Стандарты и нормы электростатической искробезопасности (ЭСИБ) Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

Стандарты и нормы электростатической искробезопасности (ЭСИБ)

В.Н. Верёвкин,

главный научный сотрудник ВНИИПО МЧС России, доктор технических наук

Принятая в России система электростатической искробезопасности (ЭСИБ) действует с 1979 года и не имеет аналогов в международном нормировании. В её основу положены закон Пашена, выражающий условия возникновения электрических разрядов в газе, и полученное в результате исследований ВНИИПО условие возникновения пробоев или скользящих искровых разрядов по диэлектрическим поверхностям, выраженное через электростатическую нагрузку, воздействующую на диэлектрики в процессах электризации. Система ЭСИБ рассмотрена с учётом проблем обеспечения пожарной безопасности в электротехнике.

Общие положения

Стандартизация системы ЭСИБ проводилась в развитие положений основополагающих стандартов пожарной безопасности [1] и взрывобезопасности [2]. Результаты исследования в этой области находили отражение в ряде частных отраслевых документов и НТД, относящихся к терминологии, методам определения минимальной энергии зажигания и зажигающей способности разрядов статического электричества, тока электризации, электрической прочности и показателей электростатических свойств диэлектрических материалов [3].

Но системное завершение требования ЭСИБ получили непосредственно в форме ГОСТа [4] и других [5-8] действующих в настоящее время стандартах и нормативных документах. В методическую часть стандарта [4] были введены ссылки на две инструкции, утверждённые ГУПО МВД СССР. Основное внимание отводилось условиям предотвращения возникновения разрядов статического электричества, а в случае допущения их возникновения обеспечению их искробезопасности.

Системой ЭСИБ учтена возможность существования двух физических границ.

Первая из них обусловлена тем, что разряды статического электричества в смесях горючего с возду-

хом исключены, если в объекте защиты исключены разрядные промежутки с разностью потенциалов, превышающей 300 В. Согласно закону Пашена для возникновения разряда в воздухе разность потенциалов в разрядном промежутке должна превысить это значение.

По данному положению возможны возражения. Скажем, известно, что "искрение" наблюдается при замыкании металлических полюсных электродов электрической цепи даже при напряжении трёхэлементной батарейки на 4,5 В. Но это явление обусловлено исключительно свойствами металлических поверхностей, образующих разрядный промежуток, их автоэлектронной эмиссией. В то же время, согласно требованиям ЭСИБ и рекомендуемой практике защиты от опасных проявлений статического электричества, которую никто не отменял, все электропроводящие элементы объединены в единую эквипотенциальную систему и заземлены. Так что речь идёт не о напряжении в 300 В в разрядных промежутках, образованных металлическими поверхностями.

Другое возражение может состоять в том, что дуговой разряд возникает при размыкании любой электрической цепи с током. Даже если этот ток гальванического происхождения и вызван напряжением порядка 1 В.

Но в практике наибольший ток электризации, наблюдаемый при действии углекислотного огнетушителя, соизмерим со значением всего лишь порядка 100 мкА. Да и в этом случае речь идёт не об искробе-зопасности токов электризации в электрических цепях заземления.

Так что в стандарте [4] вполне правомерно было записано, что требованиям безыскровой электризации отвечает объект, в котором отсутствуют участки с разностью потенциалов свыше 300 В.

Применение данного условия в сочетании с накопленными данными о токах электризации, обусловленных действиями человека, или характерными для различных технологических процессов, а также в сочетании с данными о плотности тока в процессах электризации неметаллических поверхностей, раскрывает большие возможности совершенствования многих областей техники, конструкционных материалов и маркетинга обеспечения защиты от опасных проявлений статического электричества. Однако эти возможности ещё недостаточно полно реализуются и не в должной мере учитываются в нормативной деятельности.

Вторая граница связана с условием возникновения разрядов, в искровых каналах которых реализуется энергия электростатического поля в объёмах наэлектризованных твёрдых или жидких диэлектриков.

Долгое время все явления, при которых учитывалась опасность статического электричества, определялись возникновением разрядов, обусловленных свойствами газов. При этом предельные параметры процессов электризации ограничивались свойствами воздуха. Считалось, что напряжённость поля не превышает значений порядка 3 кВ/мм, а плотность зарядов на поверхностях 26,5 мкКл/м2.

Но в 60-е годы возникли задачи интенсификации технологических процессов, внедрения новых технологий. Появлялись новые материалы и расширялись области применения уже имеющихся материалов с известными свойствами. Исследования процессов электризации пластмасс показали, что не следует исключать возможность пробоя и возникновения скользящих искровых разрядов на стенках пневмо-транспортных труб из неметаллических материалов. И такие разряды были получены при пневмотранспорте пшеничной муки по трубам из полиэтилена, молибденового термостойкого стекла и стекла марки 13В [9]. С учётом опасности возникновения скользящих искровых разрядов статического электричества по диэлектрическим поверхностям и разрушения подвергающихся электризации хрупких диэлектрических твёрдых материалов были разработаны строительные нормы с переченем допустимых областей применения труб из стекла в технологических трубопроводах [10] и общие требования ЭСИБ [5].

Во многом это стало возможным благодаря выполненным во ВНИИПО исследованиям, позволившим установить условия электризации, способствующие возникновению скользящих искровых разрядов.

Было показано, что на трубах из неметаллических материалов с покрытием и без электропроводя-

щего заземлённого покрытия такие разряды возникают спонтанно при электростатической нагрузке:

при

п # 1,

п = E/Е

(1)

пр

где п - электростатическая нагрузка, равная отношению напряжённости электрстатического поля (Е, В/м) в диэлектрике к его электрической прочности (Епр, В/м). При этом на трубах без электропроводящего покрытия наблюдались одновременно два зеркальных искровых канала по наружной и внутренней поверхностям трубопровода.

На трубах с покрытием скользящие искровые разряды можно было инициировать введением внутрь трубы электрода при условии, когда

п # 0,5. (2)

Последнее условие было принято за вторую физическую границу, определяющую возможность возникновения скользящих искровых разрядов.

Из этого положения сделано заключение о том, что объект подвергается слабой электризации, при которой не исключаются разряды в газе (в воздухе или в смесях с воздухом), но исключены разряды, реализующие энергию электростатического поля в диэлектрике (скользящие искровые разряды), если в объекте отсутствуют подвергающиеся электризации диэлектрики, электростатическая нагрузка которых отвечает условию:

п # 0,4.

(3)

Условно считают, что скользящие искровые инициируемые разряды статического электричества исключены, если параметры электростатических полей в объекте защиты не превышают 0,4 от значений, соответствующих электрической прочности твёрдых или жидких наэлектризованных диэлектрических сред.

Два рассмотренных условия разграничивают три инженерных направления обеспечения ЭСИБ, отвечающие принципиально различающимся требованиям.

На практике реализуются все три инженерных варианта обеспечения защиты. При этом к маркетингу и применяемым средствам защиты от опасных проявлений статического электричества предъявляются три различных уровня требований, предполагающих:

- предотвращение возникновения разрядов на условном нормативном уровне;

- предотвращение на условном нормативном уровне возникновения разрядов (скользящих или сопутствующих пробою или механическому разрушению стенок из подвергающихся электризации диэлектрических материалов), реализующих энергию электрического поля, соизмеримую с электропрочностными свойствами твёрдых или жидких диэлектриков и исключающих зажигание среды разрядами, возникающими в газе;

- предотвращение зажигания среды разрядами, возникающими в условиях сильной электризации.

Данные три инженерных варианта обеспечения защиты от статического электричества удобно обозначать: ЭСИБ безыскровой электризации, ЭСИБ слабой электризации и ЭСИБ сильной электризации.

Так различаются "Электростатическая искро-безопасность (ЭСИБ)" и "Защита от статического электричества". Первая - это система нормативных требований и обеспечения их выполнения, а вторая -это полный набор средств и способов защиты от опасных проявлений статического электричества.

Значительная пожарная опасность может возникать при обращении с изоляционными жидкостями. В этой связи полезно учитывать рекомендации Международной электротехнической комиссии, разработанные Техническим комитетом МЭК/ТК 89 "Испытания на пожарную опасность". Например, МЭК 60695-1-40. Испытание на пожарную опасность. Часть 1-40: Руководство по оценке пожарной опасности электротехнической продукции. Изоляционные жидкости. При этом важно соблюдать также требования ЭСИБ и учитывать возможные опасные проявления статического электричества как в нормальных, так и в аварийных условиях.

ЭСИБ безыскровой электризации

Система ЭСИБ безыскровой электризации определяется некоторыми явлениями, характеризующимися отсутствием проявлений свойств плазменных образований.

Применение устройств и средств заземления обеспечивает соответствие требованиям ЭСИБ безыскровой электризации изделий, оборудования, элементов оборудования или конструкционных материалов и т.п., считающихся электропроводными, например, в соответствии с "Правилами..." [8]. Но круг объектов, отвечающих данному требованию, существенно шире, чем устанавливаемый в соответствии с "Правилами." [8].

Данному требованию при соответствующем маркетинге могут отвечать даже изделия, оборудование, элементы оборудования или конструкционные материалы и т.п., считающиеся неэлектропроводными или диэлектрическими. Причём общий уровень пожарной безопасности, например футерованного неэлектропроводного оборудования, отвечающего требованиям ЭСИБ безыскровой электризации и системным требованиям пожарной безопасности и взрывобезопасности, может оказаться существенно выше по сравнению с аналогичным электропроводным оборудованием. При этом экономические, эксплуатационные и многие другие показатели неэлектропроводного оборудования могут оказаться существенно выше, чем аналогичные показатели оборудования из металла.

Данные требования не привязаны к показателям чувствительности веществ, материалов или изделий к воздействию источников инициирования зажигания или взрыва. Поэтому материалы, аппараты и оборудование, отвечающее требованиям ЭСИБ безы-

скровой электризации, могут применяться на тех же основаниях, как и металлы или аппараты и оборудование, изготовленное из металлов или считающееся электропроводным.

Требованиям ЭСИБ безыскровой электризации могут отвечать и среды (жидкости, сыпучие или твёрдые системы, вещества или материалы), обращающиеся в технологическом процессе. Обеспечение и контроль их соответствия требованиям ЭСИБ безыскровой электризации существенно проще, надёжнее и экономичнее, чем контроль зажигающей способности разрядов статического электричества.

Соответствие объекта требованиям ЭСИБ безыскровой электризации не является абсолютной гарантией безопасности. Например, для веществ и материалов, для которых нельзя установить экспериментальный максимальный безопасный зазор зажигания (практически отсутствует значение БЭМЗ, и горение проникает через любые поры в перегородках), могут потребоваться дополнительные специальные меры обеспечения системных требований пожарной безопасности и взрывобезопасности. Такие вещества и материалы могут инициироваться уже не только разрядами статического электричества, но и другими разнообразными источниками химическго, механического, электрического или электромагнитного воздействия. И при обращении с такими веществами и материалами должна соблюдаться "рекомендуемая практика" обеспечения безопасности.

В составе МЭК действует Технический комитет ТК 101 "Электростатика" с горизонтальными функциями по отношению к другим ТК. ТК 101 предлагает правила, методы тестирования и технику моделирования, служащие целям предупреждения нежелательных проявлений электростатических воздействий (ESD), включая возникновение взрывов и пожаров объектов защиты.

Основная его разработка, МЭК 61340 с общим титульным наименованием "Электростатика", состоит из следующих частей:

Часть 1. Общие положения.

Часть 2-1. Методы измерения в электростатике. Заряжаемость.

Часть 2-2. Методы измерения в электростатике. Сопротивление.

Часть 3-1. Методы воспроизведения электростатических эффектов. Моделирование разряда статического электричества. Модель тела человека.

Часть 3-2. Методы воспроизведения электростатических эффектов. Моделирование разряда статического электричества. Машинная модель.

Часть 3-3. Методы воспроизведения электростатических эффектов. Моделирование разряда статического электричества. Модель заряжения.

Часть 4-1. Стандартные методы испытания специального назначения. Электростатические свойства полов и покрытий полов.

Часть 4-3. Стандартные методы испытания специального назначения. Антистатическая одежда.

Часть 4-4. Стандартные методы испытания специального назначения. Электростатическая классификация мягких среднеразмерных контейнеров.

Часть 4-5. Стандартные методы испытания специального назначения. Методы характеристики защиты человека сочетанием свойств обуви и пола.

Часть 4-6. Стандартные методы испытания специального назначения. Методы испытания мягких среднеразмерных контейнеров.

Часть 5-1. Защита электронных устройств от электростатических воздействий. Общие требования.

Часть 5-2. Защита электронных устройств от электростатических воздействий. Руководство для пользователя.

В МЭК 61340-5-1 отражены требования к предупреждению опасных электростатических воздействий на электронные устройства. Введён термин "электростатическое разряжение (ESD)": перенос зарядов от тела к телу при непосредственном контакте вследствие разности электростатических потенциалов или вследствие электростатической индукции. Введена маркировка устройств (рис. 1), чувствительных к электростатическим воздействиям (ESDS), и символика обозначения зон защиты (ЕРА) и утечки зарядов (ESD).

Фон жёлтый

Требованиям ЭСИБ безыскровой электризации отвечают заземлённые в установленном порядке объекты, не содержащие веществ и материалов с удельным объёмным электрическим сопротивлением более 105 Ом-м, в которых отсутствуют процессы разбрызгивания, распыления, измельчения или диспергирования, или заземлённые в установленном порядке объекты, в которых отсутствуют образованные неметаллическими поверхностями участки с разностью потенциалов свыше 300 В. Это последнее условие, если не предъявляется требований не только по исключению условий возникновения разрядов в воздухе, но и по защите от электростатической индукции и кондукции, должно соблюдаться для всех элементов объекта, в том числе включающих электропроводящие неметаллические и антистатические материалы, и является обязательным для средств заземления человека, средств транспорта, тары и т.п.

Как уже отмечалось выше, в разрядных промежутках, образованных металлическими поверхностями, разряды могут возникать и при напряжениях менее 300 В. Отчасти и этой причиной оправдано ранее действовавшее до 1973 года требование правил защиты от статического электричества в производствах химической промышленности: "...не допускать ношения колец и браслетов.". При этом уместно отметить, что электропроводящий браслет или кольцо способны увеличивать зажигающую способность разряда с наэлектризованного тела человека или разряда на тело человека с наэлектризованного предмета.

Покрытия, плёнки и другие объекты также удовлетворяют положениям ЭСИБ при соблюдении условия:

1Я # 300 В,

(4)

Рис. 1. Символ для электронного устройства, чувствительного к электростатическому разряжению

Основным опасным воздействием на электронное устройство считается кондуктивный импульс тока при прикосновении к полюсу человека, электростатически заряженного более 100 В.

Данный международный норматив может быть полезным руководством при инженерной реализации ЭСИБ безыскровой электризации там, где необходимо исключить электростатические воздействия человека, заряженного свыше 100 В, на электронные устройства или на другие объекты защиты.

Обычно классификационные критерии ЭСИБ соответствуют физической модели возникновения разрядов с наэлектризованного объекта. Но разряды возникают и непосредственно в процессах электризации. И при выявлении критериев ЭСИБ безыскровой электризации необходимо учесть обе модели.

Критериям ЭСИБ могут соответствовать отдельные материалы, конструкции или узлы объекта, который в целом не отвечает требованиям ЭСИБ безыскровой электризации.

где I - ток электризации, А; Я - наибольшее сопротивление между неметаллической поверхностью и контуром заземления, Ом.

При действиях человека (бег, ходьба, протирка стёкол, мебели, оборудования и т.п.) ток электризации обычно не превосходит 1 мкА и поэтому достаточно, чтобы сопротивление устройства заземления не превышало 3 - 108 Ом, что согласуется с положениями ГОСТ 12.4.124.

Рассмотрим упрощенную модель расчёта потенциала зеркала наэлектризованной жидкости. Если зеркало жидкости отождествить с диском с радисом L (м) и с поверхностной плотностью зарядов О (Кл/м2), то потенциал р (В) в его центре не превы-

сит значения:

О С

Р = -ТТЛ--.

Примем значение ■

О = ] ■ т,

(5)

(6)

где ] - предельно возможная в среде воздуха плотность тока электризации, соответствующая

начальному состоянию образования плазмы в воздухе, равная 10-4 А/м2; т - собственное время релаксации электрических зарядов жидкости, т = е-8о ру, с, где ру - удельное объёмное электрическое сопротивление жидкости.

В результате получаем, что в случае, когда исключён верхний налив, допускающий разрыв струи или процессы диспергирования, требованиям ЭСИБ безыскровой электризации с высокой надежностью отвечают жидкости в заземлённом металлическом оборудовании с удельным объёмным электрическим сопротивлением не более значений, определяемых соотношением

2 -ю 2 -300 6-10^

р., = —-—=-Ом -м. (7)

Иу з -Ь 10-4- Ь Ь

Классификационные критерии ЭСИБ безыскровой электризации соблюдаются при примении покрытий на неэлектропроводящей основе, плёнок, неметаллических стенок и других подобных объектов в заземляющих периметрах при выполнении одного из следующих условий:

Ру ь2 4 - е - в0 -I

#300 В

Ру 'У ь2 4- I

- #300 В,

(8)

(9)

где ру - удельное объёмное электрическое сопротив ление, Ом - м;

а]

поверхностная плотность заряда, Кл/м

2

2

Ру- а - Ь 8- е -

#300 В

Ру ' 3 ' Ь

2

#300 В.

(10)

(11)

Классификационным критериям ЭСИБ безыскровой электризации отвечают покрытия на неэлектропроводящей основе в заземляющих периметрах, плёнки, неметаллические стенки и другие подобные объекты с удельным объёмным электрическим сопротивлением не более значений, определяемых соотношениями для плоских образцов:

4ю -г

Ру~

Ом - м

з ь

и для трубчатых образцов:

8 -ю -г Ру = - Т2 Ом -м. 2 -Ь2

(12)

(13)

ЭСИБ слабой электризации

Система ЭСИБ слабой электризации определяется явлениями, обусловленными свойствами плазменных образований в воздухе (состояниями плазмы воздуха). Требования ЭСИБ слабой электризации включают соответствующие классификационные критерии и критерии безопасности возникающих разрядов статического электричества.

Предельные параметры процессов электризации представляют параметрами электропрочностных свойств диэлектрических материалов, включая:

Е

пр

пр - 2пр

■ W,

упр

■ N

упр; т (еР) , (14)

1 111Л'Л ПУХУ X X Л-/ ии^/^Хр^и^ X А У

плотность тока электризации, А/м2 (при отсутствии данных в обычных режимах статической электризации в технологических процессах в среде воздуха принимаемая равной 10-4 А/м2); е и вд- относительная и абсолютная диэлектрическая проницаемость; Ь- радиус наибольшей окружности, вписанной в плоский образец, ограниченный заземляющим контуром, или в плоскую развёртку образца сложной формы, ограниченнного заземляющим периметром, м; г - толщина образца, м.

Конструктивный участок трубопровода длиной Ь (м) с толщиной стенки г (м) из неметаллического материала с удельным объёмным электрическим сопротивлением Ру (Ом - м), смонтированный на электропроводящих заземлённых фланцах, может классифицироваться как отвечающий классификационным критериям ЭСИБ безыскровой электризации при выполнении одного из следующих условий:

где Епр, апр, Зпр, ^^упр и Nvпр - напPяженность, поверхностная плотность зарядов, плотность тока

электризации в зоне заряжения, объёмная плотность энергии электростатического поля и объёмная плотность мощности преобразования механической энергии в энергию электростатического поля; т - собственное время релаксации электрических зарядов; вир - относительная диэлектрическая проницаемость и удельное электрическое сопротивление наэлектризованной среды соответственно.

Электрической прочности воздуха в условиях международной стандартной атмосферы на уровне моря соответствуют значения: Епр = 3000 кВ/м; а = 26,4 мкКл/м2; зпр = 100 мкА/м2; т = 0,26 с; W = 40 Дж/м3; Nvпр = 300 Вт/м3.

Чувствительность веществ и материалов к зажигающему воздействию разрядов статического электричества характеризуется:

- безопасным экспериментальным максимальным зазором (БЭМЗ, So) или критическим расстоянием (гкр) и температурой самовоспламенения (Тсв);

- минимальной энергией зажигания ^т^п);

- минимальным зарядом зажигания (?т1п);

- минимальной линейной плотностью энергии зажигания ^ьт^п).

Предельные параметры зажигающей способности разрядов статического электричества в условиях слабой электризации определяются свойствами воздуха аналогично тому, как его электропрочностные свойства определяют предельные параметры процессов электризации. Зажигающая

и

и

способность разряда статического электричества может зависеть: от энергии разряда (Ws, Дж); заряда в униполярном импульсе разрядного тока (qs, Кл); максимального потенциала наэлектризованной диэлектрической среды (ф s, В) и от геометрических параметров объекта, включая радиус кривизны проводящей поверхности (Rs, м), на которую происходит разряд, характеристический линейный размер заряженной свободной диэлектрической поверхности (Ls, м) и характеристический линейный размер м) полости со стенками из электропроводящего заземленного материала. Заключение об электростатической искробезопас-ности (ЭСИБ) объекта можно получить сравнением его параметров с критериальными значениями. В качестве критериальных применяют значения

Wс'; qс; WLс, Фс -с и 1с.

Кроме данных критериев находят применение

критерии, которые помимо чувствительности к зажигающей способности разрядов зависят ещё и от геометрических параметров объекта. К ним относят: нормальную к заряженной поверхности составляющую напряжённости электрического поля в газе (Ес), поверхностную плотность электрических зарядов (ас), время релаксации электрических зарядов (тс) или комплексный параметр (еру)с, зависящий от удельного сопротивления и относительной диэлектрической проницаемости наэлектризованной среды.

Пользоваться критериями -с, -с, 1с, фс, Ес, тс и (еру)с допустимо в случае, когда разряды возникают только в смесях горючих веществ с воздухом, но исключены скользящие искровые и другие разряды, характерные для сильных электростатических полей. Считается также, что разряды единичны, а ток электризации не определяет условий зажигания. Но следует учитывать, что ток зажигания в процессах электризации для объектов с наличием газовоздушных взрывоопасных смесей с минимальной энергией зажигания 0,01 мДж (водородо-воздушная смесь) и 0,22 мДж (пропано-воздушная смесь) равны соответственно 10 мкА и 200 мкА. Значения критериев, применяемых в случае вероятности возникновения разрядов в неоднородном электрическом поле, минимальны, когда знак зарядов наэлектризованной среды отрицателен.

При значениях минимальной энергии зажигания не менее 100 мДж достаточно обеспечить отсутствие условий возникновения скользящих разрядов статического электричества или разрядов, сопутствующих пробою диэлектрических материалов, для чего достаточно обеспечить соблюдение классификационных требований ЭСИБ слабой электризации.

Соответствие объектов классификационным критериям ЭСИБ слабой электризации может устанавливаться по данным об электростатических и электропрочностных свойствах конструкционных материалов в сочетании с данными о параметрах протекающих процессов электризации и возникающих при этом значениях электростатических нагрузок.

Классификационным критериям ЭСИБ слабой электризации отвечают заземлённые в установленном порядке объекты, не содержащие веществ и материалов с удельным объёмным электрическим сопротивлением более 108 Ом-м, в которых отсутствуют процессы разбрызгивания, распыления, измельчения или диспергирования.

Но классификационным требованиям ЭСИБ слабой электризации отвечают и объекты, не содержащие веществ и материалов с удельным объёмным электрическим сопротивлением более 1010 Ом - м, в которых отсутствуют процессы разбрызгивания, распыления, измельчения или диспергирования, т.к начальному состоянию плазмообразования в воздухе соотвтетсвует т = 0,26 c и

0,26

е0

8,9 -10'

12

3-1010Ом -м. (15)

Кроме того, классификационным требованиям ЭСИБ слабой электризации отвечают объекты с неметаллическими материалами, электростатическая нагрузка которых не превышает 0,4:

п # 0,4

(16)

или

при п = Е/Епр, или п = У/Упр, или п = а/а пр п = Ф/Ф пр ,

где п - электростатическая нагрузка,

- равная отношению напряжённости электрста-тического поля (Е, В/м) в диэлектрике к его электрической прочности (Епр, В/м), или

- равная отношению плотности тока электризации (], А/м2) к значению, соотвтетствующему электрической прочности 0пр, А/м2), или

- равная отношению поверхностной плотности электрических зарядов (а , Кл/м2) к значению, соотвтетствующему электрической прочности (апр, Кл/м2), или

- равная отношению электростатического потенциала поверхности (ф , В) к значению, соответствующему электрической прочности ( фпр, В). Классификационным требованиям ЭСИБ слабой

электризации отвечают также объекты с неметаллическими материалами с электрической прочностью, не превышающей электрическую прочность

Таблица 1

Характеристики чувствительности взрывоопасных смесей горючих газов с воздухом к зажигающему воздействию разрядов статического электричества

Горючий газ, применяемый в испытательной смеси Минимальная энергия зажигания, ^¡п мДж Критериальные значения

энергии разряда, Wc, мДж заряда в испульсе, щс, мкКл

Метан 0,280 0,1870 0,060

Пропан 0,250 0,1670 0,060

Пентан 0,180 0,1200 0,042

Этилен 0,086 0,0580 0,030

Водород 0,011 0,0073 0,010

воздуха, включая воздухопроницаемые тканые или пористые материалы.

Для обеспечения электростатической искробезо-пасности рекомендуется, чтобы энергия Дж) или заряд в импульсе ^, Кл) при разряде с изделия или материала не превышали критериальных значений С^с, Дж и qс, Кл), указанных в табл. 1 и 2. Критериальные значения, указанные в табл. 1, предназначены для применения при обеспечении ЭСИБ электрооборудования для взрывоопасных сред, где принят коэффициент безопасности 1,5. Значения в табл. 2 соответствуют коэффициенту безопасности 2,5, принятому на основании обобщённого анализа статистических распределений зарядов в импульсах тока при разрядах статического электричества.

Значение заряда в импульсе Кл), соответствующее значению минимальной энергии зажига-

ния Дж) определяют или экспериментально,

или по формуле

q = 0,00024 Wmin 0,9.

(17)

В табл. 2 показаны также соответствующие значению минимальной энергии зажигания критериальные значения Rс, 1с, Lс и фс, а также значения оптимального радиуса кривизны электрода Rэ, при применении которого обеспечивается наибольшая вероятность возникновения разрядов с зарядом в импульсе, равным qc, и значения начальной напряжённости Е0 электростатического поля у поверхности электрода с критериальным радиусом кривизны поверхности Rс в условиях воздействия на него разряда статического электричества с зарядом в импульсе, равным qc.

Таблица 2

Некоторые критериальные значения параметров разрядов статического электричества в условиях ЭСИБ слабой электризации

Минимальная энергия зажигания

Критериальные значения параметров разрядов статического эектричества в условиях ЭСИБ

слабой электризации

^т, мДж мДж qс, мкКл Rс, мм Rэ, мм ^ м ^ м Е0, 106 В/м ф с, кВ

0,18 0,07 0,036 2,5 0,9 0,02 0,02 5,7 14,3

0,30 0,12 0,052 3,3 11 0,06 0,03 5,3 17,5

1,00 0,40 0,16 6,5 18 0,28 0,10 4,54 29,5

2,00 0,80 0,31 8,5 22 0,36 0,13 4,31 36,6

3,00 1,20 0,44 10,0 25 0,41 0,15 4,20 42,0

5,00 2,00 0,66 13,0 28 0,51 0,19 4,01 52,1

10,00 4,00 1,20 16,0 32 0,62 0,23 3.88 62,1

15,00 6,00 1,80 19,0 34 0,72 0,26 3,78 71,8

20,00 8,00 2,40 22,0 35 0,81 0,29 3,71 81,6

Таблица 3

Требования к значениям геометрических параметров изделия с неметаллическими материалами

Геометрический параметр изделия

Допустимые значения геометрического параметра в зависимости от категории взрывоопасной смеси, не более

Категория взрывоопасной смеси и класс взрывоопасной зоны

I НА ПВ ПС

Зона 0

Площадь поверхности неметаллической оболочки или её частей не превышает*, см2 100 16 16 4

Зоны 1 и 2

16 16 16

* Учитывается площадь свободной поверхности, не ограниченной заземлённым электропроводящим периметром. При наличии электропроводящих заземлённых периметров значения, указанные в таблице, допустимо увеличить в 4 раза.

Критериальное значение потенциала фс вычисляют, как произведение Rс на Е0:

фс = Rс

Е

0

(18)

Искробезопасность разрядов статического электричества может достигаться нормированием геометрических параметров изделий с неметаллическими материалами. К геометрическим параметрам изделия относятся данные о размерах площади и характере поверхности участков изделия из неметаллических конструкционных материалов и о расположении заземленных металлических элементов. При наличии ребер, толщина и глубина которых находятся в пределах от 2 до 20 мм, за нормированную площадь поверхности участков изделия из неметаллических конструкционных материалов следует принимать их общую максимальную площадь проекции на плоскость. К геометрическим параметрам относятся также данные о размерах площади поверхности и толщине покрытий или пленок и их расположение относительно заземленной металлической основы и других заземленных электропроводящих элементов. Некоторые нормируемые значения геометрических параметров показаны в табл. 2 и 3.

ЭСИБ сильной электризации

Система ЭСИБ сильной электризации определяется явлениями, связанными с возникновением скользящих искровых разрядов статического элек-

тричества или разрядов, сопутствующих пробою твёрдых или жидких диэлектриков. Предельные параметры процессов сильной электризации возможно представлять параметрами электропрочностных свойств твёрдых или жидких диэлектрических материалов.

Для стекла 13В: Епр = 48000 кВ/м; стпр = = 2100 мкКл/м2; ]пр = 10,7 мкА/м2; т = 200 с; рv = = 4,5 ■ 1012 Ом -м при 20 °С; р3 = 1012 Ом при относительной влажности воздуха 95% и р5 = 1014 Ом при относительной влажности воздуха 65%; е = 5,0; ^пр = 50,4 кДж/м3; Nvпр = 514 Вт/м3.

Условия сильной электризации таковы, что электростатические нагрузки достигают значений, соизмеримых с электрической прочностью жидких или твёрдых диэлектриков. Становится существенной вероятность их пробоя или возникновения искровых разрядов на их поверхностях, при которых реализуется объёмная плотность энергии Wv электростатического поля, на несколько порядков превышающая значения, возможные в воздухе. Так в воздухе Wvпр= 40 Дж/м3, а в стекле 13В Wт = 50,4 кДж/м3.

Преимущественными параметрами, применяемыми при оценке зажигающей способности разрядов статического электричества в условиях сильной электризации (скользящих или сопутствующих пробою), являются линейная плотность энергии в искровом канале Дж/м) и её критериальное значение (WLс, Дж/м).

vпр

Литература

1. ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования.

2. ГОСТ 12.1.010-76 ССБТ. Взрывобезопасность. Общие требования.

3. Верёвкин В.Н., Смелков Г.И., Черкасов В.Н. Электростатическая искробезопасность и молниезащита. -М.: МИЭЭ, 2006. - 170 с.

4. ГОСТ 12.1.018-79 ССБТ. Статическое электричество. Искробезопасность. Общие требования. С 01.07.80 до 01.01.87. - 6 с.

5. ГОСТ 12.1.018-93. Пожаровзрывоопасность статического электричества. ОТ.

6. ГОСТ 12.4.124-83. Средства защиты от статического электричества. ОТТ.

7. ГОСТ Р 52274-2004. Электростатическая искробезопасность. Общие технические требования и методы испытания.

8. Правила защиты от статического электричества в производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. - М.: Химия, 1973. - 64 с.

9. Верёвкин В.Н., Горшков В.И., Фетисов П.А. Искровые разряды по поверхности диэлектрических пневмотранспортных труб // Электричество. - 1967. - № 4. - С. 77-79.

10. СН 437-81. Инструкция по проектированию технологических трубопроводов из стеклянных труб // Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1983. - 30 с. Взамен СН 437-72.