电极结构对同轴型静电消除器放电性能的影响*

孟 鹤

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266100)

0 引言

当一定浓度的可燃性粉尘悬浮在空气中，且接触到明火或静电放电等点火源时可发生粉尘爆炸[1-3]。化工生产过程中，在运输、生产和仓储等环节所形成的悬浮固体颗粒，如可燃性聚烯烃、塑料颗粒等，都属于静电非导体，在气力输送过程中会产生大量静电[4，5]。料(筒)仓作为化工物料储存的重要单元，当带电粉体物料在其内部大量堆积时，就可能发生引燃性传播型刷形放电、锥形放电，引发粉尘爆炸[6,7]。国内多家企业曾发生多起料仓静电燃爆事故[8]。

为控制料仓内物料静电的产生，通常在料仓进料管道安装离子风消电器[9]，将进入料仓物料的静电控制在安全范围[9-15]。离子风消电器包含多个放电电极模块，放电电极模块通过加在放电针的正高压或负高压将空气电离，电离产生的正、负离子在电场力以及电极附近高气压的双重作用下被吹送到粉体料仓或者进料管道中，对物料表面携带的静电电荷进行中和以达到静电消除的目的[12]。放电针电离空气的过程中，放电回路产生放电电流Ie，放电电流Ie的大小可表征放电电极模块的放电能力，即静电消除器的消电能力。为此，通过检测不同放电电极模块结构状况下放电电流Ie的大小，逐步优化放电电极模块的结构设计，可为开发性能更佳的离子风消电系统提供参考依据。

1 实验

1.1 放电电极模块

如图1和图2所示，放电电极模块包括放电钨针、圆柱体聚四氟乙烯针座、金属外壳(接地)，其中放电针位于放电电极模块中心，金属外壳紧包聚四氟乙烯针座且接地。图1中，针座直径为d(金属外壳内径)，放电针针尖端在针座内且距离针座最前端截面距离为h(简称放电针深度)。

图1 放电电极模块测试示意

图2 放电电极模块

1.2 单个放电电极模块的静电放电实验

控制放电针外接高压电且放电电极模块金属外壳接地，通过控制电压的极性和大小，放电针产生不同极性和强弱的离子风。但当放电针针尖与金属外壳之间的空气被击穿时，放电针释放的离子数将大大减少。本实验测试针座直径d和放电针深度h对中和放电电流Ie的影响。

针座如图2所示共有3种，直径d分别为16，20，26 mm；放电针深度h可调节(1，2，3，4 mm)，放电针针头弧度为18°；直流电压源输出电压范围Ve为±10 kV；C21-μA指针式直流微安表测量范围为±50 μA。为防止放电针意外短路，在测试放电电流回路中串联限流电阻R(15，60 MΩ)。实验环境为：16～18 ℃，26%～28%RH。

1.3 多个放电电极模块的静电放电实验

工业应用的静电消除器使用多个放电电极模块同时工作，以达到消电效果。本实验模拟测试多个放电电极模块离子同时使用时的离子风叠加效果。如图3所示，将多个放电电极模块捆绑在一起且放电侧处于同截面，中心位置放电电极模块针座有金属外壳且金属外壳接地，当空气被击穿时，放电针均对此金属外壳放电。

图3 多个放电电极模块

分别测试并记录每个放电电极模块在同一电压的放电电流Ie值，然后从具有金属外壳的放电电极模块开始逐一递增，分别测量每次递增叠加后的放电电流Ie大小，保持整个测试过程电源电压值不变。

2 实验结果与分析

2.1 针座直径对放电电流的影响

图4是不同放电针深度h和限流电阻R下，放电电流Ie与电源输出电压Ve间的关系。可以看出，固定放电针深度h，随着针座针座直径d的增加，放电电流总体有缓慢递减的趋势，除发生空气击穿以外，基本呈平稳减少的态势。

2.2 限流电阻R对放电电流的影响

图5为h=2 mm、d=20 mm和h=3 mm、d=26 mm情况下，不同限流电阻R(0，15，60 MΩ)对放电电流的影响。当放电针深度h和针座直径d一定时，随着电阻R的增加，放电电流总体呈缓慢递减的趋势。从图5中可以看出，当放电针深度h和针座直径d一定时，R为15，60 MΩ对放电电流的影响基本相似，而有无电阻R则对放电电流有比较大的影响。

图5 限流电阻R对放电电流的影响

2.3 放电针深度h对放电电流的影响

图6为d=20 mm、R=0 Ω时，不同放电针深度h(1，2，3，4 mm)对放电电流的影响。可以看出，电源电压在9.5 kV之前，h=1 mm和h=2 mm情况下的放电电流曲线基本重合，同样h=3 mm和h=4 mm情况下的放电电流曲线也基本重合。电源电压大于9.5 kV以后，h=3 mm和h=4 mm情况下的放电电流曲线会发生陡增，h=3 mm的情况下尤为明显，甚至超过了h=2 mm的情况下，而h=1 mm和h=2 mm情况下的放电电流曲线平稳上升。总体来说，随着放电针深度h的增加，离子流递减。

图6 放电针深度h对放电电流的影响

2.4 放电电流叠加效果

用7个放电电极模块(如图3所示)进行实验，电源电压为13 kV，结果见表1、表2。表中I7表示中间的放电电极模块(包金属外壳)放电电流，I1～I6表示其余6个放电电极模块各自的放电电流。

表1 正放电电流叠加效果 μA

表2 负放电电流叠加效果 μA

可以看出，多个放电电极模块同时工作时，放电电流的叠加效果较明显。其中，中间放电电极模块的离子释放效果远远好于其他6个。由于每个放电电极模块的放电针深度不同，也就是距中间放电电极模块的金属外壳放电距离不同，其余周边6个放电电极模块的释放电流I1～I6大小各不相同。

2.5 正、负放电电流测试比对

在深度h、针座直径d和电路电阻R相同的前提下，对比正负电源作用下放电电流的大小。如图7所示，相同电压绝对值负离子释放效果远好于正离子，负离子放电电流大约是正离子的3倍左右。

图7 正负放电电流对比

3 结论

静电消除器的消除效果取决于放电电极模块放电电流的大小，而放电针在放电电极模块针座的定位对放电电流有较大影响。随着针座直径d、放电针深度h以及限流电阻R的增加，放电针的放电电流减小。基于本文的实验，当放电电极模块放电针深度h为3 mm或者4 mm时，随着控制电源的增加，放电电流会发生一个非线性突变，不利于实际工业应用控制。限流电阻一定的情况下，针座直径d为16 mm时容易发生空气击穿，大大削弱离子释放效果，同样不利于工业应用。实验发现，对弧度k为18°的放电针来说，当针座直径d为20 mm，放电针深度h为1 mm或2 mm时，放电电流与电源电压基本属于线性关系，效果最佳。针座直径d为26 mm时的放电电流与电源电压虽然也是线性关系，但放电电流略低。限流电阻起着稳定放电电流的作用，随着限流电阻的增加，放电电流与电源电压的线性关系越来越明显。此外，可以利用多个放电电极模块并联来增加离子释放效果。