Transcript 第六讲雷电和工业静电
第六讲 雷电和工业静电 防雷保护 雷电现象及其危害 雷电分类 防雷装置的组成 防雷措施 雷电现象及其危害 雷是一种大气中的放电现象，也就是正负电荷的中和 过程。 雷云在形成过程中，某些云积累起正电荷，另一些 云积累起负电荷。随着电荷的积累，电压逐步升高， 当带不同电荷的雷云互相接近到一定距离时，将发生 激烈放电，出现耀眼的闪光。由于闪光时温度高达 20000℃，空气受热膨胀，•发出震耳轰鸣。这就是闪 电和雷鸣。 有时雷云很低，在地面凸出物上将感应出异性电荷， 到一定程度时也将出现雷云对地面凸出物的放电，这 就是常说的雷击。 （一）雷电特点 电流大 雷电电流幅值可高达几万至几十万安，设计避雷装置时可按15万安考 虑。 时间短 一般雷击分为三个阶段，第一个阶段为先导放电，时间为5～10•毫 秒，第二阶段为主放电，时间仅为50～100微秒，第三阶段为余光， 时间为30～50•毫秒，雷击完成一次放电过程总共不超过60毫秒。 频率高 雷电电流大，放电时间极短，这样放电陡度极大，高达30•千安/微 秒。所以具有高频特性。 电压高 雷电感应电压可高达300～400千伏，•而直接雷的电压还要高得多。 （二） 雷电危害 电破坏 数十万乃至百万伏高电压可能会毁坏发电机、变压器及线路绝缘子 等电气设备的绝缘，引起短路，甚至导致大规模停电。 热破坏 强大的雷电流通过导体时发出大量热量，引起绝缘材料燃烧和金属 熔化。烧断电线，引起火灾。 机械破坏 当强大的雷电流通过被击物时，被击物缝隙中的空气急剧膨胀， 缝隙中的水分迅速蒸发，致使被击物破坏或爆炸。 同性电荷的静电斥力，同方向电流的电磁斥力也有很大破坏作用。 雷击时的气浪也有一定破坏作用。 雷电分类 直击雷 直击雷是雷云对大地凸出物的强烈放电过程。 感应雷 感应雷有静电感应和电磁感应两种起因，静电感应是由于雷云接近 地面，在地面感应物上感应出大量异性电荷，当雷云与其它物体 放电后，凸出物顶部电荷失去束缚，产生对地面很高的静电电位， 以雷电波形式沿凸出物极快泄放，此时极易产生火花放电。电磁 感应雷是雷击时幅度和陡度都很大的雷电流，在周围空间产生迅 速变化的磁场，导致附近的金属导体上感应出高电压，一旦与其 它金属设备接触或接近时，则可能产生火花放电。 雷电侵入波 雷电侵入波是雷击在线路或金属管道上产生的冲击电压，沿着线 路或管道迅速传播侵入建筑物内形成的。 防雷装置的组成 完整的防雷装置通常由接闪器、引下线和接地 装置三部分组成。 1、接闪器 用于直接接受雷击的金属体，如避雷针、避雷 线、避雷带、•避雷网 ，安装在被保护设施的 上方更接近于雷云，雷云首先对接闪器放电， •使强大的雷电流沿接闪器、引下线和接地装 置泄入大地，从而使被保护设施免遭雷击。 接闪器应耐腐蚀，一般采用镀锌材料制成，如 避雷针、避雷线（用镀锌钢绞线制成）、避雷 带（采用镀锌钢管、圆钢或扁钢制成）。接闪 器的材料尺寸应满足通过强大雷电流时动稳定 和热稳定的要求。 引下线 应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定的要求，•通常采用 圆钢或扁钢制成，并采取镀锌或刷漆等防腐措施，绝 对不可采用铝线作引下线。 引下线应取最短途径，尽量避免弯曲，并每隔 （1.5～2）m设1•个固定点加以固定。可以利用建筑 物的金属结构作为引下线，但金属结构的连接点必须 焊接可靠。 引下线在地面以上2m至地面以下0.2m的一段应该用 角钢、钢管、竹管或塑料管等加以保护，角钢、钢管 应与引下线连接，以减小通过雷电流时的电抗。 如果建筑物顶部设有多支互相连接的避雷针， 或者设有避雷线、避雷网、避雷带等，其引下 线不得少于2根，每2根之间距离不得大于18～ 30m。•采用多根引下线和多处接地时，应在 引下线距地面约1.8m处设置断开卡，以便检 查各引下线和测量各接地电阻值。 接地装置 接地装置担负向大地泄放雷电流的任务。•接 地装置与接闪器一样具有防腐要求，接地体一 般采用镀锌钢管或角钢制作，其长度为2～ 2.5•m，垂直打入地下，其顶端低于地面0.6ｍ。 接地体之间用圆钢或扁钢焊接，•并采用沥青 漆防腐，各种接地装置的接地电阻值见表2。 接闪器、引下线与接地装置应牢固地焊接，它 们的最小材料尺寸见表1。 表1 防雷装置各部分的最小材料尺寸 为防止泄放雷电流时形成跨步电压伤人，防直 击雷接地装置距建筑物入口和人行道的距离不 应小于3m。当小于3m时，应采取接地体局部 深埋，采用均压条或铺设砾石、沥青高阻地面 等安全措施。 表7-2 防雷接地电阻值 防雷措施 防直击雷 防直击雷的主要措施是装设避雷针、避雷线、避雷网 和避雷带。 避雷针分独立和附设两种。独立避雷针是离开建筑物 单独安装的，其接地装置一般也是独立的，接地电阻 一般不超过10Ω。严格禁止通讯线、广播线和低压线 架设在避雷针构架上。独立避雷针构架上若装有照明 灯，其电源线应采用金属护套电缆或穿铁管，并将其 埋在地中长度10m以上，深度0.5～0.8m•，然后才能 引进室内。 附设安装在建筑物上的避雷针，其接地装置可以与其 他接地装置共用，可以沿建筑物四周敷设。附设避雷 针与建筑物顶部的其他接闪器应互相连接起来。 露天装设的金属封闭容器，其壁厚大于4mm时，一般 可以不装避雷针，•而利用金属容器本身作接闪器，但 至少作两个接地点，其间距不应大于30m•，每个接地 点的冲击接地电阻值不大于30Ω。 避雷针的高度和支数，应按不同保护对象和保护范 围选择。 单支避雷针的保护范围可看作是一折线圆锥体。设针 的顶点离地面高度为h，•如果h≤30m，则这条折线的 轨迹是：从针的顶点向下作45°斜线，与高度为ｈ/2 的水平线相交，再从此交点向下作斜线与地平面相交， 地平面上的交点离针的垂足距离为1.5h，如图７-１所 示。因此，在任一高度hx平面上避雷针的保护半径rx 可按下式计算： 当hx≥h/2时, rx=h - hx； 当hx＜h/2时, rx=1.5h - 2hx； 当hx=0时,即在地面上, rx=1.5h。 当针高大于30m时，其保护范围也是一折线圆 锥体，•但保护半径小于上述计算结果，即将 算得的rx再乘以一个系数5.5 两支或多支避雷针的保护范围是：针与针之 间即针的内侧的保护范围，由于受多针的影响 将大于按单针计算的保护范围，详细计算可查 有关资料；而各针的外侧则仍按单针的保护范 围计算。 避雷线主要用来保护架空线路免受直接雷破坏。 它架设在架空线的上方，并与接地装置连接， 所以也称架空地线。 避雷带和避雷网能保护面积较大的建筑物避 免直击雷。在避雷带和避雷网下方的被保护物， 一般均能得到很好保护，不必计算其保护范围。 避雷带一般可取两带间距为6～10ｍ。避雷网 的网格边长一般可取6～12ｍ。易受雷击屋脊、 屋角、屋檐等处应设避雷带加以保护。 防感应雷 电感应能产生很高的冲击电压，在电力系统中 应与其他过电压同样考滤，在化工厂主要考虑 放电火花引起的火灾和爆炸。 为防止雷电感应产生的高电压放电，应将建 筑物内的金属设备、金属管道、钢筋构架、电 缆钢铠外皮以及金属屋顶等均作良好接地，钢 筋混凝土层面应将钢筋焊接成避雷网，并每隔 18～24ｍ采用引下线与接地装置连接。 防雷电侵入波 金属管道和架空电线遭到雷击产生的高电压若不能就近导入地下，则 必沿着管道或线路，传入相连接的设施，危害人身和设备。因此 防雷电侵入波危害的主要措施是在雷电波未侵入前先将其导入地 下。具体措施有： 架空管道进厂房处及邻近100m内，采取2～4处接地措施。 在架空电力线路的进户端安装避雷器，避雷器的上端接线路，下 端接地。平时避雷器的绝缘间隙保持绝缘状态，不影响电力线路 的正常运行。当雷电波传来时，避雷器的间隙被高电压击穿而接 地，雷电波就不能侵入设施。雷击后，避雷器的间隙恢复绝缘状 态，电力系统仍然正常工作。 一般低压架空线路，可以将进户处及邻近三根电杆上的支持绝缘 子铁脚接地，使其绝缘降低，这样雷电波在侵入户前就被全部泄 入地下，保护了室内人员及设备的安全。 防雷装置检查 防雷装置应每隔2-3年全面检查一次，主要检查项目有： 1、防雷装置是否因建筑物维修或改造而损坏失效。 2、接闪器是否因受雷击烧熔断裂。 3、接闪器及其构架是否因锈蚀或撞击出现断裂。 4、测量接地装置的接地电阻.对于暗装避雷网或引下线应每隔5-6•年 从顶部接闪器测量一次接地电阻。 5、引下线距地2米一段的保护管是否完好。 6、接地卡子是否连接可靠。 7、埋在腐蚀性土壤中的接地装置，每隔5年挖开地面检查腐蚀情况。 8、每年雨季前应测定阀型避雷器的绝缘电阻，管型避雷器则应每3 年或动作3次后测定其内径和内间隙，对于保护间隙应检查其有否 变化。 化工静电安全 静电现象是一种常见的带电现象。在日常生活中，用塑料梳子梳 头，或脱下合成纤维衣料的衣服时，有时能听到轻微的“辟啪” 声，在黑暗中可见到放电的闪光，这些都是静电作用的结果。在 工业生产中静电现象较为普遍，人们一方面利用静电进行某种生 产活动，如利用静电进行除尘、喷漆、植绒、选矿和复印等。另 一方面又要防止静电给生产和人身带来危害，如化工、石油、纺 织、造纸、印刷、••电子等行业生产中，传送和分离中的固体绝缘 物料，输送或搅拌中的粉体物料，流动或冲刷中的绝缘液体，高 速喷射的蒸气或气体都会产生和积累危险静电。静电电量虽然不 大，但电压很高，容易发生火花放电，从而引起火灾、爆炸或电 击。为了防止静电危害，化工企业必须做好静电安全工作，开展 安全培训和教育，使职工懂得静电产生的原理和静电的危害，掌 握防止静电危害的措施。 静电产生的内因 物质逸出功不同 物质电阻率不同 物质介电常数不同 杂质不同 物质逸出功不同 物体上产生了静电，但能否积聚起来主要取决于电阻率。•电阻率 高的物体导电性很差，产生的静电就不容易消失。从实践来看， 物质电阻率在106～108欧姆厘米以下的,即使带上了静电,也可瞬间 消散,不会引起什么危害；•物质电阻率在108～1010欧姆厘米之间 者通常静电电量不大；而电阻率在1011～1015欧姆厘米之间者最 容易带静电，是防静电的重点对象；当电阻率大于1015欧姆厘米 时物体也不易产生静电，但一旦带有静电，就难以消除了。 一般汽油、苯、乙醚的电阻率在1011～1015欧姆厘米之间，它 们是容易积聚静电的。金属的电阻率很小，电子运动快，所以两 种金属分离后，显不出静电。 必须指出，水是静电良导体，但当少量的水混杂在绝缘的液体 中，因水滴液品相对流动时要产生静电，反而使液品静电量增多。 金属是良导体，但当它被悬空后就和绝缘体一样，也会带上静电。 物质介电常数不同 物体上产生了静电，但能否积聚起来主要取决于电阻率。•电阻率 高的物体导电性很差，产生的静电就不容易消失。从实践来看， 物质电阻率在106～108欧姆厘米以下的,即使带上了静电,也可瞬间 消散,不会引起什么危害；•物质电阻率在108～1010欧姆厘米之间 者通常静电电量不大；而电阻率在1011～1015欧姆厘米之间者最 容易带静电，是防静电的重点对象；当电阻率大于1015欧姆厘米 时物体也不易产生静电，但一旦带有静电，就难以消除了。 一般汽油、苯、乙醚的电阻率在1011～1015欧姆厘米之间，它 们是容易积聚静电的。金属的电阻率很小，电子运动快，所以两 种金属分离后，显不出静电。 必须指出，水是静电良导体，但当少量的水混杂在绝缘的液体 中，因水滴液品相对流动时要产生静电，反而使液品静电量增多。 金属是良导体，但当它被悬空后就和绝缘体一样，也会带上静电。 杂质不同 任何物体都不同程度地含有各种杂质，有的杂 质是自然存在的，有的是加工时加入的，也有 的是在贮运过程中难免混入的。杂质的存在， 不仅影响带电程度，还影响到带电极性。 静电产生的外因 产生静电的途径主要有四条： ①紧密接触迅速分离； ②附着带电； ③感应起电； ④极化起电； 这些途径就是产生静电的外因。 紧密接触迅速分离 紧紧密接触迅速分离 （二）附着带电 某种极性离子或带电粉尘附着到绝缘体上， 该绝缘体就带上了静电。吸附静电的多少取决 于物体的对地电容及周围条件，如空气湿度、 物体形状等。静电放电能限制电荷增加。人在 带电微粒的场所活动后，人体也会附吸带电。 感应起电 本来不带电的导体由于受附近带电体的影响， 靠近带电体的一侧会产生与带电体极性相反的 电荷，而远离带电体的一侧又产生与带电体同 极性的电荷，此即为感应起电。在工业生产中 带静电物体能使附近不相连的导体，如金属管 道、零件表面的不同部位出现电荷的现象就是 静电感应的结果。 极化起电 绝缘体在静电场内，其内壁或外表能出现电荷， 这是分子极化的结果。在绝缘质的容器内盛装 带电物体，容器外壁具有电性，就是这个原因。 静电的危害 在化工生产中，静电的危害主要有三个方面， 即引起爆炸和火灾、电击以及妨碍生产。为了 更好地了解静电的危害，首先分析一下静电的 特点。 （一）静电特点 静电电压高 静电能量小 尖端放电 绝缘体上静电泄漏缓慢 静电电压高 将尼龙纤维衣服从毛衣外面脱下时，人体可带 1万伏以上的负电；•穿塑料鞋在胶板上走路， 鞋底和地面不断紧密接触又分离，可带2～3千 伏静电；•穿尼龙羊毛混纺衣服从人造革面椅 子上起立，人体会产生近万伏的高压。可见静 电电压很高。 静电能量小 虽然静电电压很高，但电量很小，所以能量也 小，一般不超过数毫焦耳。少数情况能达到数 十毫焦耳。静电能量越大，放电时产生的火花 危险性越大。 尖端放电 电荷的分布与导体的几何形状有关，导体表面 曲率越大的地方，电荷密度越大。因此当导体 带有静电后，静电电荷就集中在导体尖端，使 尖端电场很强，容易产生电晕放电。因为电晕 放电可能发展成火花放电，所以导体尖端有较 大的危险。 绝缘体上静电泄漏缓慢 静电泄漏快慢决定于泄漏时间常数，也就是决 定于材料的介电常数和电阻率的乘积。绝缘物 的介电常数和电阻率很大，所以静电泄漏很慢， 使绝缘物静电保留时间较长，危险性较大。 静电引起爆炸和火灾 在化工生产中由于运输、灌注、取样、过滤、 包装等工艺过程都涉及摩擦，而化工物料又多 属易燃易爆，因此静电放电火花引起爆炸和火 灾是静电最为严重的危害。 运输 化工企业大量使用槽车装运液料，液料与槽车 罐壁发生强烈摩擦，会产生大量静电。另外， 槽车的橡胶轮胎与地面摩擦也是一个产生静电 的过程，存在着静电起火的隐患。槽车的静电 起火是较常见的。 灌注 在灌注易燃液体时，存在着两个产生静电的因素。一是液体与输送管道摩擦产生静电， 所以灌注易燃液体时必须严格控制流速，防止静电产生。 取样 用对地绝缘的金属取样器，在贮有易燃液体的贮罐、反应釜内取样，由于取样器与液体摩擦而 产生静电，有时会对容器壁放电产生火花而发生危险。 过滤 过滤是化工生产中常见的单元操作。过滤时过滤物质与过滤器发生摩擦，会产生大量静电， 易发生爆炸和火灾。 包装称量 原料、半成品和成品的收发都有一个称量过程。化工企业一般都采用磅称进行计量称重。如 果称重一种易产生静电的易燃物质，而磅称又对地绝缘，那么就有可能积累静电而产生危险。 高速喷射 乙炔气等可燃气和水蒸气在高压喷射时，均可能产生相当高的静电电位，有可能与接地金属 或大地发生火花放电引起爆炸。纯净的气体是不会产生静电的，气体带静电是因为气体含有 悬浮微粒或液珠，它们与器壁、管道摩擦，尤其是经过喷嘴、缝隙时易产生静电。 研磨、搅拌、筛选或输送粉体物料 在研磨、搅拌和输送粉体时，粉体与管道、容器强烈碰撞和摩擦，会产生具有危险的静电引 起粉尘爆炸。 胶带传送 化工生产中经常采用胶带传送，运行中胶带与金属辊轮摩擦，产生大量静电，其静电电位可 高达几千伏，甚至几万伏，因此在易燃易爆环境中宜采用链条轮传送。 防静电措施 (1) (2) (3) (4) 静电的主要危险是引起火灾和爆炸，因此下 列场所必须采取防静电措施。 生产、使用、贮存、输送、装卸易燃易爆物 品的生产装置； 产生可燃性粉尘的生产装置、干式集尘装置 以及装卸料场所； 易燃气体、易燃液体槽车和船的装卸场所； 有静电电击危险的场所。 消除静电危害的基本措施有 (1) 静电接地 所有金属装置、设备、管道、贮罐等都必须接地。•不允许有与地相 绝缘的金属设备或金属零部件。 亚导体或非导体，即体电阻率大于1×106Ω.m的物料或表面电阻率大于 1×107Ω的固体表面，应采取间接接地措施，或采用静电屏蔽的方法，屏蔽体必 须可靠接地。间接接地是将非金属物体的局部或全部表面与金属体紧密相接，通 过金属体以间接方式接地。间接接地时，可在非金属物体与金属体之间，加设金 属箔、涂导电涂料或导电膏以减少接触电阻。 各生产装置系统（或装置单元）的总泄漏电阻应在1×106Ω以下，它包括生产 装置系统电阻，设备之间、管道之间跨接的接触电阻及接地电阻等。各专设的静 电接地电阻不应大于100Ω。 金属设备与设备之间、管道与管道之间，如用金属法兰连接，可不另接跨接线， 但必须有两个以上螺栓连接。 平时不能接地的汽车槽车和槽船在装卸易燃液体时，必须在预设地点按操作规 程的要求接地，所用接地材料必须在撞击时不会发生火花。装卸完毕后，必须按 规定待物料静置一定时间后，才能拆除接地线。 直径大于2.5ｍ或容积大于50ｍ3的大型金属装置应有两处以上的接地点。较长 的输送管道应每隔（80～100）ｍ设一接地点。 (2) 防止装卸和输送易燃液体时产生静电 灌装液体物料时，•应从 槽车等大型容器的底部进入或将其注入管伸入容器底部。 必须严格按照操作规程控制易燃液体在管道内的流速。灌装铁 路槽车时，鹤管内的容许流速按下式计算： V×D≤0.8 式中 V－ 烃类液体流速，m/s； D－ 鹤管内径，m。 但流速最大不得超过5m/s。 灌装汽车槽车时，鹤管内的容许流速按下式计算： V－D≤0.5 化工生产中，易燃液体的输送，可参照表7-3执行。 操作时，必须严格按照操作规程控制反应器内的易燃液体搅拌速 度。 （3) 在物料静置时间内禁止操作 设备内正在 进行灌装、搅拌或循环过程时， 禁止检尺、 取样、测温等现场操作。在灌装、搅拌或循环 停止后，应按操作规程或参照表4要求的静置 时间，静置一定时间后，才允许进行上述操作 或进行下一步工序。 表7-4 易燃液体灌装后静电泄漏入大地所需的静置时间 易燃带电液体的容积/m3 易燃带电液体的电导 率/s.m-1 小于10 10～50 50～5000 大于5000 所需静置时间/min 大于10-8 1 1 1 2 10-12～10-8 2 3 20 30 10-14～10-12 4 5 60 120 小于10-14 10 15 120 240 (4) 采用静电消除器 非导体，如橡胶、胶片、 塑料薄膜、纸张等在生产过程中产生的静电， 应采用静电消除器消除。 (5) 采用导电管输送易燃液体 不宜采用非金属 管输送易燃液体。•如必须采用 ，应采用可导 电的管子或内设金属丝、网的管子，并将金属 丝、•网的一端可靠接地或采用静电屏蔽。 (6) 增加湿度 增加空气湿度的主要作用是降低 绝缘体的表面电阻率，•从而便于绝缘体通过 自身泄放静电。因此，如工艺条件许可，可增 加室内空气的相对湿度至50％以上。 (7) 抗静电剂 抗静电剂具有较好的导电性和较 强的吸附性，•因此在易产生静电的高绝缘材 料中，加入抗静电剂，使材料的电阻率下降， 加快静电泄放，消除静电危险。使用抗静电剂 是消除石油静电的最有效方法。 8) 可燃性粉尘和纤维的防静电措施•在工艺设备的结构上应避免粉体的不正 常滞留、堆积和飞扬，同时还应配置必要的密闭、清扫和排放装置。 粉体的粒径越细、越易起电和点燃，在整个工艺过程中，应尽量避免形 成粒径75μｍ及以下的细微粉尘。 气流物料输送系统内，应防止外来金属混入，以免成为对地绝缘的导体。 应尽量采用金属导体制作管道或部件。当采用非导体时应具体测量并评 价其起电程度。必要时，可在气流输送系统的管道中央顺其走向加设两 端接地的金属线，以降低管内静电电位，或者也可采用专用的管道静电 消除器。 强烈带电的粉料，宜先输入小体积的金属接地容器，待静电消除后再装 入大料仓。大型料仓内部不应有突出的接地导体。在从顶部进料时，进 料口不得伸出，应与仓顶取平，当筒仓直径在1.5m以上，且工艺中粉尘 粒径多半在30μm以下时，要作惰性气体置换，密封筒仓。 工艺中需将非导体粉粒投入可燃性液体或混合搅拌时，应采取相应的综 合防静电措施。 收集和过滤粉料的设备，应采用导静电的容器及滤料并予以接地。 (9) 控制可燃气体静电 为减少氢、乙炔、丙烷、城市煤 气等可燃气体的静电电量，应首先清除输送管、储气 瓶、软管等内部杂质（包括水分），保证容器和管道 有良好的静电接地，尽量使用接地的金属管。气体出 口处应保持洁净。 对管道的阀门、法兰应经常维修，而泄漏处应保持 洁净，有条件宜安装气体泄漏自动报警器。 控制可燃气体的流速，如管道中乙炔流速应限制在 2m/s以下，气相液化石油气管中流速应控制在8～ 12m/s。 (10) 人体防静电措施 重点防火防爆岗位的入门 处应设人体导除静电装置。属0区或1区的爆炸 危险场所，且可燃物的最小点燃能量在0.25mj 以下时，工作人员应穿防静电鞋，服。禁止在 爆炸危险场所穿脱衣服、鞋帽。 静电安全检查的内容 静电安全检查以岗位（场所）自查为主，每天至少1次，•车间每 月至少检查１次，企业每年至少检查2次。重点岗位要增加检查次 数,确保安全生产。 易燃易爆岗位的安全操作规程必须有防静电内容。定期对岗位操 作人员进行包括防静电知识的安全教育和培训。严禁未取得岗位 操作证和本年度安全考核不合格的人员上岗操作。 易燃 易爆岗位内各装置系统的总泄漏电阻、接地电阻以及静电消 除器的运行状况，应由设备动力部门或由厂长指定有关部门委派 专业人员定期进行测定和检查，并作出记录。发现异常立即与生 产岗位研究解决。 岗位检查要点应列在静电安全检查表上，并按表内项目逐项检查。 项目包括：静电接地点和跨接点、装置总泄漏电阻和接地电阻、 易燃液体的流速和静置时间、静电消除器的效果、用增湿法消除 静电场所的湿度以及操作人员的穿着状况。 谢谢大家