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采矿安全透明塑料防爆电气设备及其抗静电特性

文档作者：西德D.艾斯菲尔德		点击数：	更新时间： 2021年05月21日
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透明塑料防爆电气设备及其抗静电特性
〔西德D.艾斯菲尔德
、引言
塑料材料强度高且重量轻,与玻璃有同样的透明度但却不象玻璃那样易碎。塑料用于
有爆炸危险的矿井环境时,由于存在静电发火的危险,给其良好的绝缘性能带来危险。由于
碳末和烟灰的污染,塑料可变成具有导电性能的材料。而且,这样一来塑料就变成了黑不透
明体,发挥不了窗户和灯罩的作用。
即透明同时又具有高度绝缘性能的塑料部件的防静电安全程度,可以仅由纯电气测量来
评价。它可由实际燃烧试验测定。这种试验在多特蒙特试验研究所的试验矿井进行。本文介
绍了测量方法和应当考虑的环境,主要目的是对比充电和放电过程中分离和重新组合的静
电荷。
二、测试方法
电荷严格地遵循着守恒定律。例如,静电就意味着当一个原先不带电的塑料表面被充电
时(这可以从电场显示出来),则会在另一个不同的但与其位置很接近的表面上产生同等量
的电荷,只是由电荷符号不同,但这些电荷的代数和一定是零(与原先一样)在静电试验
中,要测量积累在塑料部件上的电荷量,人们可以把已从塑料部件上消除的且符号相反的等
量电荷记录下来。这就是以下所述的高绝缘塑料部件安全性测量方法的基本原理。
1.第一步测试物在较高的相对温度(>70%条件下完全放电,然后,再把空气调
至尽可能干燥(>40%)的程度。
2.第二步测试物表面或其预定部位被充电,测定消除的电荷,可以确定
是否达到稳定的充电条件;
塑料表面是否已经储存带负号的多余电荷
是否超过临界电荷密度;
是否产生明显的电离现象。
3.第三步测试当靠近金属探头时是否发生了刷放电,这一点可由已接通的电荷计
显示出。当探头接近已带电的表面时,静电感应产生的感应电荷读数就返回原值。测出不稳
定的电荷量表示电刷已完全放电。当塑料部件没有完全放电就被拿开时,我们仅可读到单向
跃出电荷的准确值。
4.第四步验证“单电荷总量”,它是造成“跃出”电荷的主要原因。它存在于已带
电的塑料部件上,根据第二步可以在充电过程中将其测量出来。把仍附着在零部件表面的静
止电荷传入到电荷计中,一定要采用合适的技术。检验电荷平衡的偏差表明:
(1)或者来源于以前接触测试物时的残余电荷,或者来源于以前试验中的残余电荷;
(2)环境中的干扰电荷,例如,测试人员衣服上的电荷;
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(3)或者是未料到的电荷的遗漏,例如,试验出差错;
(4)或者是检验中塑料零部件残余导电性的干扰
(5)或者是在非导电层平面下的屏蔽导电层(接地的或不接的)
(6)或是源于电气设备内部的金属接地部件的锋利边缘。
(5)和(6)两点表明不太为人们所了解的原则,即:认为区分所谓的“单电荷”和
“双电荷”这两类电荷是很必要的,塑料零部件的大部分充电电荷是这两类电荷的混合。
5.评价准则当被测试的塑料零部件的表面产生火于2×10-c/cm2负电荷时,测量电
荷密度就能准确指出点燃沼气的可能性。
当测试探头测出的放电电荷,表明是否实际存在着静电引燃危险。当单电刷放电多于
50×10-c负电荷跃入测试探头时,也是这种情况。
根据上面所述第四步,对检查测试工作的正确性和正确地说明测试结果,验证电荷平衡
是完全必要的。尽管如此,有较大的电荷平衡偏差还是允许的。即使所测单电荷总量不到初
始时的一半,或仅为原来的20%的情况下为了找出偏差的原因,检验试验很有必要,并需
根据第一步(放电和限制条件),从第一步开始重新做试验。
6.测试方法和不适用范围上述测量方法仅适用于高绝缘塑料部件的评价。它的基本
假想是,一旦产生电荷,即使在几分钟后仍可被测到,电荷损失不超过50%,这就要求表面
电阻大于103。另一方面,被测量表面的电阻<10,则被视为具有抗静电安全性,不需进
一步做静电试验,因为这种偶然积累的电荷可以在1/10秒内完全消失。表面电阻介于这两个
限度之间,不能视为在抗静电方面是安全的因为测量不能在足够短的时间内完成。
三、测试设备及其用途
1.可调测试室
为使测试物处于良好的测试环境,测试室温度为23±2℃,相对湿度为40±2%。测试
的四周要由对静电有导电性的材料构成,且保持着通电连接。
2、电荷计
把一个10AF容量的电容器接入电荷源与“接地”(测试室边缘的电位之间的电缆上,
该处的电压用一个高电阻测电仪来测量(内部电阻>10)。与2000×10c的电荷相对应
的最后电压值是0,2V。
3.充电的辅助方法
对测试物绝缘表面充电,可以用一组拳头大小的低导电物质由人工来进行,例如软纸、
羊皮、亚麻布和棉织物。负责摩擦的试验人员必须站在小型绝缘物上(固定在其下)。这
样,在电荷计完全记录后,摩擦电荷就会通过人的手流入地下。试验人员的手由一根金属线
与电荷计保持接通。假如摩擦物是绝缘体,也就是纯塑料物,为了至少部分地消除塑料上的
电荷,当塑料每次进入法拉第网(一个绝缘的金属圆柱,其一个底面是散开着的,且与电荷
计相连接)时,必须采用这组低导电性物质。
4.测试探头
对引燃性电刷放电的潜在性的测试是用一个直径为25mm的金属球来进行的(特殊情况
是用15mm的球)金属球通过一个长为100mm、粗为5mm的金属线与电荷计相。单性导线
与绝缘于柄相接,利用绝缘手柄把测试探头直接置于已充电的测试物表面的中央。在测出第
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一个“跃入电荷”之后,测试探头再次放置在离带有残余电荷的试验物一定距离处,用于从
仪表中读出“跃入电荷”。测试探头的直径(半径或曲率)太大,即使在接触充电表面时,
也抑制电刷放电小直径(半径或曲率的探头,可以导致一些弱型电刷放电;二者都未达
到能够引燃瓦斯的“跃起电荷”的临界值。
5.电荷测量的辅助方法
要对电荷平衡做一粗略估计,可用探针取代上节所述的测试探头。探针要在将要放电的
表面上,以几毫米的问距向各个方向有规律的移动。通常用一张湿纸把针盖上,遗留下来的
残余电荷就显示出来了。必须确保没有电荷通过电荷计流入大地。当“双电荷”出现时,塑
料零部件的背面也一定要同时与湿纸相接并要接地。
6.不能监视的快速放电
把测试物置入蒸馏水中,可以完全放电。在这种方法中,物体的内、外壳表面必须弄
湿。作为一种替代方法,在物体反面贴上一张湿纸并与一根可导电的金属线相连,此时必
须进行被动式无源干燥(在去掉湿纸之后是可能的。这一过程不用太多时间就可达到以
前所述的第一步要求的合格条件。
四、两类不同的电荷
1.单电荷
当高度绝缘性物体的表面彼此偶然轻轻摩擦时,通常会产生单电荷。在接地环境中,容易
用相反符号的电荷来补偿。这样,就会产生扩展电场,以致在塑料表面上经常达到空气的击
穿性电场强度,从而限制了电荷密度。在正常条件下已知的极限电荷密度是2.66×10-c/cm2
当塑料表面接通接地的导电体时,单电荷就引起电放电,在一定条件下,能够引燃爆
炸性的甲烷/空气混合气体。
2.双电荷
就地面而言,双电荷是处于塑料部件不同表面的成对电荷状态,电荷量相等,互相隔
离。反向电荷的电场效应在离开塑料零部件较远处几乎全部补偿。电荷极限并不象在单电荷情
况下那里容易产生。在一种特殊电荷的作用下,主要是快速运动的粉尘(速度>5m/s)撞
击绝缘表面,以及当带电的离子从电气设备内部的尖锐边缘喷射而出(电放电)时,在这
种产生的电场影响下,双电荷的产生就会增加,或者达到塑料的击穿场强,或者滑动电刷放
电这样非常高能的过程就会发生。
低于这个取决于塑料零件形状的电荷下限值双电荷只能是一种十分微弱而且是非引燃
性电刷放电电荷。但当带双电荷的塑料板不接地时,就容易产生可能引燃性单电荷。
五、可引燃瓦斯的临界电荷量
利用引燃测试探头,如吉布森1965年介绍的固定式引燃测试探头,改为活动型,在甲
烷/空气混合气体中进行引燃试验。在上述试验中,两种更重要的电荷十分相关,即1,
“单电荷总量”和2,“跃出电荷”。
1、单电荷总
单电荷总量是在充电过程中,测试物上产生的剩余电荷。迄今为止,观测到的引燃性单
电荷总量的最小值是219×10-。这些电荷可以产生并储存到一个长120cm、直径3.3mm,
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具有圆形封底的聚乙烯软管中(一个空心的可填充的卷)。在观测过的引燃试验中,仅有一
半这类电荷,也就是说,-112×10c的电荷从电刷放电的形式跃入接地的引燃测试探头。
2.跃出电荷
跃出电荷是单电荷总量的一部分,用接地的测试探头,可以把它从塑料表面上分离出
来,且使部分存储静电能处于自由状态。确定的跃出电荷是曲率半径的函数。大部分被认为
是可引燃瓦斯的临界曲率半径,一般在10mm和15mm之间(因此测试探头的直径为25mm)
在燃烧的情况下,要应用特殊的测量技术,把引燃跃出和被爆炸火焰所汇集的“单电荷总
量”的残余电荷区分开来。
在燃烧试验中,所测出来的能够引燃瓦斯的最小“出电荷”量,按以上所述为-112
×10-c。
3、“单电荷总量”与“跃出电荷”之间的关系
已经证实,甚至在没有可燃性气体混合物存在的条件下也可观测到引燃性电刷放电的电
荷量,即所谓“跃出电荷”,最多可占塑料零部件上积的“单电荷总量的一半。在许多
燃烧试验中(在这些试验中,大部分用扁平模型试验物)在没有燃烧的情况下,可以观测到
大于-300×10c的“跃出电荷”,以及多于800×10c的“单电荷总量”根据这些试
验可以断定,用实际测试物直接进行引燃试验,叉适于验证其抗静电安全性
单电刷放电不超过50×10-c的“跃出电荷”,跃入接地的直径为15~25mm的探头时,
被视为甲烷/空气混合气体巾塑料零部件的安全性的两个指标。只有当塑料零部件上单电荷
密度超过2×10-c,或者塑料部件(例如十分普遍的灯罩)在正、反两面上符合相同的电荷
总和达上述值时,才最有可能达到或超过上述临界值。
六、结构准则
结构测试的目的是避免把防爆电气设备的透明塑料零部件作为存放导电件的地方(和网
球一样大或比网球还大的东西),这样“独立电容有很大的静电引燃危险性。塑料零部件
仅有一个面(外表面)容易受摩擦充电的影响。扁平塑料部件只有在其两个表面上,直径
15mm范围内含有相同符号电荷时,才能点燃甲烷/空气混合气体。当以前肯定有电刷放电过
的箔片撕裂时,会产生这样电荷。因此塑料零件不能因为箔片容易清洗就用它来包裹。
快速运动和粉尘有对透明塑料零部件的撞击(例如用压气喷扫时),只有当置于设备内
有地电势的金属部件(如照明器)具有圆角时,或由无尖锐边缘的金属反射板屏蔽时,才
不会达到临界值。外部零件由金属组成的照明器,比完全由塑料零件组成的照明器更容易符
台上述结构的要求。在镇流器和灯(荧光)之间的连接元件,大部分有尖锐边缘,以致它们
能够在静电场的作用下喷射电电流,并且成为在绝缘灯罩内汇集双电荷的原因。特别是当
透明塑料部件内表面被膨胀性压气气流冷却形成一层湿气的条件下,双电荷可以高度引燃的
滑动电刷放电的形式被中和。
〔参考文献略〕
张志刚译魏有志校
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