15 кВ. Питание 220 В. Сжатый воздух 4 кПа

Измеритель статического электричества типа ACL - 300B,представленный на рис.9.8, предназначен для измерения, локализации и определения полярности электростатических зарядов. Прибор позволяет осуществлять измерение зарядов до 30000 В без прямого физического контакта с заряженным оборудованием. Основные технические характеристики прибора приведены в нижеследующей последовательности: 0–500 В
(12 мм); 0–3000 В (12 мм); диапазоны измерения: 0-5000 В (100 мм);
0-30000 В (100 мм); питание батарейки: 9 В типа 6F22; размеры: 68х110х34 мм; вес: 185 г.

Рис.9.2. Измеритель статического электричества типа ACL - 300B

По условиям пожаро- и взрывобезопасности приборы для электростатических измерений во взрывоопасных зонах должны иметь соответствующий уровень и вид взрывозащиты, а их датчики (в частности, у переносных приборов) должны соответствовать требованиям электростатической искробезопасности. Датчик прибора считают искробезопасным для данной взрывоопасной смеси, если искровой разряд на него с металлического электрода, имеющего потенциал 50 кВ и емкость 60-100 пФ, вызывает воспламенение этой смеси с вероятностью не более 10^-3 (либо энергия этих зарядов, по крайней мере, в 2,5 раза меньше энергии воспламенения смеси).Так, датчик прибора ИСПИ-4 с отклонением электронного потока в вакууме покрыт толстым слоем диэлектрика (фторопластом), что обеспечивает электростатическую искробезопасность. В приборе СМ-2/С-59 взрывозащита достигнута путем заключения электростатического вольтметра С-53 во взрывонепроницаемый корпус, а специальное покрытие датчика (например, фторопласт) обеспечивает его электростатическую безопасность. Взрывобезопасность процесса измерения достигается в том случае, когда во взрывоопасной зоне применяется искробезопасный датчик, а сам прибор (например, статический вольтметр любого типа) устанавливается в невзрывоопасной зоне.

9.4. Способы и средства устранения опасности
статического электричества

Согласно действующим правилам [47], защита от разрядов статического электричества должна осуществляться во взрыво- и пожароопасных производствах с наличием зон классов 0, 1, 2, 20, 21, 22, П-I и П-II, в которых применяются и вырабатываются вещества с удельным объемным электрическим сопротивлением, превышающим 10⁵ Ом×м. В остальных случаях защита осуществляется лишь тогда, когда статическое электричество представляет опасность для обслуживающего персонала, отрицательно влияет на технологический процесс или качество продукции. Основными средствами и способами устранения опасности от статического электричества (в соответствии со степенью эффективности и частотой применения) являются:

заземление оборудования, коммуникаций, аппаратов и сосудов, а также обеспечение постоянного электрического контакта с заземлением тела человека;

уменьшение удельного объемного и поверхностного электрического сопротивления путем повышения влажности воздуха или применения антистатических примесей;

ионизация воздуха или среды, в частности, внутри аппарата, сосуда и т.д.

Кроме этих способов прибегают к дополнительным, дающим в конкретных случаях нужный эффект при операциях с жидкими, газообразными и сыпучими материалами и веществами: предотвращение образования взрывоопасных концентраций, ограничение скорости движения жидкости, замена ЛВЖ на негорючие растворители и т.д.

Практический способ устранения опасности от статического электричества выбирается с учетом эффективности и экономической целесообразности.