8--雷电和静电(2)解析

第八章雷电和静电张村峰Email：[e-mail]2012年5月电气安全防雷技术概述所有物质（金属、非金属、固体、液体、气体在一定的条件下，都可能发生电子转移，产生静电。静电是相对静止的电荷，是由于两种不同的物体互相摩擦、或者物体与物体紧密接触后又分离而产生的。各种物质束缚电子的能力不同，这个束缚能力可用逸出功来衡量，逸出功是把一个电子从物质内部移到外部所需外界作的功。显然逸出功愈大的物质束缚电子的能力愈强，因此，两种物质接触时，逸出功小的失电子带正电，逸出功大的得电子带负电。静电的产生静电的起电方式接触-分离起电：两种物体接触，其间距离小于25×10-8cm时，由于不同原子得失电子的能力不同，不同原子(包括原子团和分子)外层电子的能级不同，其间即发生电子的转移。因此，两种物质紧密接触，界面两侧会出现大小相等、极性相反的两层电荷。这两层电荷称为双电层，其间的电位差称为接触电位差。静电的产生静电的起电方式破断起电：不论材料破断前其内电荷分布是否均匀，破断后均可能在宏观范围内导致正、负电荷的分离，即产生静电，这种起电称为破断起电。固体粉碎、液体分离过程的起电属于破断起电。静电的产生静电的起电方式感应起电静电的产生静电的起电方式电荷迁移：当一个带电体与一个非带电体接触时，电荷将重新分配，即发生电荷迁移而使非带电体带电。当带电雾滴或粉尘撞击在导体上时，会产生有力的电荷迁移；当气体离子流射在不带电的物体上时，也会产生电荷迁移。静电的产生固体静电：固体静电可直接用双电层和接触电位差的理论来解释。双电层上的接触电位差是极为有限的，而固体静电电位高达数万伏以上，其原因不在于静电电量大(工艺过程中局部范围内的静电电量一般只是微库级的)，而在于电容的变化。dSCSQdU静电的产生人体静电人在活动过程中，人的衣服、鞋以及所携带的用具与其他材料摩擦或接触-分离时，均可能产生静电。液体或粉体从人拿着的容器中倒出或流出时，带走一种极性的电荷，而人体上将留下另一种极性的电荷。人体是导体，在静电场中可能感应起电而成为带电体，也可能引起感应放电。如果空间存在带电尘埃、带电水沫或其他带电粒子，并为人体所吸附，人体也能带电。人体静电与衣服料质、操作速度、地面和鞋底电阻、相对湿度、人体对地电容等因素有关。静电的产生粉体静电：粉体是在特殊状态下的固体，其静电的产生也符合双电层的基本原理。与整块固体相比，粉体具有分散性和悬浮状态的特点。由于表面积的增加，使得静电更容易产生。静电的产生液体静电：液体在流动、过滤、搅拌、喷雾、喷射、飞溅、冲刷、灌注和剧烈晃动等过程中，可能产生十分危险的静电。由于电渗透、电解、电泳等物理过程，液体与固体的接触面上也会出现双电层。01bbLLLLIIeIe静电的产生蒸气和气体静电：蒸气或气体在管道内高速流动或由阀门、缝隙高速喷出时也会产生危险的静电。蒸气产生静电类似液体产生静电，即其静电也是由于接触、分离和分裂等原因产生的。蒸气和气体静电比固体和液体的静电要弱一些，但也能高达万伏以上。静电的消失静电的消失有两种主要方式，即中和和泄漏。前者主要是通过空气发生的；后者主要是通过带电体本身及其相连接的其他物体发生的。静电的消失静电中和电晕放电。刷形放电。火花放电。雷型放电。(a)电晕放电(b)刷形放电(c)传播型刷形放电(d)火花放电(e)雷型放电静电的消失静电泄露绝缘体上较大的泄漏有两条途径：绝缘体表面泄漏和绝缘体内部泄漏。前者遇到是表面电阻，后者遇到是体积电阻。静电通过绝缘体本身的泄漏，其电量符合以下规律：对于生产过程中产生的有害静电，放电时间常数越大，静电越不容易泄漏，危险性越大。通常取绝缘体上静电电量泄漏一半，即当时所用的时间来衡量静电泄漏的快慢，即衡量危险性的大小。这个时间叫做半值时间。通过简单运算，可得半值时间：teQQ02/0QQ693.0693.02/1RCt静电的影响因素材质和杂质的影响材料的电阻率，包括固体材料的表面电阻率对于静电泄漏有很大影响。只有容易得失电子，而且电阻率很高的材料才容易产生和积累静电。生产中常见的乙烯、丙烷、丁烷、原油、汽油、轻油、苯、甲苯、二甲苯、硫酸、橡胶、赛璐珞和塑料等都比较容易产生和积累静电。杂质对静电有很大的影响，静电在很大程度上决定于所含杂质的成分。一般情况下，杂质有增加静电的趋势；但如杂质能降低原有材料的电阻率，则加入杂质有利于静电的泄漏。液体内含有高分子材料(如橡胶、沥青)的杂质时，会增加静电的产生。液体内含有水分时，在液体流动、搅拌或喷射过程中会产生附加静电；液体宏观运动停止后，液体内水珠的沉降过程要持续相当长一段时间，沉降过程中也会产生静电。如果油管或油槽底部积水，经搅动后容易引起静电事故。静电的影响因素工艺设备和工艺参数的影响接触面积越大，双电层正、负电荷越多，产生静电越多。管道内壁越粗糙，接触面积越大，冲击和分离的机会也越多，流动电流就越大。对于粉体，颗粒越小者，一定量粉体的表面积越大，产生静电越多。接触压力越大或摩檫越强烈，会增加电荷的分离，以致产生较多的静电。接触-分离速度越高，产生静电越多。液体流速和管径对液体静电影响很大。饱和流动电流可用下式表达：DKVI静电的影响因素环境条件和时间的影响材料表面电阻率随空气湿度增加而降低，相对湿度越高，材料表面电荷密度越低。但当相对湿度在40%以下时材料表面静电电荷密度几乎不受相对湿度的影响而保持为某一最大值。由于空气湿度受环境温度的影响，以致环境温度的变化可能加剧静电的产生。导电性地面在很多情况下能加强静电的泄漏，减少静电的积累。导电性地面在很多情况下能加强静电的泄漏，减少静电的积累。周围导体布置对静电电压有很大的影响。带静电体周围导体的面积、距离、方位都影响其间电容，从而影响其间静电电压。带电历程会改变物体的表面特性，从而改变带电特征。静电的危害爆炸和火灾：静电能量虽然不大，但电压高则易放电出现电火花。[案例1]1982年7月，吉林省某有机化工厂从国外引进的乙醇装置中，乙烯压缩机的公称直径150mm的二段缸出口管道上，因设计时考虑不周，在离机体2.1m处焊有一根公称直径25mm立管，在长284mm的端部焊有一个重18.5kg的截止阀，在试车时由于压缩机开车震动，导致焊缝开裂，管内压力高达0.75MPa，使浓度为80%的乙烯气体冲出，由于高速气流产生静电引起火灾。静电的危害[案例2]1985年12月，江苏省某化工厂聚氯乙烯车间共聚工段11号聚合釜（7m3）在升温过程中超温、超压，致使人孔垫片破裂，氯乙烯外泄，导致氯乙烯在车间空间爆炸，使860m2两层（局部三层）混合结构的厂房粉碎性倒塌，当场死亡5人，重伤1人，轻伤6人（其中1人中毒）。造成全厂停产，直接损失12.15万元。现场勘察证明，此次爆炸是11号釜人孔铰链部位的密封垫片冲开65mm和75mm，氯乙烯大量泄漏而引起的。升温过程中，看釜工未在岗位监护，以致漏气后误判断为10号釜漏气，导致处理失误。漏气时因摩擦产生静电放电而构成这次爆炸的点火源。该装置安装在旧厂房，厂房为砖木混合结构，不符合防爆要求，大部分伤亡者是因建筑物倒塌砸伤所致。静电的危害静电电击静电电击不是电流持续通过人体的电击，而是由静电放电造成的瞬间冲击性电击。冲击电流引起心室颤动使人致命的界限为0.054A2.s或0.054RPJ。这种瞬间冲击性电击不至于直接使人死亡，人大多数只是产生痛感和震颤。但是，在生产现场却可造成指尖负伤，或因为屡遭电击后产生恐惧心理，从而使工作效率下降。静电的危害妨碍生产静电对化工生产的影响，主要表现在粉料加工、塑料、橡胶和感光胶片加工工艺过程中。在粉料加工过程：在粉体筛分时，由于静电电场力的作用，筛网吸附了细微的粉末，使筛孔变小降低了生产效率。在气流输送工序，管道的某些部位由于静电作用，积存一些被输送物料，减小了管道的流通面积，使输送效率降低。在球磨工序里，因为钢球带电而吸附了一层粉末,这不但会降低球磨的粉碎效果,而且这一层粉末脱落下来混进产品中，会影响产品细度,降低产品质量。静电的危害妨碍生产在粉料加工过程：在计量粉体时，由于计量器具吸附粉体，造成计量误差，影响投料或包装重量的正确性。粉体装袋时，因为静电斥力的作用，使粉体四散飞扬，既损失了物料，又污染了环境。在塑料和橡胶行业，由于制品与辊轴的摩擦或制品的挤压或拉伸，会产生较多的静电。因为静电不能迅速消失，会吸附大量灰尘，而为了清扫灰尘要花费很多时间，浪费了工时。塑料薄膜还会因静电作用而缠卷不紧。静电的危害妨碍生产在感光胶片行业，由于胶片与辊轴的高速摩擦，胶片静电电压可高达数千至数万伏。如果在暗室发生静电放电的话，胶片将因感光而报废；同时，静电使胶卷基片吸附灰尘或纤维，降低了胶片质量，还会造成涂膜不均匀等。随着科学技术的现代化，化工生产普遍采用电子计算机，由于静电的存在可能会影响到电子计算机的正常运行，致使系统发生误动作而影响生产。静电的利用但静电也有其可被利用的一面。静电技术作为一项先进技术，在工业生产中已得到了越来越广泛的应用。如静电除尘、静电喷漆、静电植绒、静电选矿、静电复印等都是利用静电的特点来进行工作的。他们是利用外加能源来产生高压静电场，与生产工艺过程中产生的有害静电不尽相同。防静电的措施静电引起燃烧爆炸的基本条件有四个：一是有产生静电的来源；二是静电得以积累，并达到足以引起火花放电的静电电压；三是静电放电的火花能量达到爆炸性混合物的最小点燃能量；四是静电火花周围有可燃性气体、蒸气和空气形成的可燃性气体混合物。因此，当我们采取适当的措施，消除以上四个基本条件中的任何一个，就能防止静电引起的火灾爆炸。防静电的措施环境危险程度的控制取代易燃介质。在不影响工艺过程、产品质量和经济许可的情况下，尽量用不可燃介质代替易燃介质。降低爆炸性混合物的浓度。在爆炸和火灾危险环境，采用通风装置或抽气装置及时排出爆炸性混合物，使混合物的浓度不超过爆炸下限。减少氧化剂含量。这种方法实质上是充填氮、二氧化碳或其他不活泼的气体，使爆炸性混合物中氧的含量不超过8%，就不会引起燃烧。防静电的措施工艺控制应控制流速输送物料以限制静电的产生选用合适的材料：一种材料与不同种类的其他材料摩擦时，所带的静电的电荷数量和极性随其材料的不同而不同。可以根据静电起电序列选用适当的材料匹配，使生产过程中产生的静电互相抵消，从而达到减少或消除静电危险的目的。同样，在工艺允许的前提下，适当安排加料顺序，也可降低静电的危险性。防静电的措施工艺控制增加静止时间：化工生产中将苯、二硫化碳等液体注入容器、贮罐时，都会产生一定的静电荷。液体内的电荷将向器壁及液面集中并可慢慢泄漏消散，完成这个过程需要一定的时间。所以操作人要等静电基本消散后再进行有关的操作，千万不能操之过急。改变灌注方式：为了减少从贮罐顶部灌注液体时的冲击而产生的静电，要改变灌注管头的形状和灌注方式。经验表明，T型、锥型、45°斜口形和人字形灌注管头，有利于降低贮罐液面的最高静电电位。为了避免液体的冲击、喷射和溅射，应将进液管延伸至近底部位。防静电的措施接地和屏蔽导体接地。凡用来加工、储存、运输各种易燃液体、易燃气体和粉体的设备都必须接地。工厂或车间的氧气、乙炔等管道必须连成一个整体，并予以接地。注油漏斗、浮动罐顶、工作站台、磅秤和金属检尺等辅助设备均应接地。油槽汽车行使时，由于汽车轮胎与路面有摩擦，汽车地盘上可能产生危险的静电。可能产生和积累静电的固体和粉体作业中，压延机、上光机及各种辊轴、磨、筛、混合器等工艺设备均应接地。防静电的措施接地和屏蔽导电性地面。绝缘体接地。屏蔽。增湿随着湿度的增加，绝缘体表面上形成薄薄的水膜。该水膜的厚度只有1*10-5cm，其中含有杂质和溶解物质，有较好的导电性，因此，它能使绝缘体的表面电阻大大降低，能加速静电的泄漏。防静电的措