（电路与系统专业论文）铁路危险品货场中静电危害模型及其防护的研究及其防护的研究.pdf

摘要 随着我国i t 产业的迅速发展和技术水平的不断提高，高分子材料、微电子器件等 已广泛应用于各领域及其产品，由此带来的静电问题则不仅给企业造成了重大的经济损 失，也给国家、人民的生命财产安全带来了重大隐患。因此，针对以上问题，如何防护 静电及其危害受到了各企业的普遍重视，对静电放电和静电危害进行防护研究也成为热 点研究领域。但目前大家普遍关注的是电子、纺织、印刷等领域的静电防护问题，对危 险品仓储行业静电问题的防护研究基本处在空白状态。危险品仓储行业中存在种类繁多 的流动人口、危险物品和装卸、搬运、堆码等复杂的动态作业过程，在许多方面都存在 静电放电的隐患。因此非常有必要对此进行深入研究。 本论文以铁路危险品货场中的动态作业过程为主要研究对象，通过对危险品货场的 静电参数的实时测量和动态作业过程的模拟实验，确定铁路危险品货场中的静电危害模 式，并在此基础上建立危险品货场的静电放电模型，最后评估铁路危险品货场中静电放 电的类型与隐患程度，提出防护措施，进行防护设计。主要研究内容及成果如下所述： 1 提出了适用于铁路危险品储运行业的流动人体单r c 模型和人体一手推车 3 r l c 模型，并结合m a t l a b 软件分析了其放电波形。 管理人员、保安、司机等徒手人员来回走动形成的流动人体，由于摩擦、感应、传 导、附着等方式而带电，遇到合适的对象就可能发生放电，但放电类型随放电对象的不 同而不同。其中发生几率最大的是火花放电和刷形放电。具体来说，放电对象若为货场 常见的雷电引下线等接地导体，则可能发生火花放电；若放电对象为带电电位较高的编 织袋或塑料罐装货物，则可能发生刷形放电。此两种放电的危害机理被定义为流动人体 模型。 搬运工手持手推车装卸货物时，其静电的产生与释放是一个动态过程，难以进行实 时检测，也是静电防护的重点和难点。静电放电可能发生于手推车插入货物的瞬间。若 货物为金属桶装，则可能发生火花放电；若为编织袋或塑料罐装，则可能发生刷形放电。 故可将手推车考虑为搬运工人体的特殊延伸，此两种放电的危害机理被定义为人体一手 推车模型。 2 设计了多因素联合效应模拟试验系统，可用于模拟实际操作工况，进行动态作 业过程中的静电电位检测和多因素联合效应的研究。 该系统分为静电模拟实验室和信号采集系统两大部分。静电模拟实验室可以模拟危 险品货场潜在的静电放电危害材料在不同因素水平组合下的摩擦起电情况。信号采集系 统则负责进行波形显示和数据存储。在模拟实验研究方面，我们主要利用正交法分析摩 擦力大小、摩擦次数、分离速度、环境的温湿度和包装材料，在动态作业过程中对静电 瞬间电位的影响作用。具体地说，正交实验分两部分，首先通过三次不同的组合实验， 分析实际作业过程中各因素的影响作用，并根据数据分析结果给出不同的静电防护建 议；然后追加另外的正交实验，结合正交法的极值分析和方差分析，对各因素影响作用 的主次排序和交互作用进行分析。 3 通过一元线性回归分析法和m a t l a b 软件在定量的层面上对各因素的影响作 用进行了分析。 利用回归分析法，分析单因素实验数据，找出各单因素与静电瞬间电位相依赖的回 归模型，再通过回归分析法的线性检验和m a t l a b 软件的模型曲线拟合两个方面对回 归模型的拟合度进行检验，最后得出摩擦力、摩擦次数、分离速度和环境湿度四个单因 素与静电瞬间电位的回归模型。 4 提出了铁路危险品货场的静电防护物理设计方案和防护标准。 在现场测量和模拟实验的基础上，从形成静电危害的基本条件着手，阐述了静电安 全防护的基本原则和主要内容，重点说明了静电防护的主要措施；针对吉山货场进行了 静电防护的物理设计；借鉴了o j b z1 0 5 9 8 ( 电子产品防静电放电控制大纲、g b1 2 1 5 8 9 0 防止静电事故通用导则、g j b1 6 4 9 1 9 9 3 电子产品防静电放电控制大纲、 g j b3 0 0 7 1 9 9 7 防静电工作区技术要求、g b4 6 5 5 8 4 橡胶工业静电安全规程 和i e c6 0 3 6 4 建筑物电力设施的安装，提出了铁路危险品货场防护静电放电的技术 标准草案，规定了静电起电、静电放电类型与危害模型、静电危害的安全界限、静电放 电防护措施、静电的管理防护、静电事故的分析与确认及静电事故的处理程序等。 关键词：静电危害；静电放电模型；正交实验法；回归分析法；静电防护 i i a b s t r a c t e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ( e s d ) d a m a g e ，a c c o m p a n y i n gt h eb r e a k i n gt h r o u g hd e v e l o p m e n t o fi ti n d u s t r yi nc h i n aa n dt h ea p p e a r a n c eo fm a c r o m o l e e u l em a t e r i a l 。m i c r o e l e c t r o n i c s a p p l i a n c ea n dm a n yo t h e rh i g h - t e c ha p p l i c a t i o n s ，h a v ec a u s e ds e r i o u sc o r p o r a t el o s s e sa n d m a y e v e nt h r e a t e no nt h ec o u n t r ya n dt h ep e o p l e t h e r e f o r e ，a t t e n t i o n sh a v eb e e na t t r a c t e do n b o wt op r e v e n te s da n di t sd a m a g e s r e s e a r c hi n t h i sa r e ai sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e p o p u l a r h o w e v e r , t h eo n - g o i n gr e s e a r c h e sa r em a i n l yo ne s dp r e v e n t i o n si ne l e c t r o n i c ， t e x t i l e ，a n dp r e s si n d u s t r i e s ，h a z a r d o u sg o o d ss t o r a g ei n d u s t r y , w h i c hi n v o l v e sm a n y u n d e r l y i n gd a n g e r o u sf a c t o r s ，s u c ha sf l u x i n go f d i f f e r e n tp o p u l a t i o n s ，l o a d i n ga n du n l o a d i n g o fh a z a r d o u sg o o d s ，t r a n s p o r t i n g ，p i l i n g ，s oo na n ds of o r t h , i sa l m o s tn o tc o v e r e d s o ，f u r t h e r r e s e a r c hi nt h i sa r e ai se r i t i c a l t h i sp a p e rt a k e st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h er a i l w a yh a z a r d o u sg o o d sw a r e h o u s ea s t h er e s e a r c ho b j e c t b ya n a l y z i n gt h es p o tm e a s u r e dd a t aa n ds i m u l a t i n ge x p e d m e n to f d y n a m i cp e r f o r m a n c e , t h ee l e c t r o s t a t i ch a z a r dm o d ei sd e f i n e d a sas e q u e n c e ，t h ee s d m o d e li se s t a b l i s h e d a n dt h e n , t h ep r o t e c t i n gm e a s u r e sh a v eb e e np u tf o r w a r d f i n a l l y , a p r o t e c t i n gp l a nh a sb e e nc a r r i e do u t t h ep r o p o s e dm e t h o di sa sf o l l o w s ： 1 s i n g l er ce s d m o d e lf o rm o v i n gh u m a nb o d ya n dh u m a n - b a r r o w3 r l ce s dm o d e l u s e di nr a i l w a yh a z a r d o u sg o o d ss t o r a g es i m u l a t i o na l ep r o p o s e di nt h i ss t u d y , i nw h i c he s d w a v e f o r ma r ea l s oa n a l y z e du s i n gm a na b m o v i n gb o d i e s ，s u c ha sm a n a g e r i a ls t a l l ，s e c u r i t y , d r i v e r s ，m a yc h a r g ei nt h ef o r mo f f r i c t i o n ，i n d u c t i o n , c o n d u c t i o n , o ra d h e s i o ne t e w h e nt h e ym e e ts o m ep r o p e ro b j e c t ，i tm a y i n c u re l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ，b u tt h ed i s c h a r g i n gt y p ew i l lc h a n g ea st h ed i s c h a r g e do b j e c t c h a n g e s ，a n da m o n gt h e m ，s p a r k i n ga n db r u s h i n gd i s c h a r g es t a n df o rt h eg r e a t e s tp r o b a b i l i t y t h a ti st os a y , s p a r k i n gd i s c h a r g ei sp o s s i b l et oh a p p e nw h e nt h ed i s c h a r g e do b j e c ti s g r o u n d e dc o n d u c t o r , s u c ha sg r o u n d e d - w i r ef o rt h u n d e rd e f e n s e ，a n db r u s h i n gd i s c h a r g em a y h a p p e nw h e nt h ed i s c h a r g e do b j e c ti sb a s k e t w o r ko rp l a s t i cb o t t l e b o t ht h em e c h a n i s m sa r e d e f i n e df i t sf l o a t i n gb o d ym o d e l w h e nc , a r t 烈 sl o a do ru n l o a dg o o d sb yb a r r o w , c h a r g ea n dd i s c h a r g eo f e l e c t r o s t a t i c sa t e d y n a m i ca n dh a r dt od e t e c to ns p o t e s dm a yh a p p e ni n s t a n t l yw h e nt h eb a r r o wi sp u s h e d i n t oc a r g o e s a n ds p a r k i n gd i s c h a r g ei sp o s s i b l et oh a p p e nw h e nt h ec a r g oi sh a p p e n e dt ob e m e t a lb u c k e t , w h i l eb r u s h i n gd i s c h a r g em a yh a p p e ni ft h ec a r g oi sb a s k e t w o r ko rp l a s t i c b o t t l e s ot h eb a r r o wc o u l db ec o n s i d e r e da se x t e m a le x t e n d i n go fc a r t e r sb o d y a n dh e r e ， i b o mo f t h e i rm e c h a n i s m sa r ed e f i n e da sh u m a n - b a r r o wm o d e l 2 ad y n a m i ce l e c t r o s t a t i cs i m u l a t i n ge x p e r i m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c hc a ns i m u l a t e p r a c t i c a lw o r k i n gc i r c u m s t a n c e ，m e a s u r et h ee l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a l ，a n de x p l o r em u l t i p l e e f f e c t so f s e v e r a le l e m e n t si nd y n a m i cw o r k i n gp r o c e s s t h i se x p e r i m e n ts y s t e mc o n s i s t so ft w ol a r g ep a r t s ：e l e c t r o s t a t i cs i m u l a t i n gl a ba n d s i g n a l a c h i e v i n gs y s t e m t h ee l e c t r o s t a t i cs i m u l a t i n gl a bs i m u l a t ep o t e n t i a le l e c t r o s t a t i c d i s c h a r g em a t e r i a li ne l e c t r i f i c a t i o np r o c e s si nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n te l e m e n t s c o m b i n e d e f f e c t , w h i l es i g n a l a c h i e v i n gs y s t e mc a l ld i s p l a yt h ew a v e f o r m sa n ds t o r et h ed a t a o nt h e a s p e c to fs i m u l a t i n ge x p e r i m e n tr e s e a r c h ，w ep r i m a r i l yu s et h eo r t h o g o n a lm e t h o dt oa n a l y s i s t h ei n f l u e n c e so ff r i c t i o nf o r c e , f r i c t i o nt i m e s ，s e p a r a t i n gs p e e d , t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo n t h ee s dp o t e n t i a li nt h ed y n a m i cw o r k i n gp r o c e s s i nas p e c i f i cw a y , t h ew h o l eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n ti sd i v i d e di n t ot w op a r t s f i r s t l y , w ed ot h r e ed i f f e r e n tc o m b i n a t i o ne x p e r i m e n t st o a n a l y z et h ee f f e c t so fa l lt h ee l e m e n t sa b o v e ，a n dg i v es o m ee s dp r e v e n t i o ns u g g e s t i o n s b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t t h e na d d i t i o n a le x p e r i m e n t sa l ec a r r i e do u ta n dw eu s et h e e x t r e m u ma n a l y s i sa n dv a r i a n c ea n a l y s i sm e t h o d st oa n a l y z et h em u l t i p l ee f f e c t so fa l lt h e e l e m e n t sa n dg i v eo u tt h e i rs e q u e n c ei nt h eo r d e ro f t h ee x t e n to f t h e i ri n f l u e n c e 3 t h ee f f e c to fa l le l e m e n t so nq u a n t i t yl e v e lb yu s i n gu n i t a r yl i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s a n dm a t l a bi sa n a l y z e d i nt h i sp a p e r , w eu s er e g r e s s i o na n a l y s i st oa n a l y z et h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n df i n do u tt h e d e p e n d i n gm o d e l sb e t w e e na l lt h es i n g l ee l e m e n t sa n dt h ee l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a l ，a n dt h e n v e r i f yt h em o d e l sb yl i n e a r i t ya n a l y s i sa n dm a t l a b a sar e s u l t ，w eg e tt h er e g r e s s i o n m o d e l sb e t w e e nt h o s es i n g l ee l e m e n t sa n dt h ee l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a l 4 t h ee l e c t r o s t a t i cd e f e n d i n gp h y s i c a ld e s i g na n ds t a n d a r do ft h er a i l w a yh a z a r d o u s s t o r a g e a r ep r o p o s e d o nt h eb a s i so fs p o tm e a s u r e m e n ta n ds i m u l a t i n ge x p e r i m e n lw ee x p l m nt h eb a s i c e l e c t r o s t a t i cd e f e n d i n gp r i n c i p l e sa n dc o n t e n t s ；e m p h a s i z ed e f e n d i n gm e a s u r ea b o u ts t a t i c e l e c t r i c i t y , d oe l e c t r o s t a t i cd e f e n d i n gp h y s i c a ld e s i g nf o rj i s h a nw a r e h o u s e ，a n dp r e s e n t e l e c t r o s t a t i cd e f e n d i n gs t a n d a r dd r a f tf o rt h er a i l w a yh a z a r d o u ss t o r a g e t h i sd r a f t , b o r r o w e d s o m ee x i s t i n gn a t i o n a ls t a n d a r d si nt h es t a t i ce l e c t r i c i t yi n d u s t r y , h a v es p e c i f i e dt h ec h a r g i n g a n dd i s c h a r g i n gm o d e ，c i r c u m s c r i p t i o no fe l e c t r o s t a t i ch a z a r d ，e s dd e f e n d i n gm e a s u r e s ， d e f e n d i n gm a n a g e m e n t ，a n dt h ep r o c e s s i n gp r o g r a mf o r e s da c c i d e n t a n a l y s i sa n d c o n f i r m a t i o n i v k e y w o r d ：e l e c t r o s t a t i ch a z a r d ：e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g em o d e l ：o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ； r e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o d ；e l e c t r o s t a t i cp r o t e c t i o n v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 苏1 b 1 日期：0 一 年【口月f3 日 ? 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 回不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：t 髯灭j 国 i 指导教师签名：尹彳级助 b 甄、 和占? 沁l | 厂 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 人类认识静电现象是从公元前6 0 0 年左右开始的，古希腊哲学家塔勒斯( t h a l e s ) 在 研究天然磁石的磁性时发现：用丝绸、法兰绒摩擦琥珀后有类似于磁石能吸引轻小物体 的性质【1 1 。我国春秋战国时期的史料也有类似的记载。东汉时期王充所著论横舌l 龙篇 里有“顿牟辍芥、磁石引针”的记载，这里的“顿牟”指的是琥珀，而“辍芥”则是吸 引轻小物体的意思；在西晋张华的博物志中有“今人梳头，解著衣，有随梳解结， 有光者，亦有咤声”的记载。这些都说明，在中国古代，人们对静电现象已有认识【2 l 。 从1 6 世纪起，人类对静电现象开始进行科学的观察与研究。英语中的“电 ( e l e c t r i c i t y ) ”一词是1 6 4 6 年左右出现的，来自古希腊语的“琥珀”一词，其含义是 “吸引轻小物体的力”o i 。到1 8 世纪中叶，人类通过科学实验的方法，发现电荷有正电 荷与负电荷之分。1 7 8 5 年库仑通过试验证明了静电学的基本定律库仑定律。1 8 0 0 年，伏特将锌板和铜板插在一瓶稀硫酸溶液中做成了人类的第一个电池。 从此，人们的兴趣由研究静电现象转向了研究“动电”现象。这种倾向造成静电的 研究曾一度受到冷落。直到进入2 0 世纪以后，随着现代科技和工业的飞速发展，工业 生产的规模化，电子产品的高度集成，还有航空航天的发展，静电问题才重新引起大家 的关注。 1 2 国内外静电研究的发展状况 对于静电放电( 即e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ，简称e s d ) 研究，源于定量地研究人体静 电问题。在早期，人们意识到人体静电是引起静电危害如炸药和电火工品发生意外爆炸 或静电损坏的最主要和最经常的因素，因此国内外对防静电放电控制要求都是以防人体 静电为主，并建立了人体模型( h u m a nb o d ym o d e l h b m ) ，h b m 是e s d 模型中建立 最早和最主要的模型之一。后来，由于其它行业( 如电子、石油，化工等) 的需要，e s d 模型得到了很大发展。目前比较常用的e s d 模型有人体模型( h b m ) 、机器模型( m h d 、 家具e s d 模型、人体金属e s d 模型、带电器件( c d m ) 模型、场感应e s d 模型、电容祸 合e s d 模型、金属车模型等【1 】。近年来，在这些模型的基础上，各行业根据自身的特点 及物质的不同性质，有针对性地建立了数理模型，通过数学表达式更精确地定量分析静 电放电的能量。如针对电火工品建立了静电发火数理模型【4 】；在粉体静电爆炸与防护研 究方面，瑞士c i b a 公司的g l o r 博士用高速摄影、无线电遥测及静电放电电荷转移量测 华南理工大学博士学位论文 试等技术，研究了料仓尺寸、物料粒径、物流量等对粉体静电放电的影响，给出了正确 评价粉体静电放电危险性的定量数据【5 1 ；在静电防护研究领域，一些新理论、新方法也 应用于其中，如用混沌理论解释在静电起电、放电过程中的非线性规律，用时域有限差 分法( f d t d ) 等数值计算方法研究e s d 辐射场对复杂形体结构系统内部设备的影响；在 油轮防静电方面，上海交通大学的宫铁峰等人针对油轮空间大、环境复杂、静电电荷分 布不均匀等特点，通过引入模糊逻辑和神经网络，建立了油轮静电模糊逻辑检测系统， 应用效果明显【7 】。 而在危险品储运安全性的研究方面，目前的重心集中在材料的包装及防止泄露、不 同危险品混杂的化学反应、温湿度对危险品的影响、危险品的气体浓度的引燃引爆极限、 危险品的存放规范、危险品仓库的建筑规范等方面 s - t t 】。但对于危险品动态作业过程中 的静电放电危害与防护研究，国内外的关注较少。如广深铁路股份有限公司运输事业部 于2 0 0 3 年前后，调研了铁道部运输局，铁道部第二( 成都) 、第三( 天津) 、第四( 武 汉) 勘测设计院及铁道科学研究院( 北京) ，得到结论是：铁路危险品货场中的静电灾 害预防未被专题研究和专门关注。为此，我们的课题组于2 0 0 4 年6 月至2 0 0 5 年1 1 月 期间，与广深铁路股份有限公司合作，对广州吉山铁路危险品货场进行了静电防护的研 究，提出了流动人体放电模型、人体手推车放电模型1 1 2 l 。其中流动人体模型沿用 i e c 6 1 0 0 0 - - 4 - - 2 标准中规定的单r c 电路结构，并在此基础上综合考虑了危险品作业过 程中人员的衣着、作业方式及与环境因素的相互影响后，通过大量现场实测数据和理论 分析，确定了适用于危险品货场的人体静电参数。而人体手推车放电模型反映的是工 作人员手持手推车对货物进行装卸、搬运等操作，它采用了3 r l c 电路结构，体现了人 体与手推车在放电过程中的相互作用。同样，在理论分析的指导下，有针对性的测量了 大量现场数据，确定了电路参数。显然，这两个模型的提出，对于危险品储运中e s d 模型的研究，具有一定的意义。 因此，进一步开展危险品动态作业过程中的e s d 模型研究，完成危险品储运领域 的静电防护设计，具有较大的实用性和紧迫性。 1 3 论文的主要工作和内容安排 本论文以广州吉山货场为研究对象，针对动态作业过程的静电研究状况，提出通过 对运输和仓储行业的动态作业过程进行模拟实验的方法，对影响静电起电的内外因进行 综合的比较分析和各因素间的交互性分析，并且试图在定量层面上对各因素与静电起电 2 第一章绪论 瞬间电位的依赖关系进行分析，找出回归模型。同时，本文也通过对危险品货场的静电 放电现状进行分析，以及对多种静电参数的实时测量和多因素的联合模拟实验研究，确 定了铁路危险货场中的静电危害模式，为运输和仓储行业的静电隐患评估和防护提供了 理论根据。 本论文的研究内容安排如下： 在第二章中，首先分析动态作业过程中固体间相互摩擦接触时静电起电的过程和不 同固体相互接触分离后的表面电荷情况，然后列举了动态作业过程中不同的固体静电起 电方式和影响静电起电的相关因素，最后论述了静电的消散原理、静电的障害发生机制， 静电放电的特点、类型和模型。 第三章为危险品货场静电参数的实地测量分析与安全评估，并根据铁路危险品货场 实际工况建立了“流动人体”和“人体手推车”静电放电模型，同时利用m a t l a b 软 件对这两个模型的电路结构进行了仿真( 具体仿真程序见附录i ) ，得到了较好的静电 放电波形，并取得了适用于铁路危险品货场的静电放电模型的参数范围。 第四章主要论述了多因素联合效应模拟试验系统和模拟实验的设计。该部分首先叙 述了实验材料的选择与实验的测量方法。然后介绍了模拟实验系统。整个模拟实验系统 分两大部分，一部分是模拟实验室，主要是用于模拟实际工况，产生可以测量的静电信 号；另一部分是测量系统，分为硬件系统和软件系统。其中硬件系统包括静电传感器和 数据采集卡，负责从静电信号到模拟信号再到数字信号的转换，软件系统主要负责信号 波形的显示和存储。最后介绍了正交分析法的优越性，并利用该方法对模拟实验进行了 设计和安排。 第五章进行了模拟实验数据分析和单因素回归模型与曲线拟合。模拟实验分两部 分，一部分是对实际作业工况进行模拟，研究在不同作业条件下，各因素对静电起电的 影响作用；另一部分是通过实验安排对各影响因素进行综合分析，利用正交原理进行实 验安排，运用极差分析方法和方差分析方法对实验结果进行研究，给出了各单因素影响 作用的一个强弱排序和因素问两两组合的交互作用分析。最后从统计方法和软件的曲线 拟合两个方面验证回归模型的显著性和拟合度。 第六章根据前面的模拟实验及其数据分析结果，结合现有的静电防护理论和措施， 给出相关行业在动态作业过程中的静电防护措施和建议，并制订了适用于仓储、运输行 业的铁路危险品货场防护静电放电的技术标准( 草案) ( 详见附录2 ) 。 最后是结论和展望，对本论文的研究内容进行简要的概括和归纳，然后提出研究的 3 华南理工大学博士学位论文 不足之处，以及工作的进一步研究方向和内容。 4 第二章动态作业过程中的静电起电和静电放电 第二章动态作业过程中的静电起电和静电放电 2 1 引言 静电就是物体表面过剩或不足的静止电荷【b 1 ，或者指不能很快地与异号电荷相结合 的同号电荷的积聚【1 4 】，等等。物体的静电现象是指相对于观察者而言，所带的电荷处于 静止或缓慢变化的相对稳定的状态【1 5 l 。尽管人类早在两千多年前就认识到摩擦可以使物 体带电，但对静电起电机理的认识却经历了漫长的过程，这是因为看似简单的静电其实 是一种集宏观作用与微观运动于体的十分复杂的现象，它一方面涉及摩擦的物质结构 和表面性质，另一方面这种现象又被各种因素和周围的条件所影响，要弄清楚静电的成 因就需要综合应用运动学、热力学、统计物理和量子力学等诸多理论，这将涉及到复杂 的理论推导和计算过程。 2 2 动态作业过程中的静电起电机理 2 2 1 固体的静电起电机理 人们对固体静电的认识，首先是从对两种固体金属材料的接触起电开始的。早在 1 7 9 6 年，伏打就发现，两种不同的金属a 和b 接触后，如果接触距离少于2 5 1 0 1 0 米， 在接触面将产生电动势。该电动势一般在十分之几伏到几伏之间。并提出了最初的静电 序列：( + ) 铝、锌、锡、镉、铅、锑、黄铜、汞、铁、钢、银、金、铂、钯、m n 0 2 、p b 0 2 ， 任两种固体接触时，前者带正电，后者带负电。 1 8 7 9 年，亥姆霍兹指出，在固体接触的两端，形 成等量异号的电荷层，如图2 - 1 所示【1 6 1 ，称为偶电层。 研究静电起电原理时，从伏打一亥姆霍兹假说出 发，可把静电起电机理分成接触、分离、摩擦三个过 程f 。 接触过程，就是偶电层的形成过程，在接触起电 中，物体带电的正负极性由这个过程来决定。 分离过程，就是使已经接触的两种物体分离的过 f i g u r e2 - l t r i b o e l e c t r i f i c a t i o n 程。这一过程伴随着静电电容的减少和电位的升高。实际上，在这一过程中物体所带的 电荷会消散，或被中和，最终观察到的带电量由这一阶段决定。 摩擦过程实际上是许多接触点的连续接触和分离过程，其中以反复摩擦的静电现象 最为复杂和有危险性。 1 金属间的接触起电 两种不同的金属i 和i i 相接触，当它们之问的距离少于2 5 n m 时，由于量子力学的 5 华南理工大学博士学位论文 隧道效应，两种金属内的电子穿过界面而相互交换。当达到平衡时，两金属之间就产生 一定的电位差，界面两侧出现等量的异号电荷，也就是所谓的偶电层。若把接触的两种 金属分开，两金属将分别带上等量的异号电荷，这就是金属与金属的接触带电 1 3 , 1 8 州。 两种固体由于费米能级和功函数的不同，在接触面形成了电位差。固体中的电子是 由于自身能量的不同，占据不同的能量状态，这被称为能级分布。根据量子力学理论， 电子总是首先占据能量较低的能级。在绝对零度时，金属中电子占据的最高能级叫金属 的费米能级。不同的金属具有不同的费米能级。 电子要从金属中逸出，必须获得足够的能量。电子从金属中逸出所需要的最少能量 叫金属的逸出功，也就是所谓的功函数。金属的功函数越大，对应的费米能级就越小。 设金属i 功函数为，金属i i 的功函数为嵋，且 嵋。根据能量最低原理，金 级平衡时的势能曲线，图中虚线为 图2 - 2 金属间接触时平衡状本。下, 冉 l h j 毡t j 能曲线 两金属接触前的费米能级n q f i g t l r e2 - 2 l o l e n l i a 1c u r v eb 咖e e ：m e t a l i r l d a 1 a n c e s t a t er i 田鹏d e n v e e n 根据i 和i i 的功函数和平衡时 两者的势能状态可以算出接触电 位差u 为： u = 等旦( 2 - i ) 两种金属接触时，偶电层的界面间隙很小，设为d 。因此间隙间的电场可看成是匀 强电场，强度为： e ：一u ：旦 d8 0 联合式2 - i 可以得到金属界面上的电荷密度为： 。- o e = 8 0 旦d = 昌( 训 其中d 为接触距离( m ) ；e 为电子电荷( 1 6 x l o 一1 9 c ) ： 6 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 为介质电容率。式( 2 3 ) 第二章动态作业过程中的静电起电和静电放电 表明，两种金属接触产生的面电荷与它们的功函数之差成正比。 两种金属接触时产生的接触电位差很小，但静电起电分离时却产生很高的电位差。 因为偶电层可近似地作为平行板电容器处理。设极板间距离为2 5 r i m 时，可以算出单位 面积上的电容为3 5 4x1 0 一f m 。若将d 增加到i m m ，这时单位面积上的电容为8 8 5 1 旷f m 。在此过程中电容缩少到原来的4 0 万分之一，如果电量保持不变，由u ：q c 可 知，两物体之间的接触电位差将增大4 0 万倍。这就是为什么很小的接触电位差会变成 很高的静电电压的原因。 2 金属与绝缘材料的接触起电 绝缘材料与金属接触时，电子在金属和绝缘材料之间的转移过程，不仅决定于金属 的费米能级和绝缘材料中电子的能量状态，而且决定于绝缘材料表面缺陷和表面沾染程 度，甚至与接触时间，接触次数有关1 3 , 2 5 1 。绝缘材料一般不能跟金属一样有确定的费 米能级和功函数，但可以用实验方法确定绝缘材料的等效功函数f l 。表2 - l 给出部分绝 缘材料的等效功函数。绝缘材料与金属接触时起电的极性和大小，可以根据金属的功函 数和绝缘材料的等效功函数的相对大小来决定。 表2 - 1 部分绝缘材料的等效功函数( e v ) t a b l e2 - lw o r kf u n c t i o no fs o m ei n s u l a t i o nm a t e r i a l s ( e v ) 材料聚氯乙聚四氟 聚碳酸 聚乙烯 聚苯乙聚酰亚氯化乙 名称 烯乙烯酯烯 尼龙6 6 胺醚 等效功 函数 4 8 54 2 64 2 64 2 54 2 2 4 0 84 3 65 1 l ( e v ) 金属与绝缘材料接触时，一般情况下金属的功函数较低，电子将向绝缘材料中漂移， 并在深度为t 的区域内形成带电区。由于绝缘材料存在表面态，所以其表面带有电荷。 如果e 2 n 。o d 成立，则绝缘材科的表面电荷可按下式算： 仃= d v 2 ( w w d )( 2 4 ) 其中：地：高分子表面态密度( 1 m 2 e v ) ； 、w ：分别为绝缘材料表面和金属表面的功函数( e v ) 。 在金属这一边，如不考虑绝缘材料的表面态，则金属表面的电荷密度应与高分子固 体材料单位接触面内的电荷密度相等、符号相反，即 7 华南理工大学博士学位论文 = 吒= 詈慨一w ) ( 2 - 5 ) o k 2 1 2 _ 一w ) p r 其中：靠：高分子固体的介电常数( f m ) ； t ：介质内的电荷层厚度( m ) 。 金属和绝缘材料接触起电，是动态作业过程中最常见的情况之一。各种粉体和块状 货物、腐蚀性液体物质的外包装多采用塑料薄膜、橡胶等绝缘材料制成。当用搬运工具 搬运这些货物时，其金属部分与货物的外包装发生接触，从而产生静电。 3 绝缘体材料的接触起电 当两种绝缘材料接触时，也会发生电荷的转移。但绝缘材料的接触起电机理相当复 杂，从发生电荷转移的载流子类型看， ( 1 ) 电子型静电起电 目前提出的理论可分为电子型和离子型 1 3 , 2 4 2 5 1 。 金属间接触起电产生的电荷只分布在金属的 表面。绝缘材料接触起电时，其产生的电荷不仅会 分布在物体的表面，有时也会进入物体的内部，形 成体电荷。 两种绝缘材料接触时，由于体电荷的形成，可 以不考虑材料的表面态。设两种绝缘材料的介电常 数分别为蜀和岛，在界面两侧的电荷分布在厚度为 和的两个薄层里。如图2 3 所示9 6 1 。 ， + - - -+ 卜 + ： _- l + - 。 + - e 18 2 图2 - 3 两种绝缘材料接触带电 f 螗2 3t f i b o e | e c t r i o f i c a t i o n o f t w oi n s u l a t t i o nm a t e d a l s 此时，任一表面层单位接触面的电量，即面电荷密度为： ( 2 - 6 ) 其中：。和：为两种材料的等效功函数( e v ) 。 对于空气的击穿场强在3 0 k v c m 的情况下，根据高斯定理o r = 岛e 可得带电表亟最 大电荷面密度的极限为： 盯= s 0 e = 8 9 x 1 0 - 1 2 x 3 x 1 0 6 - 2 6 5 x l