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对有源静电消除器产生的点燃性放电的安全控制

文档作者：田端安幸铃木照男		点击数：	更新时间： 2022年03月11日
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1 9 9 8 年第1 期爆炸性环境电气防爆技术总第1 31 期
对有源静电消除器产生的点燃性放电的安全控制
[ 日」田端安幸铃木照男
〔摘要」电晕型有源静电消除器可以用来减少柞导电性物质上的静电电荷, 但是它偶尔也
会引起包括点挑性放电在内的危险放电和其他各种工业危险。因此, 在日常工作中, 我们对有源消
除器在爆炸性环境中使用的安全问题进行了一些研究, 该项研究的目
.
的是为设计能在爆炸性环境
中安全爆行的防爆型消除器提供实用性资料。我们针对有源消除器工作异常时所产生的点燃性放
电进行了试验, 且对点燃性放电的安全控制方法进行了试脸性研究。最终得出了明确的结论: 当有
源消除器工作异常时, 可以通过抑制电晕放电电流和瞬时吸收消除容上贮存的静电能全来抑制点
燃性放电。现将试脸结果报告如下。
一、前言
为了减少在导电性物质上积累的静电, 已
经有各种各样的静电消除器被开发出来【1 , 2] .
其中之一是电晕型有源消除器, 它一般是由针
状电晕电极和一个高压电源构成「3 ] , 且每个针
都通过一个电容器或电阻器与高电压相连, 从
而安全减少静电电荷。
电晕型有源消除器具有很高的静电消除效
率, 但是, 当它在爆炸性环境中工作异常时, 偶
尔也会引起诸如工业火灾和爆炸之类的严重危
险〔4 ] . 因此, 为了避免该类消除器引起点燃性
放电, 当在危险场所使用该类消除器时, 必须细
心维护。
另一方面, 在对防爆型电气设备的开发研
制中, 已经有人对点燃性放电进行了一些研究
〔5〕, 并且在他们的研究资料中有过这样的报
告: “ 针状电晕电极的有源消除器的点然性放电
主要取决于施加于一个针状电晕电极的电压和
在一个电晕电极和高压电源之间的藕合阻抗
[6 ]” 。
在上述背景下, 该项研究的目的是为研制
能在危险场所使用的防爆型有源消除器提供实
用性资料. 为了研制用于有源消除器的安全控
制器, 我们试用了两种方法来阻止由消除器产
生的危险放电而引起的点燃危险, 且通过点燃
试验对安全控制器的特性进行了评价.
二、初步试验
为了给以后试验提供参考, 我们进行了初
步试验, 对由针状电晕电极和高压电源构成的
有源消除器的工作特性加以研究。在该项试验
中, 我们采用了两种型式的消除器: 一种是借助
于一个电阻器把高电压施加到每个针上的电阻
藕合消除器; 另一种是借助于一个电容器把高
电压施加到每个针上的电容藕合消除器.
tR 一1 0MO
凡= 5 0M n
C` . 8 . S PF
入C
+ 1) C
ǎV魏),I
; ,
妙
v p -
奋邵尸
乙
-
一一4 一6 一8 一1 0
叭( kV )
圈l 由消除器产生的电, 放电电流
DOI : 10. 14023 /j . cnki . dqfb. 1998. 01. 011
4 2
1 9 9 8 年第1 期爆炸性环境电气防爆技术总第13 1 期
首先, 为了检测用于消除静电的电晕放电
电流, 我们采用下业安全协会劳动部推荐的方
法[ 7 」( 即在消阶器和被施加直流高压“V e ” 的
充电金属板( l o n 、m 又4 o m m ) 之间留出l o m m
的空间, 测量流到充电金属板上的离子电流) ,
对由消除器的一个针产生的离子电流进行了测
量。
图1 表示分别对祸合电阻“ cR ”或藕合电容
“ cC ” 消除器进行测量所获得的.l 一.V 特性曲
线。图1 中所示的实线和虚线分别表示将每个
针施加s k v 的交流或直流高压时消除器所产
生的离子电流和电晕放电电流。
如图1 所示, 每个针被施加直流高压的电
阻祸合消吟器产生了最大量的离了电流。因此,
人们希望由直流高压驱动的电阻藕合消除器,
具有较高的消除效率。但是, 当电阻藕合消除器
工作异常时, 也许恰恰相反, 会导致诸如电火花
之类的危险放电。换而言之, 这些结果提醒我
们, 用直流高压驱动电阻祸合器时, 从电晕放电
瞬间变为电火花的可能性很高, 而且在工作异
常时, 很容易产生诸如点燃性放电之类的危险
放电。
根据初步试验得到的结果, 我们把研究对
象集中到由直流高压驱动的电阻藕合消除器
上, 而且为了安全控制由消除器产生的点燃性真
放电, 我们专门针对危险放电进行了试验。
三、试验
置在点燃容器内。
为了检测放电电流, 通过一个非导体“ T ”
使金属板与一个转速为6 0 币m 的电动机“M ”
相连, 通过一个电阻器“R ”使金属板接地。使金
属板旋转且使其接近针状电极。点燃容器
( 2 5 0cm , ) 内被充以爆炸性气体一空气混合物【乙
烯一空气6
.
5% (体积比) 〕或干燥空气, 而点燃
试验几乎都采用干燥空气。
另一方面, 图2 中用方块图表示的安全控
制器是由安装有可控硅( SA N R E x SC 一16 -
120 ) 的静电能量吸收器和安装有开关晶体管组
件( Mos F E T Me s e 4e M I ) 的选通激励器
构成的。这样设计和装配安全控制器的目的是
为了在发生异常放电时, 使高压线能够通过可
控硅瞬时接地, 且能够使高压线上贮存的静电
能量安全释放。
直流高压电流
点姚容器
可控硅能
选通童吸收器
激励器
少下器信号电平
调节器
脉冲
发生器
1 .
试验装置
我们用于控制对由消除器引起的工业事故
进行分析发现, 几乎所有的事故都是在意想不
到的条件下消除器工作异常产生的[8] 。例如,
当工具和手等接地导体接近消除器时, 消除器
很容易产生诸如点燃性放电之类的危险放电。
由于试验条件应当与上述工业危险条件相
似, 故我们采用图2 所示的装置进行试验。试验
装置主要由一个点燃容器和用于控制危险放电
的安全控制器构成。为了检测接地金属板
( l o m m x 3 o m m ) “ P ” 和消除器的电阻祸合针
“ E L ” 之间产生的危险放电, 我们把这二者都设
图2 试验装t 示意图
2
.
结果
点燃性放电
一般情况下, 几乎所有的点姗都是由脉动
放电引起的
,
因此, 为了确认是否存在危险放
电, 我们在把+ 7 . o k v 的直流高压施加到图2
所示的针上的试验条件下, 对针和接地金属板
之间存在的放电特性进行了试验性研究。
我们进行了多种试验, 我们采用与接地金
属板相连的示波器(及e h t r o n 一cs 2 4 30 ^ ) 对随机
脉冲放电进行了观测。从对放电电流波形的观
测发现: 当接地金属板接近与直流高压线相连
的针时, 如图3 所示, 稳定的电晕放电逐渐变成
脉冲放电, 脉冲放电电流的峰值主要取决于与
4 3
2 9 9 5年第z 期爆炸性环境电气防爆技术总第1 31 期
高压线相连的针的藕合电阻“ R c ”和电容“ C” 。
图3 当接地金属板与针接近时, 空气中的针状电,
电极产生的放电电流波形
V : ZA /节H : 5. /节
如图3 所示, 尽管电晕放电电流的值只有
几微安, 而脉冲放电电流的峰值却能达到几安
培。因此, 强脉冲放电似乎就是爆炸性气体一空
气混合物的点燃源。为了确认在乙烯空气混合
物中强脉冲放电是否会引起点燃以及为今后设
计安全控制器获取资料, 我们进行了点燃试验。
图4 表示在与上述试验条件相同( 除环境
不同之外) 的情况下进行试验所获得的结果的
示例。图4 证实了强峰值电流的脉冲放电会引
起点燃这一事实。
对点燃性放电的安全控制
以所获得的试验结果为基础, 为了防止点
燃性放电, 我们试用了两种方法来阻止当接地
金属板接近由直流高压驱动的电阻藕合消除器
的一个针时, 强脉冲放电所引起的点燃危险。这
两种方法是: 1.
通过针和高电压之间的藕合电
阻器来抑制点燃性放电的发生; 2
.
在点燃性放
电发生之前, 使针状电晕电极上贮存的静电能
量安全释放。
作为试验的第一步, 我们把藕合电阻器放
置于充满乙烯一空气混合物的点憔容器内, 对其
阻止点燃的作用进行了试验性的研究, 调整接
地金属板和图2 所示的针之间的距离“ g ” , 设置
为发生点燃可能性最大的0. sm m 。在上述试验
条件下, 我们对藕合电阻和点燃之间的相互关
系作了试验性研究。试验表明, 在针和接地金属
板之间的脉冲放电是否会引起点燃, 取决于祸
合电阻和施加于针的高电压。
C = 20 O 0 p F
乙烯一空气
[6 . 5呱(体积比) ]
/ 慈
魂s
放电电流波形
砂叫晰
脉冲放电
卜ǎ)J> .
无点姗
氮一空气
〔3 0% ( 休积比) ]
点姗分, 一`
.
2 0 30
凡(M O )
图4 乙烯一空气混合物中的针状电晕电极产生的放电
电流波形和由脉冲放电引起的点姗
V : ZA / 节H : ZO /节
图5 . 小点姚电压和拐合电阻之间的关系曲线
图5 表示相对于藕合电阻“ cR ” 的最小点燃
电压“V。” 曲线。图5 中的黑色圆点表示, 在使
接地金属板与针接近1 0 次的整个点燃试验中
无点燃, 空白圆点表示在整个试验中至少有一
次以上发生点燃。这些结果表明: 脉冲放电电流
与电晕放电电流一样可以被抑制, 尽管消除效
率有所降低, sm 却仍可以通过藕合电阻来阻止点
4 4
1 9 9 8 年第1 期爆炸性环境电气防爆技术总第13 1 期
燃。
此外, 在图4 所示的点燃试验结果的基础
上, 如果停止对针供给静电能量, 在弱脉冲放电
存在的一个时区内, 即可阻止点燃. 因此, 在第
二步试验中, 我们采用一个脉冲发生器
( H e w l e t t p a e k a r d 8 1 1 6A ) 和示波器对图2 所
示的安全控制器的工作特性进行了测量。
把图2 所示的开关连接到N 0
. 1 侧, 且在
安全控制器的作用下观测高电压的衰变特性。
图6 是高电压波形的一个示例. 如图6 所示, 使
选通脉冲的输入保持l 哪后, k7 V 的高电压会
瞬时衰减到零。
脉冲放电引起的点憔。
⋯一一一一)(r盆- 尸
2 0 00 峨0 0 6 0 0 0
C ( P F )
10 0 0 0
电压波形
} l l’ 1 . . 1 1
个
选通脉冲
圈7 研制的安全控制器的接通时间
我们以所获得的试验结果为基础, 调节安
全控制器的控制水平以检测点燃之前的脉冲放
电, 且设置为5~ 10 V 。我们在空气中对安全控
制器的作用进行了试验之后, 又在点燃容器中
对安全控制器阻止点燃的作用进行了试验, 结
果证明: 在向针施加1k5 V 以下的高电压以及
祸合电阻为10 MO 的条件下, 我们研制的安全
控制器可以用来阻止点燃危险。
图6 在安装有可控硅的安全控制器的作用下电压波形
的衰变
与高压线相连的电容: 1。。。。砰
V : 选通脉冲为I OV / 节
电压波形为Z k v / 节
H : l 防/节
从选通信号输入到电压成为零的电压延迟
时间, 意味着安装有可控硅的安全控制器的接
通时问“ ` ” . 因为电压波形与安全控制器的性
能有密切关系, 因此, 我们根据电压波形对接通
时间进行了测量。
图7 表示在与高压线相连的不同电容下的
安全控制器的接通时间值。我们把图7 中所示
的接通时间与图4 中的从出现脉冲放电到点燃
的时间相比较发现, 由于安全控制器的接通时
间低于2泌, 故可以用安全控制器来防止由强
~ 电流波形
一` 浏压压」」匕
二
ll ~ 一- 曰. ` . . , , . 口. 侧. 1 , 户. . . . ~ ~ ~ 一~ 一一一
无点姗
图8 在安全控制器作用下的电流和电压波形以及对点
始的阻止
v : 电流为l o A / 节电压为kZ v / 节
H : 1. /节
图8 表示在安全控制器的作用下, 用示波
器观测到的电压和放电电流波形. 如图8 所示,
在我们研制的安全控制器的作用下, 高电压被
接地且在点燃发生之前衰减到零.
4 5
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四、论述
这篇文章报告了当接地导体接近针状电晕
电极时, 电阻藕合消除器会产生危险放电; 而且
进一步证明了电容祸合消除器产生的放电特性
与电阻祸合消除器产生的放电特性非常相似,
以及电容藕合消除器也会产生危险放电等事
实. 此外, 经点燃试验发现: 在两种形式的消除
器的接地导体和针状电晕电极之间, 都会产生
大量的脉冲放电; 即使由电容藕合消除器产生
的峰值电流大于SA 的强脉冲放电, 也会引起
乙烯一空气混合物的点燃。
值得注意的是, 如图4 所示, 在强脉冲放电
引起点燃之前, 许多脉冲放电要存在很短一段
时间。由于考虑到这一事实, 我们通过对放电电
流波形的观测, 对在点燃之前存在的脉冲放电
的持续时间进行了研究, 结果发现: 持续时间不
是固定不变的, 这取决于多种因素, 如施加于针
的电压和接地导体接近针的速度等。
因此, 我们在对点燃之前脉冲放电的持续
时间进行研究的基础上, 开发研制了可控硅式
安全控制器, 且对其性能进行了试验。如上述试
验所得结果一样, 这种安全控制器可用来防止
由有源消除器引起的点燃危险, 这是由于可控
硅的瞬时作用以及消除器上贮存的静电能量,
能够在极短的2幽之内安全释放的缘故(如图6
和图7 所示) .
另一方面, 根据图4 所示的试验结果, 在发
生点燃之后, 脉冲放电将消失片刻。在整个试验
过程中, 我们也观察到了这一未知现象。虽然我
们认为这种现象是由于在点燃容器内部发生爆
炸而引起压力升高造成的, 但是还没有得到证
实;
五、结论
为了研制可以在危险环境中使用的防爆型
消除器, 为了利用消除器用安全控制器防止在
工业领域由点燃性放电引起的点燃危险, 我们
对有源消除器产生的可燃性放电进行了试验性
研究。我们采用了借助一个电阻器把直流高压
6
施加于每个针状电晕电极的电阻藕合消除器,
在相当严密的条件下进行了试验, 且得出了下
列结论。
1
.
在接地导体接近有源静电消除器的针状
电晕电极的异常情况下, 它们之间存在如图3
所示的强峰值电流的脉冲放电, 而且这种放电
是很危险的。
2
.
当接地导体接近针状电晕电极时, 电晕
放电会逐渐变为脉冲放电. 并且, 峰值为几安倍
以上的强脉冲放电是一种会引起如图4 所示的
点燃危险的点燃性放电。
3
.
如图5 所示, 相对每个针和高电压之间
的藕合电阻, 可以通过控制施加于每个针状电
晕电极的高电压来适当阻止诸如点燃性放电之
类的危险放电.
4.
研制了一种防爆型有源消除器专用的可
控硅式安全控制器, 并且, 通过在乙烯一空气混
合物中所进行的点燃试验(如图8 所示) , 证实
了这种安全控制器可以用于防止爆炸危险的发
生。
参考文献
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3 0 ( 19 9 3 ) 9 3一1 0 2
4

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