Лабораторная работа № 9
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ И МЕР
ЗАЩИТЫ ОТ ЕЕ ПРОЯВЛЕНИЙ
Цель работы: исследовать электростатическую искроопасность процесса пневмотранспорта диэлектрических материалов, определить чувствительность исследуемого объекта к зажигающему воздействию разряда статического электричества и оценить эффективность применяемых мер защиты.
1. Теоретическая часть
Совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме
диэлектриков или на изолированных проводниках называется статическим электричеством (ГОСТ 12.1.018-86 "ССБТ. Пожарная безопасность. Электростатическая искробезопасность. Общие требования").
При контакте двух разнородных материалов, жидкостей или газов на их поверхностях вследствие действия внутриатомных сил образуется двойной электрический слой. На поверхности одного материала в месте контакта преобладают отрицательные заряды, на поверхности другого - положительные. При сохранении контакта суммарный заряд контактирующих материалов будет равен нулю. При механическом разделении поверхностей контактирующих материалов происходит также и разделение зарядов.
Величина остаточного заряда на поверхностях контакта после разделения определяется процессами рекомбинации зарядов. Рекомбинация происходит за счет утечки зарядов через омическое сопротивление поверхностей и за счет ионных процессов в разрядном промежутке. Величина заряда, Кл,
, (1)
где U – потенциал или пробивное напряжение, В; С - электрическая емкость заряженных материалов или разрядной цепи, Ф.
По мере разделения поверхностей увеличивается разность потенциалов между двумя разноименно заряженными поверхностями, и если напряженность электрического поля превысит электрическую прочность среды (для воздуха эта величина равна 3000 кВ/м), то происходит разряд статического электричества. Последний может стать причиной взрывов и пожаров, нарушения технологического процесса, брака продукции и неблагоприятного воздействия на работающих.
Согласно Правилам* материалы делятся на электропроводящие с удельным сопротивлением 105 Омм, антистатические (105...108 Омм) и диэлектрические ( > 108 Омм). С электропроводящих поверхностей заряды при их разделении стекают. Условно принято, что переработка материалов с удельным электрическим сопротивлением менее 105 Омм не сопровождается электризацией. На антистатических и тем более диэлектрических поверхностях заряды будут сохраняться. Величина заряда определяется природой материала (зарядами двойного слоя, электрическим сопротивлением) и скоростью отрыва поверхностей (интенсивностью технологического процесса).
Основная опасность накопления зарядов статического электричества связана с возможностью разряда и воспламенения горючих (взрывоопасных) смесей, при условии, что энергия, выделяемая в искровом разряде, (W) будет больше минимальной энергии зажигания (WMIN) данной горючей смеси. WMIN - это наименьшее значение энергии искрового электрического разряда, способного воспламенить наиболее легковоспламеняемую смесь газа, пара или пыли с воздухом при нормальных условиях.
Энергия разряда с заряженной диэлектрической поверхности может быть определена только экспериментально, и величина ее обычно ниже энергии разряда с заряженной проводящей поверхности. Энергию, выделяемую в искровом разряде с заряженной проводящей поверхности, Дж, рассчитывают по формуле
. (2)
Состояние объекта, при котором исключается возможность пожара или взрыва от разряда статического электричества, характеризует электростатическую искробезопасность (ЭСИБ). Для обеспечения ЭСИБ объекта в нормальных и аварийных режимах необходимо снизить электростатическую искроопасность объекта и его чувствительность, а также чувствительность окружающей и проникающей в него среды, к зажигающему воздействию разряда статического электричества. ГОСТ 12.1.018-66 подразделяет объекты по степени ЭСИБ на три класса: Э1 - отсутствует возможность возникновения зарядов статического электричества, способных зажечь среду с WMIN > 10-4 Дж; Э2 - имеется возможность возникновения разрядов, способных зажечь среду с WMIN от 10-4 до 10-1 Дж; Э3 - имеется возможность возникновения разрядов, способных зажечь среду с WMIN > 10-1 Дж. ЭСИБ объекта достигается при выполнении соотношения
, (3)
где к - коэффициент безопасности, выбираемый из условий допустимой (безопасной) вероятности зажигания (при невозможности определения вероятности принимают равным 0,4).
ЭСИБ объекта обеспечивается снижением электростатической искроопасности объекта (т.е. снижением W), а также снижением чувствительности объекта, окружающей и проникающей в них среды к зажигающему воздействию зарядов статического электричества (т.е. увеличением WMIN). При этом снижение W достигается применением средств защиты от статического электричества в соответствии с ГОСТ 12.4.124-83 «ССБТ. Средства защиты от статического электричества. Общие технические требования». Последние должны исключать возникновение искровых разрядов статического электричества с энергией, превышающей 40% WMIN окружающей среды.
Снижение чувствительности объектов, окружающей и проникающей в них среды к зажигающему воздействию разрядов статического электричества следует обеспечивать: регламентированием параметров производственных процессов (влагосодержания и дисперсности аэровзвесей, давления, температуры среды и др.), влияющих на W, и флегматизацию горючих сред.
Защита от статического электричества обязательно должна быть во всех взрыво- и пожароопасных помещениях и зонах открытых установок, отнесенных Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) к классам:
В-I, В-Iа, В-Iб, В-Iг, В-II, В-IIа, П-I и П-II.
Наиболее распространенным, надежным и основным способом защиты от статического электричества является заземление. Оно должно применяться во всех электропроводных элементах технологического оборудования и других объектов, на которых возможно возникновение или накопление статического электричества. Величина сопротивления заземляющего устройства, предназначенного исключительно для защиты от статического электричества, должна быть не выше 100 Ом согласно ГОСТ 12.4.124-83. При объединении этих устройств с заземляющими устройствами, предназначенными для защиты человека, электрооборудования или для защиты объекта от вторичных проявлений молнии, сопротивление заземления принимают в соответствии с действующими для этих целей нормами.
Для полной гарантии надежности заземления сопротивление заземляющего устройства, предназначенного исключительно для защиты от статического электричества, должно быть не выше 100 Ом.
Неметаллическое оборудование считается электростатически заземленным, если сопротивление растеканию тока на землю с любых точек его внутренней и внешней поверхности не превышает 107 Ом при относительной влажности воздуха не более 60 %.
В то же время заземление является неэффективной мерой защиты, если аппаратура эмалирована, футерована резиной или другими непроводящими материалами или в процессе образуются диэлектрические продукты, покрывающие внутренние поверхности аппаратов в виде пленок. В этих случаях необходимо уменьшить или полностью устранить электризацию, ограничивая скорости движения материалов, избегая разбрызгивания струй жидкостей, тщательно очищая стенки оборудования от отложений или проводя процесс в токе инертного газа.
Для снижения удельного электрического сопротивления твердых и жидких материалов применяют антиэлектростатические вещества в виде покрытия, пропитки или добавки, если это возможно по условиям технологического процесса. Они снижают удельное объемное электрическое сопротивление материала до 107 Омм, а удельное поверхностное электрическое сопротивление до 109 Ом. В качестве таких веществ широко используют аламин 17, сульфонат А, синтанол, олеаты хрома, магния, кобальта, сажу, графит, полигликоли и т.п.
Поддержание относительной влажности воздуха 75% и выше способствует снижению величины зарядов, особенно для веществ хорошо адсорбирующих влагу. Для этого используют испарительные или распылительные увлажняющие устройства. Однако увеличение влажности не влияет на удельное электрическое сопротивление негигроскопичных (не адсорбирующих влагу) веществ, к которым относятся все виды пластмасс, синтетические и химические волокна.
Одним из эффективных средств защиты от статического электричества является применение нейтрализаторов, вызывающих ионизацию воздуха. Ионизированный воздух содержит положительные и отрицательные ионы кислорода и азота, которые под действием электростатического поля приобретают направленное движение и нейтрализуют заряды на перерабатываемых материалах и веществах.
В зависимости от способа получения ионизированного воздуха различают нейтрализаторы пассивные, использующие энергию образуемого электростатического поля; нейтрализаторы коронного разряда, использующие энергию электрического поля высокого напряжения, и радиоизотопные нейтрализаторы, использующие для ионизации воздуха альфа-излучения плутония-239 и бетта-излучения прометия–147.
Примером высоковольтного нейтрализатора коронного разряда (используемого в данной работе) может служить низкочастотный ионизатор (ИН-5), использующий энергию электрического поля высокого напряжения. Нейтрализатор этого типа можно использовать при скоростях движения наэлектризованного материала до = 6...6,5 м/с.
Действие статического электричества смертельной опасности для человека не представляет. Искровой разряд статического электричества человек ощущает как укол, толчок, судорогу. При внезапном уколе может возникнуть испуг и вследствие рефлекторных движений человек может непроизвольно сделать движения, приводящие к падению с высоты, попаданию в опасную зону машин и. др.
К средствам индивидуальной защиты человека от действия электростатического заряда относятся антиэлектростатическая спецодежда, спецобувь и предохранительные приспособления (кольца, браслеты), которые подлежат заземлению. Электрическое сопротивление между такой одеждой (обувью) и землей обеспечивается в пределах 106 ... 108 Ом, а колец и браслетов - в пределах 106 ... 107 Ом.