Опасность статического электричества

Опасность статического электричества рассматривают в трех аспектах:

А) искровые разряды статического электричества могут привести к взрыву и пожару;

Б) Электростатическое поле и искровые разряды оказывают вредное воздействие на человека;

В) Статическое электричество может негативно влиять на технологический процесс, выбывая брак продукции, снижая производительность оборудования, создавая помехи в работе радиоэлектронной аппаратуры.

Искровые разряды составляют главную опасность статического электричества. Они возникают в тех случаях, когда напряженность электростатического поля достигает или превышает электрическую прочность диэлектрика (для воздуха 30 кВ/см). При определенном значении энергии искры могут воспламеняться парогазовоздушные или горючие пылевоздушные смеси, имеющие место в окружающем пространстве. Такое состояние объекта считается электростатически искроопасным. По ГОСТ 12.1.018-93 электростатическая искроопасность - это возможность возникновения в объекте или на его поверхности разрядов статического электричества, способных зажечь объект, окружающую или проникающую в него среду.

Для воспламенения многих газо- и паровоздушных горючих смесей требуется энергия искры 0,2-0,5 мДж; энергия воспламенения пылевоздушных смесей на один-два порядка больше. Практически при напряжении 3 кВ от искрового разряда могут воспламеняться почти все газо- и паровоздушные смеси, а при 5 кВ - большая часть пылевоздушных смесей.

Разряды статического электричества на производствах, где образуются или используются взрывоопасные горючие смеси, стали причиной многочисленных взрывов и пожаров со значительным материальным ущербом и травматизмом. Во избежание взрыва и пожара необходимо добиваться электростатической искробезопасности объекта. По ГОСТ 12.1.018-93 это состояние объекта, при котором исключается возможность возникновения пожара или взрыва от разрядов статического электричества.

Электростатическая искробезопасность объекта достигается при выполнении соотношения:

W<k*W_min (5)

где W - максимальная энергия разрядов, которые могут возникнуть внутри объекта или с его поверхности, Дж;

k - коэффициент безопасности, выбираемый из условий допустимой (безопасной) вероятности зажигания; в случае невозможности определения вероятности его принимают равным 0,4;

W_min - минимальная энергия зажигания веществ и материалов, Дж.

Как видно из (5), безопасность обеспечивается: снижением искроопасности (уменьшением W) и/или снижением чувствительности объекта к зажигающему действию статических разрядов (увеличением W_min). В то же время многие технологические процессы и операции противоречат соотношению (5). Так легковоспламеняющиеся и горючие жидкости (ЛВЖ и ГЖ) с одной стороны, являются диэлектриками, что способствует интенсивной электризации (увеличению W), а с другой стороны, являются взрывопожароопасными веществами, утечки которых из аппаратов и трубопроводов образуют горючие смеси в опасных концентрациях (W_min уменьшается). Другой пример: наполнение емкости нефтепродуктами свободно падающей струёй приводит к их разбрызгиванию и перемешиванию, что увеличивает скорость испарения жидкости и образование опасных концентраций паров (уменьшается W_min) и одновременно увеличивается интенсивность электризации (увеличивается W).

Заряды статического электричества могут накапливаться на людях. Это происходит при контактировании с материалами и изделиями, обладающими высокими диэлектрическими свойствами (синтетические полы, ковровые дорожки; обувь с неэлектропроводящими подошвами; одежда и белье из шерсти, шелка, искусственного волокна). В этих условиях потенциал тела человека, изолированного от земли, может достигать 15 кВ и более. При контакте наэлектризованного человека с заземленным предметом возникает искровой разряд, которой во взрывоопасной среде может вызывать взрыв и пожар.

Для человека искровой разряд непосредственной опасности не представляет, так как разрядный ток составляет ничтожно малую величину. В зависимости от величины накопленного потенциала искровой разряд ощущается человеком как легкий укол (при 5...7кВ), острый укол (при 7...12кВ), лёгкая судорога (при 12...25 кВ), средняя судорога (при 25...35кВ), острая судорога (при 35...40кВ). Укол или судорога могут вызвать резкие рефлекторные движения и, как следствие, падение с высоты, попадание в опасную зону оборудования и пр. Постоянное ощущение уколов или судорог раздражает нервную систему человека, создаёт психологический дискомфорт, снижает работоспособность.

Кроме искровых разрядов, на человека вредное воздействие оказывает электростатическое поле, вызывая функциональные изменения со стороны нервной, сердечно-сосудистой и других систем организма. Это выражается в ухудшении общего самочувствия, головных болях, болях в области сердца. Кроме того, пыль и вредные вещества, приобретая заряд в электрическом поле, легче проникают в организм. Степень негативного воздействия электростатического поля на человека зависит от напряжённости поля и длительности пребывания в нём человека. В связи с этим указанные параметры нормируются в соответствии с ГОСТ 12.1.045-84 «ССБТ. Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля», а также с СН 1757-77 «Санитарно-гигиенические нормы допустимой напряжённости электростатического поля»

Нормирование параметров СЭ

Допустимые уровни напряжённости электростатических полей (Е_д, кВ/м) устанавливаются в зависимости от времени пребывания персонала на рабочих местах (t, ч). Предельно допустимый уровень напряжённости электростатического поля устанавливается равным Е_пд = 60 кВ/м в течение времени t=1ч. При напряжённости поля менее 20 кВ/м время пребывания в нём не регламентируется. При времени воздействия поля свыше 1 ч до 9 ч величину Е_д, кВ/м определяют по формуле:

Е_д = 60/√t, (6)

В диапазоне напряжённостей поля от 20 до 60 кВ/м допустимое время пребывания в нём персонала, без средств защиты (t_д, ч) определяется по формуле:

T_д = (60/Е)², (7)

где Е - фактическое значение напряжённости электростатического поля, кВ/м.

Контроль напряжённости электростатических полей проводится при приёме в эксплуатацию новых установок постоянного тока высокого напряжения; при вводе нового технологического процесса, сопровождающегося электризацией материалов; при организации нового рабочего места; в порядке текущего надзора за действующими электроустановками и технологическими процессами. Напряженность электростатического поля контролируется на уровне головы и груди работающих в их отсутствие, не менее 3 раз. Определяющим является наибольшее значение измеренной напряжённости. Для измерения напряжённости электростатического поля используются приборы отечественного производства ИНЭП - 20Д и ИЭЗ-П.

Средства защиты от статического электричества должны применяться в соответствии с ГОСТ 12.4.124-83 «ССБТ. Средства защиты от статического электричества. Общие технические требования». Применение средств защиты работающих обязательно в тех случаях, когда фактические уровни напряжённости или времени воздействия полей превышают значения, соответствующие формулам (6) и (7).

Меры борьбы со СЭ

Меры защиты от искровых разрядов статического электричества направлены на предотвращение возникновения и накопления статических зарядов и на устранение уже образовавшихся зарядов. Осуществление этих мер обязательно во взрыво- и пожароопасных зонах, классов B-I, B-Ia, B-Iб, В-П, В-Па, П-I, П-П (Правила устройства электроустановок - ПУЭ, издание 6, гл., 7.3, 7.4). Вне указанных зон защиту осуществляют в тех случаях, когда статическое электричество негативно влияет на технологический процесс или представляет опасность для работающих.

В соответствии с ГОСТ 12.4.124-83 средства коллективной защиты от статического электричества по принципу действия делятся на следующие виды:

Заземляющие устройства;

Нейтрализаторы;

Увлажняющие устройства;

Антиэлектростатические вещества;

Экранирующие устройства.

Наиболее простой и часто применяемой мерой защиты является заземление оборудования, на котором могут возникать и накапливаться электростатические заряды. Заземлению подлежат все металлические и электропроводные неметаллические части оборудования.

Для заземления неметаллических объектов их поверхность покрывают электропроводными эмалями или металлической фольгой и присоединяют к заземлителю. Например, трубопровод из диэлектрического материала с проводящим покрытием присоединяется к заземляющим проводникам с помощью металлических хомутов.

Обычно заземляющие устройства для защиты от статического электричества объединяют с устройствами защитного заземления электроустановок, выполняемого в соответствии с требованиями ПУЭ. Если же заземляющее устройство предназначено только для отвода в землю электростатических зарядов, то его сопротивление растеканию не должно превышать 100 Ом. Неметаллическое оборудование считается электростатически заземленным, если сопротивление любой его точки относительно контура заземления не превышает 10⁷ Ом. Агрегаты, трубопроводы, вентиляционные воздуховоды и другое оборудование, образующее технологическую линию, должны представлять собой непрерывную электрическую цепь, которая в пределах цеха присоединяется к заземлителю не менее чем в двух точках.

Изложенные выше требования находят отражение в ведомственных правилах. Например, в соответствии с ВГШБ 01-04-98 «Правила пожарной безопасности для предприятий и организаций газовой промышленности» для защиты от разрядов статического электричества вся металлическая аппаратура, резервуары, газопроводы, нефтепроводы и другие устройства, расположенные как внутри помещений, так и вне их и содержащие ЛВЖ и ГЖ (легковоспламеняющиеся и горючие жидкости) должны быть заземлены.

Эстакады для трубопроводов следует в начале и в конце, а также через каждые 300 м соединять с проходящими по ним трубопроводами и заземлять. При транспортировке и наливе сжиженных углеводородных газов, ЛВЖ и ГЖ, на всем протяжении системы транспортировки должна обеспечиваться непрерывная токопроводящая цепь, замкнутая на заполняемую емкость и эстакаду. Для заземления следует использовать гибкий медный проводник сечением не менее 16 мм². Заземление передвижных объектов, подвергающихся статической электризации, осуществляется с помощью колес из токопроводящей резины, а также с помощью металлических цепей, контактирующих с землей.

Заземление выполняется во всех случаях, вне зависимости от применения других мер защиты.

Снижения уровня электростатических зарядов можно добиться путем ионизации электризующегося материала или среды вблизи его поверхности. Для этой цели применяются нейтрализаторы, которые по принципу ионизации делятся на индукционные, высоковольтные, лучевые, аэродинамические.

Для уменьшения интенсивности образования электростатических зарядов применяют меры, направленные на снижение удельного поверхностного ρ_s, или объемного ρ_v электрического сопротивления материалов. Повышение влажности воздуха до 65...70% значительно снижает ρ_s, и практически полностью устраняет электризацию гидрофильных материалов (древесина, бумага, х/б ткань). Это достигается местным или общим увлажнением воздуха в помещении, если это допустимо по условиям производства. Однако, если электризующиеся материалы гидрофобны (сера, парафин, масла), то увлажнение воздуха не дает эффекта. Снижение ρ_s гидрофобных материалов может быть достигнуто химической обработкой их кислотами или поверхностно-активными веществами. Для снижения объемного электрического сопротивления диэлектрических жидкостей (нефтепродукты, растворы полимеров) в них вводят антиэлектростатические присадки АСП-1, Аккор-1, Сигбол (10-15 г на 100л), что приводит к снижению ρ_v в 1000 раз и более. Для снижения объемного электрического сопротивления твердого диэлектрика в его массу вводят антиэлектростатики: ацетиленовый технический углерод, алюминиевую пудру, графит, цинковую пыль. Например, полимер, содержащий 20% ацетиленового углерода, имеет ρ_v, на 10 порядков ниже, чем полимер с другим наполнителем.

В соответствии с ГОСТ 12.4.124-83 антиэлектростатические вещества должны обеспечивать снижение ρ_v материала до 10⁷ Ом х м, ρ_s до 10⁹ Ом х м. Содержание паров антистатиков в рабочей зоне не должно превышать ПДК по ГОСТ 12.1.005-88.

К коллективным средствам защиты от статического электричества можно отнести экранирующие устройства, которые обеспечивают снижение напряженности электростатического поля и количества аэроионов в рабочей зоне за счет их концентрации в ограниченном объеме вне этой зоны. Экранирующие устройства должны быть заземлены в соответствии с требованиями ПУЭ.

В некоторых случаях уменьшение интенсивности электризации может быть достигнуто подбором материалов контактирующих пар, в результате взаимодействия которых возникают заряды противоположных знаков, либо эффект электризации совсем не проявляется. Например, при трении материала, состоящего из 40% нейлона и 60% дакрона, о хромированную поверхность электризация не происходит.

Снижения интенсивности электризации можно добиться изменением параметров технологического процесса, например, уменьшая скорость движения нефтепродуктов по трубопроводам, применяя нижний (а не верхний) налив-слив легковоспламеняющихся жидкостей в емкости, резервуары. Согласно ВППБ 01-04-98 не допускается наливать сжиженные углеводородные газы, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости в резервуары, цистерны и тару свободно падающей струёй.

Налив следует производить только под уровень жидкости. Трубопровод, подающий продукт, должен быть ниже уровня «мертвого» остатка жидкости в резервуаре.

При истечении жидкостей, имеющих ρ_v > 10⁹ Ом х м, в резервуары применяют релаксационные емкости, представляющие собой участок трубопровода увеличенного диаметра, находящийся у входа в приемную емкость и имеющий хороший контакт с землей, что обеспечивает стекание заряда в землю.

Для предотвращения искровых разрядов с человека необходимо уменьшить электрическое сопротивление его одежды, обуви, пола. Для изготовления специальной антиэлектростатической одежды должны применяться материалы с ρ_s < 10⁷ Ом х м. Электрическое сопротивление между токопроводящим элементом специальной антиэлектростатической одежды и землей должно быть от 10⁶ до 10⁸ Ом. Специальная антиэлектростатическая обувь должна иметь электрическое сопротивление между подпятником и ходовой стороной от 10⁶ до 10⁸ Ом.