Статическое электричество

Краткие сведения о статическом электричестве

В некоторых отраслях промышленного производства, связанных с обработкой диэлектрических материалов, нефтеперерабатывающей, текстильной, бумажной, и т.д. наблюдаются явления электризации тел – статическое электричество.

ГОСТ 17.1.018-79 “Статическое электричество. Искробезопастность.” дает такое определение:

Статическое электричество - совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией (растеканием) свободного электрического заряда на поверхности и в объеме диэлектриков и полупроводников, изделий на изолированных (в том числе диспергированных (лат. dispergo – рассеивать; порошки, эмульсии) в диэлектрической среде) проводниках.

Электризация материалов часто препятствует нормальному ходу технологических процессов производства, а также создает дополнительную пожарную опасность вследствие искрообразования при разрядах при наличии в помещениях, резервуарах и ангарах горючих паро- и газо-воздушных смесей.

На практике статическое электричество возникает и накапливается в следующих случаях:

- при соприкосновении или трении твердых материалов;

- при измельчении, перемешивании, пересыпании сыпучих материалов;

- при разбрызгивании жидкостей, фильтровании нефтепродуктов через пористые материалы, очистке загрязненных материалов в растворителях;

- при транспортировке сыпучих материалов и жидкостей по трубопроводам;

- при движении сжатых и сжиженных газов по трубам и истечении их через отверстия;

- при движении транспортных лент и ременных передач;

- при движении транспортных средств на резиновом ходу по сухому изолирующему покрытию.

- это далеко не полный перечень причин и обстоятельств образования статического электричества.

В ряде случаев статическая электризация тела человека и затем последующий разряд с человека на землю или заземленное производственное оборудование, а также электрический разряд с незаземленного оборудования через тело человека могут вызвать болевые и нервные ощущения и быть причиной непроизвольного резкого движения в результате которого человек может получить травму (падения, ушибы и т.д.).

Опасность статического электричества заключается в трех аспектах:

- искровые разряды статического электричества могут привести к взрыву и пожару;

- электростатическое поле и искровые разряды оказывают вредное воздействие на человека;

- статическое электричество негативно влияет на технологический процесс, создавая помехи в работе радиоэлектронной аппаратуры.

Главной опасностью все же являются искровые разряды. Они возникают, когда напряженность электрического поля достигает или превышает электрическую проницаемость диэлектрика.

При определенном значении энергии искры может произойти воспламенение парогазовоздушной или горючей пылевоздушной смеси, находящейся в окружающем пространстве. Такое состояние объекта считается электростатически искроопасным.

Заряды статического электричества могут накапливаться на людях. Это происходит при контактировании с материалами и изделиями, обладающими высокими диэлектрическими свойствами (синтетические полы, ковровые дорожки; обувь с неэлектропроводящими подошвами; одежда и белье из шерсти, шелка, искусственного волокна). Потенциал человека изолированного от земли может достигать 15 кВ и более. При контакте человека с заземленным предметом возникает искровой разряд. Такой разряд во взрывоопасной среде может вызвать взрыв и пожар.

Для человека искровой разряд опасности для жизни не представляет, так как ток при разряде очень малая величина. В зависимости от накопленного потенциала искровой разряд ощущается человеком:

- как легкий укол – 5-7 кВ;

- как острый укол – 7-12 кВ;

- как легкая судорога - 12-25 кВ;

- как средняя судорога – 25-35 кВ;

- острая судорога – 35-40 кВ.

Искровой разряд опасен для человека тем, что разряд может вызвать судорогу или резкое рефлекторное движение. В результате чего возможно падение с высоты, попадание в опасную зону оборудования и пр. Постоянное ощущение уколов и судорог оказывает на человека раздражающее влияние, создает психологический дискомфорт, снижает трудоспособность.

Электростатическое поле также оказывает вредное воздействие на человека, вызывая функциональные сбои со стороны нервной, сердечно-сосудистой системы и других систем организма. Это выражается в ухудшении самочувствия, головных болях, болях в области сердца. Степень негативного влияния электростатического поля на человека зависит от напряженности поля и длительности пребывания в нем.

Образование заряда

Согласно гипотезе о статической электризации тел при соприкосновении двух разноразрядных веществ из-за неравновесности атомных и молекулярных сил на их поверхности происходит перераспределение электронов (в жидкостях и газах еще и ионов) с образованием двойного электрического слоя с противоположными знаками электрических зарядов. Таким образом, между соприкасающимися телами, особенно при их трении, возникает контактная разность потенциалов, значение которой зависит от ряда факторов – диэлектрических свойств материалов, значения их взаимного давления при соприкосновении, влажности и температуры поверхностей этих тел, климатических условий.

При последующем разделении этих тел каждое из них сохраняет свой электрический заряд, а с увеличением расстояния между ними (при уменьшении электрической емкости системы) за счет совершаемой работы по разделению зарядов, разность потенциалов возрастает и может достигнуть десятков и сотен киловольт.

При одинаковых значениях диэлектрической постоянной e соприкасающихся материалов электростатические заряды не возникают.

При статической электризации во время технологических процессов, сопровождающихся трением, размельчением твердых частиц, пересыпанием сыпучих материалов, переливанием диэлектрических жидкостей (нефтепродуктов и т.п.) на изолированных от земли металлических частях оборудования возникают, относительно земли, напряжения порядка десятков киловольт. Так, например, при движении резиновой ленты транспортера и в устройствах ременной передачи на ленте (ремне) и на роликах транспортера (шкивах) из-за некоторой пробуксовки возникают заряды противоположных знаков и большого значения, а разность и потенциалов достигает 45 кВ. Аналогично происходит электризация при сматывании (наматывании) тканей, бумаги, полиэтиленовой пленки и др.

В аэрозолях электрические заряды возникают от трения частиц вещества друг о дуга и о воздух во время движения.

Применяемое в электроустановках минеральное масло, в процессе его переливания, например, слив трансформаторного масла в бак, также подвергается электризации.

Электрические заряды, образующиеся на частях производственного оборудования и изделиях, могут взаимно нейтрализовываться вследствие некоторой электропроводности влажного воздуха, а также стекать в землю по поверхности оборудования, но в некоторых случаях, когда заряды велики и разность потенциалов также велика, то (при малой влажности воздуха) может произойти быстрый искровой разряд между наэлектризованными частями оборудования или на землю. Энергия такой искры может оказаться достаточной для воспламенения горючей ил взрывоопасной смеси. Например для многих паро- и газо-воздушных взрывоопасных смесей требуется небольшая энергия (0.1*10^-3Втс). Практически при напряжении 3 кВ искровой разряд вызывает воспламенение паро- и газо-воздушных взрывоопасных смесей, а при 5 кВ – большей части горючих пылей и волокон.

Отвод статического электричества

Все проводящее оборудование и электропроводящие неметаллические предметы должны быть заземлены независимо от применения других мер защиты от статического электричества.

Неметаллическое оборудование считается заземленным, если сопротивление стекания тока на землю с любых точек его внешней и внутренней поверхностей не превышает 10⁷ Ом при относительной влажности воздуха 60%. Такое сопротивление обеспечивает достаточно малое значение постоянной времени релаксации зарядов.

Эффективным способом подавления электризации нефтепродуктов является введение в основной продукт специальных присадок, например, элеата хрома, элеата кобальта и др… Кроме того, с целью уменьшения статической электризации при сливе нефтепродуктов и других горючих жидкостей необходимо избегать падения и разбрызгивания струи с высоты; сливной шланг (рукав) следует опускать до самого дна цистерны или другой емкости. Неметаллические наконечники этих сливных шлангов во избежание протекания на землю или незаземленные части оборудования необходимо заземлять гибким медным проводником.

Для повышения электропроводности резинотехнических изделий в их состав вводят такие антистатические вещества, как графит и сажа. Такие присадки вводят в резиновые шланги для налива и перекачки ЛВЖ, что в значительной мере снижает опасность воспламенения этих жидкостей при переливании их в передвижные емкости (автоцистерны, железнодорожные цистерны).

Отвод статического электричества, накапливающегося на людях (вследствие пользования бельем и одеждой из шелка, шерсти и искусственных волокон, при движении по токонепроводящему покрытию пола), осуществляют путем устройства токопроводящих полов или заземленных зон, выдачи антистатической обуви и спецодежды в виде антиэлектрического халата с анитэлектрической подушкой.

Молниезащита зданий и сооружений

В результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами, образуется грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и землей.

Так молнии производят тепловые, электрические, а также механические воздействия на те объекты, на которые он проходит. Помимо прямого удара, молнии в здание, сооружение, дерево проявление молнии могут быть в виде электростатической и электромагнитной индукции.

Электростатическая индукция проявляется тем, что на изолированных металлических предметах наводятся опасные электрические потенциалы, вследствие чего возможно искрение между отдельными металлическими элементами конструкций и оборудования.

При грозе, во время ударов молнии в различные промышленные, транспортные и другие объекты, находящиеся вдали от производственных зданий и сооружений, возможно проникновение (занос) электростатических потенциалов в здание по внешним металлическим сооружениям и коммуникациям – эстакадам, монорельсам и канатам подвесных дорог, по трубопроводам, оболочкам кабелей и т.д.

Для приема электрического разряда молнии и отвода её в землю применяют устройства называемые молниеотводами. Молниеотвод состоит из несущей части – опоры (которой может служить само здание или сооружение), молниеприемника, токоотвода и заземления. Наиболее распространенные стержневые и тросовые молниеотводы.

При выполнении молниезащиты зданий и сооружений для повышения безопасности людей и животных необходимо заземлители молниеотводов (кроме углубленных) размещать в редко посещаемых местах, в удалении на 5 метров и более от грунтовых, проезжих и пешеходных дорог.

Для защиты от проявления электростатической индукции в зданиях и сооружениях, присоединяют металлические корпуса всего оборудования, установленного в защищаемом здании, к специальному заземлителю или к защитному заземлению местной электросети; отдельно стоящие неизолированные тросовые и стержневые молниеотводы, наложением молниеприемной сети на плоскую неметаллическую кровлю.

Общие правила по защите оборудования от зарядов статического электричества

ГОСТ 17.1.018-79 “Статическое электричество. Искробезопастность.” дает определение понятий электростатической искробезопастности (ЭСиБ).

Искробезопасность - состояние объекта, при котором исключена возможность взрыва и пожара от статического электричества. Электростатическая искробезопастность должна обеспечиваться путем устранения разрядов статического электричества, способных стать источником зажигания огнеопасных веществ (материалов, смесей, изделий, продукции и т.д.)

Меры защиты от искровых разрядов статического электричества направлены на предотвращение возникновения и накопления статических зарядов и на устранение уже образовавшихся зарядов. Осуществление этих мер обязательно во взрыво- и пожароопасных зонах, классов В-I, В-Iа, В-Iб, В-II, В-IIа, П-I, П-II (ПУЭ гл. 7.3, 7.4). Вне указанных зон защиту осуществляют в тех случаях, когда статическое электричество негативно влияет на технологический процесс или представляет опасность для работающих.

Устранение образования значительных зарядов статического электричества достигается при помощи следующих мер:

- заземляющие устройства;

- нейтрализаторы;

- увлажняющие устройства;

- антиэлектростатические вещества;

- экранирующие устройства.

Наиболее простой и часто применяемой мерой защиты является заземление оборудования, на котором могут возникать и накапливаться электростатические заряды. Заземлению подлежат все металлические и электропроводные неметаллические части оборудования.

Заземление устройства для защиты от статического электричества, как правило, соединяется с защитными заземляющими устройствами электроустановок.

Если заземляющее устройство предназначено только для отвода в землю электростатических зарядов, то его сопротивление растеканию не должно превышать 100 Ом. К заземляющему устройству присоединяют отдельными ответвлениями от магистрали аппараты и машины, являющиеся источниками статической электризации (смесители, вальцы, каландры, дробилки, сливно-наливные устройства нефтепродуктов и др.). Автоцистерны во время слива или налива горючих жидкостей заземляют переносным заземлением в виде гибкого многопроволочного провода.

Неметаллическое оборудование считается электрически заземленным, если сопротивление любой его точки относительно контура земли не превышает 10⁷.

Агрегаты, трубопроводы, вентиляционные воздуховоды и другое оборудование, образующее технологическую линию, должны представлять собой непрерывную электрическую цепь, которая в пределах цеха присоединяется к заземлителю не менее чем в двух точках.

Для защиты от разрядов статического электричества вся металлическая аппаратура, резервуары, газопроводы, нефтепроводы и другие устройства, расположенные как внутри помещений, так и вне их и содержащие ЛВЖ и ГЖ должны быть заземлены.

Эстокады для трубопроводов следует в начале и конце, а также через каждые 300 м соединять с проходящими по ним трубопроводами и заземлять. При транспортировке и наливе сжиженных углеводородных газов, ЛВЖ и ГЖ, на всем протяжении системы транспортировки должна обеспечиваться непрерывная токопроводящая цепь, замкнутая на заполняемую емкость и эстокаду. Для заземления следует использовать гибкий медный проводник сечением не менее 16 мм². Заземление передвижных объектов, подвергающихся статической электризации, осуществляется с помощью колес из токопроводящей резины, а также с помощью металлических цепей, контактирующих с землей.

Заземлению не подлежит электрооборудование, которое по характеру своего расположения и способу крепления имеет надежный контакт с другими заземленными металлическими частями установки, а именно:

- оборудование, установленное на заземленных металлических конструкциях;

- корпуса электроизмерительных приборов, реле и т.п. установленные в щитах, шкафах и пультах;

- съемные или открывающиеся части на металлических заземленных каркасах.

Заземление применяется во всех случаях, вне зависимости от применения других мер защиты.

Снижения уровня электростатических зарядов можно добиться путем ионизации электризующегося материала или среды вблизи его поверхности. Для этой цели применяются нейтрализаторы, которые по принципу действия делятся на индукционные, высоковольтные, лучевые, аэродинамические.

При относительной влажности воздуха 85% и более разрядов статического электричества практически не возникает.

Для уменьшения интенсивности образования электростатических зарядов применяют химическую обработку или обработку поверхностно-активными веществами.

Для диэлектрических жидкостей (нефтепродукты, растворы полимеров) для снижения электрического сопротивления в них вводят энтиэлектростатические присадки АСП-1, Аккор-1, Сигбол, что приводит к снижению сопротивления в 1000 раз и более. В твердые диэлектрики добавляют антиэлектростатики: ацетиленовый технический углерод, алюминиевую пудру, графит, цинковую пыль.

Нефть и нефтепродукты – хорошие диэлектрики и способны сохранять электрические заряды в течение длительного времени.Значение относительной диэлектрической постоянной g = 2, что в 3,5 раза меньше такого изолятора как стекло (g = 7). У безводных, чистых нефтепродуктов электропроводность совершенно ничтожна. Это свойство широко используется на практике. Так, твердые парафины применяются в электромеханической промышленности в качестве изолятора, а специальные нефтяные масла – для заливки трансформаторов, конденсаторов и другой аппаратуры в электро- и радиопромышленности.

Высокие диэлектрические свойства нефтепродуктов способствуют накоплению на их поверхности зарядов статического электричества. Образование статического электричества может произойти от ряда самых разнообразных причин. При перекачке нефтепродуктов с большой скоростью в результате трения о трубы или в результате ударов жидкой струи при заполнении емкостей возникают заряды, иногда очень высокого напряжения. Для предупреждения возникновения опасных искровых разрядов статического электричества с поверхности нефти и нефтепродуктов, оборудования, а также с тела человека, необходимо предусматривать меры, уменьшающие величину возникающего заряда и обеспечивающие его стекание.Для снижения интенсивности накапливания электрических зарядов нефтепродукты должны закачиваться в резервуары и цистерны без разбрызгивания, распыления или бурного перемешивания. В резервуары нефтепродукты должны поступать ниже уровня находящегося в нем остатка нефтепродукта. Налив светлых нефтепродуктов свободно падающей струей не допускается. Расстояние от конца загрузочной трубы до конца приемного сосуда не должно превышать 200 мм, а если это невозможно, то струя должна быть направлена вдоль стенки. Скорости движения жидких углеводородов по трубопроводам не должны превышать предельно допустимых значений, которые зависят от вида проводимых операций, физико-химических свойств содержания и размера нерастворимых примесей и свойств материала стенок трубопровода. Для нефтепродуктов с удельным электрическим сопротивлением не более 10⁹ Ом скорости движения и истечения допускаются до 5 м/с. При заполнении порожнего резервуара нефти должны подаваться в него со скоростью не более 1 м/с до момента затопления конца приемно-раздаточного патрубка. Для обеспечения стекания возникшего электрического заряда все металлические части аппаратуры, насосов и трубопроводных коммуникаций заземляются, и осуществляется постоянный электрический контакт тела человека с заземлением. Емкости, находящиеся под наливом и сливом пожароопасных нефтепродуктов, в течение всего времени заполнения и опорожнения должны быть присоединены к заземляющим устройствам.