Пожарная безопасность электроустановок / Agunov - Pozharnaya bezopasnost elektroustanovok 2012

искры может оказаться достаточно для воспламенения горючей или взрывоопасной смеси.

Электростатический разряд может прямо или косвенно привести к выходу из строя полупроводниковых приборов электронных систем и т. п.

Вряде случаев возникающая статическая электризация тела человека и затем последующие разряды с человека на землю или заземленное производственное оборудование, а также электрический разряд с незаземленного оборудования через тело человека на землю могут вызвать нежелательные болевые и нервные ощущения и быть причиной непроизвольного резкого движения человека, в результате которого человек может получить ту или иную механическую травму (падение, ушибы, ранение).

Вреально протекающем электростатическом разряде разрядная дуга возникает тогда, когда заряженное тело достигает близкой окрестности проводящего тела. Характеристики электростатического разряда во многом определяются окружающей средой, и, как уже отмечалось, в частности, влажностью.

Электрически дуговой разряд можно представить как изменяющиеся во времени соединенные последовательно активное сопротивление и индуктивность. Среднее значение индуктивности дуги — около одного наногенри; среднее значение активного сопротивления — порядка одного ома.

Чаще всего активное сопротивление и индуктивность дуги рассматриваются как пассивные элементы цепи, не изменяющиеся во времени. Это вызвано тем, что непосредственные измерения различных параметров, связанных с воздушным разрядом, обычно затруднительны, поскольку измерительная система легко может изменить исходную окружающую среду разряда. Вот почему такой подход упрощает нахождение разрядного тока и позволяет сравнивать оптические и электрические характеристики дуги.

Если форма разряда представляется в виде цилиндра радиуса r, расположенного между двумя электродами, то зависящий от времени радиус канала дуги в миллиметрах может быть оценен по:

r = ρ0It,

где I — ток в килоамперах; t — время в микросекундах и ρ0 — плотность воздуха при атмосферном давлении (1,29 × 10-3 г/см3).

На рис. 5.1 показана типичная форма волны разрядного тока при апериодическом отклике и фиксированной длине искрового промежутка, равной 0,75 мм для двух случаев положительного и отрицательного разрядов.

Рис. 5.1. Типичные формы волны тока для положительных и отрицательных апериодических откликов. Длина промежутка: 0,75 мм; напряжение промежутка: 4,4 кВ. A — отрицательный разряд; B — положительный разряд

На рис. 5.2 показана типичная форма волны разрядного тока при периодическом затухающем отклике и фиксированной длине искрового промежутка, равной 0,1875 мм для случаев положительного и отрицательного разрядов.

Как видно из этих графиков, полярность разряда имеет пренебрежимо малое значение.

На рис. 5.3 показаны формы волн разрядного тока для трех разных длин искрового промежутка и напряжений пробоя при апериодическом отклике и следующих условиях окружающей среды: температура в пределах 23°C ÷ 23,1°C; относительная влажность в пределах 43,5 % ÷ 43,9 %. Эквивалентная схема разрядной цепи представляет собой систему из последовательно соединенных элементов дуги R, L и емкости C = 0,164 μФ заряженного и проводящего тел.

Рис. 5.3. Зависимость тока от времени при положительных апериодических откликах для различных длин промежутка и напряжений пробоя. A — промежуток = 0,25 мм; V = 2,3 кВ; B — промежуток = 0,75 мм; V = 4,4 кВ; C — промежуток = 1,25 мм; V = 6,4 кВ

Интенсивность света от разряда пропорциональна рассеиваемой в нем мощности. В первом приближении, при допущении, что сопротивление разряда постоянно,

.

Для апериодического отклика R2>4L/C и разрядный ток является суммой двух имеющих место затухающих экспоненциальных откликов вида:

,

где

,

и

.

Интенсивность света от разряда пропорциональна рассеиваемой мощности на сопротивлении R дуги, которое предполагается неизменным.

Для напряжения пробоя, например V = 6,4 кВ, значение пикового тока составляет 589,3 А. (Наблюдаемое пиковое напряжение от трансформатора тока, соответствующее указанному току, как видно из рис. 5.3, равно 104,3 В, при чувствительности трансформатора тока 0,177 В/А.) Измеренное время до пикового значения от начала разряда составляет 0,327 пикосекунд. Именно этот результат и наблюдается на рис. 5.3.

Отметим, что емкость C = 0,164 μФ, используемая здесь для снятия качественной картины разряда, по величине на несколько порядков больше емкости, обычно ассоциируемой с электростатическим разрядом. В экспериментальных методах, использующих, например, модели тела человека, применяют емкость порядка 100 пикофарад.

Для принятой электрической прочности воздуха, равной 30 кВ/ см, и при заданном расстоянии l может быть вычислен потенциал пробоя.

С целью обеспечить более точную оценку напряжения пробоя обычно анализируются искровые промежутки между сферическими электродами одинакового диаметра.

Градиент пробоя воздуха как функция произведения плотности газа, помноженной на интервал промежутка для электродов с однородным полем, находится как:

где ES — градиент пробоя в кВ/мм; g — интервал промежутка, мм; S — относительная плотность газа,

;

P — давление газа в абсолютных барах и T — температура в градусах Кельвина.

При нормальной рабочей температуре (20 оС) S может оцениваться как давление газа в абсолютных атмосферах (1 атм. = 1,013 бар; 1 бар = 1,01325 × 105 Н/м2).

Для электродов с простой геометрией параметром, который может быть точно вычислен, является утилизационный коэффициент η, которым называется отношение среднего градиента к максимальному (EAV/EMAX) в области минимального расстояния между проводниками. Средний градиент EAV представляет собой приложенное напряжение, деленное на расстояние между электродами; максимальный градиент EMAX определяется в момент пробоя уравнением для ES. Обратное отношение EMAX /EAV = 1/η называется коэффициентом повышения поля. Значения утилизационного коэффициента приведены в таблице 5.1. В таблице d — диаметр сферы.

Таблица 5.1

Утилизационные коэффициенты

В момент пробоя напряжение на электродах:

VS = η · g · ES.

В качестве иллюстрации оценки напряжения пробоя искрового промежутка рассмотрим следующий пример.

Пример 5.1. Определить напряжение пробоя искрового промежутка между двумя сферами диаметром d = 12,5 мм. Расстояние между сферами g = 1,25 мм. Условия окружающей среды нормальные.

Решение.

1) Определим градиент пробоя воздуха с учетом того, что при нормальных условиях S = 1:

(кВ/мм).

2) Вычислим вспомогательную величину ((d/2)+g)/(d/2):

.

3)По таблице 5.1 для ((d/2)+g)/(d/2) = 1,2 находим утилизационный коэффициент:

η= 0,9361.

4)Определяем напряжение пробоя:

VS = η · g · ES = 0,9361·1,25·4,33 = 5,07( кВ).

Электростатическая искробезопасность объекта защиты выражается энергией разряда статического электричества W, который может возникнуть внутри объекта или с его поверхности. Электростатическая искробезопасность объекта защиты достигается при условии выполнения соотношения:

W < KWmin,

где W — энергия разряда, который может возникнуть внутри объекта или с его поверхности, Дж; K — коэффициент безопасности, выбираемый из условий допустимой (безопасной) по ГОСТ 12.1.004-89, ГОСТ 12.1.010-76 вероятности зажигания или принимаемый равным 0,4; Wmin — минимальная энергия зажигания.

За энергию разряда статического электричества допускается принимать энергию, выделяющуюся на участке искрового канала длиной l, соответствующую длине разрядного промежутка, при

котором определена чувствительность объекта защиты к зажигающему воздействию разрядов статического электричества.

Для газо- и паровоздушных смесей допустимо принимать

l ≥ 2S0,

где S0 — безопасный экспериментальный зазор.

Для пылевоздушных смесей допускается применять длину участка l, установленную по методу определения минимальной энергии зажигания в ГОСТ 12.1.044-89.

Минимальную энергию зажигания указывают в стандартах и технических условиях на вещества и материалы, а также в системах стандартных справочных данных.

Средства электростатической защиты должны исключать возникновение искровых разрядов статического электричества с энергией, превышающей 40 % от минимальной энергии зажигания окружающей среды, или с величиной заряда в импульсе, превышающей 40 % от воспламеняющего значения заряда в импульсе для окружающей среды.

Электростатическую искробезопасность объектов защиты следует обеспечивать снижением электростатической искроопасности и их чувствительности (увеличением Wmin) к зажигающему воздействию разрядов статического электричества. Другими словами, электростатическая искробезопасность должна обеспечиваться устранением разрядов статического электричества, способных стать источником зажигания огнеопасных веществ.

5.2. Устранение опасности возникновения электростатических зарядов

Меры подавления электростатических зарядов имеют целью предупредить опасность пожара или взрыва вследствие воспламенения горючих и взрывоопасных смесей от искр электростатических разрядов, а также защитить обслуживающий производственный персонал от нежелательного воздействия токов разряда на организм (ощущение укола, судороги, боли). Защитные меры регламентированы. Они направлены на предупреждение возникновения и накопления зарядов и создания условий рассеивания зарядов.

Для обеспечения электростатической искробезопасности необходимо выполнять требования ГОСТ 12.1.018-93 «Пожаровзрывобезопасность статического электричества», требования соответствующей нормативно-технической документации, а средства защиты должны соответствовать ГОСТ 12.4.124-83 «Средства защиты от статического электричества».

К основным мерам защиты относятся: заземление металлических объектов оборудования и коммуникаций; увеличение проводимости веществ и материалов, генерирующих заряды; снижение интенсивности возникновения зарядов; нейтрализации зарядов; отвод электростатических зарядов, образующихся на людях.

Заземление оборудования устраняет формирование электрических зарядов и разряд их с проводящих элементов оборудования на землю. Заземлять следует не только те части оборудования, которые участвуют в генерировании зарядов, но и все другие изолированные от земли проводники, которые могут зарядиться вследствие электростатической индукции. Заземлять следует смесители, вальцы, каландры, компрессоры, насосы, фильтры, сушилки, сублиматоры, абсорберы, реакторы, мельницы, транспортеры, сливно-наливные устройства и т. п. Сопротивление заземляющего устройства (учитывая малые токи утечки) допускается не выше 100 Ом. Заземление для защиты от электростатических разрядов рекомендуется объединять с заземлением электроустановок и молниезащиты.

Все соединения в заземляющем устройстве, как правило, должны выполняться сваркой. Каждую систему аппаратов и трубопроводов в пределах цеха следует заземлять не менее чем в двух местах. То же относится и к резервуарам вместимостью более 50 м3. Обязательному заземлению подлежат стояки наливных эстакад, рельсы в пределах сливного фронта, а также цистерны или наливные суда, находящиеся под наливом (сливом) сжиженных горючих газов и пожароопасных жидкостей.

Резиновые шланги с металлическими наконечниками для налива жидкостей в цистерны, наливные суда, бочки и т. п. следует заземлять медной проволокой, навитой снаружи или внутри шланга, с припайкой одного ее конца к металлическим частям продуктопровода, а другого — к наконечнику шланга.

Для выравнивания потенциалов и предотвращения искрения все параллельно расположенные трубопроводы в цехах и каналах

на расстоянии до 10 см друг от друга соединяют перемычками через каждые 20–25 м.

Если заземлением оборудования не удается предотвратить накопление зарядов, то рекомендуется принять меры по уменьшению объемных и поверхностных сопротивлений обрабатываемых материалов, генерирующих заряды. Это достигается повышением относительной влажности окружающего воздуха сверх 65 % и самого материала, химической обработкой, применением антистатических присадок, нанесением электропроводящих пленок.

Для увеличения проводимости диэлектриков в них вводят растворимые присадки. В жидкие диэлектрики вводят до 0,01 % солей высших карбоновых, нафтеновых и синтетических жирных кислот, отчего значительно повышается их удельная объемная проводимость. Антиэлектростатические вещества должны обеспечивать снижение удельного объемного электрического сопротивления материала до величины 107 Ом м, удельного поверхностного электрического сопротивления до величины 109 Ом.

Снижение интенсивности возникновения электростатических зарядов достигается соответствующей оптимальной скоростью движения веществ, исключением разбрызгивания, распыления, подбором поверхностей трения, очисткой горючих жидкостей и газов от примесей. Безопасные скорости транспортировки жидкости и пылевидных веществ в зависимости от удельного объемного электрического сопротивления нормируются.

Налив жидкостей в резервуары, цистерны и тару свободно падающей струей не допускается. Сливную трубу следует удлинить до дна приемного сосуда и направить струю жидкости вдоль стенки. При первоначальном заполнении резервуаров жидкость подают с пониженной скоростью около 0,5–0,7 м/c.

Нейтрализация зарядов может осуществляться путем ионизации воздуха, разделяющего заряженные тела. Ионизаторы воздуха могут применяться индукционные, высоковольтные, радиоизотопные и комбинированные.

Индукционные ионизаторы вследствие индукции создают вблизи заряженного тела электрическое поле большой напряженности; при этом вблизи электродов ионизаторов образуется коронный разряд, ионизирующий воздух. Образовавшиеся ионы воздуха притягиваются к поверхности заряженного тела и нейтрализуют