靜電火花放電及其引爆能力的試驗(yàn)研究?

楊華運(yùn)，巨廣剛

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司, 重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037；3.國家煤礦防塵通風(fēng)安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 重慶 400037)

靜電火花放電及其引爆能力的試驗(yàn)研究?

楊華運(yùn)1，2，3，巨廣剛1，2，3

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司, 重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037；3.國家煤礦防塵通風(fēng)安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(jīng)成為易燃易爆氣體環(huán)境中的危險(xiǎn)點(diǎn)火源之一。根據(jù)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(diǎn)，著重闡述了靜電火花放電的條件并進(jìn)行了礦井瓦斯引爆試驗(yàn)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(jù)。

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(chǎn)生活中常見的一種現(xiàn)象,其容易引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故,將產(chǎn)生極大的危害和影響。在有易燃易爆物的環(huán)境中,電阻率較高的高聚物絕緣材料產(chǎn)生的靜電火花放電可能會(huì)導(dǎo)致破壞性極強(qiáng)的爆炸燃燒事故。在煤礦生產(chǎn)和傳輸過程中,靜電的來源主要有兩個(gè)方面,一方面是煤礦粉塵自身由于外部激勵(lì)而帶有電荷[1],當(dāng)靜電電壓滿足放電條件時(shí),放電火花即可引起可燃?xì)怏w和粉塵的爆炸；當(dāng)帶有電荷的粉塵靠近高分子材料和設(shè)備時(shí)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(fā)生靜電集聚而對(duì)地放電[2]。靜電的產(chǎn)生及放電具有很大的隱蔽性、偶發(fā)性和危險(xiǎn)性,而靜電火花放電研究可為安全生產(chǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐,對(duì)創(chuàng)建科學(xué)、安全、和諧的社會(huì)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 靜電放電

靜電是一種處于靜止?fàn)顟B(tài)的電荷,是由原子外層的電子受到各種外力的影響發(fā)生轉(zhuǎn)移后分別形成正負(fù)離子造成的,靜電的生成主要是由于摩擦、流動(dòng)、剝離、噴射、吸附、感應(yīng)起電等引起,可歸納為摩擦帶電、感應(yīng)帶電及傳導(dǎo)帶電[3]。在干燥環(huán)境中靜電荷可以不斷聚集積累,直到造成電荷產(chǎn)生的作用停止、電荷被泄放或者達(dá)到足夠的強(qiáng)度可以擊穿周圍物質(zhì)為止。在靜電積累過程中一旦放電條件具備,將產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)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(huán)境中,當(dāng)放電所產(chǎn)生的能量達(dá)到一定值時(shí)將會(huì)引致燃燒和爆炸事故,造成嚴(yán)重的人員傷亡和大量財(cái)產(chǎn)損失。在靜電放電過程中,不同性質(zhì)的可燃物質(zhì)被靜電放電火花點(diǎn)燃的條件不同,同種類的可燃物在不同狀態(tài)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(diǎn)燃能力不同；同種類型的靜電放電火花在不同的帶電強(qiáng)度和放電條件下的點(diǎn)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(zhuǎn)移[5],靜電放電時(shí)具有高電位、強(qiáng)電場和瞬時(shí)大電流的特點(diǎn)。要使靜電產(chǎn)生放電現(xiàn)象,必須同時(shí)具備起電、電荷積累和快速放電3個(gè)條件,而且靜電放電的發(fā)生受環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和離子化程度等的影響較大[6]。通常情況下,當(dāng)帶電人體觸摸設(shè)備、帶電設(shè)備與接地表面接觸、帶電機(jī)器與設(shè)備接觸或物體具備足以使電介質(zhì)擊穿的靜電場時(shí),帶靜電物體將產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

2 靜電火花放電及其能量計(jì)算

在靜電放電過程中均伴隨有熱能的釋放,從放電時(shí)間看,典型的靜電放電火花的放電時(shí)間除電暈放電、刷形放電的放電時(shí)間較短,可能影響其點(diǎn)燃能力外,其余的幾種典型放電火花的放電時(shí)間基本上不影響火花的點(diǎn)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(gè)電位較高的導(dǎo)體靠近接地導(dǎo)體或尺寸較大的導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生,其放電電極上有明顯的放電集中點(diǎn),放電時(shí)兩導(dǎo)體間的空氣被擊穿而形成瞬間火花通道,同時(shí)伴有短促爆裂聲,在短時(shí)間內(nèi)放電能量集中釋放,其引燃、引爆能力較強(qiáng)。在多數(shù)情況下帶電導(dǎo)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(jì)算時(shí),靜電放電有效點(diǎn)燃能量Eef即可認(rèn)為是其放電相當(dāng)能量Eeq,對(duì)于帶電導(dǎo)體而言其火花放電的有效點(diǎn)燃能量,一般可通過式(1)來確定,靜電火花放電時(shí)由于放電導(dǎo)體間的電容和電位是隨機(jī)的,為此靜電火花放電的點(diǎn)燃能力范圍很寬,一般可從零點(diǎn)零幾毫焦耳到焦耳量級(jí)[8]。

式中:C——放電導(dǎo)體間電容；

V——帶電體電位。

3 試驗(yàn)裝置

靜電放電由于受電源、放電形式、放電環(huán)境等的影響,是一個(gè)復(fù)雜多變的過程。根據(jù)實(shí)際中各種可能產(chǎn)生危害的靜電放電的主要特點(diǎn),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(jī)器模型、帶電器件模型、家具模型、懸浮器件模型、場感應(yīng)模型、電容藕合模型。其中應(yīng)用較為廣泛的是人體模型和人體-金屬模型,而機(jī)器模型被認(rèn)為是靜電放電試驗(yàn)中“最嚴(yán)酷”的靜電放電模型[6],為此選擇機(jī)器模型在最嚴(yán)酷的條件下模擬靜電火花放電引爆礦井瓦斯的試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置采用一臺(tái)0～30 kV電壓可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)靜電發(fā)生裝置,其可根據(jù)需要產(chǎn)生正負(fù)極靜電電壓,標(biāo)準(zhǔn)靜電發(fā)生裝置通過兩個(gè)相同的圓球體直接對(duì)地放電。實(shí)驗(yàn)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(fā)生裝置,K為充電/放電開關(guān),C為對(duì)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(yàn)結(jié)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(yàn)中將甲烷體積濃度設(shè)定為(9.8±0.5)%,氧氣體積濃度為(23±0.5)%。在試驗(yàn)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(jìn)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(jù)鏡像法原理可計(jì)算兩球體間電容,同時(shí)計(jì)算出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電容值(見表1),試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖1 靜電火花放電試驗(yàn)裝置原理圖

表1 放電極間電容值

根據(jù)表2可以看出,當(dāng)電極直徑為1.02 mm,放電間隙為2 mm時(shí),放電均未引爆瓦斯,調(diào)大相應(yīng)放電電壓后,持續(xù)的放電現(xiàn)象未引爆瓦斯氣體。當(dāng)球形電極直徑為5.04 mm,放電間隙為2 mm時(shí),靜電壓分別調(diào)到9.05,8.88,8.79 kV時(shí)有放電現(xiàn)象,并迅速引爆爆箱中的瓦斯氣體。

通過實(shí)驗(yàn)可知,靜電火花放電時(shí),作用于瓦斯氣體中的點(diǎn)火能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于放電極間的儲(chǔ)存能量。根據(jù)瓦斯爆炸基元化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算得到引發(fā)瓦斯爆炸的最小點(diǎn)火能為0.28 mJ。上述3種情況中電極間的最小存儲(chǔ)能量分別為37.45,34.15,163.26 m J,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瓦斯爆炸最小點(diǎn)火能量0.28 mJ。造成這種現(xiàn)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(chǔ)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(huán)境的影響,導(dǎo)致真正作用于爆炸氣體的能量僅僅占了儲(chǔ)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(guān)系。

5 結(jié) 論

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

表2 靜電火花致CH4爆炸試驗(yàn)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(shí)間的影響可能會(huì)影響其點(diǎn)燃能力外,其余幾種放電形式的放電時(shí)間基本上不會(huì)影響靜電火花的點(diǎn)燃效果。且多數(shù)情況下靜電火花放電將一次性釋放出帶電導(dǎo)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(guān),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(dāng)放電極大小和放電間隙一定時(shí),靜電放電引爆瓦斯氣體的能力不會(huì)因?yàn)榉烹婋妷旱奶岣叨鰪?qiáng)。

[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(yīng)對(duì)措施[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2008,35(5):66-68.

[3]堤井信力.奇妙的靜電[M].王旭,譯.北京:科學(xué)出版社,2000.

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

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

[7]周本謀,范寶春,等.靜電放電火花點(diǎn)燃特性與危險(xiǎn)性分級(jí)方法[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,29(4):475-478.

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

2015-03-16)

楊華運(yùn)(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(zāi)害防治方面的研究工作，Email:cqmkyhy＠163.com。

中煤科工集團(tuán)重慶研究院青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2011QNJJ005).