带电绝缘体静电放电引燃性新型实验

孙可平,刘闻灵,郭鑫

(上海海事大学静电技术研究所,上海 200135)

带电绝缘体静电放电引燃性新型实验

孙可平,刘闻灵,郭鑫

(上海海事大学静电技术研究所,上海 200135)

提出了一种新的实验技术评估绝缘体在接触分离过程中静电放电的点燃特性.首先,把不同数量的电荷荷电到材料的表面,通过实验校核所加电荷量是否足以使火花点燃实验探极发生点燃.其次,确定聚酰亚胺介质薄膜通过摩擦起电能否获得必需的表面电荷以引起点燃性刷形放电.通过把JCI场强计固定在实验介质薄膜背面10 mm处,测量该薄膜摩擦起电之前、起电期间、起电之后的表面电位,然后在充满易燃混合气体环境中观测其是否被点燃.

静电放电;静电引燃;绝缘体放电;静电安全

用于评估带电绝缘体静电放电引燃性的标准测试技术,详细地规定了静电放电引燃性的测试技术,能够成功地确定一个接地物体(大多数情况下是人体的手指)与一个带电绝缘体表面接触时所发生的刷形放电的引燃特性.文献[1]这种标准技术已成功地在欧洲,美国获得广泛应用.但是,该标准技术却不适用于2种带电绝缘体,即无法确定2种绝缘材料在分离瞬间所发生的静电放电的引燃特性.

一般说来,2种绝缘体的接触分离能导致静电放电,在分离过程中产生的大量静电荷能产生一个高于空气击穿场强的电场从而引发所谓的微放电(micro-discharge).对于这种微放电的研究报道并不多见,仅在20世纪50年代有人称之为反放电(back-discharge)[2],也有人称之为绝缘物体的空气击穿放电[3].随着这种材料的进一步分离,微放电使绝缘物体上的表面电荷趋于平衡,并把一定数量的电荷留在了每一个绝缘体上,可用标准测试技术测得此时的表面电位.

至于分离过程中的微放电是否具有点燃性,尚不十分明了.

本文提出了一种新的实验技术,来评估绝缘体在接触分离过程中静电放电的点燃特性,也提出了一种测试方法,来检测薄膜接触分离之前,分离过程中间,分离之后的表面电位.

1 火花放电点燃实验

1.1 实验材料

实验用的绝缘体是聚酰亚胺(polyimide)介质薄片,厚度为0.127 mm.根据文献[4]和文献[5],测试其表面电阻率和体积电阻率.结果显示,在50%相对湿度下表面电阻率为(8.23±3.67)×1012Ω,体积电阻率为(1 301±900)×1012Ωcm.

1.2 点燃实验

评估一种材料是否为点燃源的先进技术,称之为火花放电点燃实验,文献[1]所规定的测试方法,可以成功地评估FIBCs(flexible intermediate bulk containers)的安全性能.这种FIBCs已广泛应用于世界范围内粉体、层状料、粒料等的存储,运输,生产加工等工业过程.对于FIBCs,不适当的处置,不良的接地和不良的静电消散性能可能会引起静电危害,引起人身伤害甚至工作人员死亡.IEC这一测试标准的推广应用,已经极大地减少了ESD引起的事故数量.

这种测试方法的基本程序,是先使某种材料带电,再将一个金属球在充满引燃气体混合物的环境中去靠近这种带电材料,使之发生静电放电.如果发生刷形放电的能量大于或等于易燃气体混合物的最小点火能(M IE)则这种放电就具有点燃这种气体混合物的能力.为了完成这种实验,需要使用一种火花点燃实验探极,即SIP(spark incendivity p robe).已知M IE的混合气体进入一个聚碳酸酯混合室,室内充满玻璃粉球以保证气体均匀混合,并配置一个火焰消除器以阻止火焰的传播,混合气体包围在黄铜电极周围.

推荐的标准气体配置是空气中乙烯的体积分数为13%,其M IE为0.14 mJ.但本实验使用的是体积分数为30%的氢气和70%干空气进行化学计量混合,具有非常低的M IE为0.02 mJ,使带电实验材料处于最坏环境中.

用夹子把76 cm2的聚酰亚胺介质薄片固定在一个绝缘框架上,放在相对湿度(20±5)%和(50±5)%的环境中24 h.使用羊毛或电晕荷电使样品带电,充分荷电之后,实验探极接近介质薄膜过程中,观察放电情况及能否点燃混合气体,但接近薄膜前30 s,先把混合气体从实验探极流进实验空间.让实验材料获得足够高的静电荷以引起氢-空气混合物点燃,点燃与否可用放电时的声响加以探测并记录.待样品荷电之后,使用实验探极在5个不同位置接近样品.这5个位置为:上-右,上-左,中间,底-右,底-左.

在点燃性实验期间,用便携式JCI140场强计,距离样品表面10 cm处(标准测试距离)测量表面电位.结果显示,在实验操作程序中,表面电位均超过了20 kV.

在探极接近样品总共375次实验中(5个位置,每个位置75次实验),在50%相对湿度环境中共有2次点燃.在20%相对湿度环境中共有1次点燃.

2 刷形放电实验

国际电工委员会技术标准IEC60079-0(2004)“Electrical Apparatus for Exp losive Gas A tmospheres-Part 0,General Requirem en ts”指出,如果没有双薄层传播型刷形放电的结构,或者有这种结构但其面积小于某一临界尺寸(临界尺寸取决于气体的最小点火能M IE和危险区域的级别),则绝缘材料即便带电,也被认为是安全的.但是,这种临界尺寸非常小,例如文献[6]所定义的一级危险区域对于氢气而言,该面积为4 cm2.对于大多数油罐内部,大多数时段内均处于一级危险区域且有游离氢气存在.就大多数实际情况而言,油罐内不可能没有较大面积的绝缘体.这样一来,该IEC标准将会排除许多绝缘材料在一级危险区域内的应用.这使得选材标准过于保守与苛刻.但在许多操作方面,这些绝缘材料成本低廉,易于加工,易于操作,或者使用导体(包括防静电材料)的同时又不得不使用各种绝缘材料.

本文提出的新实验程序和方法,就是对一种绝缘材料在其操作环境中进行静电安全性能评价.首先,确定发生点燃性刷形放电时的表面电位,把不同数量的电荷荷电到材料的表面,通过实验校核所加电荷量是否足以使火花点燃实验探极发生点燃.其次,确定这种聚酰亚胺介质薄膜通过摩擦起电能否获得必需的表面电荷以引起点燃性刷形放电.为此,先简单测量摩擦起电之前、起电期间、起电之后的表面电位,把JCI场强计固定在实验介质薄膜背面10 mm处,不仅能够进行检测与实时监控,而且由于薄膜很薄,能使电场从一面穿透该薄膜到达另一面.其次在充满易燃混合气体环境中完成起电实验并观测其是否被点燃.

3 实验结果

本文设计的现有实验装置可以精确测量薄膜的表面电位,而且可以记录刷形放电何时发生,也能以同样方式记录点燃性火花何时发生,这与其他文献的报道相一致.仅有的区别是,对表面电位的测量更精确.决定在更高相对湿度下完成这些测试,因为在这些湿度下会有更具点燃性的放电发生[7].理由是在较高湿度下电荷更易沿表面移动,因此会有更多电荷贡献给静电放电,点燃性的火花放电更容易发生.

把聚酰亚胺介质薄膜用羊毛摩擦,并使用火花点燃性实验探极来探测刷形放电的发生.在70%相对湿度下刷形放电发生与否的检测并不成功.成功的检测仅发生在50%相对湿度的条件下.检测结果示于图1.

这些检测实验重复进行了75次,每组检测结果仅选几例加以发表.用羊毛摩擦聚酰亚胺介质薄膜时,把一定量的静电荷淀积到薄膜表面,直到表面电位达到饱和.对于聚酰亚胺,饱和电位出现在-85±5 kV.如图1所示,随机实验中记录了3次点燃,已用箭头在图中标示出来.这3次分别发生在表面电位为-67 kV, -79 kV和-84 kV.电位更低时并未观察到点燃.第1次点燃使得表面电位从-67 kV降至-25 kV,降低了42 kV.与之相对应,有大量静电荷在放电过程中发生了位移和中和.最终的实验结果表明,只有聚酰亚胺介质薄膜表面电位超过-67 kV,点燃性刷形放电方能发生.

图1 引燃性刷形放电发生期间表面电位的检测结果(在50%RH下已完成几十次检测,图中仅给出少量几例)Fig.1 Surface poten tial during the onset of incendive brush discharge. at 50%RH

4 结论

提出了一种新的实验技术,评估绝缘体在接触分离过程中静电放电的点燃特性.首先,把不同数量的电荷荷电到材料的表面,通过实验校核所加电荷量是否足以使火花点燃实验探极发生点燃.其次,确定这种聚酰亚胺介质薄膜通过摩擦起电能否获得必需的表面电荷以引起点燃性刷形放电.为此,把JCI场强计固定在实验介质薄膜背面10 mm处,测量该薄膜摩擦起电之前,起电期间,起电之后的表面电位,然后在充满易燃混合气体环境中观测其是否被点燃.

火花点燃性实验证明,聚酰亚胺能够成为氢-空气混合气体的点火源.刷形放电实验测试到了发生点燃时的表面电位为达到或超过-67 kV.

[1]IEC 61340-4-4,2004.Electrostatic classification of flexible intermediate bulk containers(FIBCs)-testmethods and requirements[S].

[2]LOEB L.Static electrification[M].Berlin:Sp riner-Verlan,1958.

[3]HARPERW R.Contact and frictional electrification[M].Mp rgan Hill:Laplacian Press,1958.

[4]ESD STM 11.11,2001.Surface resistancemeasurement of static dissipative p lanar materials[S].

[5]ESD STM 11.12,2001.Volume resistivity measurement of static dissipative planar materials[S].

[6]NFPA 70,2007.National Electrical code[S].

[7]CHARLSBUHLER,CARLOSCALLE,SID CLEM ENTS,et al.Testmethodology to evaluate the safety of materials using spark incentivity[J].Journal of Electrostatics,2006,64:744-751.

New Experimental on the Incendivity of Charged Insulator

SUN Ke-ping,LIUWen-ling,GUO Xin
(Institute of Electrostatics,Shanghai Maritime University,Shanghai200135,China)

New experimental techniques on the incendivity of charged insulato rs during separated is p resented.First,the different amountsof chargewere charged on material’s surface and checking w hether the charge app lied was sufficient to cause an ignition.Next we determined w hether the charged po lymide by tribocharging could p rovide the surface potentials necessary to cause incendive brush discharge.We p laced the JCI140 at 10 mm away on the back side of polymide to measure the surface potential before, during,and af ter contact-seperation.

static discharge;electrostatic incendive;insulator discharge;electrostatic safety

O 441.1;X 928

A

1000-1565(2010)05-0477-04

2010-03-05

上海市教委重点资助项目(07Z03)

孙可平(1945—),男,河南商丘人,上海海事大学教授,博士生导师,主要从事电磁兼容与静电技术研究.

(责任编辑:王兰英)