帶電絕緣體靜電放電引燃性新型實(shí)驗(yàn)

孫可平,劉聞靈,郭鑫

(上海海事大學(xué)靜電技術(shù)研究所,上海 200135)

帶電絕緣體靜電放電引燃性新型實(shí)驗(yàn)

孫可平,劉聞靈,郭鑫

(上海海事大學(xué)靜電技術(shù)研究所,上海 200135)

提出了一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)評(píng)估絕緣體在接觸分離過(guò)程中靜電放電的點(diǎn)燃特性.首先,把不同數(shù)量的電荷荷電到材料的表面,通過(guò)實(shí)驗(yàn)校核所加電荷量是否足以使火花點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)探極發(fā)生點(diǎn)燃.其次,確定聚酰亞胺介質(zhì)薄膜通過(guò)摩擦起電能否獲得必需的表面電荷以引起點(diǎn)燃性刷形放電.通過(guò)把JCI場(chǎng)強(qiáng)計(jì)固定在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)薄膜背面10 mm處,測(cè)量該薄膜摩擦起電之前、起電期間、起電之后的表面電位,然后在充滿(mǎn)易燃混合氣體環(huán)境中觀測(cè)其是否被點(diǎn)燃.

靜電放電;靜電引燃;絕緣體放電;靜電安全

用于評(píng)估帶電絕緣體靜電放電引燃性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試技術(shù),詳細(xì)地規(guī)定了靜電放電引燃性的測(cè)試技術(shù),能夠成功地確定一個(gè)接地物體(大多數(shù)情況下是人體的手指)與一個(gè)帶電絕緣體表面接觸時(shí)所發(fā)生的刷形放電的引燃特性.文獻(xiàn)[1]這種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)已成功地在歐洲,美國(guó)獲得廣泛應(yīng)用.但是,該標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)卻不適用于2種帶電絕緣體,即無(wú)法確定2種絕緣材料在分離瞬間所發(fā)生的靜電放電的引燃特性.

一般說(shuō)來(lái),2種絕緣體的接觸分離能導(dǎo)致靜電放電,在分離過(guò)程中產(chǎn)生的大量靜電荷能產(chǎn)生一個(gè)高于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的電場(chǎng)從而引發(fā)所謂的微放電(micro-discharge).對(duì)于這種微放電的研究報(bào)道并不多見(jiàn),僅在20世紀(jì)50年代有人稱(chēng)之為反放電(back-discharge)[2],也有人稱(chēng)之為絕緣物體的空氣擊穿放電[3].隨著這種材料的進(jìn)一步分離,微放電使絕緣物體上的表面電荷趨于平衡,并把一定數(shù)量的電荷留在了每一個(gè)絕緣體上,可用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試技術(shù)測(cè)得此時(shí)的表面電位.

至于分離過(guò)程中的微放電是否具有點(diǎn)燃性,尚不十分明了.

本文提出了一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù),來(lái)評(píng)估絕緣體在接觸分離過(guò)程中靜電放電的點(diǎn)燃特性,也提出了一種測(cè)試方法,來(lái)檢測(cè)薄膜接觸分離之前,分離過(guò)程中間,分離之后的表面電位.

1 火花放電點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用的絕緣體是聚酰亞胺(polyimide)介質(zhì)薄片,厚度為0.127 mm.根據(jù)文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5],測(cè)試其表面電阻率和體積電阻率.結(jié)果顯示,在50%相對(duì)濕度下表面電阻率為(8.23±3.67)×1012Ω,體積電阻率為(1 301±900)×1012Ωcm.

1.2 點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)

評(píng)估一種材料是否為點(diǎn)燃源的先進(jìn)技術(shù),稱(chēng)之為火花放電點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn),文獻(xiàn)[1]所規(guī)定的測(cè)試方法,可以成功地評(píng)估FIBCs(flexible intermediate bulk containers)的安全性能.這種FIBCs已廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)粉體、層狀料、粒料等的存儲(chǔ),運(yùn)輸,生產(chǎn)加工等工業(yè)過(guò)程.對(duì)于FIBCs,不適當(dāng)?shù)奶幹?不良的接地和不良的靜電消散性能可能會(huì)引起靜電危害,引起人身傷害甚至工作人員死亡.IEC這一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用,已經(jīng)極大地減少了ESD引起的事故數(shù)量.

這種測(cè)試方法的基本程序,是先使某種材料帶電,再將一個(gè)金屬球在充滿(mǎn)引燃?xì)怏w混合物的環(huán)境中去靠近這種帶電材料,使之發(fā)生靜電放電.如果發(fā)生刷形放電的能量大于或等于易燃?xì)怏w混合物的最小點(diǎn)火能(M IE)則這種放電就具有點(diǎn)燃這種氣體混合物的能力.為了完成這種實(shí)驗(yàn),需要使用一種火花點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)探極,即SIP(spark incendivity p robe).已知M IE的混合氣體進(jìn)入一個(gè)聚碳酸酯混合室,室內(nèi)充滿(mǎn)玻璃粉球以保證氣體均勻混合,并配置一個(gè)火焰消除器以阻止火焰的傳播,混合氣體包圍在黃銅電極周?chē)?

推薦的標(biāo)準(zhǔn)氣體配置是空氣中乙烯的體積分?jǐn)?shù)為13%,其M IE為0.14 mJ.但本實(shí)驗(yàn)使用的是體積分?jǐn)?shù)為30%的氫氣和70%干空氣進(jìn)行化學(xué)計(jì)量混合,具有非常低的M IE為0.02 mJ,使帶電實(shí)驗(yàn)材料處于最壞環(huán)境中.

用夾子把76 cm2的聚酰亞胺介質(zhì)薄片固定在一個(gè)絕緣框架上,放在相對(duì)濕度(20±5)%和(50±5)%的環(huán)境中24 h.使用羊毛或電暈荷電使樣品帶電,充分荷電之后,實(shí)驗(yàn)探極接近介質(zhì)薄膜過(guò)程中,觀察放電情況及能否點(diǎn)燃混合氣體,但接近薄膜前30 s,先把混合氣體從實(shí)驗(yàn)探極流進(jìn)實(shí)驗(yàn)空間.讓實(shí)驗(yàn)材料獲得足夠高的靜電荷以引起氫-空氣混合物點(diǎn)燃,點(diǎn)燃與否可用放電時(shí)的聲響加以探測(cè)并記錄.待樣品荷電之后,使用實(shí)驗(yàn)探極在5個(gè)不同位置接近樣品.這5個(gè)位置為:上-右,上-左,中間,底-右,底-左.

在點(diǎn)燃性實(shí)驗(yàn)期間,用便攜式JCI140場(chǎng)強(qiáng)計(jì),距離樣品表面10 cm處(標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試距離)測(cè)量表面電位.結(jié)果顯示,在實(shí)驗(yàn)操作程序中,表面電位均超過(guò)了20 kV.

在探極接近樣品總共375次實(shí)驗(yàn)中(5個(gè)位置,每個(gè)位置75次實(shí)驗(yàn)),在50%相對(duì)濕度環(huán)境中共有2次點(diǎn)燃.在20%相對(duì)濕度環(huán)境中共有1次點(diǎn)燃.

2 刷形放電實(shí)驗(yàn)

國(guó)際電工委員會(huì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60079-0(2004)“Electrical Apparatus for Exp losive Gas A tmospheres-Part 0,General Requirem en ts”指出,如果沒(méi)有雙薄層傳播型刷形放電的結(jié)構(gòu),或者有這種結(jié)構(gòu)但其面積小于某一臨界尺寸(臨界尺寸取決于氣體的最小點(diǎn)火能M IE和危險(xiǎn)區(qū)域的級(jí)別),則絕緣材料即便帶電,也被認(rèn)為是安全的.但是,這種臨界尺寸非常小,例如文獻(xiàn)[6]所定義的一級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域?qū)τ跉錃舛?該面積為4 cm2.對(duì)于大多數(shù)油罐內(nèi)部,大多數(shù)時(shí)段內(nèi)均處于一級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域且有游離氫氣存在.就大多數(shù)實(shí)際情況而言,油罐內(nèi)不可能沒(méi)有較大面積的絕緣體.這樣一來(lái),該IEC標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)排除許多絕緣材料在一級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用.這使得選材標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于保守與苛刻.但在許多操作方面,這些絕緣材料成本低廉,易于加工,易于操作,或者使用導(dǎo)體(包括防靜電材料)的同時(shí)又不得不使用各種絕緣材料.

本文提出的新實(shí)驗(yàn)程序和方法,就是對(duì)一種絕緣材料在其操作環(huán)境中進(jìn)行靜電安全性能評(píng)價(jià).首先,確定發(fā)生點(diǎn)燃性刷形放電時(shí)的表面電位,把不同數(shù)量的電荷荷電到材料的表面,通過(guò)實(shí)驗(yàn)校核所加電荷量是否足以使火花點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)探極發(fā)生點(diǎn)燃.其次,確定這種聚酰亞胺介質(zhì)薄膜通過(guò)摩擦起電能否獲得必需的表面電荷以引起點(diǎn)燃性刷形放電.為此,先簡(jiǎn)單測(cè)量摩擦起電之前、起電期間、起電之后的表面電位,把JCI場(chǎng)強(qiáng)計(jì)固定在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)薄膜背面10 mm處,不僅能夠進(jìn)行檢測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)控,而且由于薄膜很薄,能使電場(chǎng)從一面穿透該薄膜到達(dá)另一面.其次在充滿(mǎn)易燃混合氣體環(huán)境中完成起電實(shí)驗(yàn)并觀測(cè)其是否被點(diǎn)燃.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置可以精確測(cè)量薄膜的表面電位,而且可以記錄刷形放電何時(shí)發(fā)生,也能以同樣方式記錄點(diǎn)燃性火花何時(shí)發(fā)生,這與其他文獻(xiàn)的報(bào)道相一致.僅有的區(qū)別是,對(duì)表面電位的測(cè)量更精確.決定在更高相對(duì)濕度下完成這些測(cè)試,因?yàn)樵谶@些濕度下會(huì)有更具點(diǎn)燃性的放電發(fā)生[7].理由是在較高濕度下電荷更易沿表面移動(dòng),因此會(huì)有更多電荷貢獻(xiàn)給靜電放電,點(diǎn)燃性的火花放電更容易發(fā)生.

把聚酰亞胺介質(zhì)薄膜用羊毛摩擦,并使用火花點(diǎn)燃性實(shí)驗(yàn)探極來(lái)探測(cè)刷形放電的發(fā)生.在70%相對(duì)濕度下刷形放電發(fā)生與否的檢測(cè)并不成功.成功的檢測(cè)僅發(fā)生在50%相對(duì)濕度的條件下.檢測(cè)結(jié)果示于圖1.

這些檢測(cè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行了75次,每組檢測(cè)結(jié)果僅選幾例加以發(fā)表.用羊毛摩擦聚酰亞胺介質(zhì)薄膜時(shí),把一定量的靜電荷淀積到薄膜表面,直到表面電位達(dá)到飽和.對(duì)于聚酰亞胺,飽和電位出現(xiàn)在-85±5 kV.如圖1所示,隨機(jī)實(shí)驗(yàn)中記錄了3次點(diǎn)燃,已用箭頭在圖中標(biāo)示出來(lái).這3次分別發(fā)生在表面電位為-67 kV, -79 kV和-84 kV.電位更低時(shí)并未觀察到點(diǎn)燃.第1次點(diǎn)燃使得表面電位從-67 kV降至-25 kV,降低了42 kV.與之相對(duì)應(yīng),有大量靜電荷在放電過(guò)程中發(fā)生了位移和中和.最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,只有聚酰亞胺介質(zhì)薄膜表面電位超過(guò)-67 kV,點(diǎn)燃性刷形放電方能發(fā)生.

圖1 引燃性刷形放電發(fā)生期間表面電位的檢測(cè)結(jié)果(在50%RH下已完成幾十次檢測(cè),圖中僅給出少量幾例)Fig.1 Surface poten tial during the onset of incendive brush discharge. at 50%RH

4 結(jié)論

提出了一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù),評(píng)估絕緣體在接觸分離過(guò)程中靜電放電的點(diǎn)燃特性.首先,把不同數(shù)量的電荷荷電到材料的表面,通過(guò)實(shí)驗(yàn)校核所加電荷量是否足以使火花點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)探極發(fā)生點(diǎn)燃.其次,確定這種聚酰亞胺介質(zhì)薄膜通過(guò)摩擦起電能否獲得必需的表面電荷以引起點(diǎn)燃性刷形放電.為此,把JCI場(chǎng)強(qiáng)計(jì)固定在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)薄膜背面10 mm處,測(cè)量該薄膜摩擦起電之前,起電期間,起電之后的表面電位,然后在充滿(mǎn)易燃混合氣體環(huán)境中觀測(cè)其是否被點(diǎn)燃.

火花點(diǎn)燃性實(shí)驗(yàn)證明,聚酰亞胺能夠成為氫-空氣混合氣體的點(diǎn)火源.刷形放電實(shí)驗(yàn)測(cè)試到了發(fā)生點(diǎn)燃時(shí)的表面電位為達(dá)到或超過(guò)-67 kV.

[1]IEC 61340-4-4,2004.Electrostatic classification of flexible intermediate bulk containers(FIBCs)-testmethods and requirements[S].

[2]LOEB L.Static electrification[M].Berlin:Sp riner-Verlan,1958.

[3]HARPERW R.Contact and frictional electrification[M].Mp rgan Hill:Laplacian Press,1958.

[4]ESD STM 11.11,2001.Surface resistancemeasurement of static dissipative p lanar materials[S].

[5]ESD STM 11.12,2001.Volume resistivity measurement of static dissipative planar materials[S].

[6]NFPA 70,2007.National Electrical code[S].

[7]CHARLSBUHLER,CARLOSCALLE,SID CLEM ENTS,et al.Testmethodology to evaluate the safety of materials using spark incentivity[J].Journal of Electrostatics,2006,64:744-751.

New Experimental on the Incendivity of Charged Insulator

SUN Ke-ping,LIUWen-ling,GUO Xin
(Institute of Electrostatics,Shanghai Maritime University,Shanghai200135,China)

New experimental techniques on the incendivity of charged insulato rs during separated is p resented.First,the different amountsof chargewere charged on material’s surface and checking w hether the charge app lied was sufficient to cause an ignition.Next we determined w hether the charged po lymide by tribocharging could p rovide the surface potentials necessary to cause incendive brush discharge.We p laced the JCI140 at 10 mm away on the back side of polymide to measure the surface potential before, during,and af ter contact-seperation.

static discharge;electrostatic incendive;insulator discharge;electrostatic safety

O 441.1;X 928

A

1000-1565(2010)05-0477-04

2010-03-05

上海市教委重點(diǎn)資助項(xiàng)目(07Z03)

孫可平(1945—),男,河南商丘人,上海海事大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,主要從事電磁兼容與靜電技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯:王蘭英)