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采礦安全透明塑料防爆電氣設(shè)備及其抗靜電特性

文檔作者：西德D.艾斯菲爾德		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月21日
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透明塑料防爆電氣設(shè)備及其抗靜電特性
〔西德D.艾斯菲爾德
、引言
塑料材料強度高且重量輕,與玻璃有同樣的透明度但卻不象玻璃那樣易碎。塑料用于
有爆炸危險的礦井環(huán)境時,由于存在靜電發(fā)火的危險,給其良好的絕緣性能帶來危險。由于
碳末和煙灰的污染,塑料可變成具有導(dǎo)電性能的材料。而且,這樣一來塑料就變成了黑不透
明體,發(fā)揮不了窗戶和燈罩的作用。
即透明同時又具有高度絕緣性能的塑料部件的防靜電安全程度,可以僅由純電氣測量來
評價。它可由實際燃燒試驗測定。這種試驗在多特蒙特試驗研究所的試驗礦井進(jìn)行。本文介
紹了測量方法和應(yīng)當(dāng)考慮的環(huán)境,主要目的是對比充電和放電過程中分離和重新組合的靜
電荷。
二、測試方法
電荷嚴(yán)格地遵循著守恒定律。例如,靜電就意味著當(dāng)一個原先不帶電的塑料表面被充電
時(這可以從電場顯示出來),則會在另一個不同的但與其位置很接近的表面上產(chǎn)生同等量
的電荷,只是由電荷符號不同,但這些電荷的代數(shù)和一定是零(與原先一樣)在靜電試驗
中,要測量積累在塑料部件上的電荷量,人們可以把已從塑料部件上消除的且符號相反的等
量電荷記錄下來。這就是以下所述的高絕緣塑料部件安全性測量方法的基本原理。
1.第一步測試物在較高的相對溫度(>70%條件下完全放電,然后,再把空氣調(diào)
至盡可能干燥(>40%)的程度。
2.第二步測試物表面或其預(yù)定部位被充電,測定消除的電荷,可以確定
是否達(dá)到穩(wěn)定的充電條件;
塑料表面是否已經(jīng)儲存帶負(fù)號的多余電荷
是否超過臨界電荷密度;
是否產(chǎn)生明顯的電離現(xiàn)象。
3.第三步測試當(dāng)靠近金屬探頭時是否發(fā)生了刷放電,這一點可由已接通的電荷計
顯示出。當(dāng)探頭接近已帶電的表面時,靜電感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電荷讀數(shù)就返回原值。測出不穩(wěn)
定的電荷量表示電刷已完全放電。當(dāng)塑料部件沒有完全放電就被拿開時,我們僅可讀到單向
躍出電荷的準(zhǔn)確值。
4.第四步驗證“單電荷總量”,它是造成“躍出”電荷的主要原因。它存在于已帶
電的塑料部件上,根據(jù)第二步可以在充電過程中將其測量出來。把仍附著在零部件表面的靜
止電荷傳入到電荷計中,一定要采用合適的技術(shù)。檢驗電荷平衡的偏差表明:
(1)或者來源于以前接觸測試物時的殘余電荷,或者來源于以前試驗中的殘余電荷;
(2)環(huán)境中的干擾電荷,例如,測試人員衣服上的電荷;
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(3)或者是未料到的電荷的遺漏,例如,試驗出差錯;
(4)或者是檢驗中塑料零部件殘余導(dǎo)電性的干擾
(5)或者是在非導(dǎo)電層平面下的屏蔽導(dǎo)電層(接地的或不接的)
(6)或是源于電氣設(shè)備內(nèi)部的金屬接地部件的鋒利邊緣。
(5)和(6)兩點表明不太為人們所了解的原則,即:認(rèn)為區(qū)分所謂的“單電荷”和
“雙電荷”這兩類電荷是很必要的,塑料零部件的大部分充電電荷是這兩類電荷的混合。
5.評價準(zhǔn)則當(dāng)被測試的塑料零部件的表面產(chǎn)生火于2×10-c/cm2負(fù)電荷時,測量電
荷密度就能準(zhǔn)確指出點燃沼氣的可能性。
當(dāng)測試探頭測出的放電電荷,表明是否實際存在著靜電引燃危險。當(dāng)單電刷放電多于
50×10-c負(fù)電荷躍入測試探頭時,也是這種情況。
根據(jù)上面所述第四步,對檢查測試工作的正確性和正確地說明測試結(jié)果,驗證電荷平衡
是完全必要的。盡管如此,有較大的電荷平衡偏差還是允許的。即使所測單電荷總量不到初
始時的一半,或僅為原來的20%的情況下為了找出偏差的原因,檢驗試驗很有必要,并需
根據(jù)第一步(放電和限制條件),從第一步開始重新做試驗。
6.測試方法和不適用范圍上述測量方法僅適用于高絕緣塑料部件的評價。它的基本
假想是,一旦產(chǎn)生電荷,即使在幾分鐘后仍可被測到,電荷損失不超過50%,這就要求表面
電阻大于103。另一方面,被測量表面的電阻<10,則被視為具有抗靜電安全性,不需進(jìn)
一步做靜電試驗,因為這種偶然積累的電荷可以在1/10秒內(nèi)完全消失。表面電阻介于這兩個
限度之間,不能視為在抗靜電方面是安全的因為測量不能在足夠短的時間內(nèi)完成。
三、測試設(shè)備及其用途
1.可調(diào)測試室
為使測試物處于良好的測試環(huán)境,測試室溫度為23±2℃,相對濕度為40±2%。測試
的四周要由對靜電有導(dǎo)電性的材料構(gòu)成,且保持著通電連接。
2、電荷計
把一個10AF容量的電容器接入電荷源與“接地”(測試室邊緣的電位之間的電纜上,
該處的電壓用一個高電阻測電儀來測量(內(nèi)部電阻>10)。與2000×10c的電荷相對應(yīng)
的最后電壓值是0,2V。
3.充電的輔助方法
對測試物絕緣表面充電,可以用一組拳頭大小的低導(dǎo)電物質(zhì)由人工來進(jìn)行,例如軟紙、
羊皮、亞麻布和棉織物。負(fù)責(zé)摩擦的試驗人員必須站在小型絕緣物上(固定在其下)。這
樣,在電荷計完全記錄后,摩擦電荷就會通過人的手流入地下。試驗人員的手由一根金屬線
與電荷計保持接通。假如摩擦物是絕緣體,也就是純塑料物,為了至少部分地消除塑料上的
電荷,當(dāng)塑料每次進(jìn)入法拉第網(wǎng)(一個絕緣的金屬圓柱,其一個底面是散開著的,且與電荷
計相連接)時,必須采用這組低導(dǎo)電性物質(zhì)。
4.測試探頭
對引燃性電刷放電的潛在性的測試是用一個直徑為25mm的金屬球來進(jìn)行的(特殊情況
是用15mm的球)金屬球通過一個長為100mm、粗為5mm的金屬線與電荷計相。單性導(dǎo)線
與絕緣于柄相接,利用絕緣手柄把測試探頭直接置于已充電的測試物表面的中央。在測出第
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一個“躍入電荷”之后,測試探頭再次放置在離帶有殘余電荷的試驗物一定距離處,用于從
儀表中讀出“躍入電荷”。測試探頭的直徑(半徑或曲率)太大,即使在接觸充電表面時,
也抑制電刷放電小直徑(半徑或曲率的探頭,可以導(dǎo)致一些弱型電刷放電;二者都未達(dá)
到能夠引燃瓦斯的“躍起電荷”的臨界值。
5.電荷測量的輔助方法
要對電荷平衡做一粗略估計,可用探針取代上節(jié)所述的測試探頭。探針要在將要放電的
表面上,以幾毫米的問距向各個方向有規(guī)律的移動。通常用一張濕紙把針蓋上,遺留下來的
殘余電荷就顯示出來了。必須確保沒有電荷通過電荷計流入大地。當(dāng)“雙電荷”出現(xiàn)時,塑
料零部件的背面也一定要同時與濕紙相接并要接地。
6.不能監(jiān)視的快速放電
把測試物置入蒸餾水中,可以完全放電。在這種方法中,物體的內(nèi)、外殼表面必須弄
濕。作為一種替代方法,在物體反面貼上一張濕紙并與一根可導(dǎo)電的金屬線相連,此時必
須進(jìn)行被動式無源干燥(在去掉濕紙之后是可能的。這一過程不用太多時間就可達(dá)到以
前所述的第一步要求的合格條件。
四、兩類不同的電荷
1.單電荷
當(dāng)高度絕緣性物體的表面彼此偶然輕輕摩擦?xí)r,通常會產(chǎn)生單電荷。在接地環(huán)境中,容易
用相反符號的電荷來補償。這樣,就會產(chǎn)生擴(kuò)展電場,以致在塑料表面上經(jīng)常達(dá)到空氣的擊
穿性電場強度,從而限制了電荷密度。在正常條件下已知的極限電荷密度是2.66×10-c/cm2
當(dāng)塑料表面接通接地的導(dǎo)電體時,單電荷就引起電放電,在一定條件下,能夠引燃爆
炸性的甲烷/空氣混合氣體。
2.雙電荷
就地面而言,雙電荷是處于塑料部件不同表面的成對電荷狀態(tài),電荷量相等,互相隔
離。反向電荷的電場效應(yīng)在離開塑料零部件較遠(yuǎn)處幾乎全部補償。電荷極限并不象在單電荷情
況下那里容易產(chǎn)生。在一種特殊電荷的作用下,主要是快速運動的粉塵(速度>5m/s)撞
擊絕緣表面,以及當(dāng)帶電的離子從電氣設(shè)備內(nèi)部的尖銳邊緣噴射而出(電放電)時,在這
種產(chǎn)生的電場影響下,雙電荷的產(chǎn)生就會增加,或者達(dá)到塑料的擊穿場強,或者滑動電刷放
電這樣非常高能的過程就會發(fā)生。
低于這個取決于塑料零件形狀的電荷下限值雙電荷只能是一種十分微弱而且是非引燃
性電刷放電電荷。但當(dāng)帶雙電荷的塑料板不接地時,就容易產(chǎn)生可能引燃性單電荷。
五、可引燃瓦斯的臨界電荷量
利用引燃測試探頭,如吉布森1965年介紹的固定式引燃測試探頭,改為活動型,在甲
烷/空氣混合氣體中進(jìn)行引燃試驗。在上述試驗中,兩種更重要的電荷十分相關(guān),即1,
“單電荷總量”和2,“躍出電荷”。
1、單電荷總
單電荷總量是在充電過程中,測試物上產(chǎn)生的剩余電荷。迄今為止,觀測到的引燃性單
電荷總量的最小值是219×10-。這些電荷可以產(chǎn)生并儲存到一個長120cm、直徑3.3mm,
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具有圓形封底的聚乙烯軟管中(一個空心的可填充的卷)。在觀測過的引燃試驗中,僅有一
半這類電荷,也就是說,-112×10c的電荷從電刷放電的形式躍入接地的引燃測試探頭。
2.躍出電荷
躍出電荷是單電荷總量的一部分,用接地的測試探頭,可以把它從塑料表面上分離出
來,且使部分存儲靜電能處于自由狀態(tài)。確定的躍出電荷是曲率半徑的函數(shù)。大部分被認(rèn)為
是可引燃瓦斯的臨界曲率半徑,一般在10mm和15mm之間(因此測試探頭的直徑為25mm)
在燃燒的情況下,要應(yīng)用特殊的測量技術(shù),把引燃躍出和被爆炸火焰所匯集的“單電荷總
量”的殘余電荷區(qū)分開來。
在燃燒試驗中,所測出來的能夠引燃瓦斯的最小“出電荷”量,按以上所述為-112
×10-c。
3、“單電荷總量”與“躍出電荷”之間的關(guān)系
已經(jīng)證實,甚至在沒有可燃性氣體混合物存在的條件下也可觀測到引燃性電刷放電的電
荷量,即所謂“躍出電荷”,最多可占塑料零部件上積的“單電荷總量的一半。在許多
燃燒試驗中(在這些試驗中,大部分用扁平模型試驗物)在沒有燃燒的情況下,可以觀測到
大于-300×10c的“躍出電荷”,以及多于800×10c的“單電荷總量”根據(jù)這些試
驗可以斷定,用實際測試物直接進(jìn)行引燃試驗,叉適于驗證其抗靜電安全性
單電刷放電不超過50×10-c的“躍出電荷”,躍入接地的直徑為15~25mm的探頭時,
被視為甲烷/空氣混合氣體巾塑料零部件的安全性的兩個指標(biāo)。只有當(dāng)塑料零部件上單電荷
密度超過2×10-c,或者塑料部件(例如十分普遍的燈罩)在正、反兩面上符合相同的電荷
總和達(dá)上述值時,才最有可能達(dá)到或超過上述臨界值。
六、結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則
結(jié)構(gòu)測試的目的是避免把防爆電氣設(shè)備的透明塑料零部件作為存放導(dǎo)電件的地方(和網(wǎng)
球一樣大或比網(wǎng)球還大的東西),這樣“獨立電容有很大的靜電引燃危險性。塑料零部件
僅有一個面(外表面)容易受摩擦充電的影響。扁平塑料部件只有在其兩個表面上,直徑
15mm范圍內(nèi)含有相同符號電荷時,才能點燃甲烷/空氣混合氣體。當(dāng)以前肯定有電刷放電過
的箔片撕裂時,會產(chǎn)生這樣電荷。因此塑料零件不能因為箔片容易清洗就用它來包裹。
快速運動和粉塵有對透明塑料零部件的撞擊(例如用壓氣噴掃時),只有當(dāng)置于設(shè)備內(nèi)
有地電勢的金屬部件(如照明器)具有圓角時,或由無尖銳邊緣的金屬反射板屏蔽時,才
不會達(dá)到臨界值。外部零件由金屬組成的照明器,比完全由塑料零件組成的照明器更容易符
臺上述結(jié)構(gòu)的要求。在鎮(zhèn)流器和燈(熒光)之間的連接元件,大部分有尖銳邊緣,以致它們
能夠在靜電場的作用下噴射電電流,并且成為在絕緣燈罩內(nèi)匯集雙電荷的原因。特別是當(dāng)
透明塑料部件內(nèi)表面被膨脹性壓氣氣流冷卻形成一層濕氣的條件下,雙電荷可以高度引燃的
滑動電刷放電的形式被中和。
〔參考文獻(xiàn)略〕
張志剛譯魏有志校
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