Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

 

Основные понятия

 

Под статическим электричеством (СЭ) принято понимать электрические заряды какого-либо одного знака, находящиеся в состоянии относительного покоя, распределенные на поверхности или в объеме диэлектрика или на поверхности изолированного проводника. Перемещение зарядов СЭ в пространстве обычно происходит вместе с наэлектризованными телами.

Современное промышленное производство характеризуется широким применением, изготовлением, обработкой и транспортировкой материалов, обладающих низкой электропроводностью (жидких углеводородов - нефтепродуктов, полиэтиленовые пленки и другие синтетические материалы, многие сыпучие материалы) и способных длительно сохранять электрические заряды. При определенных условиях происходит разряд накопившихся зарядов. Разряды СЭ отрицательно воздействуют на людей, приводя к болезненным уколам, иногда судорогам, а также могут стать причиной пожаров и взрывов.

Электростатическя искроопасность объекта - возможность возникновения в объекте или на его поверхности разряда СЭ, способного зажечь объект, окружающую или проникающую в него среду.

Электростатическая безопасность - состояние объекта, при котором исключается возможность возникновения пожара или взрыва от разрядов СЭ.

Минимальная энергия зажигания - наименьшее значение энергии искрового разряда СЭ, способного воспламенить наиболее легковоспламеняемую смесь газо-, паро-, и (или) пыли с воздухом при нормальных условиях.

 

Условия возникновения зарядов СЭ

 

Образование и накопление зарядов на перерабатываемом материале связано с двумя условиями :

1) необходим контакт поверхности, в результате которого образуется двойной электрический слой,

2) наличие контактных поверхностей из диэлектрического материала.

Между разделяющимися поверхностями с образовавшимся ДЭС образуется разность потенциалов Δφ. При достижении порового значения электропрочности газовой среды (для воздуха Е > 30 кВт/м) происходит искровой разряд. Ионы газа частично нейтрализуют электрический заряд на разделенных поверхностях. Кроме нейтрализации происходят еще и сток зарядов и их рекомбинация.

Основная величина, характеризующая способность к электризации УЭС поверхности контактирующих материалов, ρ Ом-м.

Если контактирующие поверхности имеют низкое ρ, то при разделении - заряды с них стекают и разделенные поверхности несут незначительный заряд и, наоборот (заряды будут сохраняться).

Следовательно, основные факторы, влияющие на электризацию веществ - их электрофизические параметры и объем разделения (чем больше V разделения, тем больше заряд остается на поверхности). Условно принято считать, что при УЭС ρ < 10⁵ Ом м заряды не сохраняются и материал не электризуется.

Двойной электрический слой - пространственное распределение электрических зарядов на границе соприкосновения 2-х фаз. Такое распределение зарядов наблюдается на границе Ме - Ме, Ме - вакуум, Ме - газ (в т.ч. - воздух), Ме - полупроводник, Ме- диэлектрик, диэлектрик-диэлектрик, жидкость – твердое  вещество, жидкость-жидкость, жидкость-газ. Толщина двойного электрического слоя на границе раздела 2-х фаз соответствует диаметру иона (10¹⁰ м). В зависимости от природы образования двойного электрического слоя различают электролитическую, адсорбционную, контактную, индуктивную электризацию. В реальных условиях образование ДЭС обусловлено действием нескольких механизмов.

Понятия проводник и непроводник, принятые в электротехнике отличаются от электростатики. Так,  в электротехнике хороший проводник ρ < 1 Ом-м, в электростатике вещества с ρ = 1...10⁴ Ом-м. Границей между проводником и непроводником  принято считать ρ = 10⁴ Ом-м. Данные об ρ некоторых веществ приведены ниже: полистирол - 10¹⁶ Ом-м; парафин - 10¹⁶ -; стекло - 10¹¹ .-. 10¹⁴; жидкие углеводороды - 10⁸...10¹⁶; синтетические волокна - 10¹⁰ -..10¹⁴; натуральный кирпич- 10¹²..10¹³; сухая древесина - 10⁸ - 10¹⁴ ; графит-8..14 10⁶; почва - 6...5 10³; электропроводная резина - 2...2-10⁶; дистиллированная вода - 10⁴; железо – 10^-7; медь- 1,55 10 ^-8; серебро- 1,5 10^-8 Ом м.

Кроме того, заряд в значительной степени зависит не только от УЭС но и электроемкости материала, на котором он возникает относительно земли. Наибольшей емкостью по отношению к земле обладает изолированный проводящий объект, и энергия искрового разряда бывает вполне достаточной для воспламенения газо-, паро- и пылевоздушной смеси.

Пример чисто контактного заряжения - перекачивание углеводородных топлив по трубопроводу.

Механизм электризации жидкостей объясняется механическим образованием и разрушением ДЭС, возникающих на границе «жидкость - твердое вещество».

Индуктивное заряжение проводящих объектов и обслуживающего персонала происходит в электрическом поле, например движущегося плоского наэлектризованного материала (ленты транспортера).

Отрицательные проявления СЭ

 

СЭ породило в промышленности ряд проблем, среди которых главными являются защита от пожаров и взрывов, защита от технологических помех, защита от физиологического воздействия на организм человека.

Возможность пожаров и взрывов возникает в следующих условиях:

•   заряды СЭ создают напряженность электрического поля, при которой возможно искрообразование;

•   энергия разрядов СЭ достаточна для воспламенения горючей смеси;

•   паро-, газо- или пылевоздушная смесь имеет концентрацию, при которой возможно ее воспламенение искровыми разрядами.

Средняя напряженность СЭ, при которой возможен разряд, составляет 4 10²...5 10²кВ/м для резко неоднородного 15 10² ...20 10² кВ/м для слабонеоднородного и до 30 10² кВ/м для однородного электрического поля.

Опасность воспламенения искрой снижается с ростом минимальной энергии воспламенения паровоздушной смеси. Условие безопасности воспламенения от СЭ может быть выражено неравенством:

Дж,                           (24)

 

где Wр - минимальная энергия разряда;

- минимальная энергия, необходимая для воспламенения взрывоопасной смеси при ее оптимальной концентрации.

Разряды СЭ не в состоянии воспламенять смеси с  ≥ 100 МДж.

Величины  для некоторых газо- и паровоздушных смесей (МДж):

Сероуглерод (CS₂) - 0,009;

Ацетилен (C₂Н₄) — 0,011;

Водород (Н₂) - 0,013;

Этиленоксид (С₂Н₄О) - 0,06;

Метан (СН₄) - 0,21;

Аммиак (NH₃) - 0,68.

Электростатическая безопасность объектов обеспечивается снижением Wр или увеличением величины .

Снижение чувствительности объектов к зажигающему воздействию разрядов СЭ обеспечивается регламентированием параметров производственных процессов (влагосодержание, дисперсность аэровзвесей, давление и температура среды и другое), влияющих на величину Wp и флегматизацию горючих газов.

Физиологическое воздействие СЭ, накапливаясь на теле человека, может при прикосновении человека к заземленным конструкциям обусловить разряд, вызывающий необратимые изменения. Это происходит при условии

, Дж,                        (25)

 

где W min - минимальное значение энергии, приводящее к тяжелому исходу;

φ - потенциал заряженной поверхности относительно земли, В; С - электрическая емкость проводящего объекта относительно Земли, ф (фарад).

Потенциал изолированного от земли тела человека может превышать 7 кВ, иногда он доходит до 14... 15 кВ. По данным ряда работ значение электрической емкости человека относительно земли лежит в пределах 60... 1080 пф.

Из уравнения видно, что поражение будет возможным, если заряд СЭ будет иметь потенциал  = (2.24. ..4,49) 105В, что практические недостижимо.

Исследования биологических эффектов показали, что наиболее чувствительными  к электростатическим полям являются нервная и сердечно-сосудистая системы организма.

 

Нормирование предельно допустимых уровней (ПДУ) интенсивности электростатического поля

 

Нормирование - согласно ГОСТ 12.1.045-84,  ПДУ устанавливаются  в зависимости от времени пребывания персонала на рабочих местах. ПДУ напряженности электростатических полей Е_пред = 60 кВ/м в течение 1 часа.

При Е < 20 кВ/м - время пребывания не регламентируется. В диапазоне Е = 20. ..60 кВ/м допустимое время в часах:

.                                             (26)

 

Общие технические требования к средствам защиты от СЭ нормируются согласно ГОСТ 12.4.124-83 ССБТ, общие требования к пожаро-взрывобезопасности СЭ приведены в ГОСТ 1211.018-92 (2001).

Измерение  и контроль параметров СЭ базируются на трех основных принципах:

1.  Определение зарядов, потенциалов и напряженности электрического поля зарядов СЭ бесконтактным методом через электростатическую индукдию.

2.  Оценка средней плотности заряда СЭ измерением тока электризации в непрерывных процессах.

3.  Определение избыточного заряда наэлектризованного вещества путем измерения напряжения на известной емкости.

Проведение измерений СЭ осуществляется, как правило, измерителем напряженности электростатического поля ИНЭП-20Д и измерителем ИЭЗ-П.

 

Защита от вредных проявлений СЭ

 

Для предупреждения возможности возникновения опасности от искровых разрядов необходимо обеспечивать стекание возникающих зарядов СЭ. Это достигается применением средств защиты (СЗ СЭ), которые, согласно ГОСТ 12.4.124-83 ССБТ, разделяются на коллективные и индивидуальные.

Средства коллективной защиты (СКЗ) по принципу действия классифицируются на следующие:

•   заземляющие устройства;

•   нейтрализаторы:

•   увлажняющие устройства;

•   антиэлектростатические вещества;

•   экранирующие устройства.

Средства индивидуальной защиты (СИЗ) з зависимости от назначения подразделяются следующим образом:

•   специальная одежда;

•   специальная обувь;

•   предохранительные приспособления, в т.ч. антистатические браслеты.

Заземляющие устройства - совокупность заземлителя и заземляющих проводников. Сопротивление заземляющего устройства, предназначенного для зашиты от СЭ, не должно превышать 100 Ом.

Заземляющие устройства оборудования и электрооборудования на всей протяженности цеха должны представлять собой непрерывную электрическую цепь, которая присоединяется к контуру заземления не менее, чем в 2-х точках.

Нейтрализаторы устройства, предназначенные для снижения уровня зарядов СЭ путем ионизации электризующего материала или вблизи его поверхности, т.е. устройства, ионизирующие воздух в местах возникновения или накопления зарядов.

В местах генерирования и скопления зарядов СЭ ионы, полярность которых противоположна зарядам на наэлектризованном материале, перемещаются к его поверхности и нейтрализуют заряды СЭ.

В промышленности в основном используются нейтрализаторы следующих видов:

•   коронного разряда (индукционные и высоковольтные);

•   радиоизотопные с излучающими источниками;

•   комбинированные (объединяющие первые два);

•   аэродинамические.

Устройство и принципы действия нейтрализаторов различных видов подробно изложены [6].

Из других способов защиты от СЭ можно отметить, что в ряде случаев используется подбор соответствующих материалов контактирующих поверхностей, уменьшающих интенсивность генерации СЭ:

•   снижение скорости технологического процесса;

•   уменьшение емкости системы;

•   корректировка технологических операций;

•   проведение технологических процессов в средах, в которых разряд СЭ не представляет опасности.

Устройства защиты от СЭ эксплуатируются в соответствии с «Правилами защиты от статического электричества в производстве  химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности».

Средства индивидуальной защиты (СИЗ). Эффективное отведение заряда с тела человека обеспечивает антистатическая обувь, подошва которой выполнена из кожи или электропроводной резины.

Сопротивление утечки обуви должно находится в пределах 10⁴... 10⁷ Ом. При этом пол также должен обладать достаточной электропроводностью. К СИЗ от СЭ относятся также электростатические халаты и антистатические браслеты.

Специальная антиэлектростатическая одежда изготавливается из материала с УЭС < 10⁷ Ом имеющая токопроводящие элементы, соединяющие ее с землей.

Специальная антиэлектростатическая обувь имеет электрическое сопротивление между подпятником и ходовой частью подошвы в цепи «человек – земля» 10⁶ ... 10⁸ Ом. Применяются  резиновые сапоги, туфли, галоши, боты, ботинки, полуботинки.

Предохранительные антиэлектростатические приспособления (кольца,браслеты) имеют заземляющий проводник.

Антиэлектростатические средства защиты рук - диэлектрические перчатки.

 

Молниезащита

 

Разряды атмосферного электричества способны вызвать взрывы, пожары и разрушения зданий и сооружений, что требует разработки специальной системы молниезащиты. Регламентирующим документом, устанавливающим необходимый комплекс мероприятий и средств по обеспечению безопасности людей, предохранению зданий, сооружений, оборудования и материалов от взрывов, пожаров и разрушения от действия молнии является «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО 153 - 34.21.122 - 2003.

 

Основные понятия

 

Молниезащита – комплекс защитных устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, сохранности зданий и сооружений, оборудования и материалов от разрядов молнии.

Физические процессы, происходящие в атмосфере Земли, приводят к образованию электрических зарядов, потенциал которых может достигать (ф > 1 млрд. В). Условия образования грозовых облаков – большая влажность и быстрое изменение температуры. В результате возникновения восходящих потоков  теплого воздуха и быстрой конденсации водяных паров, содержащихся в воздухе, образуется большое количество водяной пыли, которая заряжается отрицательно. При повышении напряженности электрического поля до критических значений (Е > 30 кВ/м) возникает разряд, сопровождающийся ярким свечением (молния) и звуком (гром).

Параметры молнии:

1)  сила тока в канале-20...40 тыс. А (реже до 200 тыс.);

2)  время существования - τ = 0,1... 1 с;

3)  заряд, протекающий в молнии Q = 10...50 Кл;

4)  скорость перемещения головной части молнии - 150 км/с:

5)  длина молнии между облаками - 20 км;

6)  длина молнии между облаками и землей - 2...3 км;

7)  диаметр канала молнии - d = 15 см;

8)  разность потенциалов между облаком и землей, перед разрядом φ = 10⁹ В.

Молния способна воздействовать на объекты прямыми ударами, вторичным воздействием и заносом высокого потенциала в здание и сооружение.

Прямой удар молнии (прямое воздействие; - непосредственный контакт молнии со зданием и сооружением, сопровождающийся протеканием через него тока молнии, способного вызвать пожар, взрыв и разрушения. Разрушение может произойти как от сильного разогрева металлоконструкции объекта вплоть до их плавления и испарения, так и в результате пожара и взрыва.

Вторичное проявление молнии - нанесение потенциалов на поверхности металлических элементов конструкции зданий, сооружений- оборудования посредством электромагнитной индукции, вызванной близкими разрядами молнии и создающем опасность искрения внутри объекта.

Искрение или сильный нагрев наведенными токами чаще всего возникает в электропроводке зданий, особенно в местах ненадежных контактов.

Занос высокого потенциала - перенесение в здание или сооружение по протяженным металлическим конструкциям и коммуникациям электрических потенциалов, возникающих при прямых или близких ударах молнии и создающих опасность искрения внутри объекта.

Занос может осуществляться по любым металлоконструкциям:

*   надземным - провода ЛЭП;

*   наземным - рельсовым путям, эстакадам и т.п.;

*   подземным - трубопроводам, кабелям и т.п.

Наиболее подвержены действию молнии высокие строения, трубы, мачты, опоры ЛЭП и т.д.

Интенсивность грозовой деятельности характеризуется средним числом грозовых часов в году n _ч или числом грозовых дней в году n _д.

Определяют ее с помощью соответствующей карты, приведенной в строительных нормах СН 305-77 для конкретного района строительства объекта.

Применяют и более обобщенный показатель - среднее число ударов молнии в год на 1 км² поверхности земли п (1/км² год), который зависит от среднего числа грозовых часов в году.

Среднегодовая продолжительность гроз, ч	Удельная плотность ударов молнии в землю n, 1/(км2×год)
10 — 20	1
20 — 40	2
40 — 60	4
60 — 80	5,5
80 — 100	7
100 и более	8,5

 

Ожидаемое число поражений молнией в год зданий и сооружений N необорудованных средствами молниезащиты, определяют по формуле

 , пор.,       (27)

 

где S, L — соответственно ширина и длина здания, имеющего в плане прямоугольную форму, м;

 h - наибольшая высота здания, сооружения, м;

п - среднегодовое число ударов молнии в 1 км².

 

Для дымовых труб, водонапорных башен, мачт, деревьев N определяют по формуле

 , пор.,                          (28)

 

В не защищенных от молнии ЛЭП, протяженностью 1 км, со средней высотой подвеса провода h_cp число ударов молнии за год составит (при допущении, что опасная зона распространяется от оси линии по обе стороны на 3 h_cp):

 , пор.,                      (29)

 

В зависимости от вероятности вызываемого молнией пожара, исходя из масштабов возможного разрушения и ущерба нормами СН 305-77 установлены 3 категории устройства молниезащиты.

В зданиях и сооружениях, отнесенных к первой категории молниезащиты длительное время возникают и сохраняются взрывоопасные смеси газа, пара и пыли с воздухом перерабатываются и хранятся взрывчатые вещества. Взрывы в таких зданиях, как правило, сопровождаются значительными разрушениями и человеческими жертвами.

Здания и сооружения  первой категории должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных его воздействий и заноса высоких потенциалов через надземные, наземные и подземные металлоконструкции. Эти требования должны соблюдаться по всей территории России.

В зданиях и сооружениях, отнесенных ко второй категории молниезащиты названные взрывоопасные смеси могут возникать только в момент производственной аварии или неисправности технологического оборудования, ВВ хранятся в специальной упаковке. Попадание молнии в такие здания сопровождаются, как правило, значительно меньшими разрушениями и человеческими жертвами.

Здания и сооружения второй категории молниезащиты должны быть защищены от прямых ударов молнии, от вторичных её воздействий и заноса высоких потенциалов только в местах со средней интенсивностью грозовой деятельности п_ч > 10

В зданиях и сооружениях третьей категории от прямого удара молнии может возникнуть пожар, механические разрушения и поражения людей. К этой категории откосят общественные здания, дымовые трубы, водонапорные башни.

Здания и сооружения, отнесенные к третьей категории молниезащиты должны быть защищены от прямых ударов и заноса высоких потенциалов через надземные металлоконструкции и коммуникации в местностях с годовой интенсивностью п_ч > 20 ч/год.

 

Конструкции молниеотводов

 

Молниеотвод — устройство, воспринимающее удар молнией и отводящее ее в землю.

Молниеотводы разделяют на следующие виды:

1.  стержневые (рис. 5.1) - с вертикальным расположением молниеприемников; по числу стержней они делятся:

•   на одиночные (отдельно стоящие);

•   сдвоенные (одно-  или разновысотные рис. 5.2, 5.3);

•   многократные (одно-  или разновысотные).

2.  тросовые (рис. 5.4) - с горизонтально-расположенным молниеприемником, закрепленном на двух заземленных опорах: по числу молниеотводов их делят;

•   отдельно стоящие:

•   двойные (одно-  и разновысотные);

•   сетки - многократные горизонтальные молниеприемники, пересекающиеся под прямым углом и укладываемые на защищаемые здания.

Опоры отдельно стоящих молниеотводов (стержневых) могут выполняться из стали любой марки, железобетона или дерева.

Расстояния, показанные на рис. 5.1 нормируются только для молниеотводов первой категории.

Рис. 5.1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 150 м: 1 — граница зоны защиты на уровне h_x, 2 -то же на уровне земли

Рис. 5.2. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой до 150 м: 1 — граница зоны защиты на уровне h_x1; 2 -то же на уровне h_x2, 3 -то же на уровне земли

 

Расстояния, показанные на рис 5.2, нормируются только для молниеотводов первой категории.

Наименьшее допустимое расстояние S_B от защищаемого объекта до опоры стержневого или тросового молниеотвода зависит:

•   от высоты защищаемого объекта, м;

•   эквивалентного УЭС грунта. Ом:

•   S_B = 3 м при высоте защищаемого здания не более 30 м при ρ не более 100 Ом• м;

•S_B = 3 + 10^-3 (ρ - 100), м, при 100 < ρ < 1000;

•S_B = 3 + 10^-1(x - 30), м, при превышении высоты объекта на каждые 10 м.

Для исключения заноса высокого потенциала в защищаемое здание или сооружение по подземным металлокоммуникациям (в т.ч. по электрическим кабелям) заземлители защиты от прямого удара молнии должны быть по возможности удалены от этих коммуникаций.

Наименьшее допустимое расстояние S₃ определяется так:

S₃ = S_B + 2м.

 

Зоны защиты молниеотводов

 

Зона защиты молниеотвода (ЗЗМ) - пространство, внутри которого объект защищен от прямых ударов молнии с надежностью не ниже определенного значения. Наименьшей   постоянной надежностью обладает поверхность зоны, в глубине зоны защиты - надежность выше, чем на ее поверхности.

 

Рис. 5.3. Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты: 1 — граница зоны защиты на уровне h_x, 2 -то же на уровне земли

 

Различают два типа зон защиты:

1)  зона типа А, обладающая надежностью 99,5%;

2)  зона типа Б, с надежностью 95% и выше.

Молниезащита зоны типа А создается в следующих случаях:

· первая категория молниезащиты - здания и сооружения с помещениями по ПУЭ, относящиеся к классам В-I и В-II по всей территории России;

· вторая категория молниезащиты - здания и сооружения в помещениях по ПУЭ В- I , B-Ia, B-Iб при ожидаемом числе поражений в год N >1 в местах со средней грозовой деятельностью 10 ч в год и более;

· третья категория молниезащиты - для зданий и сооружений с производствами по ПУЭ П- I, П-Ia, П- II;

· здания и сооружения III, IV и V пределов огнестойкости, в которых не размещены пожаро- и взрывоопасные производства, в случае, если N>2.

Остальные объекты защищаются молниеотводами типа Б (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 150 м: 1 — граница зоны защиты на уровне h_x, 2 -то же на уровне земли

 

Зона защиты такого молниеотвода представляет собой конус, вершина которого находится на высоте h_o. На уровне земли зона защиты образует круг r _о. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения h_x представляет собой круг r_x . Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой < 150 м имеют следующие габаритные размеры:

Зона A : ; ;

.

Зона Б: ; ; .

 

Для зоны Б высота одиночного стрежневого молниеотвода при известных значениях h_x r_x может быть определена по формуле

.

 

Существуют формулы расчета для защиты объектов высотой 150≤h≤600.

Пример защиты здания, категория устройства I отдельно стоящим молниеотводом (ρ = 300 Ом м).

В справочнике по технике безопасности [7] конкретно приведены: типы зон и категории устройств молниезащиты зданий и сооружений; зоны зашиты молниеотводов; размеры молниеприемников, токоотводов и электродов заземлителей, а также типовые конструкции заземлителей и их сопротивления растеканию тока промышленной частоты.