Защита от статического электричества.

Искры статического электричества обычно характеризуются незначительной силой тока (тысячные доли миллиампера), но весьма высокими напряжениями (тысячи и десятки тысяч вольт), поэтому они способы воспламенить многие горючие смеси. Так, при движении химически чистого бензола по стальным трубам напряжение электрического поля (разность потенциалов) достигает 3,6 кВ, в то время как для воспламенения паров бензола достаточно искры, образующейся при разности потенциалов 0,3 кВ. При вынимании шерстяной одежды из бензина разность потенциалов достигает 5 кВ, при хождении людей по шерстяному ковру – 14 кВ.

Для обеспечения безопасности необходимо исключать возникновение искровых разрядов статического электричества с энергией, превышающей 40 % от минимальной энергии зажигания окружающей среды. Электростатическая безопасность объекта защиты достигается при выполнении условия безопасности:

, (1)

где – энергия разряда, который может возникнуть внутри объекта или на его поверхности, мДж; – коэффициент безопасности, выбираемый из условий допустимой вероятности зажигания по ГОСТ 12.1.004-91 или принимаемый равным 0,4; – минимальная энергия зажигания материала или горючей смеси, мДж.

Существуют средства коллективной, индивидуальной, а также комбинированной защиты от статического электричества.

Средства коллективной защиты от статического электричества по принципу действия делятся на следующие виды:

- заземляющие устройства;

- нейтрализаторы;

- увлажняющие устройства;

- антиэлектростатические вещества;

- экранирующие устройства.

Заземление является основным условием обеспечения соответствия электропроводящих изделий требованиям электростатической искробезопасности. Сопротивление заземляющего устройства, предназначенного исключительно для защиты от статического электричества, допускается до 100 Ом. Также допускается объединять заземляющие устройства для защиты от статического электричества с заземляющими устройствами электрооборудования, но при этом следует исключить использование в заземляющих устройствах токонесущих проводов. Однако не допускается объединять заземляющие устройства для защиты от статического электричества с заземляющими устройствами отдельно стоящих молниеотводов.

Нейтрализаторы по принципу ионизации делятся на:

- индукционные;

- высоковольтные;

- лучевые;

- аэродинамические.

Увлажняющие устройства по характеру действия делятся на:

- испарительные;

- распылительные.

Антиэлектростатические вещества по способу применения делятся на:

- вводимые в объем;

- наносимые на поверхность.

Антиэлектростатические вещества должны обеспечивать снижение удельного электрического сопротивления материала до величины 105 Ом∙м.

Средства индивидуальной защиты в зависимости от назначения делятся на:

- специальную одежду антиэлектростатическую;

- специальную обувь антиэлектростатическую;

- предохранительные приспособления;

- антиэлектростатические (кольца и браслеты);

- средства защиты рук антиэлектростатические.

На средства индивидуальной защиты от статического электричества наносятся обозначения по ГОСТ 12.4.103-80.

В тех случаях, когда заземление оборудования не предотвращает накопления опасных количеств статического электричества, следует принимать меры для уменьшения удельного объемного или поверхностного электрического сопротивления перерабатываемых материалов.

Для уменьшения удельного поверхностного электрического сопротивления диэлектриков рекомендуется повышать относительную влажность воздуха до 65-70% (если это допустимо по условиям производства). Для этой цели следует применять общее или местное увлажнение воздуха в помещении при постоянном контроле относительной влажности воздуха. Метод уменьшения удельного поверхностного электрического сопротивления путем повышения относительной влажности воздуха и создания тем самым адсорбированного слоя влаги на поверхности материала не эффективен в случаях:

1) когда электризующийся материал гидрофобен;

2) когда температура электризующегося материала выше температуры окружающей среды.

Для местного увеличения относительной влажности воздуха в зоне, где происходит электризация материалов, рекомендуется:

1) подача в эту зону водяного пара; при этом находящиеся в этой зоне электропроводные предметы должны быть заземлены;

2) охлаждение электризующихся поверхностей до температуры на 10 С ниже температуры окружающей среды.

Для уменьшения удельного поверхностного электрического сопротивления в случаях, когда повышение относительной влажности окружающей среды неэффективно, можно дополнительно применять:

1) для химических волокон – обработку растворами поверхностно-активных веществ;

2) для полимерных материалов:

- нанесение растворов поверхностно-активных веществ на изделие погружением, пропиткой или распылением с последующей сушкой;

- введение поверхностно-активных веществ при вальцевании, экструзии или смешении в смесителях.

В случае, когда нельзя достигнуть отвода зарядов статического электричества с помощью более простых средств, рекомендуется осуществлять нейтрализацию зарядов путем ионизации воздуха в непосредственной близости от поверхности заряженного материала.

Для нейтрализации зарядов статического электричества во взрывоопасных помещениях всех классов можно применять радиоизотопные нейтрализаторы. Действие их основано на ионизации воздуха α-излучением плутония-239 и β-излучением прометия-147.

Если в трубопроводах и технологической аппаратуре исключена возможность образования взрывоопасных концентраций паровоздушных смесей, скорости транспортировки жидкостей по трубопроводам и истечения их в аппараты не ограничиваются.

В остальных случаях скорость движения жидкостей по трубопроводам и истечения их в аппараты необходимо ограничивать таким образом, чтобы заряд, приносимый в приемную емкость (аппарат) с потоком жидкости, не мог вызвать с ее поверхности искрового разряда с энергией, достаточной для воспламенения окружающей среды:

1) для жидкостей с удельным объемным электрическим сопротивлением не более 105 Ом·м - до 10 м/с;

2) для жидкостей с удельным объемным электрическим сопротивлением не более 109 Ом·м - до 5 м/с;

3) для жидкостей с удельным объемным электрическим сопротивлением более 109 Ом·м допустимые скорости транспортировки и истечения устанавливаются для каждой жидкости отдельно; в качестве предельно допустимой устанавливается скорость, при которой (при данном диаметре трубопровода) потенциал на поверхности жидкости в приемной емкости не превосходит предельно допустимого; заведомо безопасной скоростью движения и истечения этих жидкостей является 1,2 м/с при диаметрах трубопроводов до 200 мм.

Для снижения скорости истечения жидкостей с удельным объемным электрическим сопротивлением выше 109 Ом·м в емкости (резервуары) можно применять релаксационные емкости, представляющие собой горизонтальный участок трубопровода увеличенного диаметра, находящийся непосредственно у входа в приемную емкость.

Защита электронных устройств (ЭУ) от электростатических разрядов может осуществляться:

- применение элементов с максимально возможной статической и динамической помехоустойчивостью;

- применение специальных средств защиты электронных устройств.

Под статической устойчивостью логического элемента (ЛЭ) понимают его свойство сохранять на выходе сигнал логического 0 или логической 1 при медленном накоплении на его входе электрических зарядов. Чем выше должно быть напряжение на входе ЛЭ для изменения его состояния, тем выше статическая помехоустойчивость ЛЭ и в целом электронного устройства, состоящего из таких ЛЭ.

Динамическую устойчивость ЛЭ оценивают при воздействии импульсных помех, создаваемых электростатическим разрядом. В данном случае величина напряжения на входе ЛЭ, которое может вызвать изменение его выходных сигналов, зависит от длительности импульс: чем он короче, тем большая амплитуда сигнала требуется для изменения состояния ЛЭ.

Чем выше быстродействие ЛЭ и микросхем в целом, тем ниже ее статическая и динамическая устойчивость при воздействии электростатического разряда.

Электростатические разряды вызывают не только помехи, но и разрушения элементов микросхем. В зависимости от типа ЛЭ пороговые значения опасных напряжений, которые вызывают их отказы, существенно различаются. Так, например, наибольшее предельное напряжение у мощных биполярных полупроводниковых элементов – от 7000 до 25000 В; у полевых транзисторов – от 4000 до 8000 В; у ТТЛ интегральных схем – от 1000 до 2500 В; у КМОП логических схем – от 250 до 3000 В. Самые низкие предельные напряжения у кристаллических микропроцессоров (10 В) и у элементов электрически программируемой памяти (100 В).

Эффективным способом защиты от разрушающих воздействий импульсов высоких напряжений являются ограничители напряжения, включаемые параллельно защищаемой цепи. Для ограничения амплитуд применяют газовые разрядники, наполненные инертным газом. Их достоинство состоит в том, что они могут пропускать токи до десятков тысяч ампер, а недостаток заключается в зависимости времени срабатывания от скорости нарастания напряжения, прикладываемого к нему.