Защита от статического электричества

Статическое электричество породило в промышленности ряд проблем, главными из которых являются защита от пожаров и взрывов, защита от технологических помех, защита от физиологического воздействия на организм человека.

Возможность пожаров и взрывов, обусловленных статическим электричеством, возникает вследствие:

а) создания электрическими зарядами напряженности электрического поля, при которой имеет место искрообразование;

б) достижения энергии разрядов статического электричества, достаточной для воспламенения горючей смеси;

в) достижения концентрации паро -, газо- или пылевоздушной смеси, при которой возможно ее воспламенение искровыми разрядами.

  Опасность воспламенения искрой паровоздушной смеси возрастает соответственно со снижением минимальной энергии воспламенения этой смеси.

Технологические помехи возникают в результате действия электростатических сил. В ходе электризации при достижении определенной плотности заряда на диэлектрике начинает сказываться силовое взаимодействие между отдельными частями перерабатываемого материала, нарушающее нормальный ход технологического процесса.

Физиологическое воздействие статического электричества на организм человека проявляется в форме электрического разряда и тока, протекающего через человека,  а также электрического поля, действующего на организм человека.

Действие постоянного электрического тока на тело человека ощутимо, когда его величина не превышает 5 – 7 мА. Токи статической электризации носят ударный характер и, как правило, кратковременны. Однако эти токи, если они превышают ощутимые величины, могут представлять опасность для человека.

Искра, протекающая между телом человека и заряженным (наэлектризованным) объектом, вызывает испуг, сопровождающийся непроизвольными нескоординированными движениями, что может привести к различного рода травмам. Электрическое поле напряженностью 3 ⁴ В/м и выше уже оказывает вредное влияние на самочувствие и состояние человека.

Способы защиты от статического электричества могут быть условно разделены на две группы. К первой из них относятся способы, использование которых предотвращает накопление статических зарядов на взаимодействующих телах. Сюда входят заземление металлических и электропроводных неметаллических элементов оборудования, увеличение поверхностей и объемной проводимости диэлектриков, а также другие способы, в том числе подбор контактных пар. Дело в том, что контактная разность потенциалов зависит от диэлектрических свойств соприкасающихся материалов, их физического состояния, величины давления, которым поверхности прижаты друг к другу, а также от влажности и температуры поверхностей и окружающей среды.

Экспериментами установлено, что из двух соприкасающихся веществ положительно заряжается то, у которого диэлектрическая проницаемость больше. Если же вещества имеют одинаковые диэлектрические проницаемости, то разделение зарядов (электризация) не происходит.

Вторая группа способов, не исключая возможности накопления зарядов, предотвращает нежелательное или опасное их проявление. В этом случае задача решается установкой на технологическом оборудовании нейтрализаторов  зарядов  статического  электричества, а также другими способами, в том

числе проведением технологических процессов в средах, в которых разряды статического электричества не вызывают пожаров и взрывов.

Заземление. Все проводящие элементы оборудования и электропроводные неметаллические предметы должны быть заземлены независимо от того, применяются ли другие средства защиты от статического электричества. При этом заземляющие устройства для защиты от статического электричества, как правило, объединяются с защитными заземляющими устройствами.

Увеличение поверхностной и объемной электропроводности диэлектрика. Электропроводность диэлектрика определяет его способность отводить статические заряды, поэтому повышение электропроводности является одним из эффективных средств борьбы с вредными проявлениями статического электричества.

Известен ряд способов увеличения поверхностной и объемной электропроводности для твердых и жидких диэлектриков:

– увлажнение воздуха, т. е. повышение его относительной влажности до 65 – 75 %, если это возможно по условиям технологического процесса;

– химическая обработка поверхности кислотами, электропроводные покрытия углеродом, металлами или их окислами;

– антистатические покрытия, которые способны поглощать и удерживать влагу, создавая на поверхности диэлектрика проводящую пленку;

– введение в массу твердого диэлектрика электропроводящих наполнителей (ацетиленовой сажи, алюминиевой пудры, графита, цинковой пыли), при этом механические характеристики изделий (трубы низкого давления из полиэтилена) практически не меняются. Введение ацетиленовой сажи в массу резины делают ее антистатической, что позволяет ее использовать для изготовления клиновых ремней, конвейерных лент, автомобильных шин, деталей пылесосов, напорных рукавов для перекачки топлива и растворителей.

Нейтрализация зарядов на поверхности наэлектризованного диэлектрика осуществляется путем ионизации воздуха и направленного движения ионов к поверхности диэлектрика.

Ионизация воздуха выполняется либо силовым электрическим полем, либо радиоактивным (ионизирующим) излучением, а ионизирующие воздух устройства называются нейтрализаторами статических зарядов, принцип работы которых сводится к тому, что они создают вблизи наэлектризованного диэлектрика ионы, нейтрализующего его заряды.

По принципу действия нейтрализаторы подразделяются на нейтрализаторы коронного заряда (индукционные) и высоковольтные с питанием от постороннего источника, радиоактивные, комбинированные и аэродинамические.

Индукционные нейтрализаторы статических зарядов конструктивно более просты и представляют собой металлические или диэлектрические пластины, на которых закреплены электроды (остроконечные заземленные стержни, тонкие проволочки и т. п.).

Электрическое поле у электродов создается зарядами наэлектризованного материала, под действием которого на острие разрядного электрода происходит ударная ионизация, в результате чего образуются ионы обоих знаков (рис. 6).

Эффективность действия индукционных нейтрализаторов зависит от уменьшения радиуса кривизны разрядного электрода, их количества и оптимального (минимально возможного по условиям технологического процесса) расстояния между электродами и наэлектризованным материалом.

Индукционные нейтрализаторы не «снимают» полностью заряд с перерабатываемого материала. Остаточная поверхностная плотность заряда на материале за индукционным нейтрализатором обычно не превышает

(0,6 –6) , при которой технологических помех от статического электричества уже не возникает.

 

 

Рис. 6. Схема нейтрализации зарядов индукционным нейтрализатором.

Высоковольтные нейтрализаторы статических зарядов отличаются от индукционного источником генерации ионов – за счёт коронирования разрядных электродов под действием высокого напряжения, подаваемого на них от постороннего источника (рис. 7). Именно это отличие обеспечивает устойчивую генерацию ионов независимо от наэлектризованности материала. Это обстоятельство гарантирует достаточно высокую эффективность действия таких нейтрализаторов при любых, в том числе и малых, величинах заряда на наэлектризованной поверхности. При подаче высокого напряжения на разрядный игольчатый электрод в воздушном промежутке развивается коронный заряд, и около электрода возникают ионы обоих знаков. Ионы, имеющие знак, противоположный знаку наэлектризованного материала, под действием электрического поля движутся в направлении наэлектризованного материала и оседают на нём, нейтрализуя поверхностный заряд диэлектрика.

Если индукционный нейтрализатор работоспособен при расстояниях между материалом и разрядным электродом в 5…20 мм, то высоковольтный нейтрализатор – на расстояниях от 200 до 600 мм. Но при этом высоковольтные нейтрализаторы запрещены к использованию на взрывоопасных объектах, т.к. коронный разряд и искра могут быть причиной взрыва и пожара.

 

 

Рис.7. Схема нейтрализации зарядов высоковольтным нейтрализатором.

Радиоактивные нейтрализаторы статического электричества находят всё более широкое применение во взрывоопасных производствах химической, целлюлозно-бумажной, текстильной и других отраслях промышленности, где недопустимо применение высоковольтных источников.

Эти нейтрализаторы просты в конструктивном исполнении, не требуют источников питания. Выполняются чаще всего в виде плоских длинных пластинок или маленьких дисков, одна сторона которых покрыта радиоактивным материалом, вызывающим  или излучение.

Нейтрализаторы с излучением обладают наибольшей проникающей способностью: одна частица на пути в 1 см создаёт примерно 20 тыс.пар ионов. Глубина проникновения частиц в воздухе составляет в среднем 2,5 3,5 см, что делает безопасным применение таких методов нейтрализации зарядов для обслуживающего персонала.

Ионизирующая способность частиц примерно в 100 раз меньше, чем у частиц. В воздухе частицы обладают большей проникающей способностью, и это определяет их область применения, т. е. в установках, где перерабатываются и транспортируются мелкодисперсные вещества и гранулы полимеров, например, в псевдокипящем слое.

 

Комбинированные нейтрализаторы в своей конструкции объединяют как индукционные, так и радиоактивные нейтрализаторы. Промышленностью выпускаются комбинированные нейтрализаторы следующих типов: НРИ-3, НСЭ-200А, ИН-5 и др.

   Аэродинамические нейтрализаторы отличаются тем, что ионы, полученные в ионизирующей камере, подаются в зону нейтрализации зарядов потоком воздуха. Эффективность нейтрализующих зарядов их значительно выше по сравнению с рассмотренными ранее, т. к. нейтрализующая способность меньше зависит от расстояния до наэлектризованного материала, от плотности заряда, от степени запылённости среды и других факторов.

К некоторым другим способам защиты от статического электричества можно отнести:

– подбор контактных пар, когда контактирующие поверхности с целью уменьшения интенсивности генерации зарядов изготавливаются из однотипных материалов или материалов с близкими по значению диэлектрическими характеристиками;

– снижение скорости технологических процессов (снизить величину электростатических зарядов возможно при условии, если удельное электрическое сопротивление меньше  Ом  [3]);

– корректировка технологических операций (исключение разбрызгивания жидкости, исключение пылеобразования и т.п.);

– проведение технологических процессов в средах, в которых электрические разряды не представляют опасности (проведение операций в атмосфере газа, не поддерживающего горение, например, азота).

Одним из наиболее эффективных методов, позволяющих устранить электризацию нефтепродуктов, – введение специальных антистатических веществ (присадок). Добавление присадок в сотых и тысячных долях процента позволяет на несколько порядков уменьшить удельное электрическое сопротивление нефтепродуктов и обезопасить операции с ними.

МОЛНИЕЗАЩИТА

ПРИРОДА МОЛНИИ

 Природа молнии привлекала внимание исследователей достаточно давно. И первым трактатом по проблемам молнии, вышедшим на русском языке в 1753г., принадлежит отцу русской науки М.В. Ломоносову. Его «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих» являлось одной из крупнейших работ в области исследования, как молнии, так и электричества. Ломоносов совместно с известным в то время учёным   Г. В. Рихманом, занимаясь изучением атмосферных явлений, производили заряд электроскопа от грозового облака, чем обосновали электростатическую природу молнии.

Молния – это электрический разряд в атмосфере между разноимённо заряженными частями облака или между облаком и землёй. До появления разряда происходит накопление и разделение электрических зарядов в облаке. Этому способствует аэродинамические и термические процессы – восходящие воздушные потоки, конденсация паров на высоте от 1 до 6 км, образования капель, их дробление и т.п. Вертикальные потоки теплого воздуха могут создаваться при усиленном местном нагреве почвы или во время вторжения клиновидной массы холодного воздуха. Именно поэтому грозы бывают чаще всего в тёплое время года.

По теории «избирательного столкновения» образование зарядов происходит следующим образом. Нормально земля заряжена отрицательно, что обуславливает электрическое поле земли с напряжённостью Ен. Второй «обкладкой» этого громадного сферического конденсатора является положительно заряженная ионосфера. Под действием Ен, падающая капля поляризуется, в нижней её части появляется положительный заряд, в верхней – отрицательный. Движущиеся в восходящем потоке воздуха электроны притягиваются нижней частью капли, а более инерционные положительные ионы воздуха отталкиваются и уносятся, далее сосредотачиваясь вверху. В результате капли получают суммарный отрицательный заряд и наполняют нижнюю часть облака со значительной объемной плотностью, которая индуцирует на поверхности земли положительный заряд, что влечёт появление местного грозового электрического поля с напряжённостью, достигающей иногда 100 – 200 кВ/м.

Разряд облака имеет преимущественно вид линейной молнии, начинающийся в большинстве случаев из облака, носит ступенчатый характер и состоит из начального и главного этапов. Разряд обычно начинается с прорастания от облака к земле слабосветящегося канала, который окружен достаточно обширной зоной ионизированного воздуха, созданной его электрическим полем. По мере приближения этого канала к земле напряжённость электрического поля на вершине возвышающегося объекта постепенно увеличивается и может превысить критическое значение, и это приводит к развитию встречного разряда. Когда эти два канала соприкоснутся, начнётся стадия главного разряда. Этот процесс протекает со скоростью (15-150) 10⁶  [4] и сопровождается интенсивным свечением.

В канале главного разряда в течение малого промежутка времени (до 100 мкс) возникает весьма большой ток, разогревающий канал до температуры 20000 – 35000°С. Воздух в канале быстро расширяется и распространяется ударная волна, воспринимаемая как гром.