8.7. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ГОРЮЧЕГО
Коронный разряд не обладает достаточной энергией для воспламенения горючего. В литературе не было сообщений о случайном воспламенении горючего, вызванном искровыми разрядами, индуцированными линиями электропередачи. Все же электрические искры между двумя проводящими телами могут воспламенять горючие углеводородные паровоздушные смеси. Энергия разряда, необходимая для воспламенения, была определена для многих горючих веществ и для различных типов разрядов [8.13—8.16]. Хороший обзор этого вопроса был сделан А. Н. Маккини [8.16].
Минимальная энергия, которая вызывает воспламенение смеси, меняется в зависимости от испытательного устройства. Энергия, рассеиваемая в искре, расходуется в разных пропорциях на нагрев смеси и электродов. Рассеяние энергии при нагревании электродов вызывает так называемое «гашение» пламени, которое играет основную роль в процессе воспламенения и приводит к различному поведению смеси у электродов разных конструкций. Большинство исследований было направлено на поиски устройств, которые обеспечивали бы минимальную энергию воспламеняющего разряда, тогда как в настоящей главе рассматривается энергия разряда, необходимая для воспламенения в реальных условиях. С учетом этого Маккини рассмотрел три метода воспламенения:
воспламенение путем разряда емкостной цепи между фиксированными или сближающимися электродами;
воспламенение путем размыкания контактов в индуктивной цепи;
воспламенение раскаленной проволокой.
Рис. 8.7.2. Изменение напряжения и заряда во времени.
1 — при отсутствии искры; 2 — в случае искрового разряда.
Наибольшее значение имеет емкостный разряд, вызванный электростатическим полем частотой 60 Гц, как наиболее соответствующий условиям воздействия линий электропередачи переменного тока. Разряды, индуцированные полем с частотой 60 Гц, могут быть повторяющимися, и благодаря эффекту остаточного заряда после первой искры может возникнуть большее напряжение (и большая энергия), если электроды расходятся. Последовательность искровых разрядов на землю от изолированного объекта изменяет его потенциал, как показано на рис. 8.7.1.
Рис. 8.7.1. Изменение потенциала большого объекта при одном искровом разряде в каждый полупериод.
Если разрядный промежуток сохраняется постоянным, а напряжение растет, то мгновенное значение напряжения в момент искрового разряда равно или меньше, чем амплитуда напряжения при отсутствии искры. То же самое происходит, если сохраняется постоянным напряжение, а уменьшается разрядный промежуток путем сближения электродов. Однако если разрядный промежуток увеличивается, например, путем раздвигания электродов, пробивное напряжение может оказаться выше, чем напряжение в цепи без искры (рис. 8.7.2). Максимум искрового напряжения вполне может достигать удвоенного напряжения в цепи без искры, уменьшая таким образом минимальное напряжение воспламенения для разомкнутой цепи. На это явление влияют сопротивление утечки на землю и коронный разряд, появляющийся на электродах (в случае малых объектов, когда требуются более высокие напряжения). Эффект удвоения может легче достигаться для большого параллельного сопротивления утечки и для объектов с большой емкостью относительно земли. Энергия, требуемая для воспламенения, является функцией соотношения количества воздуха и горючего в смеси. Б. Льюис и Г. Ван Элб [8. 13] приводят наиболее полную информацию по влиянию различных газов, концентраций и условий. В большинстве случаев минимальные энергии воспламенения соответствуют стехиометрической смеси, обеспечивающей полное сгорание. Минимум обычно один и тот же для большинства углеводородов, которые составляют наиболее часто используемые виды топлива.
Найдено, что для единичного емкостного разряда в идеальных условиях минимальная энергия воспламенения углеводородов равна 25-10-5 Дж. Водород имеет более низкую минимальную энергию воспламенения 2-10~5 Дж. Пропан-воздушная стехиометрическая смесь испытывалась на установке УВН с использованием эквивалентной цепи, которая воспроизводила повторяющиеся искровые разряды, вызываемые электростатическим полем 60 Гц. Было найдено, что диэлектрические потери конденсаторов, используемых в цепи, устройство электродов и смачивание электродов смесью имеют решающее значение. Получить указанные выше низкие значения энергии воспламенения в условиях этого опыта оказалось невозможно: минимальная полученная энергия составляла 6*10~3 Дж. Согласно обзору Маккини хорошее соответствие данных любых единичных экспериментов мало вероятно, и не следует ожидать хорошего согласия между различными наблюдателями.
Чтобы решить эту проблему и получить пригодные для использования данные, была проделана серия испытаний в реальных условиях с использованием реальных, представляющих интерес объектов с различными емкостями в электростатическом поле, индуцированном линиями электропередачи. Реальные условия подразумевают использование бензина в качестве горючего и электродов практически применяемых конфигураций. Особое внимание было уделено искровому разряду с электрода в Форме рукоятки бензозаправочного шланга на открытый, наполненный бензином контейнер, имитирующий бак автомобиля. Испытания с закрытым контейнером не проводились. Данные представлены на рис. 8.7.3. Прямая линия была проведена через точки, представляющие минимальные энергии воспламенения, полученные для бензозаправочного шланга.
Минимальное напряжение воспламенения, В, Uи.о= =4,6-С-0.3, где С — в фарадах.
Рис. 8.7.3. Минимальное напряжение на изолированном объекте, достаточное для воспламенения бензина, вытекающего из заправочного шланга.
1 — минимальное напряжение воспламенения по опытным данным 0=- = 4,6С—0,3; 2 — гашение при одиночном разряде (анализ по данным Маккини на основе пересчитанных данных Льюиса и Ван Элба); 3 — кривая Маккини, умноженная на 0,707 для приведения к эффективным значениям; 4— кривая, соответствующая току /3=5 мА (t/H 0= 13,3 • 10~в/С); 5 — ^и.0 — 3,6 кВ для последовательного резистора 3,25 МОм; 6—С/и 0—6,8 кВ для последовательного резистора 24 МОм.
Реальные полученные напряжения воспламенения колебались в диапазоне Uuo—2[/и.0. Искровой разряд с острого предмета, такого как булавка, дает снижение минимального напряжения воспламенения примерно в 0,65 раз от полученного в случае, когда использовался электрод в форме рукоятки заправочного шланга.
Можно отметить, что кривая на рис. 8.7.3 не является кривой «постоянной энергии», поэтому невозможно рассматривать энергию как единственный параметр, характеризующий потенциал воспламенения. На самом деле рис. 8.7.3 дает минимальную энергию воспламенения W—2,1-10 Дж для 100 пФ и 13-10-3 Дж для 10 000 пФ. Необходимо характеризовать для каждого объекта вероятность воспламенения через эффективнее значения напряжения «холостого хода» цепи. Реальное напряжение в момент воспламенения могло бы изменяться из-за вышеупомянутого эффекта удвоения. В действительности во время эксперимента воспламенение можно было получить с большей вероятностью, вынимая рукоятку шланга из бензобака. На рис. 8.7.3 приведены также кривые, полученные Маккини [8.16] при новой обработке данных Льюиса и Ван Элба [8. I3J по воспламенению емкостным искровым разрядом при постоянном токе. Воспламенения от искрового разряда осуществлялись при атмосферном давлении в обычной газовоздушной смеси с использованием плоских электродов. При пересчете кривой Маккини, с коэффициентом 1 / у 2 (для перехода к эффективному значению переменного тока) получаем хорошее соответствие с кривой, полученной из испытаний на установке УВН. Поэтому предлагается, чтобы эта кривая использовалась применительно к ситуации, создаваемой в непосредственной близости от воздушной линии электропередачи. На рис. 8.7.3 также нанесена кривая Uи.о, соответствующая разрядному току 5 мА. Согласно § 8.4 5 мА — это максимальный ток, который еще позволяет избежать первичного поражения при прикосновении к объекту даже ребенка. Можно видеть, что искры, которые могут воспламенить бензин, не вызывают первичного поражения, однако они вызывают ощутимое раздражение — таким образом формируется предостерегающий сигнал о том, что заправочные операции в таких условиях могут быть опасными.
Последовательное сопротивление в разрядной цепи, каким является тело человека, оказалось несущественным параметром. Когда последовательное сопротивление становилось столь велико, что ограничивало ток, тогда ток к. з. объекта и емкость могли быть увеличены без уменьшения минимального напряжения холостого хода, достаточного для воспламенения от искрового разряда.
Это показано для последовательных сопротивлений 3,25 и 24 МОм на рис. 8.7.3. На рис. 8.7.4 показаны два примера эффекта разряда через последовательное сопротивление.
На рис. 8.7.3 приведены минимальные значения Uиo и С, при которых возможно воспламенение бензина. Вероятность воспламенения, однако, зависит от ряда обстоятельств:
Рис. 8.7.4. Влияние последовательного резистора на минимальное напряжение воспламенения.
автомобиль должен быть хорошо изолирован от земли, как если бы его передвинули по сухой мостовой в сухой день;
рукоятка бензозаправочного шланга должна быть заземлена, например, через тело человека, стоящего на влажной земле или растительности;
искровой разряд должен происходить в области, где смесь паров горючего и воздуха имеет концентрацию, близкую к стехиометрической пропорции.
Одновременное выполнение этих условий крайне мало вероятно на практике. Вероятность того, что искровой разряд окажется выше порога чувствительности, гораздо больше. Эти разряды представляют собой безвредные сигналы, предостерегающие против проведения заправочных работ без соответствующих мер предосторожности.
