静电防护理论与技术 课件 第4章 静电的危害及形成

第4章静电的危害及形成4.1静电危害的分类与实例4.2静电危害的预测习题4.1静电危害的分类与实例4.1.1静电危害的分类

1.按导致静电危害的客体种类划分导致静电危害的带电物质客体主要有固体(含人体)、液体、粉体和气体。图4.1是各种客体在静电危害中所占的比例，这种分类方法和比例是针对全社会不同行业、不同生产条件下发生静电危害情况的综合统计结果。

图4.1各种客体造成静电危害的比例

2.根据静电危害的后果性质划分静电危害一般可分为影响生产和干扰电子设备的生产障碍、对人体的静电电击及静电放电火花作为点火源引发的燃烧和爆炸(静电灾害)等三类。图4.2表示两次调查得到的静电危害比例的变化情况。

3.按不同行业或专业生产领域划分对于静电引起的燃爆灾害事故来说，以石油、化工、橡胶、印刷、造纸、粉体加工和弹药、火工品领域最为严重。就工艺种类而言，以输送、装卸、搅拌、喷射、开卷和卷缠、涂敷和研磨等工艺过程的事故最多。

图4.2静电危害形态种类与比较4.1.2静电危害的实例与分析

010203运送聚苯乙烯引燃事故人体静电引燃脱漆剂事故冲洗油槽车引爆事故从对以上三个静电危害实例进行的事故成因分析不难看出：要构成静电危害必须具备以下生产条件：

(1)带电体产生、积累起足够高的静电，以致能够发生静电放电。

(2)ESD源存在的场所有可燃性物质与空气的混合物且达到了爆炸浓度极限，或有对静电敏感的电子元器件及电子设备等易损、易被干扰物质。

(3)ESD源与静电易燃、易损物质之间能够形成能量的耦合，并且ESD能量等于、大于前者的最小点火能或静电敏感度。

必须指出：形成静电危害的这三个条件必须同时具备，缺一不可，所以只要控制一个条件不成立就可以避免危害的发生。4.2静电危害的预测4.2.1根据静电引燃灾害界限预测带电体发生静电放电时是否会成为危险的点火源，最好能根据发生放电前带电体的带电状态(如电位)进行预测。

1.带电导体的灾害界限带电导体发生放电时一般将其储存的静电能量一次性全部释放，如图4.3所示。

当带电导体储存的静电能量等于(临界状态)周围可燃性物质的混合物的最小点火能量时，应认为存在燃爆危险，产生燃爆灾害的界限可考虑为相当于储存最小点火能量的带电电位。图4.3导体放电模型

设可燃性物质的最小点火能量为

W

m，带电导体的危险电位为UD(即发生放电时刚好可能引燃的最低电位)，则二者的关系式为

由此可以解出危险电位UD

和危险电量QD

分别为

式(4.2)和式(4.3)可作为预测导体静电灾害的重要依据。其方法是：先根据带电导体的电容量和周围可燃性物质、混合物的最小点火能量，按式(4.2)计算出危险电位UD；然后测量带电导体的实际电位U，将两者加以比较，若U≥UD，则可判断为有发生静电灾害的危险。当然在实际应用时，由以上两式确定UD

或QD

还应考虑一定的安全系数。

为方便应用，通常将带电导体的危险电位与电容量及可燃性物质的最小点火能之间的关系绘制成曲线，如图4.4所示。

图4.4危险电位与电容量及最小点火能量间的关系曲线

2.带电介质的灾害界限因为带电介质发生放电时，其能量不能一次性全部释放，而只是随机地释放一部分，所以要像导体那样用介质带电电位或电量表示灾害界限是不可行的。通过大量实验发现，静电电位达到30kV的带电介质在空气中放电时，其每次释放的能量达到或超过零点几毫焦的概率很大，这足以引燃许多可燃性物质与空气的混合物。参考这一结果，可提出如下引燃灾害界限，作为预测介质放电时引发静电灾害的参考。

(1)当周围可燃性物质与空气的混合物的最小点火能W

m≥0.2mJ时，带电介质的危险电位UD=15kV(同时要求带电介质背面0.15m无接地导体)。

(2)当零点零几毫焦<W

m

<0.2mJ时，电介质的危险电位UD=5kV，危险电荷面密度σD=1μC/m2。

(3)当

W

m

为零点零几毫焦时，电介质的危险电位UD=1kV，危险电荷面密度σD=0.1μC/m2。

(4)无论W

m

为多少，只要带电介质的电荷面密度σ达到100μC/m2，就有引燃引爆的危险。

(5)轻质油品装油时，其危险电位(油面电位)UD=12kV，油品取样器的UD=4kV。

(6)悬浮的带电粉尘形成空间电荷云时，发生静电放电而引燃引爆的灾害界限可用危险电场强度ED

表示。当可燃性粉尘与空气混合物的最小点火能

Wm<0.1mJ时，ED=0.8kV/cm；当0.1mJ<Wm<1mJ时，ED=1.7kV/cm；当Wm>1mJ时，ED=3~5kV/cm。

(7)直径3mm以上的接地金属球接近带电介质时，所发生的放电有引燃危险。

(8)用手掌接近带电介质时，若手部有离子风的感觉，该介质的放电有引燃可能；若不仅有离子风感觉还有明显的电击感，则该介质引燃引爆的危险性非常大。

应当指出，由于介质的静电带电和放电特性都比较复杂，故在预测带电介质的引燃可能性时必须十分重视现场的运行经验，以便随时对上述判断准则进行修正。要特别注意，当遇到下列各种情况时，带电体的危险电位和危险电量值要比以上所给出的数值小或小得多。

这些情况包括：

•带电状态非常不均匀时或带电量和带电极性容易发生变化的场所；•介质中有局部电阻很低的部分，且该部分又是带电的；•带电介质内部或附近有接地导体时；•带电介质发生负极性放电时；•带电体与对置电极的条件变化时。

3.带电人体的灾害界限虽然在作粗略估算时可将人体等效为导体处理，但进一步的研究表明，带电人体的静电放电特性和引燃特性与导体有所不同。首先当带电人体对接地体发生放电时，只有当人体静电能比周围可燃性物质混合物的最小点火能大很多时，人体放电才能引燃该混合物；其次，在一定的电极条件下，带电人体发生引燃放电时，人体电位居主要影响因素，而人体电容的影响则不大。有关试验指出，对于最小点火能为0.39mJ的天然气与空气的混合物来说，人体的危险电位UD=6kV。

4.2.2根据静电泄漏电阻或物质电阻率预测

把能引起静电灾害的静电泄漏电阻称为危险泄漏电阻(RD)或物料的危险电阻率(ρVD，ρSD)，其估算都是基于如下一些数据，这些数据都是经理论计算和长期实践经验所确定的。

1.工装、设备、人体的危险泄漏电阻RD取上述电位最小值(100V)和起电电流的最大值(10-4A)按R=U/I

计算得R=106Ω，即当泄漏电阻在106Ω以下时，可以保证在任何情况下，物体上的静电都能完全泄漏。亦即在任何情况下，工装、设备、人体的危险泄漏电阻值RD=106Ω。类似地，若取U=300V，I=10-6A，按R=U/I计算得R≈108Ω。这表明在一般情况下，工装、设备、人体的危险泄漏电阻值可取为RD=108Ω。将生产中的实际接地电阻与RD

相比较，即可预测静电灾害发生的可能性。

2.物料的危险电阻率在火炸药生产中，物料的危险电阻率ρVD=104Ω·m，ρSD=106Ω/□；在一般工业生产中物料的ρVD=106Ω·m，ρSD=108Ω/□；对于某些静电起电较少，危险性较小的场所，物料的ρVD

和ρSD

可分别放宽到1010Ω·m和1011Ω/□。

3.轻质油品的危险电导率对于油品等液态物料，常用电导率(体电导率)表征其导静电能力。轻质油品的危险静止电导率γ=5×10-11S/m。所谓静止电导率是指油品处于静止的、不带电的自然状态下所具有的电导率。

4.2.3其他预测方法

1.根据带电体的尺寸预测

1)带电塑料表面的危险面积

2)固定设备或可移动设备的危险表面积设备的危险表面积见表4.2。

3)容器表面绝缘性涂料的危险厚度在很多情况下，需要在导电材料制成的容器表面涂覆绝缘性涂料。实验发现，涂层的厚度与静电放电引燃之间存在某种联系。涂层厚度越大，则绝缘涂层表面的电场强度越容易被导电材料容器上的感应静电所增强；到一定程度时，绝缘涂层上就会发生具有引燃能力的刷形放电。刚好可以发生引燃性放电的绝缘涂层的最小厚度叫危险厚度。同样，危险厚度也总是针对周围某种可燃性物质而言的。

2.根据带电体的放电形态(类型)预测前面曾介绍过静电放电的几种主要类型(形态)。静电放电的引燃能力除与放电能量、电位等诸多因素有关系，还与放电的形态有关。有的放电形态容易成为点火源，而有的放电形态尽管带电电位高、放电能量也大，但成为点火源的概率则很小。理论和实践都表明：引燃概率从高到低的放电形态依次为：火花放电、沿面放电、刷形放电、电晕放电，而成为点火源的概率较小的放电形式则是电晕放电。

表4.3给出了带电油面(平面)与不同形状和尺寸的接地体进行组合时的放电特性。

3.根据生产工艺特点预测在生产过程中，各种物料或工件与其他加工机械、设备、人体之间不可避免地发生着接触—分离或摩擦。按照静电起电理论，接触—分离得越频繁、程度越剧烈、参与接触—分离的两种材料在静电系列中相隔越远，则一定物料或工件的静电起电量越大，从而引燃引爆的危险性也越大。不同的生产工艺使物料工件受到的接触—分离作用也不同，因此，根据不同生产工艺的接触—分离作用特点，就可预测物料或工件的带电程度，进而预测引起静电灾害的可能性。表4.4是一些静电危险性较大的工艺名称。

4.根据带电体周围场所的危险性预测已经指出，形成静电灾害的基本条件是同时存在两个主要因素：成为点火源的静电放电及带电体周围有可燃性物质与空气的混合物。因此，通过对带电体周围环境的考查分析，也可预测静电灾害发生的可能性。对带电体周围环境进行分析，首先确定环境中有无可燃性物质与空气的混合物；若存在，进一步考虑其浓度是否达到爆炸浓度范围，以及估算其点火能量。但在很多情况下，在现场直接测量可燃性物质混合物的浓度是比较困难的，因此，只能根据在处理物料时，可燃性物质浓度发生变化的趋势和程度来预测场所的危险性。

基于上述观点，对于处理可燃性气体或蒸气的场所，其危险性按以下情况进行预测和判别：若在敞开状态下处理可燃性气体、蒸气或液体，或虽在封闭状态下处理但却有可能泄漏时，都应预测为有发生静电灾害的可能性。因为在这两种情况下，可燃性物质的浓度都会随着处理物料过程的延续而不断增加，以致在某一时刻，该浓度达到下限并进入爆炸范围。相反，若可燃性气体、蒸气或液体是在完全封闭的状态下处理，并且可确认无泄漏的可能时，可预测为无静电引燃的危险。

实例

某工厂精馏车间不慎造成二硫化碳(CS2)外漏，在车间地坪上形成一块面积约为60m2

的漏液区，操作人员迅速关闭了CS2

采样阀门制止泄漏，然后用拖布清扫地坪上的残液，并用水冲洗漏液区。当时的条件是：冬季为保暖车间门窗被封闭，操作工身穿普通劳保服和橡胶底鞋。试分析上述事件是否会酿成静电灾害。

解：首先从静电放电引燃可能性方面预测，操作工穿着普通劳保服和橡胶底鞋(鞋底电阻率可达1013~1015Ω·cm)且急速清扫，这种情况可使人体产生很强的静电且不易泄漏，从而造成人体静电的大量积累，极有可能发生静电放电。模拟试验表明：人在上述条件下工作，可测到人体静电电位高达1~5kV。另一方面被处理物料CS2

的最小点火能

W

m=0.015mJ。那么人体发生静电放电究竟能否点燃CS2?

4.2.4静电危害的事后分析分析静电灾害的目的或必要性有以下几方面：通过分析可以查明事故的直接原因，从而可有针对地采取相应的防护措施，以防止类似事故重复发生；可加深对引起静电灾害的各种条件和因素的认识，对以往的措施是否正确及其实际效果进行检验，以便使防静电措施更趋完善；有时因情况比较复杂，虽不能从分析中确认引起事故的直接原因，但却可发现各方面的隐患，这对于制定全面而系统的规范仍是有益的。

以下就静电灾害事故的分析方法按较简单的事故和较复杂的事故两种情况分别说明。

1.较简单的事故

(1)通过对有关的运转设备、物料性能、人员操作以及环境情况的分析，推测可能带有静电的设备、物体的种类及其带电程度，从中确定发生放电的物体及放电的类型。

(2)收集和测定必要的有关技术参数，估算可能的放电能量。

(3)参考静电危害的预测方法中所提出的有关静电灾害的界限，对是否属于点火性静电放电作出倾向性意见；或对较为简单明显的情况作出相应的结论。

2.较复杂的事故针对较复杂的事故，一般应按如下五个程序进行静电事故的分析，才能得出相应的结论。这个程序和内容是：现场调查、模拟测试、残骸分析、故障再现、综合分析。当然，在很多情况下，应根据实际需要和可能，选取上述的全部内容或部分内容；特别是故障再现，并不是在任何条件下都能实现的。

1)现场调查事故现场的各种痕迹可靠地记录了造成事故的原因和破坏过程，因此对现场的调查是进行事故分析的前提和基础。现场调查的方式包括听取当事人汇报、勘察事故现场、收集事故遗留物等。现场调查的主要任务是：根据现场调查所获资料，分析引起燃爆的可能的

点火源，初步确定事故的性质；如果其他点火源有充分的根据予以排除，则可确认为静电事故。另外一个重要的工作是判断引燃的发生部分(即起火点)，收集与事故直接原因有关的残骸件。

现场调查时的侧重点有以下几个方面：事故发生前的操作方式或操作时的情况，如操作时间的长短，操作的流量、流速、压力、温度，特别是物料或工件被摩擦、剥离、挤压、粉碎、筛选、喷溅等的程度；操作工序中各设备的连接情况，如设备的接地、中间接口的连接、接点的氧化或腐蚀情况等；操作人员的情况，如人员所在位置、操作时的动作或活动情况、着装情况等。对事故发生前的工作环境进行调查，包括：环境的温度、通风状况、场所的危险等级、气体的挥发程度、气体喷出或泄漏的情况、粉体的悬浮状态、颗粒的大小等，还包括调查其他可能引燃引爆的外部火源。

2)模拟测试由现场调查分析得出的结论仅是初步性的，还缺乏可靠的依据，为进一步准确认定静电事故的性质，需进行模拟测试，以确定是否存在静电积累和放电引燃的实际条件。模拟测试可分为完全模拟和局部模拟。完全模拟是根据现场勘察和事故前后的调查，模拟事故前的整个操作工艺，重新进行操作，并在关键部位接入静电测试仪表测得所需参数。经计算后，分析判断整个工艺中静电的积累能否导致放电火花，以及放电火花的能量能否成为点火源，即判断灾害有无可能是静电引起的。

3)残骸分析事故残骸件上的各种痕迹真实