Защита от статического электричества

На предприятиях в технологических процессах применяются вещества и материалы, обладающие диэлектрическими свойствами. В результате трения диэлектриков (соприкосновения или разделения) друг о друга или о проводник (металл), при переливании или ударе жидкого диэлектрика о металл возникает статическое электричество.

Явление статической электризации наблюдается: в потоке при разбрызгивании жидкостей; в струе газа или пара; при соприкосновении и последующем ударении двух твёрдых разнородных тел (контактная электризация).

Жидкости, имеющие низкую электропроводность, также подвергаются электризации. На границе раздела жидкой и твёрдой фаз образуется двойной диэлектрический слой, рис. 11.4. При движении жидкостей двойной слой частично разрушается, и в жидкости накапливается избыточное количество ионов одного знака. Присутствие в потоке нефтепродуктов воздуха или других нерастворимых газов, наличие небольшого количество воды, особенно в мелкодисперсном состоянии, а также твёрдых коллоидных частиц значительно усиливает электризацию.

Рис.11.4 Схема электризации потока жидкости в трубопроводе

 

Пары и газы в чистом виде не электризуются. При истечении из аппаратов или баллонов газ может электризоваться, что объясняется присутствием в нём твёрдых или жидких примесей или продуктов конденсации. Практически всегда приходится считаться с возможностью электризации газа, так как в стальных трубах, баллонах или аппаратах может образоваться ржавчина, а в газе могут появиться кристаллики двуокиси углерода или капли конденсата. Электризация газа может носить адсорбционный или индуктивный характер.

Возникновение статического электричества в твёрдых телах имеет свои особенности. Упрощённая схема электризации показана на рис. 11.5. При разделении материалов происходит механический разрыв зарядов двойного слоя, образуется разность потенциалов, и заряды начинают перемещаться в точку контакта А.

Рис.11.5. Схема электризации твёрдых материалов при разделении:

∆U – разность потенциалов; I _{г. р}. – ток газового разряда;
I _{o. c} – ток омического сопротивления

 

При достаточно большой величине ∆U в зазоре возникает газовый разряд. При перемещении зарядов по поверхности и газовому промежутку возникает соответственно ток омического сопротивления I _o.c и ток газового разряда I _{г. р}. Если время разделения поверхностей будет меньше времени перемещения зарядов в точку А, то поверхность после разделения будет иметь остаточные электрические заряды. Одна поверхность будет заряжена положительным, другая – отрицательным зарядом.

Основные свойства электростатических полей подчиняются следующим физическим закономерностям:

1. D – проводник. В этом случае все статические заряды расположены на его поверхности S с плотностью σ , единица заряда – кулон. Электрическое поле (вектор ),перпендикулярно S, причем En= 4πσ, En – нормальная (внешняя) составляющая вектора электрической напряженности, электрическое поле внутри D равно нулю.

 

На поверхности S потенциал U=const=φ_0, а , т.e. вектор перпендикулярен эквипотенциальной поверхности U=const. В свою очередь потенциал U вне тела D удовлетворяет уравнению Лапласа, а с учетом граничных условий следующей задаче Дирихле.

Для уравнения Лапласа:

Из решения этой задачи следует, что наибольшие (по модулю) градиенты потенциала возникают вблизи заострений. На конце иглы возникает очень большая напряженность | | поля, что эквивалентно скоплению зарядов на остриях.

2. Диэлектрическое тело D.

Заряд расположен произвольно, т.е. все зависит от способа создания заряда. Как правило, это трение или передача заряда от другого заряженного тела.

 

3. Искра, если тела имеют различные потенциалы, например, обладают противоположными по знаку зарядами, то разность их потенциалов |U2 – U1|>W21, где W21 – работа

электрических сил по ионизации газа (столба газа) между телами 2 и 1, вызывает пробой газа.

4. Меры защиты:

· проводящие тела – корпуса электрического оборудования, оплетки силовых проводов – заземлять;

· диэлектрические тела изолировать друг от друга диэлектриками-изоляторами, для которых W₂₁ >> |U₂ – U₁|.

В производственных условиях возникновение и накопление статического электричества происходит в технологических процессах:

1) пневмотранспорта пылевидных и сыпучих материалов;

2) долбления, перемешивания и просеивания сыпучих материалов;

3) слива, налива и перекачки светлых нефтепродуктов по трубопроводам и резиновым шлангам в резервуарные ёмкости;

4) транспортировки сжатых и сжиженных газов по трубам;

5) обработки материалов;

6) с применением ремённых передач и транспортёрных лент;

7) при движении автотранспортера, тележек на резиновых шинах и людей по сухому изолирующему покрытию.

Сила тока электризации потока нефтепродуктов в трубопроводах зависит от диэлектрических свойств и кинематической вязкости жидкости, от скорости потока, диаметра трубопровода и его длины, материала трубопровода, шероховатости и состояния его внутренних стенок, температуры жидкости. При турбулентном потоке в трубопроводах большой протяжённости сила тока пропорциональна скорости движения жидкости и диаметру трубопровода. Степень электризации транспортных лент и ремённых передач, являющихся диэлектриками, зависит от физико-химических свойств соприкасающихся материалов, плотности контакта, скорости движения, относительной влажности воздуха в помещении, его температуры. Резкое повышение электризации наблюдается при относительной влажности воздуха меньше 50%.

Анализ взрывов от статического электричества позволил установить, что большая часть взрывов происходила в теплое время года, при относительной влажности воздуха 30-40%.

Заряды статического электричества возникают и накапливаются при:

1) транспортировке диэлектрических жидкостей в незаземлённых ёмкостях и по трубопроводам, изолированным от земли;

2) подаче жидкостей в незаземлённые резервуары, особенно при свободном падении струи;

3) выпуске сжатых или сжиженных газов, если в них содержится пыль или жидкая аэрозоль;

4) движении пылевоздушной смеси в трубах и аппаратах (пневмотранспорт, просеивание и т. п.);

5) трении трансмиссионных ремней о шкивы и других процессах, связанных с трением.

В этих условиях разность потенциалов достигает 20-50 кВ, а при движении трансмиссионных ремней со скоростью 15 м/с – до 80 кВ. Опасность накопления таких больших потенциалов очевидна, поскольку при разности потенциалов в 3 кВ искровой разряд может воспламенять большинство горючих газов, а при 5 кВ – большую часть горючих пылей.

Степень электризации тел возрастает с увеличением их удельной поверхности. В этой связи особое значение имеет электризация высокодисперсных систем (аэрозолей), состоящих из частиц твёрдых и жидких веществ (клубы пыли, дым). При соударениях частиц и при трении их о воздух или поверхность трубопроводов в аэрозолях накапливаются заряды, а в случае искрового разряда горючие аэрозоли могут воспламеняться и взрываться. Величины потенциалов электрического поля приведены в табл. 11.6.

Таблица 11.6

Потенциалы электрического поля статического электричества, кВ.

 

Рабочие операции	Потенциал
Обработка синтетических материалов (пошив, вязание и т. д.)	10 - 15
Размол, тонкое дробление твёрдых материалов	10 -15
Разбрызгивание лаков, красок
Пластмассы, резина, поролон	40 - 45
Фильтрация нефтепродуктов

 

Мерами защиты от статического электричества являются:

1) отвод зарядов статического электричества путём заземления производственного оборудования, резервуаров, трубопроводов и др.;

2) увеличение влажности воздуха в помещениях до 70% или увлажнение электризующихся веществ;

3) ионизация воздуха, повышающая его проводимость;

4) увеличение поверхностной и объемной проводимости диэлектриков;

5) предотвращение накопления значительных статических зарядов путем установки в зоне электрозащиты специальных нейтрализаторов.

В ремённых передачах, являющихся постоянными генераторами статического электричества с очень высокими напряжениями, целесообразно металлические части заземлять, а сами ремни смазывать специальной электропроводящей смазкой (например, графитом) по наружной поверхности во время остановки оборудования. Периодичность смазки определяют конкретно с учётом особенностей работы передачи.

Заряды статического электричества могут накапливаться на теле людей, если оно изолировано от земли обувью с непроводящей подошвой и диэлектрическим полом (синтетические ковры и резинопластики). Эти заряды возникают при пользовании одеждой и бельём из шерсти, шёлка и искусственных волокон, при движении по токонепроводящему покрытию пола или выполнение рабочих операций с веществами-диэлектриками. При этом потенциал может достигать 7000 В и более, а энергия искрового разряда при контакте с металлом – 7 МДж.

Известны случаи взрывов в помещениях с полами, покрытых резинопластиком, причиной которых был искровой разряд с тела человека на заземлённые металлические предметы оборудования.

Физиологическое воздействие статического электричества на человека зависит от величины энергии разряда и выражается в виде укола или толчка, что не опасно, так как при таких напряжениях сила тока ничтожно мала (несколько микроампер). Однако в результате испуга были случаи падения людей, в то числе и с высоты. Длительное действие зарядов статического электричества вредно влияет на здоровье людей и может вызвать различные заболевания нервной системы.

Для отвода статического электричества, накапливающегося на людях, предусматривается устройство токопроводящих полов или заземлённых зон, помостов, площадок, заземление ручек дверей, поручней, лестниц и рукояток приборов, машин и аппаратов.

На предприятиях сферы сервиса: автозаправочные станции, ремонт автотранспорта, изготовление одежды и мебели, оказание информационных услуг, прачечные, химическая чистка одежды – должны быть приняты все меры по защите от воздействий статического электричества. К числу этих мер относится и тщательный подбор рабочей одежды, изготовленной из материалов, не способствующих электризации. Подошва обуви должна быть изготовлена из кожи, токопроводящей резины или из резины, пробитой заклёпками, не искрящими при ударах и трении. Запрещается носить кольца, браслеты и другие украшения, аккумулирующие заряды статического электричества.

Полы и обувь считаются электропроводными, если удельное сопротивление между поверхностью пола и землёй или между электродами внутри и снаружи ботинка по подошве не превышает 10⁶ Ом∙см. К непроводящим покрытиям относятся асфальты, резиновые ковры, линолеум.

Для обнаружения и измерения потенциалов электростатических зарядов применяют приборы: электроскоп с конденсатором, электростатический вольтметр, автоматический сигнализатор наличия статического электричества и др.

Все проводящее оборудование и электропроводящие неметаллические предметы должны быть заземлены независимо от применения других мер защиты от статического электричества.

Неметаллическое оборудование считается заземленным, если сопротивление стекания тока на землю с любых точек его внешней и внутренней поверхностей не превышает 10⁷ Ом при относительной влажности воздуха не выше 60%.

Для защиты от статического электричества, как правило, заземление соединяется с защитными заземляющими устройствами электроустановок. Практически, считают достаточным сопротивление заземляющего устройства для частиц, пересыпанием сыпучих материалов, переливанием диэлектрических жидкостей (нефтепродуктов и т.п.) на изолированных от земли металлических частях оборудования возникают, относительно земли, напряжения порядка десятков киловольт. Так, например, при движении резиновой ленты транспортера и в устройствах ременной передачи на ленте (ремне) и на роликах транспортера (шкивах) из-за некоторой пробуксовки возникают заряды противоположных знаков и большого значения, а разность потенциалов достигает 45 кВ. Аналогично происходит электризация при сматывании (наматывании) тканей, бумаги, полиэтиленовой пленки и др.

При относительной влажности воздуха 85% и более разрядов статического электричества практически не возникает. В аэрозолях электрические заряды возникают от трения частиц вещества друг об друга и о воздух во время движения.

Применяемое в электроустановках минеральное масло, в процессе его переливания, например, слив трансформаторного масла в бак, также подвергается электризации.

Электрические заряды, образующиеся на частях производственного оборудования и в изделиях, могут взаимно нейтрализоваться в следствие некоторой электропроводности влажного воздуха, а также стекать в землю по поверхности оборудования, но в некоторых случаях, когда заряды велики и разность потенциалов также велика, то (при малой влажности воздуха) может произойти быстрый искровой разряд между наэлектризованными частями оборудования или на землю. Энергия такой искры может оказаться достаточной для воспламенения горючей или взрывоопасной смеси. Например, для многих паро- и газо-воздушных взрывоопасных смесей требуется небольшая искра – пробой газа током.

Так же одной из мер защиты является присоединение к заземляющему устройству отдельных ответвлений от магистрали аппаратов и машин, являющихся источниками статической электризации (смесители, вальцы, каландры, дробилки, сливо-наливные устройства нефтепродуктов и др.). Автоцистерны во время слива или налива горючих жидкостей заземляют переносным заземлением в виде гибкого многопроволочного провода.

Эффективным способом подавления электризации нефтепродуктов является введение в основной продукт специальных присадок. С целью уменьшения статической электризации при сливе нефтепродуктов и других горючих жидкостей необходимо избегать падения и разбрызгивания струи с высоты; сливной шланг (рукав) следует опускать до самого дна цистерны или другой емкости. Неметаллические наконечники этих сливных шлангов, во избежание протекания на землю или незаземленные части оборудования, необходимо заземлять гибким медным проводником.

Для повышения электропроводности резинотехнических изделий в их состав вводят антистатическое вещество – графит. Присадки вводятся в резиновые шланги для перекачки легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), что в значительной мере снижает опасность воспламенения этих жидкостей при переливании их в передвижные емкости (автоцистерны, железнодорожные цистерны).

В ряде случаев статическая электризация тела человека и затем последующий разряд с человека на землю или заземленное производственное оборудование, а также электрический разряд с незаземленного оборудования через тело человека могут вызвать болевые и нервные ощущения и быть причиной непроизвольного соприкосновения, получить травму и ушибы при падении.

При статической электризации могут наблюдаться процессы, которые недостаточно изучены и в конкретных условиях требуются предварительные экспериментальные исследования для проверки эффективности разработанных защитных мероприятий. Статическое электричество является источником возгораний и взрывов на производстве и на предприятиях сферы сервиса. Так, например, из 1500 пожаров в год на предприятиях по производству мебели, 30% произошло в сборочных цехах (поролон, искусственные ткани для обивки мебели) из-за искрового разряда накопившегося статического электричества.

В 2004 г. на одной из мебельных фабрик Подмосковья в сборочном цехе произошёл пожар с последующим обрушением строительных конструкций. Погибло в пожаре и в последствие скончалось от травм и полученных ожогов 30 человек. Причиной пожара явилось нарушение правил складирования и транспортировки поролона.

ГЛАВА XII.

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ
ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ