影響靜電火花放電的因素

陳 坤， 張小良， 陶光遠， 王昊博， 黃 兵， 趙彥麗

(1. 上海奉賢消防救援支隊， 上海201499； 2. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院， 上海201418)

靜電放電引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故對工藝設(shè)備、相關(guān)人員以及經(jīng)濟財產(chǎn)等會造成較大的影響或損失[1-2]。研究表明，大約80%靜電引發(fā)的點火源于火花放電[3]，因其放電機理復(fù)雜且受外界環(huán)境影響較大，徹底消除靜電難上加難。研究指出，靜電防治主要還是從降低可燃物靜電敏感性以及減小放電能量2個方面入手[2]。另外，即便是同種類型的靜電放電，其點火能力也會受到放電電壓以及擊穿介質(zhì)的影響，況且物質(zhì)分類眾多，對靜電的敏感性各不相同[4]，想要對靜電放電點火風(fēng)險做出評估，靜電放電理論方面的研究和總結(jié)必不可少。

靜電放電是氣體放電的一種，主要研究理論包括湯森放電理論[5]和帕邢定律[6]，因其產(chǎn)生與發(fā)展耗時短，光現(xiàn)象變化劇烈，故采用傳統(tǒng)儀器設(shè)備來表征和研究已不能滿足要求。隨著傳感器技術(shù)、光學(xué)設(shè)備的快速發(fā)展，高速攝影、紋影儀以及各種高頻的數(shù)據(jù)采集設(shè)備已成為研究靜電放電過程的必備工具。此外，靜電放電除了與其電極、放電參數(shù)等相關(guān)，還受工況條件下各種復(fù)雜環(huán)境的影響，實驗室模擬溫濕度、風(fēng)速、壓力等條件對放電火花的影響，同時需要分析火花產(chǎn)生與消逝以及火花半徑的規(guī)律。

目前國內(nèi)關(guān)于靜電放電的研究主要把落腳點放在靜電放電影響因素以及靜電放電點燃能力上。 國外的文獻則偏重對某一具體的放電類型， 研究其放電過程中能量的輸出規(guī)律、 能量的轉(zhuǎn)化以及能量的計算。 如周本謀等[7]通過一系列實驗對典型的靜電放電類型， 如電暈放電、 刷形放電、 堆表面放電、 人體放電以及火花放電的點燃能力作了定量評估； 然后又結(jié)合數(shù)據(jù)序列理論相關(guān)內(nèi)容， 找到了點火源與可燃物序列的關(guān)聯(lián)性， 此方法可以用于評估靜電放電的點火能力及危險性。 周本謀等[8]對典型靜電放電的6種類型的點火能力和點燃危險性作定量評估的基礎(chǔ)上， 通過大量實驗研究得出火花持續(xù)時間、 火花直徑以及火花能量對靜電放電點燃能力的影響， 并結(jié)合灰色系統(tǒng)理論的相關(guān)研究， 從另一個角度找了可燃物和點火源的關(guān)聯(lián)性， 最后將實際工況條件下的靜電放電火花點燃危險性進行了分級。 Beloni等[9]以鎂粉塵為研究對象， 主要研究其靜電放電點火能量和點火時間對點火延遲時間的影響。 結(jié)果表明， 隨著放電能量增加， 延遲時間趨近于0。Weiret等[10]以鋁粉塵為研究對象，通過不斷減小鋁粉的粒徑， 研究其對電導(dǎo)和靜電敏感性影響。 實驗結(jié)果表明， 不斷減小鋁粉塵粒徑， 電導(dǎo)率減小， 同時鋁粉塵被點燃所需的能量也逐漸降低。 Stephane等[11]除了對粉塵云著火能量進行統(tǒng)計分析外， 還對電容放電和其他類型放電進行了比較。 Kamenskihs[12-13]和張博等[14]研究發(fā)現(xiàn)， 在高電壓點火系統(tǒng)中的能量損耗占電容儲存總能量的91.34%， 僅有約9%的能量用于電火花點火。 Zhong等[15]采用不同的觸發(fā)方式研究了電感對放電效率和放電時間的影響。 結(jié)果表明， 當(dāng)電極運動觸發(fā)放電時， 無電感器時放電效率為78.2%～90.1%， 有電感時放電效率為41.1%～59.3%。 Liu等[16]改變能量(電容和電壓)和電極參數(shù)的影響研究了火花放電特性。 結(jié)果表明, 電壓驅(qū)動的火花放電能量比電容變化的能量更穩(wěn)定。 根據(jù)電極的場強分布， 揭示了不同電極參數(shù)下電極的擊穿特性。 大電極間隙比小電極間隙的能量利用效率提高約5.55%。

基于此，筆者主要以火花放電為基礎(chǔ)，研究其放電的產(chǎn)生與消逝以及影響靜電火花的因素，為相關(guān)工貿(mào)行業(yè)提供預(yù)防靜電爆炸事故的理論依據(jù)和行動指導(dǎo)。

1 實驗

1.1 裝置簡介

1)電火花發(fā)生器

實驗采用DHNF-265電火花發(fā)生器(成都新辰光電有限公司)進行。表1為火花發(fā)生器主要技術(shù)指標(biāo)，表2為火花能量對應(yīng)電容容量。

表1 火花發(fā)生器主要技術(shù)指標(biāo)

表2 火花能量對應(yīng)電容容量

電火花發(fā)生器工作原理見圖1。如圖所示，Ctr是觸發(fā)電容，充電后開關(guān)S接通瞬間，能量釋放，通過變壓器產(chǎn)生高壓脈沖，在電極G間產(chǎn)生微小電弧，使得電極間電阻降低，從而觸發(fā)主要儲能電容C開始釋放儲存的能量。

G—電極； S—開關(guān)； Ctr—觸發(fā)電容； C—電容； D—二極管； T—變壓器； AC—交流電。圖1 火花發(fā)生器電路原理Fig.1 Principle of spark generator circuit

2)高速攝像系統(tǒng)

本次實驗為記錄放電火花實時圖像，選用Lavison公司的高速攝影系統(tǒng)來完成，見圖2。如圖所示，該系統(tǒng)主要包括尼康CCD高速相機、一個同步控制器、一個計算機工作站以及一套軟件(DaVis8.40)。設(shè)備主要參數(shù)如下：采集頻率：最高10 kHz；尼康CCD相機像素：1 280×800 pixels；輸入輸出信號：TTL 5V；曝光模式：單幀單曝光-雙幀雙曝光；相機視場：2D&3D。

圖2 高速攝像系統(tǒng)Fig.2 High speed camera system

3)電極材料

電極材料如圖3所示，鎢電極(直徑為2 mm、 長度為300 mm、 尖角為30 °，純度為99.9%，均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、黃銅電極(銅占70%，錫占30%，純度為99.9%)、304不銹鋼電極(純度為99.9%)。黃銅及304不銹鋼電極設(shè)計參數(shù)如圖4所示。

圖3 電極Fig.3 Electrode

圖4 電極設(shè)計參數(shù)圖Fig.4 Electrode design parameter diagram

1.2 方法

實驗通過高速攝像系統(tǒng)完成對靜電放電過程的拍攝，整個過程可以自動控制，能減少手動操作帶來的誤差，以此來研究火花半徑的影響規(guī)律，主要測試步驟如下。

1)圖像標(biāo)定。 首先在拍攝區(qū)域豎直放置一個直尺， 調(diào)整高速相機的位置與焦距， 使其處在最佳的位置； 然后在軟件DaVis8.40中創(chuàng)建New Project， 選擇Scaling模塊， 尋找2個像素點設(shè)置距離(取10 mm)， 確認(rèn)即可。

2)設(shè)置實驗參數(shù)。按實驗所需條件調(diào)整電極間隙距離、設(shè)置火花能量等級，等待放電拍攝。

3)實驗測試。按下信號箱軟件控制按鈕，開始啟動放電，同時高速相機進行拍攝，完成實驗。

4)數(shù)據(jù)整理與存儲。實驗結(jié)束，關(guān)閉電源，清理實驗臺，整理和保存數(shù)據(jù)，等待下一次實驗。

除溫、濕度試驗外，靜電放電實驗均在環(huán)境溫度為15～20 ℃，相對濕度35%～50%的條件下進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 放電火花的產(chǎn)生與消逝

火花放電是一個極其短暫而又復(fù)雜的過程，火花的產(chǎn)生和消逝伴隨著強烈的光、熱現(xiàn)象，儲能電容的電能在這個過程中會轉(zhuǎn)化成沖擊波能、 焦耳熱以及輻射能和其他能量等。圖5為火花放電過程。如圖所示，高速攝像設(shè)備記錄了放電電極間隙為0.5 mm、 放電電壓為1 507 V、 分辨率為8K以及圖像幀頻為0.074 ms時的電火花產(chǎn)生與消逝過程，整個放電持續(xù)時間約為1.406 ms，其中火花產(chǎn)生的時間比較短，從火花產(chǎn)生到放電通道被擊穿的時間僅為0.074 ms；接著電火花發(fā)生飛濺現(xiàn)象，瞬時能量值達到最大，伴隨著劇烈的發(fā)光發(fā)熱現(xiàn)象；此后，放電能量逐漸減小，衰減持續(xù)時間約為1.11 ms，直至全部火花熄滅，至此，儲能電容能量釋放完畢，靜電放電過程結(jié)束。

圖6為火花飛濺現(xiàn)象圖。如圖所示，實驗開始前，在選擇不同火花能量等級進行預(yù)實驗的過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)靜電放電能量等級超過1 J時，通過高速相機拍攝的火花會出現(xiàn)噴濺現(xiàn)象，短時間內(nèi)嚴(yán)重曝光，非常不利于對放電火花的觀察和測量，綜上確定火花能量能級范圍為0.1～0.9 J。

圖5 火花放電過程Fig.5 Spark discharge process

圖6 火花飛濺現(xiàn)象圖(分辨率8 K)Fig.6 Diagram of spark splash phenomenon (resolutionof 8 K)

2.2 電極材質(zhì)對放電火花的影響

電極常見的材質(zhì)包括銅和鎢，為了研究電極材質(zhì)對電火花的影響，綜合各種情況選用黃銅、304不銹鋼以及鎢3種材質(zhì)，圖7為不同材質(zhì)電極下火花隨電極間隙變化情況(以0.6 J為例)。如圖所示，火花能量等級為0.6 J情況下，黃銅和合金電極放電火花直徑隨電極間隙增加呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢；同一火花能級條件下，放電火花直徑合金電極最大，銅電極次之，鎢電極最小。試驗過程中還發(fā)現(xiàn)合金電極火花散射比較嚴(yán)重，相反，黃銅電極和鎢電極放電火花則較為穩(wěn)定，故采用后者完成靜電放電相關(guān)試驗更有利于點火的發(fā)生。

圖7 不同材質(zhì)電極下火花直徑隨電極間隙變化Fig.7 Variation of spark diameter with electrode gap under different electrode materials

2.3 電極間隙對放電火花的影響

采用黃銅電極，當(dāng)電極間隙超過6 mm，靜電放電火花通道無法形成，所以電極間隙的范圍確定為最小0.5 mm，最大6 mm。需要說明的是，火花直徑大小是根據(jù)高速攝像設(shè)備拍攝的靜電放電從火花的產(chǎn)生和消逝過程中選取的典型圖片，圖8為不同火花能量等級下電極間隙對火花直徑的影響。由圖8所示，同一電極間隙條件下，隨著火花能量等級增加，火花直徑呈變大趨勢；電極間隙從0.5 mm增加到3 mm的過程中，火花直徑呈上升趨勢；當(dāng)電極間隙超過3 mm時，火花直徑基本呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，變化不明顯，這主要是因為隨著電極間隙增大，火花通道的形成克服阻力增加，即空氣擊穿電壓增大，所以火花直徑呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。同一能量等級下，隨電極間隙的增加，靜電放電火花直徑先增加再減小。

圖8 不同火花能量等級下電極間隙對火花直徑的影響Fig.8 Influence of electrode gap on spark diameter at different spark energy levels

2.4 風(fēng)速、溫濕度對放電火花的影響

1)風(fēng)速

實驗室模擬1.4、 2.3、 3.4 m/s的風(fēng)速條件，在使用黃銅電極以及電極間隙為0.5 mm的情況下，測試了火花直徑隨點火能量的變化情況。圖9為不同風(fēng)速條件(見圖例)下火花直徑隨點火能量變化情況。如圖所示，在3種風(fēng)速條件下，隨火花能量增加火花直徑呈增大趨勢；橫向?qū)Ρ葓D7可知，風(fēng)速在1.4～3.4 m/s范圍內(nèi)，火花直徑與正常環(huán)境下的情況基本持平。

2)溫濕度

實驗室模擬不同溫濕度條件，在使用黃銅電極以及電極間隙為0.5 mm的情況下，測試了火花直徑隨點火能量的變化情況，圖10為不同溫濕度條件下火花直徑隨點火能量的變化情況。由圖所示，在3組不同溫濕度條件下，隨火花能量增加火花直徑呈增大趨勢；橫向?qū)Ρ葓D8可知，溫度為22.9～45 ℃、相對濕度為36.4%～62.9%范圍內(nèi)，火花直徑與正常環(huán)境下的情況基本持平。

圖9 不同風(fēng)速條件下火花直徑隨點火能量變化Fig.9 Variation of spark diameter with ignition energy under different wind speeds

圖10 不同溫濕度條件下火花直徑隨點火能量的變化Fig.10 Variation of spark diameter with ignition energy under different temperature and humidity conditions

2.5 壓力對放電火花的影響

實驗室采用紋影法以及高速攝像設(shè)備， 分別從定量和定性2個方面研究負(fù)壓狀態(tài)下對放電火花的影響。 實驗所用的放電電極為直徑2 mm、 長度300 mm的鎢棒， 實驗過程中可通過裝置兩側(cè)的直徑225 mm的視窗對放電火花進行觀察。

在電極間隙為2 mm、放電火花能量0.6 J的實驗室條件下，采用紋影法對放電火花進行了拍攝。圖11為紋影法拍攝放電火花示意圖。如圖所示，明亮區(qū)域為高溫?zé)嶙饔脜^(qū)，放電過程是從電極中間開始的，沖擊波是以電極間隙的中心位置為圓心，逐漸向兩端傳播，直至全部消失。此外還利用高速攝像系統(tǒng)分別對負(fù)壓0.01、 0.02、 0.03、 0.04、 0.05、 0.06 MPa以及正壓0.05、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5 MPa條件下的放電火花進行了研究。圖12為不同負(fù)壓條件下火花直徑變化情況，圖13為不同正壓條件下火花直徑變化情況。由圖12、 圖13可以看出，負(fù)壓從0.01 MPa增大至0.06 MPa以及正壓從0.05 MPa增大至0.5 MPa的過程中，火花直徑整體呈減小趨勢，但變化并不明顯；橫向?qū)Ρ葓D7常壓狀態(tài)下情況，發(fā)現(xiàn)火花直徑正壓條件下最大，常壓次之，負(fù)壓條件下最小。另外，實驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力大于0.6 MPa時，未見產(chǎn)生放電火花，提高放電火花能量到1 J依然未見。

3 靜電放電火花能量測試

采用電火花發(fā)生器實驗裝置，測試了不同電極間隙條件下臨界擊穿電壓的情況。實驗設(shè)置的電極間隙分別為0.5、 2、 4、 6 mm；電壓可調(diào)范圍為800～1 600 V，步長電壓為100 V；試驗過程中同一電壓條件下連續(xù)3次均出現(xiàn)放電火花，則認(rèn)為擊穿成功(擊穿成功表示為“√”)，否則認(rèn)為放電擊穿失敗(擊穿失敗表示為“×”)。試驗時溫度為20.1 ℃，相對濕度為50.4%。

圖11 紋影法拍攝放電火花示意圖Fig.11 Schlieren method for shooting discharge spark diagram

圖12 不同負(fù)壓條件下火花直徑的變化Fig.12 Variation of spark diameter under different negative pressure conditions

圖13 不同正壓條件下火花直徑的變化Fig.13 Variation of spark diameter under different positive pressure

表3為不同電極間隙條件下臨界擊穿電壓測試結(jié)果(充電電容為0.5 μF)。由表可知，電極間隙從0.5 mm增大到6 mm的過程中，放電擊穿電壓也從800 V增大到1 300 V，即同一充電電容條件下，隨電極間隙的增加放大電壓呈逐漸增大的趨勢；根據(jù)帕邢定理，放電電壓取決于電弧長度h，即放電間隙。

表3 不同電極間隙條件下臨界擊穿電壓測試

由式(1)可以計算出本次試驗中場強隨電極間隙的變化曲線，

E=U/h，

(1)

式中：E為場強，V/mm；U為放電電壓，V；h為放電間隙，mm。

圖14為擊穿場強隨電極間隙變化情況。由圖可以看出，擊穿場強與電極間隙之間呈負(fù)相關(guān)，這主要是因為隨電極間隙的增大，電極兩端的空氣分子更容易發(fā)生電離，形成帶負(fù)電的電子以及帶正電的離子，故擊穿場強呈逐漸減小的趨勢。

圖14 擊穿場強隨電極間隙的變化Fig.14 Variation of breakdown field strength with electrode gap

本次試驗中火花能的計算方法依據(jù)經(jīng)驗公式為

E=1/2CU2·10-6·η，

(2)

式中：E為火花能量，J；C為電容，μF；U為放電電壓，V；η為放電效率，取75%，具體計算結(jié)果見表4。

表4 不同試驗條件下靜電放電火花能量

4 結(jié)論

1)在電極間隙為0.5 mm、 放電電壓為1 507 V的條件下， 利用高速攝像系統(tǒng) (采集頻率13.504 kHz)對放電火花的產(chǎn)生與消逝過程進行了拍攝，從火花產(chǎn)生到放電通道被擊穿僅耗時0.074 ms， 整個放電過程持續(xù)時間約為1.408 ms。

2)同一電極間隙條件下，隨火花能級的上升火花直徑逐漸變大；靜電放電火花直徑中304不銹鋼電極最大，銅電極次之，鎢電極最?。回?fù)壓從0.01 MPa增大至0.06 MPa以及正壓從0.05 MPa增大至0.5 MPa的過程中，火花直徑整體呈減小趨勢，但變化并不明顯；另外當(dāng)壓力大于0.6 MPa時，未見產(chǎn)生放電火花，提高放電火花能量到1J依然未見放電火花；環(huán)境風(fēng)速、溫濕度等對火花直徑影響較小。

3)隨電極間隙增加，臨界的擊穿電壓呈增加趨勢；根據(jù)帕邢定理計算得到的場強大小與電極間隙呈負(fù)相關(guān)，并以此為基礎(chǔ)算得了不同電極間隙情況下靜電放電火花能量。