Защита от статического электричества в производственных условиях

За последние годы в связи с получением и использованием в больших количествах веществ с выраженными диэлектрическими свойствами (синтетические смолы, синтетические волокна, спирты, резины, пластмассы и др.) разряды статического электричества нередко являлись причинами пожаров и взрывов. В ряде производств статическое электричество препятствует нормальному проведению технологического процесса, приводит к порче продукции, снижению производительности труда.

Возникновение зарядов статического электричества происходит при деформации, дроблении (разбрызгивании) веществ, относительном перемещении сплошных тел или слоев жидких и сыпучих материалов, находящихся в контакте друг с другом, при движении воздуха (или других газов) по трубопроводам, а также при интенсивном перемешивании, кристаллизации и испарении веществ. На практике наибольшую опасность электризации представляют процессы слива из цистерн и других емкостей и налива в них нефтепродуктов, пневмотранспортирование и сушка пылевидных материалов, изготовление и эксплуатация полимерных материалов и изделий на их основе.

Возможность накопления опасных электростатических зарядов определяется как интенсивностью возникновения (генерации), так и условиями стекания (рассеяния) зарядов.

Наиболее опасным проявлением статического электричества в промышленности являются искровые разряды, энергия которых может превышать минимальную энергию зажигания горючих сред.

В условиях взрывоопасных производств реальную опасность представляет воспламенение горючих сред искрами, возникающими при соприкосновении человека с заземленным оборудованием. На теле человека может накапливаться статическое электричество при пользовании обувью с непроводящими электричество подошвами, одеждой и бельем из шерсти, шелка и искусственных волокон, при передвижении по непроводящему покрытию пола и при выполнении ряда ручных операций с веществами-диэлектриками. Потенциал изолированного от земли человеческого тела может достигать 7000 В и более, а максимальная энергия, освобождающаяся при искровом разряде — 2,5...7,5 мДж. Такой энергии достаточно для поджигания многих газо-, паро- и даже пылевоздушных смесей.

По современным данным, разряды статического электричества не опасны для здоровья человека. Однако они могут вызвать неприятные ощущения, а при определенных условиях (при разряде с тела человека или через тело человека на землю или заземленное оборудование) привести к непроизвольному резкому движению, которое может явиться причиной травмы (особенно при падении с высоты).

Защита от накопления и опасных проявлений статического электричества основана на следующих принципах:

· уменьшение процесса генерации электростатических зарядов (ограничение скорости переработки и транспортирования материалов, соответствующий подбор контактирующих пар и др.);

· исключение опасных разрядов статического электричества (заземление проводящих объектов, изменение распределенной емкости наэлектризованных диэлектриков и др.);

· рассеяние возникающих электростатических зарядов (увеличение проводимости самих материалов и окружающей среды).

В отдельную группу можно выделить способы, которые не предотвращают образования и накопления зарядов статического электричества, а направлены на то, чтобы возникший искровой разряд статического электричества не вызвал воспламенения горючей смеси.

Уменьшение скоростей переработки и транспортирования материалов является реальным средством снижения уровня электризации материалов. Чтобы не ухудшать параметры технологических процессов, целесообразно ограничивать скорость только на определенных участках транспортировки жидкостей и сыпучих материалов (например, перед сливом в резервуары и над бункерами) путем применения релаксационных емкостей, где большая часть зарядов рассеивается за время нахождения наэлектризованной среды в этой емкости.

Для снижения электризуемости материала не допускают сильного разбрызгивания, перемешивания (барботирования); тщательно очищают газы и жидкости от посторонних примесей, особенно если последние имеют электропроводность, отличающуюся от основного вещества.

Немаловажное значение имеет правильный подбор контактирующих пар в соответствии с экспериментально установленными электростатическими рядами. Правильно подобрав контактирующие пары, можно значительно уменьшить и даже предотвратить образование электростатических зарядов.

По принципу действия средства коллективной защиты от статического электричества подразделяются на: заземляющие устройства, антиэлектростатические вещества, увлажняющие устройства, нейтрализаторы, экранирующие вещества (ГОСТ 12.4.124).

Заземление оборудования устраняет возможность накопления зарядов на проводниках и в некоторых случаях способствует процессу релаксации заряда с поверхности диэлектрика в землю. Заземление является обязательной мерой защиты от статического электричества, но на процесс накопления электростатических зарядов в диэлектриках оно практически не влияет. Величина сопротивления заземляющего устройства, предназначенного только для защиты от статического электричества, не должна превышать 100 Ом.

Особое внимание должно уделяться заземлению различных передвижных объектов или вращающихся элементов оборудования, которые не могут иметь постоянного контакта с землей, а также рукавов и шлангов, используемых для слива и налива горючих жидкостей, различной тары и т. п. Заземлять следует не только те части оборудования, которые участвуют в генерировании зарядов, но и все другие изолированные проводники, которые могут зарядиться от индукции. Оборудование считается электростатически заземленным, если сопротивление в любой его точке при самых неблагоприятных условиях не превышает 10⁶ Ом. Заземление диэлектрического оборудования может быть осуществлено нанесением на его поверхность проводящих покрытий (пленок).

Для отвода на землю зарядов статического электричества с человека применяется антиэлектростатическая обувь с электропроводящей подошвой, антиэлектростатическая спецодежда и предусматривается устройство электропроводящих полов. Электрическое сопротивление между токопроводящими элементами антиэлектростатической спецодежды должно быть от 10⁶ до 10 ⁸ Ом.

Обувь считается электропроводящей, если электрическое сопротивление между подпятником и ходовой стороной подошвы не превышает 10⁸ Ом • м. Такой является обувь на кожаной подошве, обувь из токопроводящей резины или обувь, пробитая токопроводящими и не искрящими при ударах и трении заклепками. Покрытие пола считается электропроводящим, если удельное электрическое сопротивление утечки между установленным на полу электродом и землей не превышает 10⁴ Ом • м. Проводящими покрытиями являются специальный бетон и пенобетон, настил из резины с пониженным сопротивлением, специальные плиты, наливные полы и др.

Эффективным способом устранения опасной электризации является антиэлектростатическая обработка, вызывающая увеличение объемной или поверхностной проводимости вещества. Наиболее просто это достигается увлажнением поверхности материалов, причем гидрофильные материалы сами адсорбируют влагу, а в гидрофобные полимеры вводят внутрь или наносят на их поверхность различные антиэлектростатические вещества, способствующие адсорбции влаги и повышению тем самым поверхностной проводимости.

Объемную электропроводность веществ можно увеличить путем введения в них антиэлектростатических присадок. Этот способ нашел наибольшее распространение при получении и использовании нефтепродуктов. Вводимые в тысячных и десятитысячных долях процента, такие присадки способны на несколько порядков снизить удельное электростатическое сопротивление нефтепродукта. В качестве присадок применяют олеат и диолеат хрома, хромистые соли синтетических жирных кислот и некоторые другие вещества.

Антиэлектростатические вещества должны обеспечивать снижение удельного объемного электрического сопротивления материала до величины 10⁷ Ом • м, а удельного поверхностного электрического сопротивления — до 10⁹ Ом • м.

В производственных условиях широко применяются нейтрализаторы статического электричества, способствующие увеличению электропроводности воздуха путем его ионизации. Наибольшее распространение получили индукционные, высоковольтные и радиоактивные нейтрализаторы. Существуют также лучевые и аэродинамические нейтрализаторы.

Уменьшить электризацию можно изменением технологического процесса; релаксацией (ослаблением) электростатического заряда; устранением побочных источников генерирования зарядов, сопутствующих основному. Обеспечить безопасность технологических процессов при возникновении разрядов статического электричества можно заменой горючих сред негорючими, осуществлением технологических процессов при концентрациях горючих смесей, находящихся вне пределов воспламенения, разбавлением горючих смесей инертными газами, транспортировкой электризующихся материалов в потоке азота или другого негорючего газа и т. п.

Молниезащита

Разряды атмосферного электричества (молнии) могут явиться причиной взрывов, пожаров, поражения людей. По данным статистики, около 7% пожаров возникает от разрядов молнии. Разрушительное действие прямого удара молнии (первичного проявления молнии) очень велико. Однако существует еще и вторичное проявление, которое заключается в том, что во время разряда молнии на изолированных от земли металлических предметах, вследствие электромагнитной и электростатической индукции, возникают электротоки высоких напряжений. Возможен перенос высоких потенциалов по проводам, через наземные или подземные металлические коммуникации. При этом в местах разрыва электроцепи может возникнуть искрение, достаточное для воспламенения горючей среды.

Комплекс защитных устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, сохранности зданий и сооружений, оборудования и материалов от взрывов, загораний и разрушений, называется молниезащитой и осуществляется и соответствии с «Инструкцией по проектированию и устройству молниезащиты зданий и сооружений» (СН 305 — 77).

Существуют три категории устройства молниезащиты (I, II, III). Необходимость в молниезащите и ее категорию в каждом конкретном случае определяют в зависимости от интенсивности грозовой деятельности в местности расположения объекта, его пожаровзрывоопасности и назначения, а также ожидаемого количества поражений молнией в год.

По I категории должна осуществляйся молниезащитa промышленных зданий и сооружений с взрывоопасными зонами классов B-I и B-II, расположенных в любом месте.

По II категории— промышленных зданий и сооружений с зонами, относимыми к классам B-Ia, B-Iб и В-IIa, и расположенных в местности со средней грозовой деятельностью 10 и более часов в год. По этой же категории должна осуществляться молниезащита наружных технологических установок и открытых складов, относимых к классу B-Iг вне зависимости от места нахождения этих объектов. Молниезащита по этим категориям предусматривают защиту зданий и сооружений от прямых ударов молнии, от электростатической и электромагнитной индукции и заноса высоких потенциалов через наземные и подземные металлические конструкции и коммуникации.

По III категории должна осуществляться молниезащита многих других производственных, сельскохозяйственных, жилых и общественных зданий, сооружений и складов, дымовых труб, водонапорных и силосных башен, пожарных вышек и других с учетом их пожароопасности, степени огнестойкости, ожидаемого количества поражений молнией, времени средней грозовой деятельности в районе и ряда других факторов. Молниезащита должна обеспечивать защиту зданий и сооружений от прямых ударов молнии и заноса высоких потенциалов через наземные металлические конструкции и коммуникации.

Для защиты зданий и сооружений от прямых ударов молнии служат молниеотводы, принимающие на себя разряд молнии и отводящие ток разряда в землю. Молниеотвод состоит из несущей части (опоры), молниеприемника, токоотвода (спуска) и заземлителя.

Применяют различные конструкции молниеотводов, наиболее распространенными из которых являются стержневой и тросовый. Они бывают отдельно стоящие или устанавливаемые на защищаемом объекте, в последнем случае они бывают изолированные или неизолированные от объекта. Молниеотводы бывают одиночные, двойные и многократные.

Стержневыемолниеотводы представляют собой один, два или больше вертикальных стержней, устанавливаемых на защищаемом сооружении или вблизи его.

Тросовыемолниеотводы состоят из одного или двух горизонтальных тросов, каждый из которых закрепляется на двух опорах. По опорам прокладывают токоотвод, присоединенный к отдельному заземлителю; опоры устанавливают на защищаемом объекте или вблизи его. По архитектурным соображениям молниезащиту зданий иногда осуществляют наложением на кровлю металлической заземленной сетки.

Тип заземлителя выбирается исходя из удельного сопротивления грунта и требуемого импульсного сопротивления.

Каждый молниеотвод имеет определенною зону защиты — часть пространства, внутри которого с достаточной степенью надежности обеспечивается защита здания или сооружения от прямых ударов молнии. Наименьшей по величине степенью надежности обладает поверхность зоны защиты; по мере продвижения внутрь зоны надежность защиты увеличивается.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой 150 м показана на рис. 2 и представляет собой круговой конус, вершина которого находится на высоте h₀ < h. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом r₀. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения h_x представляет собой круг радиусом r_x Зоны защиты такого молниеотвода имеют следующие размеры: зона А:

зона Б:

Для зоны Б при известных величинах h_x и r_x высота одиночного стержневого молниеотвода может быть определена по выражению

Зона защиты одиночною тросового молниеотвода высотой показана на рис. 3. С учетом стрелы провеса при известной высоте опор h_оп высота стального троса сечением 35...50 мм² при длине пролета а < 120 м равна ,

а при :.

Зоны защиты таких молниеотводов имеют следующие размеры:

зона А

зона Б

Рис. 2. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:

Рис. 3. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода:

Наиболее сложным является устройство молниезащиты I категории. Молниеотводы должны быть обязательно изолированы от защищаемого сооружения или выполняться отдельно стоящими. Защита от электростатической индукции осуществляется присоединением металлических корпусов оборудования и конструкций к специальному заземлителю, обеспечивающему сопротивление растекаемому току не менее 10 Ом, или к защитному заземлению электрооборудования. Для защиты от электромагнитной индукции трубопроводы и другие протяженные металлические предметы в местах их взаимного сближения на 10 см и менее соединяют привариваемыми или припаевавыми металлическими перемычками через каждые 20 м длины, что исключает возможность образования незамкнутых контуров. Кроме того, для предотвращения искрения при протекании тока в местах соединения трубопроводов и других протяженных металлических предметов обеспечивают хороший контакт с переходным электрическим сопротивлением не более 0,03 Ом на один контакт. Для защиты от заноса высоких потенциалов перед вводом в сооружение подземные металлические коммуникации присоединяют к заземлителям защиты от электростатической индукции или к защитному заземлению электрооборудования, а внешние наземные металлические конструкции и коммуникации — к заземлителю защиты от электростатической индукции. Кроме того, на ближайших двух опорах от здания наземные коммуникации присоединяют к заземлителям с импульсным сопротивлением не более 10 Ом.

При II категории молниезащиты кроме отдельно стоящих или установленных на зданиях изолированных молниеотводов допускается использовать молниеприемную сетку, накладываемую на кровлю (неметаллическую или металлическую). Для этой категории импульсное сопротивление каждого заземлителя защиты от прямых ударов молнии (за некоторым исключением) не должно превышать для зданий и сооружений 10 Ом, а для наружных установок — 50 Ом. Для защиты от электростатической индукции специального заземления не делают, а используют систему защитного заземления электроустановок.

При молниезащите III категории импульсное сопротивление каждого заземлителя защиты от прямых ударов молнии (за исключением некоторых случаев) должно быть не более 20 Ом, а для труб, башен и вышек — не более 50 Ом. Защита от заноса высоких потенциалов осуществляется путем присоединения внешних наземных металлических конструкций и коммуникаций перед вводом в сооружение к заземлителю защиты от прямых ударов молнии или к защитному заземлению электрооборудования. Кроме того, на ближайшей к сооружению опоре нужно присоединять их к заземлителю с импульсным сопротивлением не более 20 Ом.