Статическое электричество и защита от него

Электрические свойства тел определяются тем, как они проводят ток. Их разделяют на проводники и изоляторы. Если объёмное электросопротивление вещества превышает 10⁵ Ом – это диэлектрик, который не проводит электрический ток. На схеме ниже представлены бытовые источники статического электричества (СЭ).

Бытовые источники статистического электричества

В электростатике граница между проводником и непроводником оценивается величиной удельного сопротивления всего 10 кОм*м. При превышении её предмет может стать источником СЭ.

Струя легковоспламеняющейся жидкости при свободном истечении легко электризуется. Накопление зарядов СЭ, появляющихся, при наливе нефтепродуктов может привести к разряду, представляющим большую взрывоопасность и пожароопасность.

В промышленности электрические заряды накапливаются на ремнях приводов, конвейерных лентах, в пылевоздушных смесях пневмосистем или аэрозольного транспорта.

На предприятиях пищевого производства СЭ образуется в процессах измельчения, дробления или просеивания сухих продуктов или при переработке зерна.

Источники статистического электричества в промышленности

СЭ образуется, когда соприкасаются тела с разной температурой, шероховатостью, концентрацией зарядов, электрическим состоянием атомов. При этом возникает упорядоченное распределение зарядов в местах контакта.

Когда тела разделяются, происходит частичная нейтрализация зарядов, но некоторая их часть остаётся на поверхностях, создавая электростатическое поле. При критической величине его напряжённости над поверхностью тела происходит электрический разряд. Для воздушной среды она составляет 30 кВ/см.

Степень электризации тела определяется величиной его потенциала по отношению к земле. Она может возрастать в различных технологических или физических процессах: при трении тел, перекачке и наливе свободной струёй неэлектропроводной жидкости, обработке и перемещении сухих материалов.

Определение энергии разряда

Электрическая искробезопасность – состояние исключения возможности образования искры от СЭ. Безопасную энергию, при которой не образуется пробой, можно рассчитать по формуле:

Э_и = к∙Э_min,

где к = 0,4-0,5 – коэффициент безопасности;

Э_min – минимальное значение энергии, при которой может произойти воспламенение горючего вещества (для воспламенения смесей паров и газов с воздухом Э_min составляет доли миллиджоуля и находится по таблицам).

При накоплении СЭ величина зарядов на промышленных установках может достигать большой величины (45 кВ при транспортировке сыпучей среды на резиновой ленте конвейера, 80 кВ на кожаном ремне привода).

На теле человека потенциал достигает 20 кВ, но разряд не опасен из-за малого тока. При этом ощущение всё равно неприятное — в виде укола или судороги. В результате может произойти попадание в зону работу машин, падение с высоты и т. д.

Действие на человека разряда статического электричества

Электрическая ёмкость разряда статического электричества человеческого тела составляет от 100 до 350 пФ. Если через него произойдёт разряд на 10 кВ, выделяется энергия 5-17,5 мДж. Эта величина больше Э_min воспламенения бензола или этилового спирта (0,2; 0,95 мДж) и является пожароопасной.

СЭ может нарушить технологический режим, создать помехи в системах связи и в работе автоматики, вывести из строя приборы.

Средства защиты от СЭ

Способы борьбы со статическим электричеством отличаются многообразием. Их можно разделить на три группы:

1. предупреждение появления электростатического заряда;

• Заземление оборудования. Систему трубопроводов или аппаратов заземляют как минимум в 2 точках. Заземляющее устройство только для защиты от статического электричества должно иметь сопротивление не выше 100 Ом. Чтобы между трубопроводами или металлоконструкциями, находящимися на расстоянии менее 10 см, не образовалось СЭ, делают замкнутые контуры, устанавливая с интервалом до 20 м металлические перемычки с заземлением. Автоцистерны заземляют стальной цепью, чтобы при движении она касалась дорожного полотна на участке не менее 20 см.
• Контактирующие тела подбирают из материалов, удельные сопротивления которых близки.
• Безопасные скорости перемещения жидких и сыпучих материалов. Если диэлектрическую жидкость пропускать через релаксационную ёмкость, участок трубы с большим диаметром, электростатические заряды снимаются до 98%, стекая через его стенки с заземлением Когда образуются брызги при наливе, капли электризуются особенно интенсивно. Поэтому заполнение емкостей начинается с небольшим расходом жидкости, после чего он постепенно увеличивается.

Схема релаксационной ёмкости с заземлением

• Тонкая очистка жидкостей позволяет уменьшить электризацию. СЭ не накапливается в идеально чистых диэлектриках.

2. снижение значения потенциала заряда до уровня безопасности;

• Увеличение влажности диэлектрика и окружающего воздуха для отвода зарядов.
• Химическая обработка поверхностей.
• Напыление электропроводных плёнок и антистатических аэрозолей.
• Электропроводные рабочие площадки, полы, трапы и заземлённые зоны. Пол на основе бетона считается электропроводным, если его толщина не превышает 3 см.
• Антиэлектростатическая одежда и обувь с подошвой из кожи или электропроводной резины. Популярным является способ введения проводящих веществ в состав изготавливаемого материала: графит, сажа, порошок меди и серебра, и др.
• Добавление растворимых солей меди, кобальта, хрома и других в диэлектрические растворы полимеров и жидкостей (снижение объёмного электрического сопротивления).
• Применение токопроводящих браслетов, легко снимаемых и не мешающих работе.

Нанесение антистатического аэрозоля для уровня безопасности

3. нейтрализация зарядов СЭ.

• Для ионной нейтрализации зарядов применяется ионизация воздуха. Ионизаторы могут быть разных типов: радиоизотопные, индукционные, облучение воздуха ультрафиолетовыми и инфракрасными лучами, созданием коронного разряда. При генерации ионов в воздухе они притягиваются электростатическим полем в зоне накопления зарядов, где происходит нейтрализация последних. На рисунке нижетизображена схема, где отрицательные ионы нейтрализуют положительные заряды СЭ. Эффективность нагнетания ионизированного воздуха в зону нейтрализации небольшая, поскольку ионы рекомбинируют в воздушном потоке. Причём рекомбинация становится интенсивней с увеличением плотности ионов.
• Подбираются поверхности трения из материалов, компенсирующих возникающие электрические заряды.

Схема нейтрализации зарядов СЭ потоком ионов

Например, известно применение индукционного и радиоизотопного нейтрализаторов. Первый хорошо снижает большие заряды, а с малыми хорошо справляется второй.

СЭ на изолированных проводниках

Согласно ГОСТ 12.1.018 статическое электричество может появляться не только на диэлектриках, но и на изолированных от земли проводниках.

В металлоконструкциях могут наводиться ЭДС под влиянием переменных электрических полей. При сближении с заземлёнными проводниками возникают электрические разряды, которые могут привести к электротравматизму или воспламенению горючих веществ. Все металлоконструкции необходимо заземлять.

Заземление металлоконструкций для избегания электротравматизма

На металлических предметах, не связанных электрически с землёй, может наводиться электростатическая индукция. Заряды могут перетекать на ближайшие предметы, не имеющие заземления, что также приводит к появлению разрядов.

Видео про электричество

Как возникает и действует статическое электричество, можно узнать из видео ниже.

Заряды, возникающие от СЭ, могут вызывать пожары и взрывы в технологических процессах, где применяются легковоспламеняющиеся вещества. Разряды от СЭ вызывают у человека неприятные ощущения и могут привести к ошибочным действиям или травмам. Существуют различные методы борьбы со СЭ, наиболее действенными из которых являются комбинированные.