靜電防護用典型氣體的放電特性及其機理

范鑫辰,羅志龍,徐浩銘,遲曉紅,鄒高興,劉文鳳

(1.西安近代化學研究所,710065,西安;2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安)

火炸藥在生產、運輸、存儲過程中會不可避免地發生摩擦現象而產生靜電荷,當靜電荷累積較多時就會發生靜電放電[1],同時釋放大量能量引爆火炸藥[2]。每年國內外都會發生大量因靜電放電造成的含能材料[3]爆炸事故,造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。據統計,我國火炸藥生產中的意外起火事故有10%～20%是因為靜電放電造成的[4]。我國某軍工企業在單基無煙藥生產混同工序中,因為傳送帶摩擦產生的靜電電壓過大,導致靜電放電引發爆炸,造成20余人死亡,200余人重傷,直接經濟損失高達百萬元。在世界范圍內,美國十年間因為靜電放電造成的火災事故高達116起,法國統計有40%的火炸藥著火事故是由于靜電放電引起[5]。因此,研究不同環境下的靜電放電特性,開辟抑制靜電放電能量過高的新途徑,對于科學研究和工程應用有重要意義[6-7]。

火炸藥在靜電火花作用下發生爆炸的難易程度叫靜電火花感度[8],其中絕對靜電感度是指引燃引爆某火藥所需要的最小放電能量,又稱為燃爆物質的最小點火能[9]。目前,國際上均采用50%發火概率下的靜電能量表示樣品的靜電感度[8]。火炸藥的靜電感度一直是國內外的研究熱點,法國Auzanneau等人研究了放電電極的間距、形狀、放電電容和電阻等因素對靜電感度的影響規律,發現氣體濕度較小時靜電感度較高,隨著氣體濕度增大靜電感度迅速降低[10]。美國空軍設計了靜電感度測試系統,即用記憶示波器記錄電壓、電流和時間信號,并進行積分計算靜電放電能量,用于測試火炸藥生產、運輸、使用過程中的標準靜電感度[11]。在國內,李德鵬等人進行了氮化鉛、硝化棉、梯恩梯等火炸藥的靜電感度測試,發現火炸藥的靜電感度在mJ級呈概率分布[12]。

目前國內外的火炸藥防靜電技術大體可分為三類:一是對火炸藥進行抗靜電劑包覆處理;二是對火炸藥進行改性處理,如表面改性、改善晶型等;三是提供良好的防靜電環境并設置嚴格的生產措施,如設備接地、增加環境濕度等[9]。Talawar等研究了聚維酮包覆火炸藥后靜電感度的變化,結果表明包覆后的疊氮化鉛靜電感度明顯下降,但疊氮化銀變化不明顯,5-硝基四唑汞的靜電感度則呈上升變化[13]。余咸旱研究了表面處理對火炸藥靜電感度的影響,實驗表明不同的表明活性劑和配方對靜電感度有不同的影響[14]。然而,包覆抗靜電劑和火炸藥粒子改性的手段往往只能針對特定的火炸藥,且處理方法比較復雜;而提供防靜電環境則大多只能根據經驗處理,如增大濕度、減小流速以及將設備接地[15-16]等,缺乏系統性。

為了尋找火炸藥生產、運輸等過程中更加有效的靜電防護方法,探索抑制靜電放電能量過高的可行途徑,本文選擇了3種火炸藥工藝工程中所涉及的典型氣氛環境——空氣、二氧化碳以及氦氣為研究對象,展開了靜電擊穿特性研究,通過測量3種氣體在不同壓強、溫度下的靜電擊穿電壓并計算對應的靜電放電能量,探究氣體種類、溫度、壓強等因素對靜電放電能量的影響關系并分析其機理,以此尋找使靜電放電能量最小的氣氛條件,為火炸藥工藝過程中靜電安全評價提供理論基礎和數據支撐。

1 實驗方法

1.1 實驗設備

圖1所示為靜電擊穿測試平臺,實驗平臺由靜電發生器、示波器以及環境控制模塊3部分構成。

靜電發生器選用普瑞馬電子有限公司的PESD6030智能靜電發生器,其具體參數如表1所示,電流波形符合IEC61000-4-2標準[17]。電極極性選擇負極性,放電模式選用空氣放電,放電方式選擇單次觸發,電子槍與電極板之間的間距為軍工標準0.05 mm。

表1 靜電發生器主要參數Table 1 Main parameters of electrostatic generator

示波器選用Tektronix示波器,并搭載一個ETCR016電流探頭和一個Tektronix TPP0201電壓探頭,電流探頭的精度為0.01 A,不設置衰減;電壓探頭的精度為1 V,衰減設為10倍。

環境控制模塊由實驗腔體、機械泵、溫度控制模塊、氣體瓶以及接地系統構成。實驗腔體耐溫范圍為60～200 ℃,耐壓范圍為0.01～0.3 MPa,通過機械泵控制實驗腔體內氣壓變換,采用溫度控制模塊對腔體內溫度進行調控,氣體瓶則用于更換實驗腔體內氣體種類,接地系統采用聚四氟乙烯接地板,以防止實驗過程中外部靜電荷的干擾。

1.2 實驗方法

在恒溫控壓實驗中,首先用機械泵將腔體抽至真空狀態,然后注入實驗氣體到所需氣壓,并通過溫度控制模塊設置所需溫度,靜置5 min,如發生熱脹冷縮現象導致氣壓改變則適當抽氣放氣。本文采用臺階逐級加壓法測試氣體的靜電擊穿電壓,每0.1 kV為一個臺階,每個電壓等級測試30次,通過示波器觀察是否出現擊穿現象。當示波器波形出現下降脈沖則視為該電壓等級發生了擊穿,直到30次均擊穿和30次均不擊穿兩個電壓閾值的出現,以根據火炸藥不同生產標準選擇氣氛環境。每次擊穿后靜置30 s等待氣體恢復絕緣特性。當一個氣壓點實驗完成后則保持溫度不變繼續注入氣體到下一個實驗氣壓。根據火炸藥生產氣壓條件,選擇實驗氣壓范圍為0.05～0.15 MPa,共計8個氣壓點。

在恒壓控溫實驗中,同樣先用機械泵將實驗腔體抽至真空狀態,然后注入實驗氣體到所需氣壓,通過溫度控制模塊設置所需溫度,靜置5 min,若發生熱脹冷縮現象導致氣壓改變則適當抽氣放氣。采用臺階法測試擊穿電壓,當一組實驗完成后則保持氣壓不變,通過溫度模塊改變溫度至下一個實驗溫度點,靜置5 min,若發生熱脹冷縮則再適當抽氣放氣。根據火炸藥生產溫度條件,實驗選擇0、20、40 ℃ 3個溫度點。

2 實驗結果與討論

2.1 氣壓對靜電擊穿特性的影響

圖2給出了3種氣體在3個溫度、不同氣壓下達到100%概率擊穿的靜電擊穿電壓。可以看出,隨著氣壓上升,靜電擊穿電壓逐漸增大。

(a)氣壓對空氣靜電擊穿電壓的影響

在常溫(20 ℃)、一個大氣壓(0.1 MPa)下,空氣、二氧化碳和氦氣達到100%擊穿概率的電壓分別為1.8、2.0、1.2 kV。而當氣壓升至0.15 MPa時,3種氣體達到100%擊穿概率的電壓值分別升至2.3、2.6、1.6 kV。

2.2 溫度對靜電擊穿特性的影響

圖3給出了3種氣體在8種氣壓、不同溫度下達到100%概率擊穿的靜電擊穿電壓。可以看出,隨著溫度上升,擊穿電壓逐漸下降。

(a)溫度對空氣靜電擊穿電壓的影響

空氣、二氧化碳以及氦氣在一個大氣壓(0.1 MPa)下、0 ℃時達到100%概率擊穿的電壓分別為1.9、2.1、1.4 kV,而在40 ℃時就降為1.8、1.9、1.2 kV。

2.3 氣體種類對靜電擊穿特性的影響

圖4給出了不同氣體種類下擊穿電壓的對比,圖中電壓均為3種氣體在不同溫度、壓強下達到100%概率擊穿的電壓值。可以看出,相同條件下二氧化碳的靜電擊穿電壓在3種氣體中最大,而氦氣的靜電擊穿電壓最低。

(a)0 ℃下3種氣體靜電擊穿電壓對比

2.4 氣體的靜電擊穿能量對比

靜電主要通過能量耦合的方式對火炸藥產生影響,靜電放電的能量包含沖擊波能、光能、聲能、熱能等多種能量,其中對火炸藥起主要作用的為焦耳熱能,其可以通過能量公式計算

W=UIt

(1)

式中:W為靜電擊穿能量;U為擊穿發生時板電極的瞬時電壓;I為擊穿時的電流;t為采樣時間,本文中采樣時間為0.2 μs。

圖5給出了3種氣體在不同環境下達到100%概率擊穿時的靜電能量對比圖。可以看出,二氧化碳的靜電擊穿能量在相同條件下是3種氣體中最高的,而氦氣的靜電放電能量在相同條件下則最低,且在40 ℃、0.05 MPa條件下達到最低0.07 mJ。

圖5 不同環境下靜電放電能量對比 Fig.5 Comparison of electrostatic discharge energy in different environments

從圖5還可以看出,氦氣的靜電擊穿能量在同樣的環境條件下遠小于空氣和二氧化碳。在火炸藥生產工藝中可選擇氦氣等靜電放電能量低的氣體作為保護氣體。

2.5 氣體的低能量靜電放電機理

氣體的低能量靜電放電需要同時滿足較低的放電電壓以及放電電流。氣體的靜電放電包含以下幾個關鍵過程:陰極向氣體注入靜電荷、靜電荷在電場的作用下輸運以及與氣體分子碰撞、電場畸變、形成電子崩[18-19]。其基本過程可以描述為:陰極向氣體發射靜電荷,這些電荷作為初始電荷在電場的作用下向陽極移動,并與氣體分子發生碰撞電離,當碰撞電離產生的電荷達到一定程度后,貫穿兩級的電子崩形成,擊穿也隨之發生,物理模型如圖6所示。

圖6 靜電放電物理模型Fig.6 The model of electrostatic discharge

在分子運動論中,平均自由程λ指分子在連續兩次碰撞間分子自由運動的平均路程[20]。電子從陰極發射向陽極運動的過程中,會與氣體分子發生碰撞電離產生二次電子繼而產生電子崩。根據流注理論,當電子崩發展到一定程度后,其產生的畸變電場會造成足夠的空間電離,從而發射出光子形成二次流注,引發擊穿[21]。當平均自由程較大時,根據動能定理,電子在電場中有足夠的加速距離積累較大的動能,與氣體分子碰撞后會電離出更多的氣體分子與二次電子,擊穿容易發生;而當平均自由程較小時,電子無法積累足夠的能量與氣體分子發生碰撞電離,從而消弱了電離過程,擊穿難以發生。因此,氣體中載流子的平均自由程和碰撞電離系數會影響靜電擊穿過程。

首先,平均自由程的大小對擊穿電壓大小有重要影響。采用剛性球模型[22]計算電子與氣體分子之間的平均自由程。假設電子為標準剛性球,氣體分子為半徑r的標準剛性球,氣體在整個腔體中分布均勻,分子濃度為n,如果電子在單位時間內與氣體分子的有效碰撞總數為Z,且電子速度為v,則電子在電場中運動的平均自由程可表示為[21]

λ=1/πr2n=kBT/πr2P

(2)

式中:r為氣體分子半徑;kB為玻爾茲曼常數;T為氣體溫度;P為氣體壓強。

由式(2)可知,溫度與氣壓會改變電子的平均自由程,在氣體種類相同的情況下,即氣體分子半徑r不變時,平均自由程隨溫度的上升而增大,隨氣壓的增大而減小。因此當氣壓增大時,靜電擊穿電壓閾值逐漸增大,達到100%概率擊穿的電壓也逐漸上升;當溫度上升時,靜電擊穿電壓閾值下降,達到100%概率擊穿的電壓也逐漸減小。

其次,氣體靜電擊穿電壓與氣體分子的碰撞電離系數相關[23]。根據氣體擊穿的流注判據,電子崩的形成(即產生臨界擊穿現象)與碰撞電離系數呈反比。碰撞電離系數α指電子沿電場方向運動1 cm的行程所完成的碰撞次數的平均值。一個電子在氣體介質中行進一個單位距離與氣體分子的平均碰撞次數Z=1/λ,因此,碰撞電離系數α可以表示為[21]

(3)

式中:λ為電子的平均自由程;q為電子所帶電荷量;E為外施電場場強;Wi為電子在電場中行進x距離做的功。

將式(2)代入式(3)可得碰撞電離系數表達式為

(4)

式中:F為電子所受電場力;φi表示電通量。

以空氣為例,選擇20 ℃溫度條件,0.1 MPa氣壓條件,代入式(4)可得此時的碰撞電離系數約為34.6 cm-1;當氣壓升為0.15 MPa時,碰撞電離系數降為20.9 cm-1,因此擊穿電壓升高。

另外,靜電擊穿過程與電極間起暈電壓有關。由于尖-板電極之間是極不均勻電場,因此電暈放電的影響也應該考慮。根據Peek定律[24-25],起暈電場強度Es可以表示為

Es=E0mδ[1+K/(δR)1/2]

(5)

式中:E0為均勻電場及標準氣壓、溫度下放電間隔為1 cm時的擊穿場強;m為電極表面粗糙度;K為常數;δ為氣體分子相對密度;R為電極直徑。在相同條件下,氦氣的E0是3種氣體中最低的,因此起暈電場強度最低,擊穿電壓最低。

綜上所述,高溫、低氣壓、高碰撞電離系數、低電離能等都會造成較低的靜電放電能量,因此火炸藥生產、輸運過程中應盡量選擇滿足這些條件的氣氛環境。

3 結 論

針對火炸藥生產工藝中涉及的3種典型氣體——空氣、二氧化碳以及氦氣展開了靜電擊穿特性研究,并計算了靜電放電能量,分析靜電擊穿的物理過程,得到如下結論。

(1)由于溫度的下降和氣壓的上升會減小電子的平均自由程,削弱電離過程,使擊穿的發生需要更高的電場,因此,隨著氣壓的上升或者溫度的下降,100%發生靜電擊穿的電壓閾值增加,同等級電壓擊穿概率下降。

(2)氣體種類對靜電擊穿電壓的影響主要是載流子電離系數的作用,二氧化碳的靜電擊穿電壓大于空氣和氦氣,而氦氣的靜電擊穿電壓是3種氣體中最低的。

(3)基于發生100%放電概率的靜電擊穿電壓計算得到的放電能量,得到氦氣在40 ℃、0.05 MPa條件的放電能量為0.07 mJ,遠小于常用火炸藥的靜電感度。因此在火炸藥生產工藝中,可選擇低壓、較高溫度、低擊穿場強氣體作為靜電防護氣氛環境。