Розділ 13. Захист від статичної електрики

Статична електрика – це сукупність явищ, пов’язаних із виникненням, збереженням і релаксацією вільних електричних зарядів на поверхні і в об’ємі діелектричних і напівпровідникових речовин, матеріалів та виробів або на ізольованих (в тому числі розпилених в діелектричному середовищі) провідниках.

Кожному середовищу (рідкому, твердому, газоподібному) властиві свої особливості утворення електростатичних зарядів.

13.1. Електризація твердих поверхонь, рідин, газів і пари

При зіткненні двох різних матеріалів виникає контактна різниця потенціалів. В області контакту відбувається обмін електронами

іматеріали здобувають надлишковий заряд. Якщо рівні енергії обох матеріалів стануть однаковими, перехід електронів припиняється. Електрони, що переміщуються від одного матеріалу до іншого, залишають за собою позитивні заряди поблизу границі поділу матеріалів і утворюють подвійний електричний шар. Під час роз’єднання заряджених тіл відбувається розділення зарядів.

Звичайно контактна різниця потенціалів у металів становить 0,1...3,0 В, однак в результаті різних поверхневих явищ може часто змінюватись.

Наявність на поверхні матеріалу вологи, забруднень, електролітів

іт.п. суттєво впливає на значення роботи виходу електронів. Вплив тертя на виникнення електростатичних зарядів зводиться головним чином до збільшення поверхні контакту і завдяки цьому – посиленню процесу обміну зарядами, а також підвищенню температури. Під час нагрівання мікроскопічних нерівностей поверхні утворюються іони з різною рухливістю, і іони з більшою швидкістю переходять з гарячої поверхні на холодну.

Під час контакту двох діелектриків матеріал з більш високою діелектричною сталою заряджається позитивно. Значення заряду Q двох діелектриків пропорційне різниці їх діелектричних сталих:

де: K – константа, яка залежить від стану поверхні S, що знаходяться в контакті, умов середовища і т.д., ε1 і ε2 – діелектричні проникності тіл.

На електростатичний заряд впливають відстань між поверхнями, що знаходяться в контакті, природа накопичувачів зарядів, шор-

179

Основи охорони праці

сткість поверхонь, коефіцієнт тертя, швидкість тертя, тиск, зовнішні електричні поля, процеси розсіювання зарядів (випромінювання в повітря, провідність, електронна емісія, газовий розряд).

Багато технологічних процесів під час експлуатації та ремонту авіаційної техніки пов’язані з транспортуванням рідин (заправка повітряних суден, очистка, фарбування авіаційних деталей та інш.).

В рідині на молекули діють сили Ван-дер-Ваальса і Кулона. Вплив цих сил проявляється в орієнтації молекул біля розділу фаз і з віддаленням від границі зменшується в результаті теплового руху молекул. Одночасно з орієнтацією молекул відбувається також орієнтація електричних зарядів і на поверхні розділу фаз виникає подвійний електричний шар.

Заряд в рідині під час її руху утворюється внаслідок винесення дифузної частини подвійного електричного шару на поверхні розділу фаз.

Електростатичні заряди в газах і парі можуть виникати під час швидкого випаровування або конденсації пари, швидкої зміни агрегатного стану чи тиску при витіканні газів і пари з отворів, а також при наявності в струмені газів і пари дрібних часток в твердій або рідкій фазі. Гази і пара, що не містять сторонніх твердих або рідких часток, електризуються несуттєво.

Електризація газів і пари зумовлена існуванням електростатичних шарів на границі розділу фаз “рідина – газ” або “тверде тіло – газ”.

Руйнування цих подвійних електричних шарів, наприклад, під час руху пари або газів відбувається розділення зарядів.

13.2. Небезпечні прояви статичної електризації

13.2.1. Коронний розряд

Взаємодія зарядів статичної електрики відбувається за відомими законами електростатики. В оточуючому заряди просторі утворюється електричне поле певної напруженості. Якщо напруженість електростатичного поля перевищує деяке критичне значення, виникає електричний розряд з поверхні. В залежності від умов розряд може поширюватись як вздовж зарядженої поверхні, так і і повітряному проміжку між протилежно зарядженими поверхнями, а також між об’ємами з протилежно зарядженими диспергованими твердими або рідкими частинками.

180

Частина ІІІ. Основи техніки безпеки. Пожежна безпека

При наявності на поверхні із електростатичними зарядами загострених кромок, виступів, лез стікання зарядів може відбуватись у вигляді коронного розряду. На принципі коронного розряду працюють, наприклад, пасивні нейтралізатори статичної електрики літаків під час польотів у хмарах і опадах.

Експериментально було встановлено, що суттєвий вплив здійснює статична електрика на роботу радіоелектронного обладнання, оскільки високочастотні імпульси струму, що виникають під час коронного розряду, надходять на вхід радіообладнання у вигляді сигналів, які порушують нормальну роботу приладів. Так, в результаті статичної електризації при струмі приблизно 10 мА радіоперешкоди, які виникають під час коронного розряду з гострих кромок літака Боїнг-747, зростають приблизно на 60...70 дБ, що може призвести до повної втрати радіозв’язку. При струмі з коронуючого електростатичного розрядника літака АН-24, що становить 70...80 мкА, спостерігалось відхилення стрілки радіокомпаса АРК-11 від дійсного курсу приблизно на 80...100°, яке може стати причиною авіакатастрофи.

Вназемних умовах при підвищених вологості і напруженості поля в приземному шарі атмосфери можливий коронний розряд з антен та інших елементів радіообладнання, поблизу яких утворюється різко неоднорідне наведене електричне поле. Це може призвести до погіршення умов радіо прийому.

Вназемних умовах під час виконання виробничих процесів в різних галузях виробництва, зокрема під час обслуговування і ремонту автомобільної та авіаційної техніки більш суттєву небезпеку становлять стримерні та іскрові розряди з діелектричних поверхонь,

атакож з ізольованих заряджених металічних поверхонь.

13.2.2. Стримерний розряд

Як відомо, в різко неоднорідному полі у вузькій області з високою напруженістю поля виникає коронний розряд у вигляді високочастотних імпульсів струму. Із збільшенням різниці потенціалів в розрядному проміжку електричне поле стає різко неоднорідним не тільки поблизу загострених електродів, а й всередині розрядного проміжку. Лавина у вигляді електронної хмари із швидкістю руху електронів приблизно 2·105 м/с залишає за собою позитивний просторовий заряд іонів, які утворюються в результаті іонізації молекул повітря. Швидкість іонів становить приблизно 2·103 м/с.

181

Основи охорони праці

Під дією фотонів, що випускаються дуже іонізованою лавиною,

воточуючому газі виникають електрони, які дають початок додатковим лавинам. При цьому область позитивного об’ємного заряду витягується у вигляді вузького каналу, яким безперервним потоком рухаються електрони, що вливаються в канал лавини. Такий процес називається стримерним розрядом. Стример пересікає розрядний проміжок і утворює між електродами провідний канал з високо іонізованим газом.

Імпульси стримерного розряду носять випадковий характер. Поява стримерів викликає потужні імпульси струму з амплітудою до 0,1 А і більше, які можуть ініціювати займання горючих сумішей, пожежі, вибухи, потужні радіоперешкоди та інші небезпечні явища.

Стримерні розряди небезпечні як в умовах польотів повітряних суден, так і в наземних умовах в процесах обслуговування і ремонту авто- і авіатехніки.

Так, під час польоту в хмарах діелектричні поверхні обтічників антен, лобове скло літаків в результаті статичної електризації можуть набути потенціал в декілька десятків тисяч вольт відносно місць кріплення вказаних елементів до літака.

Врезультаті стримерних розрядів з лобового скла спостерігались випадки пробою трансформаторів, пошкодження блоку автоматичного керування системою обігріву скла, пошкодження поверхні скла та інш.

Як показали наземні випробування електростатичного захисту літака АН-24, стримерні розряди з діелектричної антени радіокомпасу АРК-11 при струмі зарядки приблизно 15 мкА призводили до відхилення стрілки радіокомпаса від дійсного курсу на 15...20°.

Стримерні розряди, що виникають між діелектричними елементами конструкції радіо електричного обладнання, а також між людиною і обладнанням, можуть вивести з ладу мікросхеми, напівпровідникові прилади, конденсатори та інш. Ступінь електростатичної небезпеки під час стриперних розрядів визначається деякою критичною напруженістю електростатичного поля, яка, наприклад,

вплоскому розрядному проміжку в нормальних атмосферних умовах не повинна перевищувати приблизно 3·106 В/м.

Накопичений на поверхні заряд і зумовлена цим зарядом напруженість поля залежить від опору поверхні. На питомий поверхневий опір, в свою чергу, впливає волога і температура довкілля, чистота обробки і ступінь забруднення поверхні. Так, при наявності на ді-

182

Частина ІІІ. Основи техніки безпеки. Пожежна безпека

електричній поверхні забруднень утворюються місцеві неоднорідності електричного поля, які можуть спричинити так звані ковзні розряди, внаслідок чого на поверхні діелектрика утворюється провідний слід, що вимагає заміни елемента конструкції.

13.2.3. Іскровий розряд

Під час проходження стримером розрядного проміжку струм в його каналі підтримується за рахунок ударної іонізації поблизу поверхні катода. Рух електронів вздовж вузького каналу стримера викликає його розігрівання до температури порядку тисяч градусів, коли виникає термічна іонізація і розряд переходить у форму електричної іскри – в іскровий розряд.

Небезпеку виявляють статичні заряди, що накопичуються на ізольованих металічних провідних поверхнях. У випадку перевищення пробивної напруженості електричного поля, що складає для повітряних проміжків приблизно 3·106 В/м в нормальних умовах атмосфери, виникає іскровий розряд, який є причиною займання і вибуху суміші повітря з пилом, газом, парою.

Запалювальна дія залежить від енергії, що виділяється під час розряду статичної електрики, W = 0,5 CU2, де С – ємкість системи, U – потенціал зарядженої поверхні системи.

У виробничих процесах можуть застосовуватись технологічні операції миття деталей струминою бензину. Під час сходження плівки бензину з гострої кромки розпилювача в результаті розділу подвійного електричного шару на розпилювальному пристрої може накопичуватись надлишковий заряд, який у випадку ненадійного заземлення всієї системи є причиною займання і вибухів суміші бензин – повітря в результаті розрядів як з розпилювача, так і з поверхні, що очищується.

Іскрові розряди з людини, на якій накопичився заряд через непровідне взуття, синтетичний одяг чи під час роботи на діелектричному покритті, також можуть стати причиною займання середовища, пошкодження обладнання, що обслуговується і т.д.

Залежності рівня радіоперешкод від частоти електромагнітних імпульсів, що генеруються коронним, стримерним та іскровим розрядами, показані на рис.13.1.

183