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采礦安全透明塑料防爆電氣設(shè)備及其抗靜電特性

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透明塑料防爆電氣設(shè)備及其抗靜電特性
〔西穩(wěn)〕D.丈斯菲爾德
一、引言
塑料材料強(qiáng)度高且重量輕，與玻璃有同樣的透明度，但卻不象玻璃那樣易碎。塑料用于 有爆炸危險(xiǎn)的礦井環(huán)境時(shí)，由于存在靜電發(fā)火的危險(xiǎn)，給其良好的絕緣性能帶來(lái)危險(xiǎn)。由于 碳末和煙灰的污染，塑料可變成具有導(dǎo)電性能的材料。而且，這樣一來(lái)塑料就變成了黑不透 明體，發(fā)揮不了窗戶(hù)和燈罩的作用。
即透明同時(shí)又具有高度絕緣性能的塑料部件的防靜電安全程度，可洪僅由純電氣測(cè)量來(lái) 評(píng)價(jià)。它可由實(shí)際燃燒試驗(yàn)測(cè)定.這種試驗(yàn)在多特蒙特試驗(yàn)研究所的試驗(yàn)礦井進(jìn)行。本文介 紹了測(cè)量方法和應(yīng)當(dāng)考慮的環(huán)境，主要目的是對(duì)比充.電和放電過(guò)程中分離和重新組合的靜 電荷。
二、測(cè)試方注
電荷嚴(yán)格地遵循著守恒定律。例如，靜電就意味著當(dāng)一個(gè)原先不帶電的塑料表面被充電 時(shí)（這可以從電場(chǎng)顯示出來(lái)），則會(huì)在另一個(gè)不同的但與其位置很接近的表面上產(chǎn)生同等量 的電荷，只是由電荷符號(hào)不同，但這些電荷的代數(shù)和一定是零（與原先一樣）。在靜電試驗(yàn) 中，要測(cè)量積累在塑料部件上的電荷量，人們可以把已從塑豁部件上消除的且符號(hào)相反的等 量電荷記錄下來(lái)。這就是以下所述的高絕緣塑料部件安全性測(cè)量方法的基本原理。
1.	第一步測(cè)試物在較高的相對(duì)溫度（〉巾％）條件下完全放電，然后，再把空氣調(diào) 至盡可能干燥（〉4Q%〉的程度＜
2.	第二步測(cè)試物表面或其預(yù)定部位被充電，測(cè)定消除的電荷，可以確定，
-—是否達(dá)到穩(wěn)定的充電條件；
——塑料表面是否已經(jīng)睹存帶負(fù)號(hào)的多余電荷,
-一是否超過(guò)臨界電荷密度；
——是否產(chǎn)生明顯的電離現(xiàn)象。
3.	第三涉測(cè)試當(dāng)靠近金屬探頭時(shí)是否發(fā)生了電刷放電，這一點(diǎn)可由已接通的電荷計(jì) 顯示出。當(dāng)探頭接近已帶電的表頁(yè)時(shí)，靜電感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電荷讀數(shù)就返回原值。測(cè)出不穩(wěn) 定的電荷量表示電刷已完全放電。當(dāng)塑料部件沒(méi)有完全放電就被拿開(kāi)時(shí)，我們僅可讀覲單向 厭出電荷的準(zhǔn)確值。
4.	第四步驗(yàn)證"單電荷總量”，它是造成“躍出”電荷的主要原因。它存在于已帶 電的塑料部件上，根據(jù)第二步可以在充電過(guò)程中將其測(cè)量出來(lái)。把仍附著在零部件表面的靜 止電荷傳入到電荷計(jì)中，一定要采用合適的技術(shù)。檢驗(yàn)電荷平衡的偏差表明：
（1 ）或者來(lái)漓于以前接觸測(cè)試物時(shí)的殘余電荷，或者來(lái)源于以前試驗(yàn)中的殘余電荷,
（2 ）環(huán)境中的干擾電荷，例如，測(cè)試人員衣服上的電荷；
（3〉或者是未料到的電荷的遺漏，例如，試驗(yàn)岀差錯(cuò)；
（4 ）或者是檢驗(yàn)中塑料零部件殘余導(dǎo)電性的干擾,
（5 ）或者是在非導(dǎo)電層平面下的屛蔽導(dǎo)電層（接地的或不接的〉（
（6）或是源于電氣設(shè)備內(nèi)部的金屬接地部件的鋒利邊緣。
（5 ）和（6 ）兩點(diǎn)表明”:太為人們所門(mén)解的原則，即：認(rèn)為區(qū)分所謂的"單屯荷”和 “雙電荷"這兩類(lèi)電荷是很必要的，塑料零部件的大部分充電電荷是這兩婁電荷的溫合。
5.	評(píng)價(jià)準(zhǔn)則當(dāng)被測(cè)試的塑料零部件的表聞產(chǎn)生天于2 x lO-^ycni4負(fù)電荷吋，測(cè)量電 荷密度就館準(zhǔn)確指出點(diǎn)燃沼氣的町能性°
當(dāng)測(cè)試探頭測(cè)出的放電電荷，表明是否實(shí)際存在著靜電引燃危險(xiǎn)。當(dāng)單電刷放電多于 50x]0~Bc負(fù)電荷躍入測(cè)試探頭時(shí)，也是這種情況。
根據(jù)上面所述第四步，對(duì)檢查測(cè)試工作前正確性和止確地說(shuō)明測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證電荷平衡 是完全必要的。盡管如此，有較大的電荷平衡偏差還是允許的。即使所測(cè)單電荷總量不到初 始時(shí)的一半，或僅為原來(lái)的20%的情況下，為了找出偏差的原因，檢驗(yàn)試驗(yàn)很育必要，并需 根據(jù)第一步（放電和限制條件），從第一步開(kāi)始重新做試驗(yàn)。
6.	測(cè)試方法和不適用范圍上述測(cè)量方法僅適用于高絕緣塑料部件的評(píng)價(jià)。它的基本 假想是，一旦產(chǎn)生電荷，即使在幾分鐘石仍可被測(cè)到，電荷損失卞超過(guò)M%,這就要求表面 電阻大于10加。另一方面，被測(cè)量農(nóng)面的電阻＜10怕，則彼視為具有抗靜電安全性，不需進(jìn) 一步做靜電試驗(yàn)，因?yàn)檫@種偶然積累的電荷可以在1/10秒內(nèi)完全消失。表Ifi電阻介于這兩個(gè) 限度之間，不能視為在抗靜電方面是安全的，因?yàn)闇y(cè)量不能在足夠短的時(shí)間內(nèi)完成。
三、測(cè)試設(shè)備及其用途
1.	可調(diào)測(cè)試塞
為使測(cè)試物處于良好的測(cè)試環(huán)境，測(cè)試室溫度需為23 ±29,相對(duì)濕度為4Q±2%。測(cè)試 的四周要由對(duì)靜電有導(dǎo)電性的材料構(gòu)成，且保持著通電連接口
2.	電荷計(jì)
把一個(gè)IO“F容量的電容然接入電荷源與“接地”（測(cè)試室邊緣的電位）之間的電纜上， 該處的電壓用一個(gè)高電齟測(cè)電儀來(lái)測(cè)量（內(nèi)部電阻〉1Q也）。與2000 X lO^c的電荷相對(duì)應(yīng) 的最后電壓值是0,2Vo
3.	充電的稱(chēng)助方法
對(duì)測(cè)試物絕緣表面充電*可以用一組拳頭犬小的低導(dǎo)電物質(zhì)由人工來(lái)進(jìn)行，例如軟紙、 羊皮、亞麻布和棉織物。負(fù)責(zé)摩擦的試驗(yàn)人員必須站在小型絕緣物上（固定在其腳下）。這 樣，在電荷計(jì)完全記錄后，摩擦電荷就會(huì)通過(guò)人的手流入地下。試驗(yàn)人員的手由一根金屬線(xiàn) 與電荷計(jì)保持接通。假如摩擦物是絕緣體，也就是純塑料物，為了至少部分地消除塑料上的 電荷，當(dāng)塑料每次進(jìn)入法拉第網(wǎng)（一個(gè)絕緣的金屬圓柱，其一個(gè)底面是敞開(kāi)著的，且與電荷 計(jì)相連接）時(shí)，必須采用這組低導(dǎo)電性物質(zhì)。
4.	測(cè)試探頭
對(duì)引燃性電刷放電的潛在性的測(cè)試是用一個(gè)直徑為25mm的金屬球來(lái)進(jìn)行的（劭殊情況 是曲15mm的球）。金屬球通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)為100mm,粗為5mm的金屬線(xiàn)與電荷計(jì)相連。單性導(dǎo)線(xiàn) 與絕緣手柄相接，利用絕緣手柄把測(cè)試探頭直接置于已充電的測(cè)試物表面的中央。在測(cè)出第 一個(gè)"躍入電荷”之后，測(cè)試探頭再次放置在離帶有殘余電荷的試驗(yàn)物i定距離處，用于從 儀表中讀出"躍入電荷” Q測(cè)試探頭的直徑（半徑或曲率〉太大，即使在接觸充電表面時(shí)， 也抑制電刷放電；小直徑（半徑或曲率）的探頭，可以導(dǎo)致一些弱型電刷放電；二者都未達(dá) 到能夠引燃瓦斯的“躍起電荷"的臨界值。
5.	電荷測(cè)量的輔助方法
要對(duì)電荷平衡做一粗略估計(jì)，可用探針取代上節(jié)所述的測(cè)試探頭。探針要在將要放電的 表面上，以幾毫米的問(wèn)距向各個(gè)方向有規(guī)律的移動(dòng)。通常用一張濕紙把針蓋上，遺留下來(lái)的 殘余電荷就込示出來(lái)了。必須確保沒(méi)有電荷通過(guò)電荷計(jì)流入大地。當(dāng)“雙電荷"出現(xiàn)時(shí)，塑 料零部件的背面也一定要同時(shí)與濕紙相接并要接地。
6.	不能監(jiān)視的快速放電
把測(cè)試物置入蕪幣水中，可以完全放電。在這種方法中，翰體的內(nèi)、外殼表面必須弄 作為一種替代方法，在物體反面貼上一張濕紙，并與一根可導(dǎo)電的金屬線(xiàn)相連，此時(shí)必 須進(jìn)行被動(dòng)式無(wú)源干燥〔在去掉濕紙之后是可能的）o這一過(guò)程不霊用太多時(shí)聞就可達(dá)到以 前所述的第一步要求的合格■條件。
四、兩類(lèi)不同的電荷
1.	單電荷
當(dāng)高度絕緣性物體的表詢(xún)彼此偶然輕輕摩擦?xí)r，通常會(huì)產(chǎn)生單電荷。在接地環(huán)境中，容易 用相反符號(hào)狗電荷來(lái)補(bǔ)償。這樣，就會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)展電場(chǎng)，以致在塑料表面上經(jīng)常達(dá)到空氣的擊 穿性電場(chǎng)強(qiáng)度，從而限制了電荷密度。在正常條件下已知的極限電荷密度是a.GGxlO^c/cm^
當(dāng)塑料表面接通接地的導(dǎo)電體時(shí)，單電荷就引起電刷放電，在一定條件下，能夠引燃爆 炸性的甲烷/空氣混合氣體。
2.	雙電荷
就地面而言，雙電荷是處于塑料部件不同表面的成對(duì)理荷狀態(tài)，電荷量相等，互相隔 離。反向電荷的電場(chǎng)效應(yīng)在離開(kāi)塑料零部件較遠(yuǎn)處幾乎全部補(bǔ)償。電荷極限并不象在單電荷情 況下那里容易產(chǎn)生。在一種特殊電荷的作用下，主要是烘速運(yùn)動(dòng)的粉塵（速度＞5m/s）撞 擊絕緣表面，以及當(dāng)帶電的離子從電氣設(shè)備內(nèi)部的尖銳邊緣嗪射而出（電暈放電》時(shí)，在這 種產(chǎn)生的電場(chǎng)影響下，雙電荷的產(chǎn)生就會(huì)増加，或者達(dá)到塑料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，或者滑動(dòng)電刷放 電這樣非常高能的過(guò)程就會(huì)發(fā)生。
低于這個(gè)取決于塑料零件形狀的電荷下限值，雙電荷只能是一種十分微弱而且是非引燃 性電刷敢電電荷。但當(dāng)帶雙電荷的塑料板不接地時(shí)，就容易產(chǎn)生可能引燃性單電荷。
五、可引鬆瓦斯的臨界電荷量
利用引燃測(cè)試探頭*如吉布森19E5年介紹的固定式引燃測(cè)試探頭，改為活動(dòng)型*在甲 烷/空氣混合氣體中進(jìn)行引燃試驗(yàn)。在上述試驗(yàn)中，兩種更重要的電荷十分相關(guān)，即：-
“單電荷總量”和2,"躍出電荷” 0
1、單電荷總建
單電荷總量是在充電過(guò)程中，測(cè)試物上產(chǎn)生的剩余電荷。迄今為止，觀(guān)測(cè)到的引燃性單 電荷總量的最小值是- 219X10-%。這些電荷可以產(chǎn)生并儲(chǔ)存到一個(gè)長(zhǎng)120cm、直徑3.3mm, 具有凰形封底的聚乙烯軟管中（一個(gè)空心的可填充的卷）o在觀(guān)測(cè)過(guò)的引燃試驗(yàn)屮，僅有一 半這類(lèi)電荷，也就是說(shuō)，-212X107C的電荷從電刷放電的形式躍入接地的引燃測(cè)試探頭。
2.	躍出電荷
底出電荷是單電荷總量的一部分，用接地的測(cè)試探頭，可以把它從塑料表面上分離出 來(lái)，且使部分存儲(chǔ)靜電能處于自由狀態(tài)。確定的躍出電荷是曲率半往的函數(shù)。大部分被認(rèn)為 是可引燃瓦斯的臨界曲率半徑，一般在10mm和15mm之間（因此測(cè)試探頭的克徑為25mm）。 在燃燒的情況下，要應(yīng)用特殊的測(cè)量技術(shù)，把引燃跌出和被爆炸火焰所匯集的“單電荷總 量”的殘余電荷區(qū)分開(kāi)來(lái)。
在燃燒試驗(yàn)中，所測(cè)出來(lái)的能夠引燃瓦斯的最小“躍出電荷”量，按以上所述為-口名 x 10-%。
3,	“單電荷總*”與“朕出電荷”之間的關(guān)系
已經(jīng)證實(shí)，甚至在沒(méi)有可燃性氣體混合物存在的條件下也可觀(guān)測(cè)到引燃性電刷放電餉電 荷量，即所謂“躍出電荷”，最多可占塑料零部件上積累的“單電荷總量”的一半。在許多 燃燒試驗(yàn)中（在這些試驗(yàn)中，大部分用扁平模型試驗(yàn)物〉在沒(méi)有燃燒的惰況下，可以觀(guān)測(cè)到 大于-300X1曠乜的“躍出電荷”，以及多于-800 x 10-Bc的“單電荷總量"。根據(jù)這些試 驗(yàn)可以斷定，用實(shí)際測(cè)試物直接進(jìn)行引燃試驗(yàn)，叉適于驗(yàn)吐其抗靜電安全性。
單電刷放電不超過(guò)的“躍岀電荷”,脈入接地的直徑為瑋?25mm的探頭時(shí)， 被視為甲烷/空氣混合氣體中塑料零部件的安全性的兩個(gè)指標(biāo)。只有當(dāng)塑斜零部件上單電荷 密度超過(guò)2xl°"c,或者塑料部件（例如十分普遍的燈罩）在正、反兩面上符合相同的電荷 總和達(dá)上述值時(shí)，才最有可能達(dá)到或超過(guò)上述臨界值。
六、結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則
結(jié)構(gòu)測(cè)試的目的是避免把防爆電氣設(shè)備的透明塑料零部件作為存放導(dǎo)電件的地方（和網(wǎng) 球一樣大或比網(wǎng)球還大的東西），這樣“獨(dú)立電容”有很大的靜電引燃危險(xiǎn)性。塑料零部件 僅有一今面（外表面）容易受摩擦充電的影響。扁平塑料部件只有在其兩個(gè)表面上，直徑 15mm范圍內(nèi)含有相同符號(hào)電荷時(shí)，才能點(diǎn)燃甲烷/空氣混合氣體。當(dāng)以前肯定有電刷放電過(guò) 的箔片撕裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生這樣電荷。因此塑料零件不能因?yàn)椴菀浊逑淳陀盟鼇?lái)包裹。
快速運(yùn)動(dòng)和粉塵有對(duì)透明塑料零部件的撞擊（例如用壓氣噴掃時(shí)），只有當(dāng)置于設(shè)備內(nèi) 部有地電勢(shì)的金屬部件（如照明器）具有圓角時(shí)，或由無(wú)尖銳邊緣的金屬反射板屏蔽時(shí)，才 不會(huì)達(dá)到臨界值。外部零件由金屬組成的照明器，比完全由塑料零件組成的照明器更容易符 合上述結(jié)構(gòu)的要求。在鎮(zhèn)流器和燈（熒光）之間的連接元件，大部分有尖銳邊緣，以致它們 能夠在靜電場(chǎng)的作用下啖射電暈電流，并且成為在絕緣燈罩內(nèi)匯集雙電荷的原因。特別是當(dāng) 透明塑料部件內(nèi)表面被膨脹性壓氣氣流冷卻形成一層濕氣的條件下，雙電荷可以高度引燃的 滑動(dòng)電刷放電的形式被中和。
〔參考文獻(xiàn)略〕
《張志剛譯魏有志校｝

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