靜電火花放電及其引爆能力的試驗研究?

楊華運，巨廣剛

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司, 重慶 400037；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037；3.國家煤礦防塵通風安全產品質量監督檢驗中心, 重慶 400037)

靜電火花放電及其引爆能力的試驗研究?

楊華運1，2，3，巨廣剛1，2，3

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司, 重慶 400037；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037；3.國家煤礦防塵通風安全產品質量監督檢驗中心, 重慶 400037)

隨著非金屬制品的廣泛使用，靜電火花放電已經成為易燃易爆氣體環境中的危險點火源之一。根據靜電放電的形式，分析了常見的幾種靜電放電的形式及其特點，著重闡述了靜電火花放電的條件并進行了礦井瓦斯引爆試驗研究，得到了靜電火花放電的基本特征及其引爆能力的影響因素，為礦井靜電事故防治和治理提供理論依據。

靜電；火花放電；放電能量

0 引 言

靜電放電是人們在日常生產生活中常見的一種現象,其容易引發火災或爆炸事故,將產生極大的危害和影響。在有易燃易爆物的環境中,電阻率較高的高聚物絕緣材料產生的靜電火花放電可能會導致破壞性極強的爆炸燃燒事故。在煤礦生產和傳輸過程中,靜電的來源主要有兩個方面,一方面是煤礦粉塵自身由于外部激勵而帶有電荷[1],當靜電電壓滿足放電條件時,放電火花即可引起可燃氣體和粉塵的爆炸；當帶有電荷的粉塵靠近高分子材料和設備時被吸收積聚而形成的靜電電源就成為瓦斯煤塵爆炸事故的潛在因素。另一方面是煤礦井下使用的大量高分子聚合物制品由于外部作用發生靜電集聚而對地放電[2]。靜電的產生及放電具有很大的隱蔽性、偶發性和危險性,而靜電火花放電研究可為安全生產管理提供科學依據和技術支撐,對創建科學、安全、和諧的社會環境具有重要的現實意義。

1 靜電放電

靜電是一種處于靜止狀態的電荷,是由原子外層的電子受到各種外力的影響發生轉移后分別形成正負離子造成的,靜電的生成主要是由于摩擦、流動、剝離、噴射、吸附、感應起電等引起,可歸納為摩擦帶電、感應帶電及傳導帶電[3]。在干燥環境中靜電荷可以不斷聚集積累,直到造成電荷產生的作用停止、電荷被泄放或者達到足夠的強度可以擊穿周圍物質為止。在靜電積累過程中一旦放電條件具備,將產生靜電放電現象。典型的靜電放電形式有電暈放電、刷形放電、料倉堆表面放電、火花放電和傳播型刷形放電等。在易燃易爆環境中,當放電所產生的能量達到一定值時將會引致燃燒和爆炸事故,造成嚴重的人員傷亡和大量財產損失。在靜電放電過程中,不同性質的可燃物質被靜電放電火花點燃的條件不同,同種類的可燃物在不同狀態下的燃爆特性參量可以有很大的差異；不同放電類型的有效點燃能力不同；同種類型的靜電放電火花在不同的帶電強度和放電條件下的點燃效果也存在較大的差異[4]。

靜電放電為具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移[5],靜電放電時具有高電位、強電場和瞬時大電流的特點。要使靜電產生放電現象,必須同時具備起電、電荷積累和快速放電3個條件,而且靜電放電的發生受環境溫度、相對濕度和離子化程度等的影響較大[6]。通常情況下,當帶電人體觸摸設備、帶電設備與接地表面接觸、帶電機器與設備接觸或物體具備足以使電介質擊穿的靜電場時,帶靜電物體將產生放電現象。

2 靜電火花放電及其能量計算

在靜電放電過程中均伴隨有熱能的釋放,從放電時間看,典型的靜電放電火花的放電時間除電暈放電、刷形放電的放電時間較短,可能影響其點燃能力外,其余的幾種典型放電火花的放電時間基本上不影響火花的點燃效果[7]。其中靜電火花放電是放電能量較大的且較為常見的放電形式。靜電火花放電一般是在一個電位較高的導體靠近接地導體或尺寸較大的導體時產生,其放電電極上有明顯的放電集中點,放電時兩導體間的空氣被擊穿而形成瞬間火花通道,同時伴有短促爆裂聲,在短時間內放電能量集中釋放,其引燃、引爆能力較強。在多數情況下帶電導體上的電荷在一次火花放電中幾乎全部放掉[4],即靜電火花放電可以將能量集中釋放。為此在其放電能量計算時,靜電放電有效點燃能量Eef即可認為是其放電相當能量Eeq,對于帶電導體而言其火花放電的有效點燃能量,一般可通過式(1)來確定,靜電火花放電時由于放電導體間的電容和電位是隨機的,為此靜電火花放電的點燃能力范圍很寬,一般可從零點零幾毫焦耳到焦耳量級[8]。

式中:C——放電導體間電容；

V——帶電體電位。

3 試驗裝置

靜電放電由于受電源、放電形式、放電環境等的影響,是一個復雜多變的過程。根據實際中各種可能產生危害的靜電放電的主要特點,常用電路模型來模擬靜電放電,常見的放電模型有:人體模型、人體-金屬模型、機器模型、帶電器件模型、家具模型、懸浮器件模型、場感應模型、電容藕合模型。其中應用較為廣泛的是人體模型和人體-金屬模型,而機器模型被認為是靜電放電試驗中“最嚴酷”的靜電放電模型[6],為此選擇機器模型在最嚴酷的條件下模擬靜電火花放電引爆礦井瓦斯的試驗。試驗裝置采用一臺0～30 kV電壓可調節的標準靜電發生裝置,其可根據需要產生正負極靜電電壓,標準靜電發生裝置通過兩個相同的圓球體直接對地放電。實驗裝置的充電及放電原理電路圖如圖1所示,圖中R為充電限流電阻,E為靜電發生裝置,K為充電/放電開關,C為對地電容(可通過電橋測量得到其電容值),L為靜電放電火花間隙。

4 試驗結果分析

為了得出不同靜電電極和放電間隙下的靜電火花放電引爆能力,試驗中將甲烷體積濃度設定為(9.8±0.5)%,氧氣體積濃度為(23±0.5)%。在試驗中采用不同的靜電電荷和不同的放電間隙在含有特定濃度的爆炸箱中進行放電,觀察放電火花能否引爆所配置的爆炸性氣體。放電極直徑分別為1.02, 5.04 mm,放電間隙分別為2,1 mm,根據鏡像法原理可計算兩球體間電容,同時計算出實驗系統電容值(見表1),試驗結果見表2。

圖1 靜電火花放電試驗裝置原理圖

表1 放電極間電容值

根據表2可以看出,當電極直徑為1.02 mm,放電間隙為2 mm時,放電均未引爆瓦斯,調大相應放電電壓后,持續的放電現象未引爆瓦斯氣體。當球形電極直徑為5.04 mm,放電間隙為2 mm時,靜電壓分別調到9.05,8.88,8.79 kV時有放電現象,并迅速引爆爆箱中的瓦斯氣體。

通過實驗可知,靜電火花放電時,作用于瓦斯氣體中的點火能量遠遠低于放電極間的儲存能量。根據瓦斯爆炸基元化學反應式計算得到引發瓦斯爆炸的最小點火能為0.28 mJ。上述3種情況中電極間的最小存儲能量分別為37.45,34.15,163.26 m J,遠遠大于瓦斯爆炸最小點火能量0.28 mJ。造成這種現象的原因可能是在靜電放電過程中,由于放電不完全,部分儲能電容仍然留有部分能量,或者是電暈放電提前消耗了部分能量,或者由于放電環境的影響,導致真正作用于爆炸氣體的能量僅僅占了儲存能量的很少一部分,且這種損失與放電電極大小及放電間隙大小有很大的關系。

5 結 論

(1)靜電是一種處于靜止狀態的電荷,在干燥環境中靜電荷可以不斷聚集積累,直到具備放電條件后產生靜電放電現象。在靜電放電過程中,不同放電類型的有效點燃能力不同,同種類型的靜電放電火花在不同的帶電強度和放電條件下的點燃效果也存在較大的差異。

表2 靜電火花致CH4爆炸試驗記錄

(2)靜電放電的類型主要有電暈放電、刷形放電、料倉堆表面放電和火花放電等。除電暈放電、刷形放電由于放電時間的影響可能會影響其點燃能力外,其余幾種放電形式的放電時間基本上不會影響靜電火花的點燃效果。且多數情況下靜電火花放電將一次性釋放出帶電導體中的全部電荷。

(3)靜電放電能量大小與放電極大小及放電間隙有關,在具備放電條件且靜電電壓相同的情況下,放電極直徑越大、放電間隙越大靜電放電釋放出來的能量越大,更容易引爆礦井瓦斯。當放電極大小和放電間隙一定時,靜電放電引爆瓦斯氣體的能力不會因為放電電壓的提高而增強。

[1]徐其麟,等.煤礦靜電與瓦斯煤塵燃爆事故[J].煤礦安全, 1998,4(6):22-23.

[2]金小漢.煤礦瓦斯爆炸的火花誘因分析與應對措施[J].礦業安全與環保,2008,35(5):66-68.

[3]堤井信力.奇妙的靜電[M].王旭,譯.北京:科學出版社,2000.

[4]高 玲,周 暉.典型靜電放電火花點燃能力測試研究[J].物理試驗,2004,24(10):33-37.

[5]GB/T 17626.2-1998,電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗[S].國家質量技術監督局,1998.

[6]劉尚合,武占成,等.靜電放電及危害防護[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.

[7]周本謀,范寶春,等.靜電放電火花點燃特性與危險性分級方法[J].南京理工大學學報,2005,29(4):475-478.

[8]周本謀,范寶春,等.典型靜電放電火花點燃能力測試研究[J].中國安全科學學報,2004,14(4):27-31.

2015-03-16)

楊華運(1982-)，男，廣西桂林人，碩士，工程師，注冊安全工程師，主要從事礦井災害防治方面的研究工作，Email:cqmkyhy＠163.com。

中煤科工集團重慶研究院青年創新基金項目(2011QNJJ005).