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静电防护

/electrostatic protection/
条目作者陈章潮何金良
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陈章潮

何金良

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最后更新 2023-11-20
浏览 306
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为防止静电积累对人身和相关设备设施造成损害而采取的防范措施。

英文名称
electrostatic protection
所属学科
电气工程

其防范原则主要是抑制静电的产生,加速静电泄漏,进行静电中和等。

人穿非导电(指电导率小于1×10-6西/米的物体)鞋时,由于行走等活动会产生、积蓄电荷,并可达到千伏级的电位(这类动作属危险动作)。此时人触及其他物体会产生火花放电并受到电击。中国所作试验得出如图1的-(电位-时间)曲线,图中、×、▽等表示不同个体。在毛毯上行走、脱衣等所产生最高电位达2450伏。而在水磨石地板上重复这些活动,测得最高电位达3500~6000伏。由此可知,人体电位与地面材质有关。此外,还与空气相对湿度,内、外衣和鞋袜材质等有关。实验表明,在易燃、易爆场所,不仅工作服(外衣)不得使用化纤材料,内衣裤也不得使用。人体活动中的防静电措施主要有:穿导电性鞋,穿混有导电性纤维或用防静电剂处理的防静电工作服,带人体接地腕带,或在某些操作前,先用手接触接地铜线;必要时,工作地面需做导电化处理,如采用电导率为10-6西/米的导电性水磨石或导电性橡胶(黏面)。

图1 人在地毯上行走时人体带电电压与行走时间的关系图1 人在地毯上行走时人体带电电压与行走时间的关系

人体放电和发生电击的界限:①电荷量达到(2~3)×10-7库以上即产生静电电击的放电。如表1所示,电位达3千伏左右即产生静电电击。这是人体静电电容等于或小于标准值100皮法的时候,即一般取值为90~100皮法的时候。当坐在椅子上或穿薄底鞋或旧皮鞋时,电容大于100皮法,甚至有时可达数百皮法,此时产生静电电击的界限电位比表1中的值为小。②若带电物体是导体,当带电电位达到表2中的数值及以上时,在人体上有(2~3)×10-7库以上的放电电荷量的放电,人体即受到电击。③大于100皮法的情况,对于人体附近有静电场时,以及当附近有能量较大的带电体时,人体受到源源不断的感应,可能足以使远大于100皮法的人体带有较高的异号电位,致使易燃、易爆场所产生更大的危险性,因此,应补充人体电容的可能上限值。④若带电体是非导体,发生静电电击的界限一般不能像对导体那样以带电电位来表示。但多数情况下,当带电电位为30千伏以上且由此向人体产生放电时发生静电电击。因此,这时发生静电电击的界限是以带电电位约为10千伏和带电电荷密度约为10-5库/米2作为大致的标准。但对带电状态特别不均匀时,在非导体中局部有电导率高的部分,以及带电物体里面或其附近有接地体时,不能做上述判断。

表1 人体带电与静电电击的关系

人体带电电位/kV

静电电击的程度

备注

1.0

没有一点感觉


2.0

在手指的外侧有感觉但不痛

产生微弱的放电声音(察觉电压)

2.5

放电的部分有针触的感觉,有点哆哆嗦嗦的感觉,但不痛


3.0

有像刺扎那样的痛感,有针扎的感觉


4.0

在手指上有微痛感,有针深扎的痛感

见到放电的发光

5.0

手掌至前腕有电击的痛感

由指尖延伸出放电的发光

6.0

在手指上有强烈的痛感,电击后手腕觉得有些沉重


7.0

在手指和手掌上有强烈的痛感,有麻木感


8.0

手掌至前腕有麻木感


9.0

在手腕上有强烈的痛感,手有严重的麻木感


10.0

全手有痛感,有电流流过的感觉


11.0

手指上有严重的麻木感,全手有强烈的触电感


12.0

在较强的触电下全手有被狠打的感觉


表2 静电电容量与产生静电电击的电位关系

静电电容量/pF

10204070100200300400700100020002800

电位/kV

25147.04.052.91.40.900.700.420.290.150.10

两个不同的物体相互接触时,在其界面上产生电荷移动,正、负电荷相对排列形成双电层。这时,若将物体进行分离,会在两个物体上各自产生极性不同的等量电荷。一般是当相互接触的两物体在“带电序列”中所居位置离得越远则产生静电的量越大。电荷的极性则根据带电序列中的相对位置而定。

相互接触和分离过程中,物体积蓄正(+)或负(-)的过剩电荷会由于放电和传导而中和,或向空间和大地泄漏而趋向减少,这一过程称为电荷缓和。一般情况下,在产生静电的同时就开始缓和。由于凡是接触和分离的任何物体都会产生或强或弱的静电,而对于静电极为敏感的现代电子器件、新型火药、闪点很低的易燃、易爆气体(如在常温、常压下即能挥发的液氢等低闪点特种火箭燃料)等,只要有微弱的静电即可能造成事故或火灾、爆炸,所以防止产生静电或消除静电的危害是较难的技术问题。由静电导致的放电作用引起生产过程中胶片感光、电子元件损坏、力学作用引起的纤维缠结和印刷纸张不齐等,也是复杂的问题。

防止产生静电的措施:①排除产生静电的主要因素。如物体的特性、表面状态、带电历史,接触面积及其压力,分离速度。②参照表3所示的带电序列,使相互接触的物体在带电序列中所处的位置尽量接近。③使物体间的接触面积和压力缩小,温度降低,接触次数减少,分离速度放慢,接触状态不急剧变化。

表3 带电序列

(+)

(+)

(+)

(+)



石棉




人毛*、毛皮




玻璃




云母



羊毛




尼龙




人造纤维










木棉







木材




人的皮肤



玻璃纤维



醋酸酯











硬橡胶








橡胶

聚苯乙烯

维尼纶



白金



聚丙烯


聚酯




丙烯






聚乙烯


聚偏二氯乙烯

硝酸纤维、赛璐




玻璃纸





氯乙烯




聚四氟乙烯

*“人毛”应包括头发、汗毛、眉毛、胡须等

粉体在空气输送、皮带输送或过筛过程中,会因粉体间或粉体与管壁间的摩擦而产生静电。其抑制措施有:①管道内输送速度不超过某一限值,管道直径不小于某一最小值,管内不设网、格等妨碍输送并产生静电的物体,粉体的大小和形状应进行优选。②减少管路的弯曲和收缩,避免风速和输送量的急剧变化。③采用适当的空气振动等措施,对管壁内表面进行定期清扫和检修,防止粉体的堆集。④输送管道尽量使用导电性材料制作,并将其接地。⑤优选螺旋叶片的形状和螺旋的转数上限,避免传送带发生振动或由于输送量失当而产生异常振动,且不应使粉体悬浮和飞散。⑥在斗式输送中,料斗和漏斗的壁面斜度接近于垂直,以减少摩擦面积;斗壁不使粉体落下过程受到扰乱;定期进行清扫;在料斗上尽量不安装金属制滑动固定器。⑦优选粉体的大小和形状,以及料斗的材质,使静电尽量减少。⑧料斗和漏斗等尽量使用导电性材料,并将其接地。

液体在管路输送过程中,或流过软管时,由于液体间的摩擦,或由于液体与泵发生摩擦而产生静电。在其他条件相同时,静电与流速的1.8~2次方成比例。其抑制措施:①烃类油料的流速不超过表4中所列数值。②在输送能力相同的条件下,将配管和软管的直径加大,将流速减小。③减少配管弯曲和收缩的部分,配管内壁应光滑,管内不要装设金属网、突出物等,过滤器应尽量设置于流源侧。④在任何局部和任何时间内都不应有湍流或流速急剧变化,输送初期和终了时应控制在小的流速,中期流速不得超过规定值。⑤液体中不得混入空气、水、灰尘和氧化物(锈等)等杂物。⑥在配管和软管的终端部装设直径大的、减小流速用的缓和管段与缓和罐等。⑦用油轮、罐车、油罐汽车、罐和其他容器输送液体时,应防止由于罐的振动,液体与器壁摩擦而产生静电;输送时移动速度不应急剧变化,尽量匀速移动;在罐内设隔板加以隔开,不使液体起波浪或飞溅;液体中不得混入杂物;罐的内部应定期清扫。

表4 烃类油类流速与管径的关系

输送管直径/mm

102550100200400600

流速/(m·s-1

8.04.93.52.51.81.31.0

*二硫化碳和乙醚等特别危险的液体不适用;二者的管径分别小于24和12毫米时,流速不宜超过l米/秒

**对导电率为10-10西/米以上的液体,流速应在9~10米/秒以下

气体在流动和喷出过程中,会因高压空气中含有压缩机油和因压缩产生的凝结水雾,以及管锈、灰尘等的粒子流动于管内,或由开口部喷出时,粒子与壁面和附近的物体发生冲撞和摩擦而产生静电。其抑制措施位:①用空气过滤器将雾和粒子等滤除后再进行流动和喷出。②喷出流量应少,喷出压力应低,特别注意氢气类喷出引起爆炸。③管路和软管等在使用前应清扫,清除锈和灰尘。④凝缩二氧化碳喷出时,应避免开口部出现干冰,因为它与液相成分互相冲撞和摩擦,或与壁面冲撞、摩擦和飞溅而产生静电。⑤液化石油气瓶、管的开口部及法兰应清扫,并保持清洁。⑥氢、乙炔、丙烷、城市煤气和氮气的储气瓶、管路、软管等在使用前应进行清扫,清除锈和水分等。尽量不用胶皮管,而使用金属管,并将其接地。⑦水蒸气管道开口部易产生静电,应尽量使用干燥的水蒸气,喷出量应少,喷出压力应尽量限制在98牛/厘米2以下,且应使用静电少的喷嘴,喷嘴与物体间应有足够的距离。⑧烟雾剂和油漆喷雾时,不要对着近距离的物体进行大量和激烈的喷出。

航天器在飞行中与空气摩擦而产生静电(图2),是火箭高度(千米)与电位(千伏)的关系。利用装于适当位置的防静电针,可将静电泄放到大气中,以防止电位的过度升高。中国发射同步卫星的捆绑式火箭即装有防静电针。其抑制措施:除降低速度、压力、减少摩擦及接触频率,选用适当材料及形状,增大电导率等外,还可采取下列措施:①接地。即将金属导体与大地(接地装置)进行电气上的连接,以便将电荷泄漏到大地。此法适合于消除导体和电阻率在108欧厘米以下物体上的静电,而不宜用来消除绝缘体上的静电,因为绝缘体的接地容易发生火花放电,引起易燃易爆液体、气体的点燃或造成对电子设施的干扰。应使绝缘体与大地间保持106~109欧的电阻。仅供消除导体上静电用的接地,电阻值一般不宜超过100~1000欧。非金属导体接地处应包上接触可靠的金属物或使用导电涂料,接触面积不小于10平方厘米。移动设备不能保持经常接地,接地操作应选在没有危险的场合和时间。②搭接(或跨接)。即将两个以上独立的金属导体进行电气上的连接,使其相互间大体上处于相同的电位(图3)。③屏蔽。即用接地的金属线或金属网等将带电的物体表面进行包覆,从而将静电危害限制到不致发生的程度。屏蔽措施还可防止电子设施受到静电的干扰。④对几乎不能泄漏静电的绝缘体,采用抗静电剂以增大电导率,使静电易于泄漏。⑤采用喷雾、洒水等方法。使环境相对湿度提高到60%~70%,以抑制静电的产生,解决纺织厂等生产中静电的问题。⑥静电消除器。利用它产生的极性相反的离子去中和物体上的静电。常见的有高压静电消除器,离子流静电消除器,自放电式消电器,以及利用同位素辐射出的射线和射线使空气电离的散射性消电器。

图2 火箭飞行中产生的静电电位与高度的关系图2 火箭飞行中产生的静电电位与高度的关系

图3 整个火箭发射架都设有防雷电、静电的均衡电位的跨接图3 整个火箭发射架都设有防雷电、静电的均衡电位的跨接

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