人体静电放电模拟引爆瓦斯的研究

46 广 东 工 业 大 学 学 报 第 28卷 3 人体静电泄漏规律 人体的静电泄漏有 2条途径，1条是介质的 面，1条是介质内部，前者与表面电阻率有关，后者 与体电阻率有关．静电泄漏的规律可以用放电半衰 期表示． 在介质内取一高斯面，通过闭合曲面的电流与 电流密度矢量 6和介质带电量 Q之间满足 ， = dS ：一 ， 而 E ： ， f E．dS： ， J S E08， 而』 ·dS=一p adQt， 或 dQ = ， 一 Q，=Qe- ． 电量泄漏一半所用时间为半衰期，引入 Q = ÷Q，则 1 r 1 1 =exp(一 )或f÷=0．69 。占rp， z 0 rP 其中，f上为静电半衰期， 。为真空介电常数， ，为相 对介电常数，其值在3～9之间，静电半衰期主要与 介质的电阻率有关，电阻率越小，半衰期越短．前面 通过对人体静电电位和电容的可知，人体在狭 窄坑道做突然动作时，静电瞬间电压的峰值增大十 余倍．而矿工穿的普通工作服和工作靴都是绝缘体， 电阻率很高，导电性能很差，静电电荷积聚很难释放 出去，很容易成为瓦斯燃爆的点火源 J．然而，通过 改良工作服和工作靴，使其具有较好的导电性，电阻 率降低，使静电半衰期减小，静电迅速释放，就可以 降低瓦斯爆炸的可能性．因此矿工工装防静电指标 是否合格至关重要． 4 人体静电放电引爆瓦斯模拟实验 采用的仪器是人体静电放电引爆瓦斯模拟实验 系统，该系统由瓦斯混合气体腔体、控制单元、瓦斯 测量单元、氧气测量单元、温度测量单元、人体 ESD 模型点燃装置、报警显示、上位机及瓦斯供气装置等 组成，系统框图见图2．该系统瓦斯、氧气体积分数 测量精度为0．1％． 图2 系统框图 电磁 阀 第 3期 张 莹，等：人体静电放电模拟引爆瓦斯的研究 47 该实验在封闭的腔体中进行，由计算机控制模 拟系统，利用供气装置向腔体中供应瓦斯，环境条件 是氧气体积分数20．9％、混合气体温度 22 cc、相对 湿度 48％．实验时从瓦斯体积分数为 5％开始，以 0．1％／s的速度缓慢增加，直至腔体中瓦斯体积分 数为 16％为止．另外，利用传感器及红外线分析器 测量不同时段的温度及氧气和瓦斯的体积分数，并 通过显示器显示出来．通过人体 ESD模型选取人体 不同的电容值点火，模拟煤矿环境中不同的人体电容 值，调整选取放电的间隙，从而引爆腔体中的瓦斯混 合气体．详细数据见表2．可以看出，人体电容的变化 范围在 100～1 800 pF、放电间隙在0．3～1．2 mln时， 都可以引爆瓦斯，最易爆炸的瓦斯体积分数在 8．5％ 左右． 表 2 人体 ESD模型引爆瓦斯实验系统试验参数 1)氧气体积分数20．9％；混合气体温度22℃；相对湿度 48％ 5 结束语 运动状态下人体静电电位瞬间提高十多倍，走 出狭窄坑道由于人体电容瞬间减小，只有原来的十 分之一，电压会瞬间增大十数倍，使放电能量大幅度 增加，成为瓦斯燃爆的点火源．通过对人体静电泄露 规律的分析得出，静电半衰期主要与介质的电阻率 有关．因此矿工工装防静电指标至关重要．通过人体 静电放电模型引爆瓦斯实验得出，人体电容的变化 范围在 100～1 800 pF、放电间隙在 0．3—1．2 mm 时，都可以引爆瓦斯，最易爆炸的瓦斯体积分数在 8．5％左右． 参考文献： [1]王树玉．煤矿五大灾害事故分析和防治对策[M]．徐州： 中国矿业大学出版社，2006：5，10． [2]刘尚合，武占成．静电放电及危害防护[M]．北京：北京 邮电大学出版社，2004：92-96． [3]刘尚合，魏光辉．静电理论与防护[M]．北京：兵器工业 出版社，1999：20-22． [4]郑会志，武占成，张滋垄．静电放电模拟器校验装置的设 计与实现 [J]．科学技术 与 ，2007，7(15)：3868— 3870． [5]周忠元，蒋全兴，张金奎，等．静电放电电流波形校准装 置的研制与分析[J]．东南大学学报：自然科学版，2006， 36(3)：366—340． [6]杨林峰，王庭太，张玉广，等．高电阻界面静电荷的 衰减机理 [J]．河 北大学学报：自然科学 版，2007，27 (S1)：32-34． [7]Laurence G，Britton．Avoiding Static Ignition Hazards in Chemical Operations[M]．New York：Chemical Process Safety，AICE，1999．105—106． Research on Simulation of Human Body Electrostatic Discharge to Detonate the Gas Zhang Ying，Liu Sheng-man，Wang Ting-tai，Zhang Jing-chang (College of Science，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China) Abstract：Human body capacitance of miners decreases quickly to one tenth while body moving voltage increases up to a dozen times at the narrow exit in the coal mine，which is easy to be a source to detonate the gas．The study of the electrostatic bleeding rules of human body shows that the electrostatic half-life is relative with the material re— Slstivity．From a series of simulation experiments of the gas exploded by human body electrostatic discharge，the re- lationship between different human body capacitance，discharge gap，gas concentration and gas explosion is ob- tained． Key s：modeling of electrostatic discharge on human body；human body capacitance；human body voltage； the gas；exploding；electrostatic bleeding ru]es of human body