静电火花放电及其引爆能力的试验研究∗

杨华运，巨广刚

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司, 重庆 400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037；3.国家煤矿防尘通风安全产品质量监督检验中心, 重庆 400037)

静电火花放电及其引爆能力的试验研究∗

杨华运1，2，3，巨广刚1，2，3

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司, 重庆 400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037；3.国家煤矿防尘通风安全产品质量监督检验中心, 重庆 400037)

随着非金属制品的广泛使用，静电火花放电已经成为易燃易爆气体环境中的危险点火源之一。根据静电放电的形式，分析了常见的几种静电放电的形式及其特点，着重阐述了静电火花放电的条件并进行了矿井瓦斯引爆试验研究，得到了静电火花放电的基本特征及其引爆能力的影响因素，为矿井静电事故防治和治理提供理论依据。

静电；火花放电；放电能量

0 引 言

静电放电是人们在日常生产生活中常见的一种现象,其容易引发火灾或爆炸事故,将产生极大的危害和影响。在有易燃易爆物的环境中,电阻率较高的高聚物绝缘材料产生的静电火花放电可能会导致破坏性极强的爆炸燃烧事故。在煤矿生产和传输过程中,静电的来源主要有两个方面,一方面是煤矿粉尘自身由于外部激励而带有电荷[1],当静电电压满足放电条件时,放电火花即可引起可燃气体和粉尘的爆炸；当带有电荷的粉尘靠近高分子材料和设备时被吸收积聚而形成的静电电源就成为瓦斯煤尘爆炸事故的潜在因素。另一方面是煤矿井下使用的大量高分子聚合物制品由于外部作用发生静电集聚而对地放电[2]。静电的产生及放电具有很大的隐蔽性、偶发性和危险性,而静电火花放电研究可为安全生产管理提供科学依据和技术支撑,对创建科学、安全、和谐的社会环境具有重要的现实意义。

1 静电放电

静电是一种处于静止状态的电荷,是由原子外层的电子受到各种外力的影响发生转移后分别形成正负离子造成的,静电的生成主要是由于摩擦、流动、剥离、喷射、吸附、感应起电等引起,可归纳为摩擦带电、感应带电及传导带电[3]。在干燥环境中静电荷可以不断聚集积累,直到造成电荷产生的作用停止、电荷被泄放或者达到足够的强度可以击穿周围物质为止。在静电积累过程中一旦放电条件具备,将产生静电放电现象。典型的静电放电形式有电晕放电、刷形放电、料仓堆表面放电、火花放电和传播型刷形放电等。在易燃易爆环境中,当放电所产生的能量达到一定值时将会引致燃烧和爆炸事故,造成严重的人员伤亡和大量财产损失。在静电放电过程中,不同性质的可燃物质被静电放电火花点燃的条件不同,同种类的可燃物在不同状态下的燃爆特性参量可以有很大的差异；不同放电类型的有效点燃能力不同；同种类型的静电放电火花在不同的带电强度和放电条件下的点燃效果也存在较大的差异[4]。

静电放电为具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移[5],静电放电时具有高电位、强电场和瞬时大电流的特点。要使静电产生放电现象,必须同时具备起电、电荷积累和快速放电3个条件,而且静电放电的发生受环境温度、相对湿度和离子化程度等的影响较大[6]。通常情况下,当带电人体触摸设备、带电设备与接地表面接触、带电机器与设备接触或物体具备足以使电介质击穿的静电场时,带静电物体将产生放电现象。

2 静电火花放电及其能量计算

在静电放电过程中均伴随有热能的释放,从放电时间看,典型的静电放电火花的放电时间除电晕放电、刷形放电的放电时间较短,可能影响其点燃能力外,其余的几种典型放电火花的放电时间基本上不影响火花的点燃效果[7]。其中静电火花放电是放电能量较大的且较为常见的放电形式。静电火花放电一般是在一个电位较高的导体靠近接地导体或尺寸较大的导体时产生,其放电电极上有明显的放电集中点,放电时两导体间的空气被击穿而形成瞬间火花通道,同时伴有短促爆裂声,在短时间内放电能量集中释放,其引燃、引爆能力较强。在多数情况下带电导体上的电荷在一次火花放电中几乎全部放掉[4],即静电火花放电可以将能量集中释放。为此在其放电能量计算时,静电放电有效点燃能量Eef即可认为是其放电相当能量Eeq,对于带电导体而言其火花放电的有效点燃能量,一般可通过式(1)来确定,静电火花放电时由于放电导体间的电容和电位是随机的,为此静电火花放电的点燃能力范围很宽,一般可从零点零几毫焦耳到焦耳量级[8]。

式中:C——放电导体间电容；

V——带电体电位。

3 试验装置

静电放电由于受电源、放电形式、放电环境等的影响,是一个复杂多变的过程。根据实际中各种可能产生危害的静电放电的主要特点,常用电路模型来模拟静电放电,常见的放电模型有:人体模型、人体-金属模型、机器模型、带电器件模型、家具模型、悬浮器件模型、场感应模型、电容藕合模型。其中应用较为广泛的是人体模型和人体-金属模型,而机器模型被认为是静电放电试验中“最严酷”的静电放电模型[6],为此选择机器模型在最严酷的条件下模拟静电火花放电引爆矿井瓦斯的试验。试验装置采用一台0～30 kV电压可调节的标准静电发生装置,其可根据需要产生正负极静电电压,标准静电发生装置通过两个相同的圆球体直接对地放电。实验装置的充电及放电原理电路图如图1所示,图中R为充电限流电阻,E为静电发生装置,K为充电/放电开关,C为对地电容(可通过电桥测量得到其电容值),L为静电放电火花间隙。

4 试验结果分析

为了得出不同静电电极和放电间隙下的静电火花放电引爆能力,试验中将甲烷体积浓度设定为(9.8±0.5)%,氧气体积浓度为(23±0.5)%。在试验中采用不同的静电电荷和不同的放电间隙在含有特定浓度的爆炸箱中进行放电,观察放电火花能否引爆所配置的爆炸性气体。放电极直径分别为1.02, 5.04 mm,放电间隙分别为2,1 mm,根据镜像法原理可计算两球体间电容,同时计算出实验系统电容值(见表1),试验结果见表2。

图1 静电火花放电试验装置原理图

表1 放电极间电容值

根据表2可以看出,当电极直径为1.02 mm,放电间隙为2 mm时,放电均未引爆瓦斯,调大相应放电电压后,持续的放电现象未引爆瓦斯气体。当球形电极直径为5.04 mm,放电间隙为2 mm时,静电压分别调到9.05,8.88,8.79 kV时有放电现象,并迅速引爆爆箱中的瓦斯气体。

通过实验可知,静电火花放电时,作用于瓦斯气体中的点火能量远远低于放电极间的储存能量。根据瓦斯爆炸基元化学反应式计算得到引发瓦斯爆炸的最小点火能为0.28 mJ。上述3种情况中电极间的最小存储能量分别为37.45,34.15,163.26 m J,远远大于瓦斯爆炸最小点火能量0.28 mJ。造成这种现象的原因可能是在静电放电过程中,由于放电不完全,部分储能电容仍然留有部分能量,或者是电晕放电提前消耗了部分能量,或者由于放电环境的影响,导致真正作用于爆炸气体的能量仅仅占了储存能量的很少一部分,且这种损失与放电电极大小及放电间隙大小有很大的关系。

5 结 论

(1)静电是一种处于静止状态的电荷,在干燥环境中静电荷可以不断聚集积累,直到具备放电条件后产生静电放电现象。在静电放电过程中,不同放电类型的有效点燃能力不同,同种类型的静电放电火花在不同的带电强度和放电条件下的点燃效果也存在较大的差异。

表2 静电火花致CH4爆炸试验记录

(2)静电放电的类型主要有电晕放电、刷形放电、料仓堆表面放电和火花放电等。除电晕放电、刷形放电由于放电时间的影响可能会影响其点燃能力外,其余几种放电形式的放电时间基本上不会影响静电火花的点燃效果。且多数情况下静电火花放电将一次性释放出带电导体中的全部电荷。

(3)静电放电能量大小与放电极大小及放电间隙有关,在具备放电条件且静电电压相同的情况下,放电极直径越大、放电间隙越大静电放电释放出来的能量越大,更容易引爆矿井瓦斯。当放电极大小和放电间隙一定时,静电放电引爆瓦斯气体的能力不会因为放电电压的提高而增强。

[1]徐其麟,等.煤矿静电与瓦斯煤尘燃爆事故[J].煤矿安全, 1998,4(6):22-23.

[2]金小汉.煤矿瓦斯爆炸的火花诱因分析与应对措施[J].矿业安全与环保,2008,35(5):66-68.

[3]堤井信力.奇妙的静电[M].王旭,译.北京:科学出版社,2000.

[4]高 玲,周 晖.典型静电放电火花点燃能力测试研究[J].物理试验,2004,24(10):33-37.

[5]GB/T 17626.2-1998,电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验[S].国家质量技术监督局,1998.

[6]刘尚合,武占成,等.静电放电及危害防护[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.

[7]周本谋,范宝春,等.静电放电火花点燃特性与危险性分级方法[J].南京理工大学学报,2005,29(4):475-478.

[8]周本谋,范宝春,等.典型静电放电火花点燃能力测试研究[J].中国安全科学学报,2004,14(4):27-31.

2015-03-16)

杨华运(1982-)，男，广西桂林人，硕士，工程师，注册安全工程师，主要从事矿井灾害防治方面的研究工作，Email:cqmkyhy＠163.com。

中煤科工集团重庆研究院青年创新基金项目(2011QNJJ005).