7.6. Защита от статического электричества

Статическим электричеством называется совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности и в объеме диэлектрика или на изолированных проводниках.

В технологических процессах, сопровождающихся трением, измельчением, разбрызгиванием, распылением, фильтрованием и просеиванием веществ, на самих материалах и на оборудовании образуется электрический потенциал в тысячи и десятки тысяч вольт. Приобретение телами избыточного заряда связано с явлением контактной электризации.

При соприкосновении тел, различающихся по температуре, концентрации заряженных частиц, энергетическому состоянию атомов, шероховатости поверхности и другим параметрам, происходит перераспределение между ними электрических зарядов. При этом у поверхности раздела тел на одном из них концентрируются положительные заряды, на другом – отрицательные. Заряды будут оставаться на поверхностях после их разделения в случае, если время разрушения контакта меньше времени релаксации зарядов.

Двойной электрический слой – это пространственное распределение электрических зарядов на границах соприкосновения двух фаз. Такое распределение зарядов наблюдается на границе металл – металл, металл – вакуум, металл – газ, металл – полупроводник, металл – диэлектрик, диэлектрик – диэлектрик, жидкость – твердое тело, жидкость – жидкость, жидкость – газ. Толщина двойного электрического слоя на границе раздела двух фаз соответствует диаметру иона (10^-10 м).

В зависимости от природы образования двойного электрического слоя различают электролитическую, адсорбционную, контактную, пьезоэлектрическую и индуктивную электризацию. Рассмотрим упрощенную физическую модель электризации поверхности контакта двух твердых тел.

При контакте двух тел из разнородных материалов на их поверхностях вследствие внутриатомных электрических сил образуется двойной электрический слой. При механическом разделении поверхностей происходит разделение зарядов этого слоя (рис.1.9.).

Между разделенными поверхностями, несущими электрический заряд, образуется разность потенциалов и возникает электрическое поле. По мере увеличения расстояния между поверхностями увеличивается разность потенциалов и при достижении порогового значения, определяемого электрической прочностью газовой среды, происходит искровой разряд.

Рис1.9. Схема электризации твердых материалов при разделении. ν - скорость разделения поверхностей; I_o -ток, обусловленный омической проводимостью разделяющих поверхностей; I_u - ток ионизации в зазоре между разделяющимися поверхностями.

Величина заряда q (Кл), оставшегося на поверхностях после их разделения, определяется по формуле:

q = δ_dc ∙S –S/ ρ_ν Δφ – q_p n_p, (1.5)

где δ_dc–плотность зарядов двойного электрического слоя, определяемая свойствами контактирующих поверхностей, Кл/м²; S – площадь поверхностей контакта, м²; Δφ – разность потенциалов между разноименно заряженными поверхностями, В; ρ – удельное электрическое сопротивление материала поверхности контакта, Ом м: ν – скорость разделения поверхностей, м/с; q_p – заряд, реализованный в единичном разряде, Кл; n_p – число разрядов.

Основной величиной, характеризующей способность к электризации является удельное электрическое сопротивление поверхностей контактируемых материалов. Если контактирующие поверхности имеют малое сопротивление, то при разделении заряды с них стекают и разделенные поверхности несут незначительный заряд. Если электропроводность тел мала и процесс разделения происходит достаточно быстро, то величина заряда уменьшается незначительно.

Основными факторами, влияющими на электризацию веществ, являются их электрофизические параметры и скорость разделения. Чем выше скорость отрыва, тем больший заряд остается на поверхности. Считается, что при удельном сопротивлении материалов менее 10⁵ Ком · м заряды не сохраняются и материалы не электризуются. В таблице 1.4 приведены данные об удельном электрическом сопротивлении некоторых веществ.

Заряд в значительной степени зависит от электрической емкости материала, на котором он возникает, относительно земли. Наибольшей емкостью по отношению к земле обладают изолированные проводящие объекты и энергия искрового разряда с них на заземленную поверхность бывает достаточной для воспламенения большинства парогазовых и пылевоздушных смесей, а электрические разряды с диэлектрических поверхностей, вследствие отсутствия проводимости, обладают малой энергией.

Проводящими объектами могут быть металлические обрезиненные материалы, вращающиеся части технологического оборудования, люди работающие с наэлектризованными материалами. Заряжение таких объектов может происходить двумя путями непосредственное контактирование с наэлектризованными материалами и индуктивное заряжение, а также при смешанном заряжении.

Таблица 1.4. Удельное электрическое сопротивление веществ

Наименование веществ	ρ, Ом ∙ м
Полистирол	1016
Парафин	1016
Стекло	1011 – 1014
Жидкие углеводы	108 – 1 016
Синтетические волокна	1010 – 1014
Натуральный каучук	1012 – 1013
Сухое дерево	108 – 1014
Синтетические смолы	107 – 1012
Натуральные и регинерированые волокна	104 – 108
Графит	8,0 ∙ 106
Почва	6,0 ∙ 103
Электропроводящая резина	2,0 ∙ 106
Дистиллированная вода	104
Разбавленная серна кислота	10-2
Железо	10-7
Серебро	1,5 ∙ 10-8
Медь	1,55 ∙ 10-8
Алюминий	2,41 ∙ 10-8

К контактному заряжению относится электризация при перекачивании углеводородных топлив, растворителей по трубопроводам. Изолированные от земли тела, попадая во внешнее электрическое поле, способны приобретать заряд за счет электрической индукции. Особенно опасна индуктивная электризация проводящих объектов, так как при разряде с них выделяется большое количество энергии. Смешенное заряжение происходит при поступлении наэлектризованного материала в емкости, изолированные от земли, что наиболее распространено при заливке горючих жидкостей в резервуары, цистерны, бочки, при подаче тканей, пленок, резиновых клеев в передвижные емкости, тележки.

Основная опасность, создаваемая электризацией различных материалов, состоит в возможности искрового разряда как с диэлектрической наэлектризованной поверхности, так и с изолированного проводящего объекта. Разряд статического электричества возникает тогда, когда напряженность электрического поля над поверхностью диэлектрика или проводника, обусловленная накоплением на них зарядов, достигает критической (пробивной) величины. Для воздуха эта величина составляет 30 кВ/м.

Воспламенение горючих смесей искровыми разрядами статического электричества произойдет, если выделяющаяся в разряде энергия будет больше минимальной энергии зажигания горючей смеси. Электростатическая искробезопасность объекта достигается при выполнении условия безопасности,

W_p < K ∙ W_мин, (1.6)

где W_p – максимальная энергия разрядов, которые могут возникнуть внутри объекта или с его поверхности, Дж; К – коэффициент безопасности, выбираемый из условий допустимой вероятности зажигания (К < 1,0); W_мин – минимальная энергия зажигания веществ и материалов, Дж.

Таблица 1.5. Минимальная энергия зажигания парогазовых смесей

Парогазовая смесь	Wмин, мДж
Аммиак	0,68
Ацетилен	0,011
Ацетон (при 25 °С)	0,406
Бензин Б – 70	0,15
Бензол	0,21
Водород	0,013
Диэтиловый эфир	0,19
Метанол	0,14
Пары нефтепродуктов	0,25
Природный газ	0,3
Пропан	0,26
Этан	0,24
Этилен	0,095
Этиловый спирт	0,14

В таблице 1.5 приведена минимальная энергия зажигания некоторых парогазовых смесей.

Энергия (в Дж), выделяемая в искровом разряде с заряженной проводящей поверхности, определяется по формуле:

W_р = 0,5C ∙ φ², (1.7)

где С – электрическая емкость проводящего объекта относительно земли, Ф; φ - потенциал заряженной поверхности относительно земли, В.

Электростатическая искробезопасность объектов обеспечивается снижением электростатической искроопасности объекта (снижением W_р а также снижением чувствительности объектов, окружающей и проникающей в них среды к зажигающему воздействию статического электричества (увеличением W_мин).

Снижение электростатической искроопасности объектов обеспечивается регламентированием W и применением средств защиты от статического электричества. Снижение чувствительности объектов, окружающей и проникающей в них среды к зажигающему воздействию разрядов статического электричества обеспечивается регламентированием параметров производственных процессов (влагосодержание и дисперсность аэровзвесей, давление и температура среды и др.), влияющих на W_р и флегматизацию горючих сред.

Энергию разряда с заряженной диэлектрической поверхности можно определить экспериментально. Минимальная энергия зажигания горючих смесей зависит от природы веществ и также определяется экспериментально. Для воспламенения горючих газов, паров и жидкостей достаточно возникновения искры при разности потенциалов в З00 – З000 В. Например, бензол и пары бензина воспламеняются от искры при разности потенциалов - 300 В, бензин - 1000 В, почти все горючие газы – 3000B. Большинство горючих пылей воспламеняется от искры при разнести потенциалов в 5000 В. Анализ причин пожаров и взрывов на производствах, где перерабатываются или используются взрывоопасные смеси, показал, что 60% всех взрывов происходит по причине возникновения статического электричества.

Воздействие статического электричества на человека может проявляться в виде слабого длительно протекающего тока или в форме кратковременного разряда через его тело (табл. 1.6).

Электростатическое поле повышенной напряженности отрицательно влияет па организм человека, вызывая функциональные изменения со стороны центральной нервной, сердечно – сосудистой и других систем организма.

Таблица 1.6. Воздействие разрядов статического электричества на

человека

Энергия разряда	Воздействие
0,0001	не ощущается
0,001	едва ощутимый укол
0,01	укол
0,1	острый укол
1,0	болевой укол
10	ожог

Количественно статическое электричество характеризуется напряженностью Е, измеряемой в В/м. Допустимые уровни напряженности электростатических полей устанавливают в зависимости от времени пребывания на рабочих местах. Предельно допустимый уровень напряженности составляет 60 к В/м в течение 1 часа. При напряженности менее 20 кВ/м время пребывания в электростатических полях не регламентируется.

В диапазоне напряженности 20-60 кВ/м допустимое время пребывания человека без средств защиты зависит от фактического уровня напряженности на рабочем месте.

t = , (1.8)

где t – допустимое время пребывания, ч; Е_пр – предельно допустимый уровень напряженности (60 кВ/м); E_ф – фактический уровень напряженности.

Защита от статического электричества производится по двум направлениям: уменьшение интенсивности генерации электрических зарядов и устранение образовавшихся зарядов.

Уменьшение интенсивности генерации электрических зарядов достигается использованием слабоэлектризующихся или наэлектризующихся материалов. Правильный подбор конструкционных материалов для изготовления или облицовки производственного оборудования позволяет значительно уменьшить или исключить электризацию. По электризационным свойствам вещества располагают в электростатические ряды в такой последовательности, что любое из них приобретает отрицательный заряд при соприкосновении с материалами, расположенными до него, и положительный – при контакте с материалом, расположенным за ним. Например, один из таких рядов имеет следующий состав: этилцеллюлоза, казеин, эбонит, ацетилцеллюлоза, стекло, металлы, полистирол, полиэтилен, фторопласт, нитроцеллюлоза.

С увеличением расстояния в ряду между материалами растет электрический заряд, образующийся между ними, поэтому целесообразно использовать в качестве конструкционных те же материалы, что и перерабатываемый, или близко расположенные к нему в электростатическом ряду. Например, при пневмотранспортировании порошкообразного полиэтилена предпочтительнее применять полиэтиленовые трубопроводы.

Другим способом является смешивание материалов, которые при взаимодействии с элементами технологического оборудования заряжаются разноименно. Например, при трении материала, состоящего из 40% нейлона и 60% дакрона, о хромированную поверхность электризации не происходит.

Уменьшение силы трения и площади контакта, шероховатости взаимодействующих поверхностей, их хромирование или никелирование снижают величину электростатических зарядов. Этому способствует и создание воздушной подушки между движущимися материалами и элементами оборудования, например, между пленкой и поверхностью валков.

Ограничение скоростей переработки и транспортирования материалов позволяют уменьшить генерацию электрических зарядов, но при этом снижается производительность технологических процессов. Данный метод используют в случаях, когда не применимы другие способы защиты. Скорость транспортирования и истечения огнеопасных жидкостей с удельным объемным электрическим сопротивлением ρ_ν > 10⁹ Ом ∙ м должна составлять не более 1,2 м/с при диаметре трубопроводов до 200 мм. При p_v < 10⁹ Ом м допускается скорость не более 5 м/с, а при ρ_ν < 10⁵ Ом ∙ м она ограничена 10 м/с. Так, допустимые скорости для перекачки бензина – 4 м/с, нефти – 7 м/с, эфира и сероуглерода – 1 м/с, сложных эфиров и спиртов – 9 – 10 м/с.

При истечении жидкости с ρ_ν > 10⁹ Ом ∙ м в резервуары применяют релаксационные емкости в виде заземленного участка трубопровода увеличенного диаметра, находящегося у входа в приемный резервуар. Сыпучие материалы выдерживают в релаксационной емкости до тех пор, пока 95 % содержащихся в них зарядов не стечет в землю.

Налив жидкости, в резервуары свободно падающей струей не допускается. Расстояние от конца загрузочной трубы до дна сосуда не должно превышать 200 мм, а если это невозможно, то струю направляют вдоль стенки. Не допускается разбрызгивание или быстрое перемешивание жидкости. Жидкости должны поступать в резервуары на отметке ниже уровня содержащегося в них остатка жидкости. При первоначальном заполнении резервуаров жидкость подают со скоростью не более 0,5 – 0,7 м/с.

Наличие в потоках жидкости или газа посторонних примесей способствует возникновению электризации, поэтому необходимо очищать их от загрязнений. Конденсация паров и газов при большом перепаде давлений вызывает электризацию газовых струй при их истечении через неплотности, что требует особого внимания к герметизации оборудования, содержащего горючие пары и газы под высоким давлением.

Устранение зарядов статического электричества достигается заземлением электропроводных частей технологического оборудования. Заземляющие устройства для отвода статического электричества обычно объединяются с защитными заземляющими устройствами для электрооборудования. Если заземление предназначено только для защиты от статического электричества, то его сопротивление не должно превышать 100 Ом.

Агрегаты, входящие в состав технологических линий, должны иметь между собой надежную электрическую связь, а линию в пределах цеха необходимо присоединить к заземлителю не менее чем в двух местах. Металлические вентиляционные воздуховоды в пределах цеха заземляют через каждые 40 - 50 м. Для заземления неметаллических объектов на них наносят электропроводное покрытие (металлическая фольга, электропроводные эмали), которое электрически соединяют с заземлителем или с заземленной металлической арматурой. Электропроводность материалов повышают с помощью пропитки растворами поверхностно-активных веществ.

При использовании ременных передач их металлические части и ограждение заземляют, а ремни изготавливают из материалов с ρ_ν < 10⁵. Для обеспечения заземления вращающихся частей применяют электропроводную смазку. Автоцистерны, передвижные аппараты и сосуды, предназначенные для транспортирования огнеопасных жидкостей, заземляют на время их наполнения и опорожнения. Для перекачки нефтепродуктов используют шланги из электропроводной резины. Заземление передвижных объектов осуществляют посредством колес из электропроводных материалов или с помощью специальных устройств (металлические цепочки, ленты из электропроводной резины).

Для обеспечения непрерывного отвода зарядов статического электричества в землю полы во взрывоопасных помещениях выполняют из бетона, пенобетона, ксилолита, электропроводной резины, антистатического линолеума.

Увеличение относительной влажности воздуха до 65 – 70% вызывает снижение удельного поверхностного электрического сопротивления перерабатываемых материалов, что позволяет исключить электризацию гидрофильных материалов (древесина, бумага, хлопчатобумажная ткань). Для этого применяют общее или местное увлажнение воздуха в помещении.

Повышение поверхностной электропроводности полимеров, которые гидрофобны, достигается обработкой их кислотами, например, серной или хлорсульфоновой. Также применяют специальные поверхностно-активные вещества и создают на поверхности диэлектрика электропроводную пленку на основе углерода, металлов или их оксидов.

Объемная электропроводность твердых диэлектриков может быть увеличена введением в их массу электропроводящих наполнителей (ацетиленовая сажа, графит, алюминиевая пудра). Для уменьшения удельного объемного сопротивления диэлектрических жидкостей (нефтепродуктов, растворов полимеров) в них добавляют антистатические присадки (хромовые соли синтетических жирных кислот).

Эффективным способом снижения электризации является применение нейтрализаторов статического электричества, создающих вблизи наэлектризованного диэлектрического объекта положительные и отрицательные ионы. Ионы, несущие заряд, противоположный заряду диэлектрика, притягиваются к нему и нейтрализуют заряд объекта. По принципу действия нейтрализаторы разделяют на следующие типы: коронного разряда (индукционные и высоковольтные), радиоизотопные, аэродинамические и комбинированные.

В качестве основного средства индивидуальной защиты во взрывоопасных помещениях с электропроводными полами используют обувь с кожаной подошвой или подошвой из электропроводной резины. При выполнении работ сидя применяют антистатические халаты в сочетании с электропроводной подушкой стула или электропроводные браслеты, соединенные с заземляющим устройством. При проведении работ внутри емкостей и аппаратов, где возможно образование взрывоопасных газе – и пылевоздушных смесей, недопустимо использование верхней одежды из электризующихся материалов.

Степень наэлектризованности объекта определяется количеством электрического заряда и его распределении на поверхности или в объеме тела. Эти характеристики определяют косвенным путем по величине потенциалов и напряженности электрического поля, создаваемого заряженным телом. При непрерывном образовании зарядов (например, в процессе транспортирования материалов) степень электризации определяют по величине силы тока, протекающего по цепи заземления технологического оборудования. Измерение потенциала и напряженности поля осуществляют электронными электрометрами, динамическими электрометрами и электростатометром с радиоактивным датчиком. Для измерения токов электризации применяют микроамперметры и измерительные усилители.