影響靜電火花放電的因素

陳 坤， 張小良， 陶光遠， 王昊博， 黃 兵， 趙彥麗

(1. 上海奉賢消防救援支隊， 上海201499； 2. 上海應用技術大學城市建設與安全工程學院， 上海201418)

靜電放電引發的火災爆炸事故對工藝設備、相關人員以及經濟財產等會造成較大的影響或損失[1-2]。研究表明，大約80%靜電引發的點火源于火花放電[3]，因其放電機理復雜且受外界環境影響較大，徹底消除靜電難上加難。研究指出，靜電防治主要還是從降低可燃物靜電敏感性以及減小放電能量2個方面入手[2]。另外，即便是同種類型的靜電放電，其點火能力也會受到放電電壓以及擊穿介質的影響，況且物質分類眾多，對靜電的敏感性各不相同[4]，想要對靜電放電點火風險做出評估，靜電放電理論方面的研究和總結必不可少。

靜電放電是氣體放電的一種，主要研究理論包括湯森放電理論[5]和帕邢定律[6]，因其產生與發展耗時短，光現象變化劇烈，故采用傳統儀器設備來表征和研究已不能滿足要求。隨著傳感器技術、光學設備的快速發展，高速攝影、紋影儀以及各種高頻的數據采集設備已成為研究靜電放電過程的必備工具。此外，靜電放電除了與其電極、放電參數等相關，還受工況條件下各種復雜環境的影響，實驗室模擬溫濕度、風速、壓力等條件對放電火花的影響，同時需要分析火花產生與消逝以及火花半徑的規律。

目前國內關于靜電放電的研究主要把落腳點放在靜電放電影響因素以及靜電放電點燃能力上。 國外的文獻則偏重對某一具體的放電類型， 研究其放電過程中能量的輸出規律、 能量的轉化以及能量的計算。 如周本謀等[7]通過一系列實驗對典型的靜電放電類型， 如電暈放電、 刷形放電、 堆表面放電、 人體放電以及火花放電的點燃能力作了定量評估； 然后又結合數據序列理論相關內容， 找到了點火源與可燃物序列的關聯性， 此方法可以用于評估靜電放電的點火能力及危險性。 周本謀等[8]對典型靜電放電的6種類型的點火能力和點燃危險性作定量評估的基礎上， 通過大量實驗研究得出火花持續時間、 火花直徑以及火花能量對靜電放電點燃能力的影響， 并結合灰色系統理論的相關研究， 從另一個角度找了可燃物和點火源的關聯性， 最后將實際工況條件下的靜電放電火花點燃危險性進行了分級。 Beloni等[9]以鎂粉塵為研究對象， 主要研究其靜電放電點火能量和點火時間對點火延遲時間的影響。 結果表明， 隨著放電能量增加， 延遲時間趨近于0。Weiret等[10]以鋁粉塵為研究對象，通過不斷減小鋁粉的粒徑， 研究其對電導和靜電敏感性影響。 實驗結果表明， 不斷減小鋁粉塵粒徑， 電導率減小， 同時鋁粉塵被點燃所需的能量也逐漸降低。 Stephane等[11]除了對粉塵云著火能量進行統計分析外， 還對電容放電和其他類型放電進行了比較。 Kamenskihs[12-13]和張博等[14]研究發現， 在高電壓點火系統中的能量損耗占電容儲存總能量的91.34%， 僅有約9%的能量用于電火花點火。 Zhong等[15]采用不同的觸發方式研究了電感對放電效率和放電時間的影響。 結果表明， 當電極運動觸發放電時， 無電感器時放電效率為78.2%～90.1%， 有電感時放電效率為41.1%～59.3%。 Liu等[16]改變能量(電容和電壓)和電極參數的影響研究了火花放電特性。 結果表明, 電壓驅動的火花放電能量比電容變化的能量更穩定。 根據電極的場強分布， 揭示了不同電極參數下電極的擊穿特性。 大電極間隙比小電極間隙的能量利用效率提高約5.55%。

基于此，筆者主要以火花放電為基礎，研究其放電的產生與消逝以及影響靜電火花的因素，為相關工貿行業提供預防靜電爆炸事故的理論依據和行動指導。

1 實驗

1.1 裝置簡介

1)電火花發生器

實驗采用DHNF-265電火花發生器(成都新辰光電有限公司)進行。表1為火花發生器主要技術指標，表2為火花能量對應電容容量。

表1 火花發生器主要技術指標

表2 火花能量對應電容容量

電火花發生器工作原理見圖1。如圖所示，Ctr是觸發電容，充電后開關S接通瞬間，能量釋放，通過變壓器產生高壓脈沖，在電極G間產生微小電弧，使得電極間電阻降低，從而觸發主要儲能電容C開始釋放儲存的能量。

G—電極； S—開關； Ctr—觸發電容； C—電容； D—二極管； T—變壓器； AC—交流電。圖1 火花發生器電路原理Fig.1 Principle of spark generator circuit

2)高速攝像系統

本次實驗為記錄放電火花實時圖像，選用Lavison公司的高速攝影系統來完成，見圖2。如圖所示，該系統主要包括尼康CCD高速相機、一個同步控制器、一個計算機工作站以及一套軟件(DaVis8.40)。設備主要參數如下：采集頻率：最高10 kHz；尼康CCD相機像素：1 280×800 pixels；輸入輸出信號：TTL 5V；曝光模式：單幀單曝光-雙幀雙曝光；相機視場：2D&3D。

圖2 高速攝像系統Fig.2 High speed camera system

3)電極材料

電極材料如圖3所示，鎢電極(直徑為2 mm、 長度為300 mm、 尖角為30 °，純度為99.9%，均為質量分數，下同)、黃銅電極(銅占70%，錫占30%，純度為99.9%)、304不銹鋼電極(純度為99.9%)。黃銅及304不銹鋼電極設計參數如圖4所示。

圖3 電極Fig.3 Electrode

圖4 電極設計參數圖Fig.4 Electrode design parameter diagram

1.2 方法

實驗通過高速攝像系統完成對靜電放電過程的拍攝，整個過程可以自動控制，能減少手動操作帶來的誤差，以此來研究火花半徑的影響規律，主要測試步驟如下。

1)圖像標定。 首先在拍攝區域豎直放置一個直尺， 調整高速相機的位置與焦距， 使其處在最佳的位置； 然后在軟件DaVis8.40中創建New Project， 選擇Scaling模塊， 尋找2個像素點設置距離(取10 mm)， 確認即可。

2)設置實驗參數。按實驗所需條件調整電極間隙距離、設置火花能量等級，等待放電拍攝。

3)實驗測試。按下信號箱軟件控制按鈕，開始啟動放電，同時高速相機進行拍攝，完成實驗。

4)數據整理與存儲。實驗結束，關閉電源，清理實驗臺，整理和保存數據，等待下一次實驗。

除溫、濕度試驗外，靜電放電實驗均在環境溫度為15～20 ℃，相對濕度35%～50%的條件下進行。

2 結果與分析

2.1 放電火花的產生與消逝

火花放電是一個極其短暫而又復雜的過程，火花的產生和消逝伴隨著強烈的光、熱現象，儲能電容的電能在這個過程中會轉化成沖擊波能、 焦耳熱以及輻射能和其他能量等。圖5為火花放電過程。如圖所示，高速攝像設備記錄了放電電極間隙為0.5 mm、 放電電壓為1 507 V、 分辨率為8K以及圖像幀頻為0.074 ms時的電火花產生與消逝過程，整個放電持續時間約為1.406 ms，其中火花產生的時間比較短，從火花產生到放電通道被擊穿的時間僅為0.074 ms；接著電火花發生飛濺現象，瞬時能量值達到最大，伴隨著劇烈的發光發熱現象；此后，放電能量逐漸減小，衰減持續時間約為1.11 ms，直至全部火花熄滅，至此，儲能電容能量釋放完畢，靜電放電過程結束。

圖6為火花飛濺現象圖。如圖所示，實驗開始前，在選擇不同火花能量等級進行預實驗的過程中，發現當靜電放電能量等級超過1 J時，通過高速相機拍攝的火花會出現噴濺現象，短時間內嚴重曝光，非常不利于對放電火花的觀察和測量，綜上確定火花能量能級范圍為0.1～0.9 J。

圖5 火花放電過程Fig.5 Spark discharge process

圖6 火花飛濺現象圖(分辨率8 K)Fig.6 Diagram of spark splash phenomenon (resolutionof 8 K)

2.2 電極材質對放電火花的影響

電極常見的材質包括銅和鎢，為了研究電極材質對電火花的影響，綜合各種情況選用黃銅、304不銹鋼以及鎢3種材質，圖7為不同材質電極下火花隨電極間隙變化情況(以0.6 J為例)。如圖所示，火花能量等級為0.6 J情況下，黃銅和合金電極放電火花直徑隨電極間隙增加呈現先上升后減小的趨勢；同一火花能級條件下，放電火花直徑合金電極最大，銅電極次之，鎢電極最小。試驗過程中還發現合金電極火花散射比較嚴重，相反，黃銅電極和鎢電極放電火花則較為穩定，故采用后者完成靜電放電相關試驗更有利于點火的發生。

圖7 不同材質電極下火花直徑隨電極間隙變化Fig.7 Variation of spark diameter with electrode gap under different electrode materials

2.3 電極間隙對放電火花的影響

采用黃銅電極，當電極間隙超過6 mm，靜電放電火花通道無法形成，所以電極間隙的范圍確定為最小0.5 mm，最大6 mm。需要說明的是，火花直徑大小是根據高速攝像設備拍攝的靜電放電從火花的產生和消逝過程中選取的典型圖片，圖8為不同火花能量等級下電極間隙對火花直徑的影響。由圖8所示，同一電極間隙條件下，隨著火花能量等級增加，火花直徑呈變大趨勢；電極間隙從0.5 mm增加到3 mm的過程中，火花直徑呈上升趨勢；當電極間隙超過3 mm時，火花直徑基本呈現平穩狀態，變化不明顯，這主要是因為隨著電極間隙增大，火花通道的形成克服阻力增加，即空氣擊穿電壓增大，所以火花直徑呈現穩定趨勢。同一能量等級下，隨電極間隙的增加，靜電放電火花直徑先增加再減小。

圖8 不同火花能量等級下電極間隙對火花直徑的影響Fig.8 Influence of electrode gap on spark diameter at different spark energy levels

2.4 風速、溫濕度對放電火花的影響

1)風速

實驗室模擬1.4、 2.3、 3.4 m/s的風速條件，在使用黃銅電極以及電極間隙為0.5 mm的情況下，測試了火花直徑隨點火能量的變化情況。圖9為不同風速條件(見圖例)下火花直徑隨點火能量變化情況。如圖所示，在3種風速條件下，隨火花能量增加火花直徑呈增大趨勢；橫向對比圖7可知，風速在1.4～3.4 m/s范圍內，火花直徑與正常環境下的情況基本持平。

2)溫濕度

實驗室模擬不同溫濕度條件，在使用黃銅電極以及電極間隙為0.5 mm的情況下，測試了火花直徑隨點火能量的變化情況，圖10為不同溫濕度條件下火花直徑隨點火能量的變化情況。由圖所示，在3組不同溫濕度條件下，隨火花能量增加火花直徑呈增大趨勢；橫向對比圖8可知，溫度為22.9～45 ℃、相對濕度為36.4%～62.9%范圍內，火花直徑與正常環境下的情況基本持平。

圖9 不同風速條件下火花直徑隨點火能量變化Fig.9 Variation of spark diameter with ignition energy under different wind speeds

圖10 不同溫濕度條件下火花直徑隨點火能量的變化Fig.10 Variation of spark diameter with ignition energy under different temperature and humidity conditions

2.5 壓力對放電火花的影響

實驗室采用紋影法以及高速攝像設備， 分別從定量和定性2個方面研究負壓狀態下對放電火花的影響。 實驗所用的放電電極為直徑2 mm、 長度300 mm的鎢棒， 實驗過程中可通過裝置兩側的直徑225 mm的視窗對放電火花進行觀察。

在電極間隙為2 mm、放電火花能量0.6 J的實驗室條件下，采用紋影法對放電火花進行了拍攝。圖11為紋影法拍攝放電火花示意圖。如圖所示，明亮區域為高溫熱作用區，放電過程是從電極中間開始的，沖擊波是以電極間隙的中心位置為圓心，逐漸向兩端傳播，直至全部消失。此外還利用高速攝像系統分別對負壓0.01、 0.02、 0.03、 0.04、 0.05、 0.06 MPa以及正壓0.05、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5 MPa條件下的放電火花進行了研究。圖12為不同負壓條件下火花直徑變化情況，圖13為不同正壓條件下火花直徑變化情況。由圖12、 圖13可以看出，負壓從0.01 MPa增大至0.06 MPa以及正壓從0.05 MPa增大至0.5 MPa的過程中，火花直徑整體呈減小趨勢，但變化并不明顯；橫向對比圖7常壓狀態下情況，發現火花直徑正壓條件下最大，常壓次之，負壓條件下最小。另外，實驗中發現當壓力大于0.6 MPa時，未見產生放電火花，提高放電火花能量到1 J依然未見。

3 靜電放電火花能量測試

采用電火花發生器實驗裝置，測試了不同電極間隙條件下臨界擊穿電壓的情況。實驗設置的電極間隙分別為0.5、 2、 4、 6 mm；電壓可調范圍為800～1 600 V，步長電壓為100 V；試驗過程中同一電壓條件下連續3次均出現放電火花，則認為擊穿成功(擊穿成功表示為“√”)，否則認為放電擊穿失敗(擊穿失敗表示為“×”)。試驗時溫度為20.1 ℃，相對濕度為50.4%。

圖11 紋影法拍攝放電火花示意圖Fig.11 Schlieren method for shooting discharge spark diagram

圖12 不同負壓條件下火花直徑的變化Fig.12 Variation of spark diameter under different negative pressure conditions

圖13 不同正壓條件下火花直徑的變化Fig.13 Variation of spark diameter under different positive pressure

表3為不同電極間隙條件下臨界擊穿電壓測試結果(充電電容為0.5 μF)。由表可知，電極間隙從0.5 mm增大到6 mm的過程中，放電擊穿電壓也從800 V增大到1 300 V，即同一充電電容條件下，隨電極間隙的增加放大電壓呈逐漸增大的趨勢；根據帕邢定理，放電電壓取決于電弧長度h，即放電間隙。

表3 不同電極間隙條件下臨界擊穿電壓測試

由式(1)可以計算出本次試驗中場強隨電極間隙的變化曲線，

E=U/h，

(1)

式中：E為場強，V/mm；U為放電電壓，V；h為放電間隙，mm。

圖14為擊穿場強隨電極間隙變化情況。由圖可以看出，擊穿場強與電極間隙之間呈負相關，這主要是因為隨電極間隙的增大，電極兩端的空氣分子更容易發生電離，形成帶負電的電子以及帶正電的離子，故擊穿場強呈逐漸減小的趨勢。

圖14 擊穿場強隨電極間隙的變化Fig.14 Variation of breakdown field strength with electrode gap

本次試驗中火花能的計算方法依據經驗公式為

E=1/2CU2·10-6·η，

(2)

式中：E為火花能量，J；C為電容，μF；U為放電電壓，V；η為放電效率，取75%，具體計算結果見表4。

表4 不同試驗條件下靜電放電火花能量

4 結論

1)在電極間隙為0.5 mm、 放電電壓為1 507 V的條件下， 利用高速攝像系統 (采集頻率13.504 kHz)對放電火花的產生與消逝過程進行了拍攝，從火花產生到放電通道被擊穿僅耗時0.074 ms， 整個放電過程持續時間約為1.408 ms。

2)同一電極間隙條件下，隨火花能級的上升火花直徑逐漸變大；靜電放電火花直徑中304不銹鋼電極最大，銅電極次之，鎢電極最小；負壓從0.01 MPa增大至0.06 MPa以及正壓從0.05 MPa增大至0.5 MPa的過程中，火花直徑整體呈減小趨勢，但變化并不明顯；另外當壓力大于0.6 MPa時，未見產生放電火花，提高放電火花能量到1J依然未見放電火花；環境風速、溫濕度等對火花直徑影響較小。

3)隨電極間隙增加，臨界的擊穿電壓呈增加趨勢；根據帕邢定理計算得到的場強大小與電極間隙呈負相關，并以此為基礎算得了不同電極間隙情況下靜電放電火花能量。