Электрическая прочность диэлектриков и предельные параметры процессов электризации

В. Н. ВЕРЁВКИН, д-р техн. наук, главный научный сотрудник, ФГБУ ВНИИПО МЧС России

УДК 621.316.9

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ

Представлено обобщенное описание процессов электризации, в том числе в процессах, аппаратах и оборудовании ряда производств. Рассмотрен вопрос о необходимости сертификации материалов и технологического оборудования с целью обеспечения безопасного применения неметаллических конструкционных материалов, эксплуатация которых порой сдерживается необоснованной осторожностью в связи с недостаточной изученностью опасных последствий их электризации. Приведены данные, характеризующие электропрочностные свойства воздуха и соответствующие им предельные значения параметров процессов электризации в зависимости от параметров пограничного воздушного слоя. Показана возможность применения данных, характеризующих предельные параметры электризации в среде воздуха в нормативных документах, направленных на обеспечение пожарной безопасности технологических процессов во взрывоопасных средах.

Ключевые слова: электризация; статическое электричество; электрическая прочность; искро-безопасность; электростатика; разряд; электрод; диэлектрик.

Общие положения

Концептуальный документ [1] Технического Комитета 101 "Электростатика" Международной электротехнической комиссии (МЭК ТК 101) отражает принятые в системе МЭК принципиальные основы представлений об электростатических явлениях. Отмечается, что из-за множества налагающихся факторов электростатика все еще остается "черной магией", а не наукой, поэтому в той или иной ситуации трудно предвидеть полярность и величину проявляющихся зарядов. Отчасти такое положение объясняется двойственной природой процессов электризации. Назовем их явлениями первого и второго рода.

Явления первого рода характеризуются определенностью знаков заряда, которая проявляется, например, в формировании двойных электрических слоев, что позволяет строить трибоэлектрические ряды. Это же характерно и для многих других процессов первоначального пространственного разделения положительных и отрицательных электрических зарядов.

В последующих процессах генерирования, преобразования различных форм энергии в энергию электростатического поля, в явлениях второго рода, знак электрических зарядов не имеет значения. "Черная магия" исчезает, и электростатика в своей кон© Верёвкин В. Н., Марков А. Г., 2014

цептуальной основе становится наукой, особенно в аспекте определенности значений предельных параметров процессов электризации, если интересующие нас объекты рассматривать как электростатические генераторы.

Простейший пример такого генератора — случай, когда два человека поднимают полиэтиленовую скатерть размером 1,4x1,4 м. Такой генератор формирует в ее центральной части потенциал в сотни киловольт, а передний фронт его нарастания достигает миллионов вольт в секунду. Знаки и величина зарядов, импульсные характеристики генератора, а также импульсные характеристики разнообразных параметров, включая зажигающую способность возникающих при этом разрядов на смежные предметы, вполне контролируемы и измеряемы.

Другим примером генератора может быть элект-рофорная машина — одно из пособий школьных физических кабинетов. Возбуждение этого генератора обеспечивается сообщением электростатического заряда, возникающего от соприкосновения наэлектризованного предмета с полосками из фольги на одном из его дисков. При последующем встречном вращении дисков обеспечивается электризация по индукции остальных полосок и последующая подпитка полюсов этого генератора. Механическая энергия вращения дисков преобразуется в электри-

ческую энергию заряжаемых конденсаторов на полюсах электрофорной машины. Первоначальная полярность полюсов однозначно определяется знаком начального заряда возбуждения генератора. Однако она предсказуема только до первого искрового разряда между сферическими полюсными электродами, образующими разрядный промежуток. После первого же разряда знак полюсов может поменяться, и в дальнейшем полярность электрофорной машины становится непредсказуемой, но предельные параметры остаются стабильными. Максимальное напряжение задается длиной разрядного промежутка между образующими его разрядными электродами и их геометрической формой. Этот же разрядный промежуток и емкость заряжаемых конденсаторов определяют энергию, запасенную перед разрядом. Максимальный ток и мощность генератора, как показано ниже, определяются воздушным зазором между дисками и другими геометрическими параметрами конструкции генератора, влияющими на степень задействованного объема слоя воздуха между вращающимися дисками.

Ну и еще один пример электростатического генератора — земной шар и его атмосфера (далее — 3-А). Основным фактором, выполняющим роль возбуждения генератора, является положительный адсорбционный потенциал капли воды, обусловленный дипольным моментом молекулы воды и преимущественной ориентацией отрицательного полюса диполя к поверхности капли. Благодаря этому качеству в зонах спокойной атмосферы восходящий поток уносит от приземного слоя капли воды, заряженные преимущественно отрицательно. Это приводит к образованию грозовых облаков, из которых в зонах грозовой активности возникают молнии, 80 % которых переносят к земле отрицательный электрический заряд. Именно поэтому земной шар заряжен отрицательно. Так протекает замкнутый кругооборот электрических зарядов. Масштабы источника возбуждения генератора 3-А микроскопичны — диполь молекулы воды; динамика его — вся грозовая активность и электричество Земли и атмосферы.

В процессах и аппаратах также необходим анализ возбуждения процессов электризации и последующей динамики процессов генерирования, ее возможных опасных проявлений, прежде всего на основании электропрочностных свойств воздуха и конструкционных материалов. Так, в процессах электризации пневмотранспортных потоков в металлических трубопроводах в определенных случаях через смотровые щели даже визуально наблюдается искрящийся пограничный слой, обеспечивающий предельные параметры процессов электризации основного двухфазного потока воздух - твердая фаза.

При пневмотранспортировании по трубам из полиэтилена с электрической прочностью, которая в

20 раз превосходит электрическую прочность слоя воздуха эквивалентной толщины, наблюдается примерно 20-кратная вспышка коронного разряда у наружной поверхности трубопровода. Если труба из полиэтилена достаточно большого диаметра, то в ее стенке возникают мелькающие светящиеся пятна прежде, чем происходит ее сквозной пробой. Если диаметр трубопровода недостаточен, чтобы обеспечить пробой стенки, то возникают одновременно два зеркальных по отношению друг к другу скользящих искровых канала вдоль внутренней и наружной поверхностей трубопровода.

В случае сквозного пробоя стенки образовавшийся тончайший воздушный канал становится источником образования двусторонней короны, так что ток электризации основного ядра пневмотранспорт-ного потока многократно возрастает. В результате образовавшегося дефекта при приближении к нему электрода возможно возникновение искрового разряда, способного, например, зажечь ватку, смоченную бензином.

Эти данные позволяют полагать, что более детальное и специализированное изучение электропрочностных свойств воздуха будет более востребованным и даст практически важные результаты.

В настоящее время изучается электрическая прочность тех конструкционных материалов, которые применяются в электротехнике, информатике или электронике, но не в аппаратах, устройствах или оборудовании технологического назначения или применяемого в средствах сбора, транспортирования и хранения разнообразных продуктов. При сертификации материалов такого назначения будут востребованы данные и по их электрической прочности, что обеспечит обоснованные возможности применения изделий и продукции из этих материалов. В 80-х годах XX века требование по электрической прочности при расчете электростатических нагрузок уже учитывалось в стандарте [2]. До настоящего времени применение неметаллических конструкционных материалов сдерживается необоснованной осторожностью в связи с недостаточной изученностью опасных последствий их электризации.

При разработке методов и устройств для испытания могут оказаться полезными данные, характеризующие электропрочностные свойства воздуха, и соответствующие им предельные значения параметров процессов электризации в зависимости от параметров пограничного воздушного слоя.

Предельные параметры процессов электризации в среде воздуха

Нередко после взаимного соприкосновения тела оказываются заряженными равными по величине положительным и отрицательным зарядами. На рис. 1

++++++++++++++++++++++++

'пр

поверхностная плотность электрических

++++++++++++++++++++++++

Рис. 1. Схема процесса электризации: а — микроразделение зарядов; б — макроразделение зарядов

схематично представлены две стадии процесса электризации — микро- и макроразделение слоев зарядов противоположных знаков на номинальной площади соприкосновения S.

На рис. 1,а показано состояние микроразделения двойного слоя зарядов, при котором расстояние между слоями будет 50, начальная разность потенциалов U0, площадь слоя зарядов S0, напряженность поля Е (Е = U0/50), энергия электростатического поля W0 (W0 = WvS80) (где Wv — объемная плотность энергии электростатического поля, Дж/м3).

На рис. 1,б показано состояние макроразделения, при котором после разделения двойного слоя зарядов на расстояние между слоями 8 разность потенциалов будет U, площадь слоя зарядов S, напря-женностьполя Е (Е = U0/80 = U/8), т. е. условно неизменна, а энергия возрастает во столько же раз, во сколько увеличивается объем между разделяемыми слоями электрических зарядов.

Это наиболее часто проявляющаяся схема процесса электризации. Первая стадия (микроразделение) определяется свойствами электризующихся фаз, а вторая (макроразделение) — еще и свойствами среды, в которой протекает электризация.

Наибольшие предельные значения физических величин, характеризующих процессы электризации, совпадают со значениями, соответствующими электропрочностным свойствам среды, в которой происходит электризация, или электропрочностным свойствам взаимно электризующихся материалов.

В общем случае предельные значения параметров процессов электризации соответствуют параметрам, характеризующим электропрочностные свойства среды, в которой происходит разделение положительных и отрицательных зарядов, или электропрочностные свойства твердых материалов, подвергающихся электризации [3]:

Епр - СТпр -Упр — Wv-пр - N^; т(б, р),

зарядов, соответствующая электрической прочности, Кл/м2;

_/ — плотность тока электризации, соответствующая электрической прочности, А/м2;

W

Гпр~

- объемная плотность электрической энергии электростатического поля, соответствующая электрической прочности, Дж/м3; Ыупр — объемная плотность мощности электростатического поля, соответствующая электрической прочности, Вт/м3;

х — собственное время релаксации электрических зарядов, с;

е — относительная диэлектрическая проницаемость;

р — удельное сопротивление, Ом м. При этом для воздуха в условиях международной стандартной атмосферы на уровне моря за нормативные приняты следующие значения: Епр = 3106 В/м; апр = 26,4 мкКл/м2; упр =100 мкА/м2; ИГир = 40Дж/м3; Иуир = 300 Вт/м3; х = 0,26 с.

Эти значения проявились в процессах электризации двухфазных потоков (воздух - твердая фаза) при проведении многолетних исследований на лабораторных, опытных и производственных пневмо-транспортных установках, а также в процессах электризации при трении скольжения.

Однако нельзя не учитывать, что значение Епр = = 3106 В/м характерно для плоского пограничного слоя воздуха с 5 ~ 10 мм, а в общем случае численные значения, соответствующие соотношению (1), будут другими, поскольку функционально зависят от 5 (см. таблицу).

Значения Епр, представленные во второй графе таблицы и на рис. 2, взяты из таблиц, содержащихся в книге Г. И. Сканави [4].

Значения предельных параметров процессов электризации в среде воздуха в условиях нормальной атмосферы в зависимости от толщины пограничного слоя

где Е

пр напряженность, соответствующая электрической прочности, В/м;

8, мм Епр, МВ/м апр, 2 мкКл/м 2 мкА/м W^, Дж/м3 ЛЦ,. Вт/м3

0,06 12,5 111 427 692 5337,5

0,08 10,7 95 365 507 3905,5

0,10 9,7 86 331 417 3210,7

0,20 7,4 66 254 242 1879,6

0,40 5,9 52 200 154 1180,0

0,48 5,6 50 192 139 1075,2

0,60 5,3 47 181 124 959,3

1,00 4,0 40 153 90 688,5

4,00 3,4 30 115 51 391,0

10,0 3,1 27 104 43 322,4

180 2,3 20 77 23 177,1

3700 1,1 10 38 5,4 41,8

Из рис. 2 следует, что зависимость Епр от 5 выражается функцией

Епр = 0,75-10б S-0'274.

3начения величин, представленные в таблице в графах 3-6, вычислены с учетом данных первой графы при допущении, что электростатические свойства воздуха в процессах электризации остаются неизменными, что оправдано задачей отслеживания качественной картины динамики процессов электризации.

График зависимости плотности зарядов электризации апр от разрядного промежутка 5 приведен на рис. 3.

С увеличением разрядного промежутка от 0,06 до 10 мм плотность зарядов уменьшается согласно зависимости

Стпр = 6,65-10-6 5-0,274.

Величина 5 на рис. 3 и в формуле (3) по физическому смыслу уже отличается от аналогичной величины на рис. 2 и в формуле (2). На рис. 2 это — расстояние между электродами и, следовательно, между эквипотенциально заряженными поверхностями, на рис. 3 это — обобщенное условие процессов электризации, расстояние между разделяемыми поверх-

МВ/м

12 10 8 6 4 2

0

0,002 0,004 0,006 0,008 5, м

Рис. 2. Зависимость напряженности поля £ от толщины слоя воздуха 5 между плоскопараллельными электродами при нормальных условиях

ностными плотностями зарядов, показанными, например, на рис. 1.

Допустим, что разделение поверхностей (см. рис. 1) происходит во взрывоопасных средах, для которых безопасный экспериментальный максимальный зазор зажигания (БЭМ3) составляет порядка 0,2 мм, а оптимальный по условиям зажигания критический зазор— 1,5-4,0 мм. Тогда на основе рис. 3 заключаем, что опасность зажигания надо оценивать уже на стадии разделения поверхностей, на которой БЭМ3 составляет от 0,2 до 1,5-4,0 мм. При этом в разрядах расходуется заряд 25-35 мкКл/м2. При минимальном заряде зажигания в импульсном разряде 0,0120,070 мкКл [3, 5] для зажигания оказывается достаточен разряд с площади 310-4-310-3 м2.

Таким образом, при схеме электризации, представленной на рис. 1, может оказаться, что основная опасность зажигания может проявляться непосредственно в процессе электризации, а последующее сближение заряженной поверхности с пробником зажигания уже не будет нести информацию о реальной опасности. Тем более такая особенность может проявляться при подготовке испытуемого образца изделия или материала к испытанию на пожарную опасность путем предварительной электризации, например трением скольжения. Поэтому в особо ответственных случаях следует проводить стендовые и опытные натурные испытания оборудования, процессов и аппаратов, а также испытания на представительных взрывоопасных средах по аналогии с испытанием взрывозащищенного электрооборудования.

График зависимости плотности тока электризации _/ от параметра 5 приведен на рис. 4. С увеличением разрядного промежутка от 0,06 до 10 мм плотность тока электризации уменьшается согласно зависимости

7пр = 2,5б-10-5 S-0'274.

Параметр 5 на рис. 4 и в формуле (4) по физическому смыслу может быть толщиной пограничного

апр, мкКл/i

0,002 0,004 0,006 0,008

Рис. 3. Зависимость предельной поверхностной плотности зарядов апр от толщины пограничного слоя воздуха 5 при нормальных условиях

jnр, мкА/м2 400 350 300 250 200 150 100 50

0 0,002 0,004 0,006 0,008 5, м

Рис. 4. Зависимость предельной плотности тока электризации jnp от толщины пограничного слоя воздуха S при нормальных условиях

£

Wyuv, Дж/м3 700 600 500 400 300 200 100

0

к

0,002 0,004 0,006 0,008 5, м

NViip, Вт/м3 5000 40001 30002000 1000

0

0,002 0,004 0,006 0,008 5, м

Рис. 5. Зависимость объемной плотности энергии (а) и мощности (б) от толщины пограничного слоя воздуха 3 при нормальных условиях

слоя в процессе электризации, который разделяет уносимый поток электростатического заряда и тем самым соответствует как плотности тока электризации потока, так и плотности тока электризуемой потоком стенки. Это одна и та же величина. Плотность тока — величина векторная, а контур тока замкнут.

Зависимости, представленные в таблице, на рис. 4 и формулой (4), целесообразно учитывать при выборе моделей создания электростатических нагрузок в процессах электризации, например, в целях оценки пожарной опасности этих процессов.

Подтверждается практичность применения соотношения (1) в аспекте принятия стандартного значения' =100 мкА/м2 при моделировании электро-статичесих нагрузок при испытании материалов и изделий [5].

Обычно одновременно проявляется и ток электризации, и ток обратного разряда. Ток электризации самолета и ток специальных коронирующих устройств (аналогов заземлителей), обеспечивающих утечку зарядов с него в окружающее пространство, существуют одновременно. То же наблюдается и при действии углекислотных огнетушителей. При сверхзвуковом выбросе снегообразной массы углекислоты измеряемый ток электризации корпуса огнетушителя достигает 100 мкА. Это на несколько порядков больше, чем ток электризации потоков жидкостей или сыпучих материалов в обычных промышленных установках. Однако применение коронирующе-го острия на выпускном устройстве позволяет снизить ток электризации корпуса огнетушителя в десят-

ки раз. Процесс электризации потока и его обратное разряжение в пограничном слое протекают одно-времено.

Зависимости ЖГпр = /(3) и ЫГпр = /(3) функционально выражаются формулами

Wvnp = 2,455-

= 19,25-

и графиками, представленными на рис. 5.

Выводы

Выполненный анализ показал, что в процессах электризации, характерных для производственной и бытовой практики, в основном проявляются электропрочностные свойства воздуха, выраженные параметрами: £пр = 3Т06В/м;апр = 26,4мкКл/м2; 'пр = = 100 мкА/м2; ЖГпр = 40 Дж/м3; ЫГпр = 300 Вт/м3.

Однако при разработке материалов, изделий, аппаратов и оборудования, предназначенных для применения во взрывоопасных средах, необходимо учитывать, что основная опасность может проявляться прежде всего непосредственно в процессах электризации, в пограничном слое, соизмеримом с оптимальными критическими расстояниями зажигания.

При этом постановку такой продукции на производство следует осуществлять в порядке, установленном для электрооборудования, по результатам проведения натурных испытаний и опытной эксплуатации.

0,548

0,548

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. IEC/TR61340-1. Edition 1.0 (2012-06-26). Electrostatics —Part 1: Electrostatic phenomena —Principles and measurements. URL : http://webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/artnum/0465961open-document (дата обращения: 20.12.2013 г.).

2. ГОСТ 12.1.018-79*. ССБТ. Статическое электричество. Искробезопасность. Общие требования. — Введ. 01.07.80 г. — М. : Издательство стандартов, 1979.

3. Верёвкин В. Н., СмелковГ. И., Черкасов В. Н. Электростатическая искробезопасность и молние-защита. — М. : МИЭЭ, 2006. — 170 с.

4. СканавиГ. И. Физика диэлектриков (область сильных полей). — М. : Физматгиз, 1958.

5. ГОСТ 31613-2012. Электростатическая искробезопасность. Общие технические требования и методы испытания. — Введ. 05.02.2013 г. URL : http://protect.gost.ru/document.aspx (дата обращения: 20.12.2013 г.).

Материал поступил в редакцию 31 января 2014 г.

= English

ELECTRIC STRENGTH OF DIELECTRICS AND THE LIMITING PARAMETERS OF PROCESSES OF ELECTRIZATION

VEREVKIN V. N., Doctor of Technical Sciences, Chief Researcher of All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia

MARKOV A. G., Senior Lecturer of Special Electrical Engineering, Automation Systems and Communication Department, State Fire Academy of Emercom of Russia

ABSTRACT

The generalized description of processes of an electrization, including in processes, devices and the equipment of some manufactures is presented. Processes of an electrization occurring at the enterprises with air lift application are described. The question of need of certification of materials and processing equipment for the purpose of ensuring safe application of the nonmetallic constructional materials which operation, sometimes restrains not proved caution in connection with poor study of dangerous consequences of their electrization is considered. The data characterizing electrostrength properties of air, and the limiting values of parameters of processes of an electrization corresponding to them depending onparameters of aboundary airbed are provided. The graphic and formular dependences displaying the experimental dependences of parameters of an electrization from electrode separation are presented.

Possibility of application of data characterizing the limiting parameters of an electrization of air is shown in normative documents aimed at providing fire safety of technological processes in explosive environments.

Keywords: electrification; static electricity; electrical strength; spark safety; electrostatic; spark; electrode; insulator.

REFERENCES

1. IEC/TR 61340-1. Edition 1.0 (2012-06-26). Electrostatics — Part 1: Electrostatic phenomena — Principles and measurements. Available at: http://webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/artnum/ 046596!opendocument (Accessed 20 December 2013).

2. State Standard 12.1.018-79*. Static electricity. Spark safety. General requirements. Moscow, Izdatel-stvo standartov, 1979 (in Russian).

3. Verevkin V. N., Smelkov G. I., Cherkasov V. N. Elektrostaticheskaya iskrobezopasnost i molniye-zashchita [Electrostatic spark safety and lightning protection]. Moscow, MIEE Publ., 2006. 170 p.

4. Skanavi G. I. Fizika dielektrikov (oblast silnykh poley) [Physics of dielectrics (area the strong water)]. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1958.

5. Interstate Standard 31613-2012. Static electricity spark safety. General technical requirements and test methods. Available at: http://protect.gost.ru/document.aspx (Accessed20 December 2013) (inRussian).