電極結(jié)構(gòu)對(duì)同軸型靜電消除器放電性能的影響*

孟 鶴

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266100)

0 引言

當(dāng)一定濃度的可燃性粉塵懸浮在空氣中，且接觸到明火或靜電放電等點(diǎn)火源時(shí)可發(fā)生粉塵爆炸[1-3]?；どa(chǎn)過程中，在運(yùn)輸、生產(chǎn)和倉儲(chǔ)等環(huán)節(jié)所形成的懸浮固體顆粒，如可燃性聚烯烴、塑料顆粒等，都屬于靜電非導(dǎo)體，在氣力輸送過程中會(huì)產(chǎn)生大量靜電[4，5]。料(筒)倉作為化工物料儲(chǔ)存的重要單元，當(dāng)帶電粉體物料在其內(nèi)部大量堆積時(shí)，就可能發(fā)生引燃性傳播型刷形放電、錐形放電，引發(fā)粉塵爆炸[6,7]。國內(nèi)多家企業(yè)曾發(fā)生多起料倉靜電燃爆事故[8]。

為控制料倉內(nèi)物料靜電的產(chǎn)生，通常在料倉進(jìn)料管道安裝離子風(fēng)消電器[9]，將進(jìn)入料倉物料的靜電控制在安全范圍[9-15]。離子風(fēng)消電器包含多個(gè)放電電極模塊，放電電極模塊通過加在放電針的正高壓或負(fù)高壓將空氣電離，電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子在電場力以及電極附近高氣壓的雙重作用下被吹送到粉體料倉或者進(jìn)料管道中，對(duì)物料表面攜帶的靜電電荷進(jìn)行中和以達(dá)到靜電消除的目的[12]。放電針電離空氣的過程中，放電回路產(chǎn)生放電電流Ie，放電電流Ie的大小可表征放電電極模塊的放電能力，即靜電消除器的消電能力。為此，通過檢測不同放電電極模塊結(jié)構(gòu)狀況下放電電流Ie的大小，逐步優(yōu)化放電電極模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可為開發(fā)性能更佳的離子風(fēng)消電系統(tǒng)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 放電電極模塊

如圖1和圖2所示，放電電極模塊包括放電鎢針、圓柱體聚四氟乙烯針座、金屬外殼(接地)，其中放電針位于放電電極模塊中心，金屬外殼緊包聚四氟乙烯針座且接地。圖1中，針座直徑為d(金屬外殼內(nèi)徑)，放電針針尖端在針座內(nèi)且距離針座最前端截面距離為h(簡稱放電針深度)。

圖1 放電電極模塊測試示意

圖2 放電電極模塊

1.2 單個(gè)放電電極模塊的靜電放電實(shí)驗(yàn)

控制放電針外接高壓電且放電電極模塊金屬外殼接地，通過控制電壓的極性和大小，放電針產(chǎn)生不同極性和強(qiáng)弱的離子風(fēng)。但當(dāng)放電針針尖與金屬外殼之間的空氣被擊穿時(shí)，放電針釋放的離子數(shù)將大大減少。本實(shí)驗(yàn)測試針座直徑d和放電針深度h對(duì)中和放電電流Ie的影響。

針座如圖2所示共有3種，直徑d分別為16，20，26 mm；放電針深度h可調(diào)節(jié)(1，2，3，4 mm)，放電針針頭弧度為18°；直流電壓源輸出電壓范圍Ve為±10 kV；C21-μA指針式直流微安表測量范圍為±50 μA。為防止放電針意外短路，在測試放電電流回路中串聯(lián)限流電阻R(15，60 MΩ)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：16～18 ℃，26%～28%RH。

1.3 多個(gè)放電電極模塊的靜電放電實(shí)驗(yàn)

工業(yè)應(yīng)用的靜電消除器使用多個(gè)放電電極模塊同時(shí)工作，以達(dá)到消電效果。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M測試多個(gè)放電電極模塊離子同時(shí)使用時(shí)的離子風(fēng)疊加效果。如圖3所示，將多個(gè)放電電極模塊捆綁在一起且放電側(cè)處于同截面，中心位置放電電極模塊針座有金屬外殼且金屬外殼接地，當(dāng)空氣被擊穿時(shí)，放電針均對(duì)此金屬外殼放電。

圖3 多個(gè)放電電極模塊

分別測試并記錄每個(gè)放電電極模塊在同一電壓的放電電流Ie值，然后從具有金屬外殼的放電電極模塊開始逐一遞增，分別測量每次遞增疊加后的放電電流Ie大小，保持整個(gè)測試過程電源電壓值不變。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 針座直徑對(duì)放電電流的影響

圖4是不同放電針深度h和限流電阻R下，放電電流Ie與電源輸出電壓Ve間的關(guān)系。可以看出，固定放電針深度h，隨著針座針座直徑d的增加，放電電流總體有緩慢遞減的趨勢(shì)，除發(fā)生空氣擊穿以外，基本呈平穩(wěn)減少的態(tài)勢(shì)。

2.2 限流電阻R對(duì)放電電流的影響

圖5為h=2 mm、d=20 mm和h=3 mm、d=26 mm情況下，不同限流電阻R(0，15，60 MΩ)對(duì)放電電流的影響。當(dāng)放電針深度h和針座直徑d一定時(shí)，隨著電阻R的增加，放電電流總體呈緩慢遞減的趨勢(shì)。從圖5中可以看出，當(dāng)放電針深度h和針座直徑d一定時(shí)，R為15，60 MΩ對(duì)放電電流的影響基本相似，而有無電阻R則對(duì)放電電流有比較大的影響。

圖5 限流電阻R對(duì)放電電流的影響

2.3 放電針深度h對(duì)放電電流的影響

圖6為d=20 mm、R=0 Ω時(shí)，不同放電針深度h(1，2，3，4 mm)對(duì)放電電流的影響?？梢钥闯觯娫措妷涸?.5 kV之前，h=1 mm和h=2 mm情況下的放電電流曲線基本重合，同樣h=3 mm和h=4 mm情況下的放電電流曲線也基本重合。電源電壓大于9.5 kV以后，h=3 mm和h=4 mm情況下的放電電流曲線會(huì)發(fā)生陡增，h=3 mm的情況下尤為明顯，甚至超過了h=2 mm的情況下，而h=1 mm和h=2 mm情況下的放電電流曲線平穩(wěn)上升?？傮w來說，隨著放電針深度h的增加，離子流遞減。

圖6 放電針深度h對(duì)放電電流的影響

2.4 放電電流疊加效果

用7個(gè)放電電極模塊(如圖3所示)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電源電壓為13 kV，結(jié)果見表1、表2。表中I7表示中間的放電電極模塊(包金屬外殼)放電電流，I1～I(xiàn)6表示其余6個(gè)放電電極模塊各自的放電電流。

表1 正放電電流疊加效果 μA

表2 負(fù)放電電流疊加效果 μA

可以看出，多個(gè)放電電極模塊同時(shí)工作時(shí)，放電電流的疊加效果較明顯。其中，中間放電電極模塊的離子釋放效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他6個(gè)。由于每個(gè)放電電極模塊的放電針深度不同，也就是距中間放電電極模塊的金屬外殼放電距離不同，其余周邊6個(gè)放電電極模塊的釋放電流I1～I(xiàn)6大小各不相同。

2.5 正、負(fù)放電電流測試比對(duì)

在深度h、針座直徑d和電路電阻R相同的前提下，對(duì)比正負(fù)電源作用下放電電流的大小。如圖7所示，相同電壓絕對(duì)值負(fù)離子釋放效果遠(yuǎn)好于正離子，負(fù)離子放電電流大約是正離子的3倍左右。

圖7 正負(fù)放電電流對(duì)比

3 結(jié)論

靜電消除器的消除效果取決于放電電極模塊放電電流的大小，而放電針在放電電極模塊針座的定位對(duì)放電電流有較大影響。隨著針座直徑d、放電針深度h以及限流電阻R的增加，放電針的放電電流減小。基于本文的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)放電電極模塊放電針深度h為3 mm或者4 mm時(shí)，隨著控制電源的增加，放電電流會(huì)發(fā)生一個(gè)非線性突變，不利于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用控制。限流電阻一定的情況下，針座直徑d為16 mm時(shí)容易發(fā)生空氣擊穿，大大削弱離子釋放效果，同樣不利于工業(yè)應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)弧度k為18°的放電針來說，當(dāng)針座直徑d為20 mm，放電針深度h為1 mm或2 mm時(shí)，放電電流與電源電壓基本屬于線性關(guān)系，效果最佳。針座直徑d為26 mm時(shí)的放電電流與電源電壓雖然也是線性關(guān)系，但放電電流略低。限流電阻起著穩(wěn)定放電電流的作用，隨著限流電阻的增加，放電電流與電源電壓的線性關(guān)系越來越明顯。此外，可以利用多個(gè)放電電極模塊并聯(lián)來增加離子釋放效果。