Защита от статического электричества

Изучение проблемы статического электричества вызвано все более широким применением полимерных материалов, синтетических тканей и волокон, способных накапливать большие заряды статического электричества во время переработки или эксплуатации. Вредное проявление статического электричества влечет за собой самые различные последствия:

– во-первых, при высоких потенциалах статического электричества, достигающих десятков тысяч вольт, во взрыво- или пожароопасной среде в результате искровых пробоев возникают взрывы и пожары с человеческими жертвами и тяжелыми травмами;

– во-вторых, статическое электричество оказывает неблагоприятное воздействие на здоровье работающих с электризующимися материалами;

– в-третьих, в ряде производств вследствие высокой электризации нарушаются технологические процессы, появляется брак, снижается производительность труда.

Наибольшую опасность статическое электричество представляет для производств, связанных с переработкой и транспортировкой легковоспламеняющихся веществ и материалов, особенно в условиях взрывоопасной воздушной среды. Применение синтетических полимеров и диэлектриков во взрыво- и пожароопасных условиях практически всегда связано с реальной угрозой воспламенения, так как тепловая энергия, выделяющаяся при искровом разряде, во много раз превышает минимальную энергию воспламенения воздушных смесей – метана, ацетилена, паров бензина, ацетона и многих других веществ.

Помимо вредного влияния на организм человека и непосредственной опасности от взрывов и пожаров, статическое электричество в ряде случаев является причиной снижения производительности труда. Вредная электризация наблюдается на многих предприятиях: в химической, полиграфической, текстильной и легкой, нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности. Статическое электричество является помехой почти для половины технологических процессов. Опасность чрезмерного накопления электростатических зарядов ограничивает скорость налива нефтепродуктов до 1 м/с и заставляет вести многие технологические процессы (например, получение полипропилена) под давлением инертных газов, что существенно снижает производительность и повышает себестоимость продукции. Электризация ведет к пробою синтетических трубопроводов, нарушению герметичности изделий, выводу из строя полупроводниковых приборов, засвечиванию светочувствительных материалов, налипанию пыли, снижению качества продукции. Масштабы вредного и опасного проявления статического электричества в настоящее время таковы, что защита от него стала одной из актуальнейших проблем охраны труда.

Статическое электричество наносит большой ущерб. Это обусловливает необходимость разработки и внедрения эффективных мероприятий по защите от электризации в различных производствах. В настоящее время имеется достаточное количество методов и средств, предотвращающих нежелательную электризацию веществ и материалов. Из всего многообразия существующих мер защиты от статического электричества наиболее эффективными являются следующие: увеличение влажности воздуха; заземление оборудования и человека; применение антистатических добавок; ограничение скоростей транспортировки вещества; нейтрализация зарядов статического электричества.

Установлено, что при увеличении влажности воздуха на поверхности материалов образуется тонкая пленка влаги с растворенными в ней солями. Такая пленка обладает полупроводящими свойствами, что способствует рассеянию зарядов. Однако этот эффект не наблюдается в тех случаях, когда водяные пары не адсорбируются на гидрофобных поверхностях (полимерные материалы, волокна и пр.) или температура воздуха в рабочей зоне выше, чем температура, при которой пленка может удерживаться на диэлектрике, а также когда скорость движения диэлектрика больше, чем скорость образования адсорбированной водяной пленки, что зависит от химического строения вещества и степени загрязнения поверхности. Там же, где увеличение относительной влажности воздуха является эффективным средством борьбы с электризацией, многочисленные исследования и заводская практика показали, что при повышении влажности воздуха до 65–80 % электризация почти полностью устраняется. На практике увлажнение в помещениях производят с помощью кондиционирующих устройств, специальных увлажнителей, а в ряде случаев посредством периодической влажной уборки.

Обязательным мероприятием, позволяющим устранить электростатические заряды с металлического оборудования, является заземление. Незаземленное оборудование является источником повышенной опасности, так как энергия искры с металлических конструкций во много раз превышает энергию разряда с диэлектрика. Оборудование считается электростатически заземленным, если сопротивление утечки в любой точке при самых неблагоприятных условиях (низкая влажность воздуха и т. п.) не превышает 10⁶ Ом. Необходимо отметить, что к электростатическим заземлителям не предъявляются столь жесткие требования, как при заземлении оборудования с целью защиты человека от поражения электрическим током. Сопротивление заземлителя при отведении электрических зарядов допускается до 100 Ом. Надежность соединения оборудования с заземлителями обеспечивается обычно сваркой, реже – болтовым креплением. При выполнении фланцевых соединений сопротивление между соседними фланцами не должно быть ниже 10 Ом, при этом применение специальных перемычек не обязательно. При установке временных заземлений (цистерны, измерительные устройства и пр.) выбор типа заземлителей определяется лишь их механической прочностью.

В ряде случаев необходимым является заземление человека, который может наэлектризоваться при выполнении работ или вследствие электростатической индукции. Для этого используют электропроводящие полы, заземленные площадки вблизи рабочих мест в сочетании с проводящей либо полупроводящей обувью. К электропроводящим полам относятся незагрязненные краской, маслами и прочими изолирующими веществами, бетонные, пенобетонные и ксилолитовые полы. При достаточно высокой относительной влажности деревянные полы также хорошо отводят статическое электричество. Если используются заземленные металлические площадки вблизи рабочего места, то необходимо полностью исключить возможность прикосновения человека к токоведущим частям опасного напряжения.

Для придания непроводящим полам, покрытым линолеумом, релином, полихлорвиниловой плиткой, антистатических свойств рекомендуется производить влажную уборку 10–20%-ным водным раствором хлористого кальция. Однако увеличение электропроводности полов неэффективно без применения проводящей обуви. Токопроводящей является обувь с подошвой из слегка увлажненной кожи или полупроводящей резины, а также обувь, пробитая медными, латунными или алюминиевыми заклепками, не искрящими при ходьбе.

При переработке и применении веществ и материалов с удельным электрическим сопротивлением более 106–107 Ом·см (для органических жидкостей более 109–1010 Ом·см) заземление металлических конструкций является лишь дополнительным мероприятием по отводу электростатических зарядов.

Следует отметить, что жидкие и газообразные диэлектрики, имеющие очень большое удельное сопротивление (выше 1017–1018 Ом·см) практически не электризуются. Такие высокие удельные сопротивления имеют «абсолютно чистые» материалы, не содержащие примесей. В этой связи тонкая очистка веществ может быть рекомендована как одна из мер по защите от электризации жидкостей и газов.

В большинстве же случаев эффективным средством защиты от статического электричества является снижение удельного объемного сопротивления веществ. Наиболее распространенным является метод введения проводящих композиций в структуру материала при его изготовлении. Таким образом получены проводящие резины, линолеумы, антистатические краски и лаки, неэлектризующиеся пластмассы. В качестве электропроводных композиций применяют сажу, графит, порошкообразную медь, серебро, лепестковый никель и другие добавки. Для увеличения поверхностной проводимости твердых диэлектриков разработаны различные пасты, составы, эмульсии, наносимые на электризующуюся поверхность. Успешно применяется металлизация поверхностей, покрытие хлористыми и фтористыми соединениями.

Снятие зарядов с внешней поверхности рукавов и трубопроводов осуществляется иногда с помощью навивки на них спирали из медного или стального заземленного проводника. Транспортерные ленты и некоторые ткани прошивают тонкими электрическими проводниками, а также применяют антистатические ткани.

Эффективным способом борьбы со статическим электричеством в текстильной и ряде других отраслей промышленности является смешение (комбинация) электризующихся волокон или подбор контактных пар. Например, у тканей из комбинации двух электризующихся волокон – нейлона и дакрона – необходимый эффект достигается тем, что каждое волокно в отдельности при трении электризуется взаимно нейтрализующимися зарядами противоположных знаков. Подбирая подобным образом контактные пары при изготовлении деталей технологического оборудования, можно устранить проявления статического электричества во многих производствах. Для снижения электростатических зарядов иногда идут по пути уменьшения площади соприкосновения электризующегося материала с рабочей поверхностью деталей машин и приспособлений. В этом случае поверхности рабочих столов, рабочих валов машин и другое оборудование покрывают сеткой или делают ребристыми.

Как известно, уменьшение электризации может быть достигнуто путем ограничения скоростей ведения технологических процессов, однако эта мера в условиях современного производства крайне нежелательна. Поэтому для устранения электризации при транспортировании электризующихся жидкостей идут на ограничение скорости лишь на одном из участков трубопровода. Это мероприятие известно под названием «релаксация электростатических зарядов». Принцип релаксации основан на выдерживании диэлектрической жидкости в течение некоторого времени в относительном покое в релаксационной емкости (участок трубопровода значительно большего диаметра). За время нахождения жидкости в релаксаторе заряды успевают стечь на его заземленные стенки. Практика показала, что релаксационные емкости на 95–98 % снимают электростатические заряды.

При заполнении резервуаров диэлектрическими жидкостями возможно образование зарядов при разбрызгивании. Поэтому наполнение емкостей начинается при малой скорости движения электризующихся жидкостей с постепенным увеличением ее по мере заполнения резервуара. Нельзя допускать резких перегибов трубопроводов; внутри них не должно быть выступающих частей, так как это вызывает дополнительную электризацию транспортируемых жидкостей.

Самостоятельную группу защитных средств представляют нейтрализаторы статического электричества. Принцип работы всех нейтрализаторов основан на генерации ионов в зоне заряженного материала. Эти ионы притягиваются силами поля заряженного вещества и нейтрализуют заряды. Ионизация воздуха происходит при облучении ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, тепловым, инфракрасным или радиоактивным излучением, а также за счет коронного разряда.

В настоящее время для ионизации воздушной среды применяют как правило радиоизотопное α- и β-излучение, электрический коронный разряд и так называемый скользящий разряд. Во взрывобезопасных производствах для борьбы с электризацией обычно применяют ионизаторы с коронным разрядом на остриях. Они дают максимальную плотность ионизации. В зависимости от того, что в данном случае важнее обеспечить – минимальный остаточный заряд или нейтрализацию большого количества электричества – применяются либо электрические, либо индукционные нейтрализаторы.

Индукционный нейтрализатор представляет собой токопроводящий или диэлектрический стержень, на котором закреплены заземленные иглы или метелочки из проволоки. При установке нейтрализатора над заряженной поверхностью у концов игл создается настолько сильное электрическое поле, что происходит ударная ионизация, в результате которой образующиеся ионы нейтрализуют заряды на поверхности наэлектризованного материала. Основное отличие электрических нейтрализаторов от индукционных заключается в том, что на иглы подается высокое (10–15 кВ) постоянное или переменное напряжение от специального источника, вследствие чего эффективность нейтрализации повышается. Эффективность нейтрализаторов чаще всего оценивается по величине ионизационного тока, протекающего через нейтрализатор на заземленное оборудование. Этот ток тем больше, чем выше уровень электризации материала.

Иногда в качестве нейтрализатора эффективно применяется тонкий проводник, натянутый вблизи заряженной поверхности или на пути движения жидкостей и сыпучих материалов. В большинстве случаев нет особой необходимости снижать степень электризации до нуля. Для различных веществ и материалов существует минимальная плотность зарядов, не влияющая на ход технологического процесса. Поэтому работа того или иного нейтрализатора может быть оценена по значениям начальной (до нейтрализатора) и конечной (после нейтрализатора) плотности зарядов. На практике для конкретного типа нейтрализаторов могут быть построены зависимости начальной и конечной плотности зарядов при различных параметрах технологического процесса.

Все большее распространение получают так называемые комбинированные нейтрализаторы – сочетающие в одном приборе радиоизотопный и индукционный нейтрализаторы. При этом эффективность нейтрализации существенно возрастает, так как большие заряды снижает индукционный, а малые – радиоизотопный нейтрализаторы.

Существенно расширилась область применения электрических и радиоизотопных нейтрализаторов, используемых для ионизации воздушного потока, который нагнетается в зону, где необходимо уменьшить электростатические заряды. Этот метод дает возможность обеспечить взрывобезопасность применения даже высоковольтных нейтрализаторов. Однако эффективность нейтрализаторов с нагнетанием ионизированного воздуха невысока из-за рекомбинации ионов в воздушном потоке. Даже резкое увеличение плотности ионов непосредственно у источника не может существенно изменить радиус действия такого нейтрализатора, так как интенсивность рекомбинации растет с увеличением плотности. Вероятно, наиболее перспективным методом, когда необходимо создать протяженную в одном направлении область ионизации, следует считать применение лазера.

В тех случаях, когда отвод и нейтрализация зарядов статического электричества весьма затруднены, можно применять метод предотвращения опасных разрядов без отвода или нейтрализации зарядов. В основе этого метода лежит механизм электрического разряда, для возникновения которого необходимо, чтобы разность потенциалов между заряженным телом и заземленными частями оборудования не превышала уровня, определяемого электрической прочностью воздуха. Для снижения потенциала заряженной поверхности стремятся повысить удельную электрическую емкость заряженной поверхности (или заряженных частиц) относительно земли. При увеличении емкости тела соответственно уменьшается энергия заряда с этого тела и понижается опасность воспламенения паро-газо-воздушных смесей. Иногда данный метод используют для уменьшения опасности разрядов с человека. Для этого в рабочих зонах создаются заземленные площадки (иногда под изоляционным покрытием пола), которые служат для увеличения емкости человека. Исследования показали, что таким образом можно увеличить емкость человека в 3–4 раза.

В ряде случаев применяют обычные меры по предотвращению возможности воспламенения – снижают концентрацию горючих веществ ниже нижнего предела взрываемости, создают атмосферу инертного газа, применяют электростатические экраны, по возможности заменяют горючие вещества негорючими.

Необходимо заметить, что внедрению какого-либо мероприятия по предотвращению электризации должно предшествовать тщательное изучение условий производства. Как правило, наиболее эффективным оказывается применение сразу нескольких из рассмотренных методов.

Молниезащита

Возможность поражения объекта молнией в значительной степени определяется интенсивностью грозовой деятельности в той местности, где он расположен, и зависит от размеров и конфигурации объекта, расположения, а также от геологии земли. Различают два вида воздействия молнии: первичное, связанное с прямым ударом, и вторичное, вызываемое электромагнитной и электростатической индукцией. При прямом ударе могут возникать пожары, взрывы, разрушение конструкций, поражения людей, перенапряжение на проводах электрической сети. Сила тока в канале молнии достигает 200 кА, напряжение – 150 MB, длина искры молнии составляет сотни и тысячи метров, температура возрастает до 6000–10000 °С.

Линейная молния характеризуется очень большими величинами токов, напряжений и температуры разряда, поэтому воздействие молнии на человека, как правило, завершается очень тяжелыми последствиями, обычно смертью. От удара молнии в мире в среднем ежегодно погибает около 3000 человек, причем известны случаи одновременного поражения нескольких человек. Разряд молнии проходит по пути наименьшего электрического сопротивления. Так как между высоким объектом и грозовым облаком расстояние и электрическое сопротивление меньше, то молния, как правило, ударяет в высокие объекты. Удар молнии в землю или расположенный на ней объект зависит от электропроводности поверхностных и низлежащих слоев грунта. Молния значительно чаще ударяет в глинистые и влажные участки, нежели в сухие и песчаные, т. к. первые обладают большей электропроводностью.

Молния, ударяя в высокие растения, чаще поражает лиственные деревья – дуб, тополь, вербу, ясень, так как они содержат много крахмала. Липа, грецкий орех, бук, хвойные деревья – ель, пихта, лиственница – содержат много масел, поэтому оказывают большое электрическое сопротивление и поражаются молнией реже. Частота ударов молнии в дерево зависит от его поверхности, качества кроны, коры, их влажности.

Человек может быть поражен молнией не только при прямом попадании, которое всегда смертельно. Опасно шаговое напряжение, возникающее при растекании в земле тока разряда молнии. Радиус поражающего действия шагового напряжения достигает 30 метров. Опасны также перескоки разрядов молнии и индуцированные заряды. Перескоки разрядов происходят от объектов, в которые попала молния, на объекты расположенные рядом. Заряды наводятся на хорошо проводящие предметы (например, металлические фермы, изгороди и т. д.) под действием электрического поля грозового облака. Таким образом, нахождение человека во время грозы вблизи объектов, часто поражаемых молнией (высоких деревьев, мачт, металлических предметов больших размеров, глинистых и влажных участков земли) представляет опасность.

Нахождение во время грозы в городе менее опасно, чем на открытой местности, так как стальные конструкции и высокие здания выполняют функцию молниеотводов. Молния часто поражает людей, работающих в поле, туристов. Опасно находиться во время грозы на воде или вблизи нее, т. к. вода и участки земли у воды имеют большую электропроводность и часто поражаются молнией.

В тоже время нахождение во время грозы внутри железобетонных зданий, металлических строений (например, металлических гаражей) безопасно для человека. Полностью или частично закрытая электропроводная поверхность образует так называемую камеру Фарадея, внутри которой не может образоваться значительный и опасный для человека потенциал. Поэтому пассажиры внутри автомобиля с цельнометаллическим кузовом, трамвая, троллейбуса, вагона поезда находятся во время грозы в безопасности, пока не будут выходить наружу и открывать окна. Линейная молния довольно часто является причиной возникновения пожаров. Лесные пожары, пожары жилых и производственных строений, особенно в сельской местности, наносят большой материальный ущерб и могут являться причиной гибели людей. В связи с этим необходимо принимать специальные меры защиты от поражения линейной молнией.

Молниезащита представляет собой комплекс защитных мер от разрядов атмосферного статического электричества, обеспечивающих безопасность людей, сохранность зданий и сооружений, оборудования и материалов от загораний, взрывов и разрушений. Для всех зданий и сооружений, не связанных с производством и хранением взрывчатых веществ, а также для линий электропередач и контактных сетей проектирование и изготовление молниезащиты должно выполняться согласно «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений» РД 34.21.122–87.

По степени защиты зданий и сооружений от воздействия атмосферного электричества молниезащита подразделяется на три категории. Категория молниезащиты определяется назначением зданий и сооружений среднегодовой продолжительностью гроз, а также ожидаемым числом поражений здания или сооружения молнией в год.

Вероятность удара молнии в наземный объект тем больше, чем выше объект. Одна из основных мер защиты от молний – устройства молниеотводов. Возвышаясь над объектами, они принимают разряды грозового облака на себя. Молниеотводы создают зону защиты – пространство, внутри которого не возникают молнии. Молниеотвод состоит из молниеприемника, токоотвода, обеспечивающего прохождение по нему разрядного тока к заземляющему устройству, и самого заземляющего устройства. Различают несколько видов молниеотводов: стержневые, сетчатые, тросовые; одиночные, двойные, многократные; отдельно стоящие; изолированные от объекта и неизолированные. Стержневые и тросовые молниеотводы устанавливают либо на стоящих опорах, либо на опорах, связанных с конструкцией объекта. Сетчатые молниеотводы укладывают на крыше здания.

Защита молниеотводом основана на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Молниеотвод состоит из трех основных частей: молниеприемника 1, воспринимающего удар молний; токовода 2, соединяющего молниеприемник с заземлителем 3, через который ток молнии стекает в землю. По типу наиболее распространены стержневые (рис. 10) и тросовые молниеприемники. По количеству молниеотводы разделяются на одиночные, двойные и многократные.

В окрестности молниеотвода образуется зона защиты, т. е. пространство, в пределах которого с высокой степенью надежности обеспечивается защита строения или какого-либо другого объекта от прямого удара молнии. Степень защиты в указанной зоне составляет более 95 %. Это означает, что из 100 ударов молнии в защищаемый объект возможно менее 5 случаев прямого попадания молнии, остальные удары будут восприняты молниеприемником. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода ограничивается образующими двух конусов, один из которых имеет высоту h, равную высоте молниеотвода, и радиус основания R = 0,75h, а другой – высоту 0,8h и радиус основания – l,5h (при радиусе основания второго конуса R = h обеспечивается 99 % эффективности защиты).

Молниеприемники стержневых молниеотводов изготовляют из стали любого профиля, как правило круглого, сечением не менее 100 мм² и длиной не менее 200 мм. Для защиты от коррозии их окрашивают. Молниеприемники тросовых молниеотводов изготовляют из металлических тросов диаметром около 7 мм.

Тоководы должны выдерживать нагрев при протекании очень больших токов разряда молнии в течение короткого промежутка времени, поэтому необходимо небольшое сопротивление. Сечение тоководов на воздухе должно быть не менее 48 мм², а в земле – 160 мм².

Рис. 10. Стержневой молниеприемник:
1 – молниеприемник, 2 – токовод, 3 – заземление, 4 – мачта

Если молниеотвод закреплен на крыше здания, то в качестве тоководов могут использоваться металлические конструкции и арматура здания. Например, в качестве токовода можно использовать металлическую лестницу, расположенную с внешней стороны здания и ведущую на крышу. Тоководы должны быть надежно связаны с молниеприемником и заземлителем.

Заземлители являются важнейшим элементом в системе молниезащиты. Они обеспечивают достаточно малое сопротивление растеканию тока молнии в грунт. В качестве заземлителя можно использовать зарытые в землю на глубину 2–2,5 м металлические трубы, плиты, мотки проволоки и сетки, куски металлической арматуры.

Молниеотводы устанавливают на возвышенностях, чтобы сократить путь молнии и увеличить размеры зоны защиты. Молниеотводами защищаются все общественные здания, постройки для хранения материальных ценностей, одинокие строения, расположенные на возвышенностях, исто-рические и культурные ценности. Особенно важна молниезащита хранилищ пожаровзрывоопасных материалов, горючих жидкостей и газов. Для этого используют многократные молниеприемники путем установки по контуру защищаемого пространства множества молниеотводов.