Badanie energii i mocy strimerów powstających w czasie niezupełnych wyładowań elektrostatycznych (ESD)

Kierownik projektu: dr inż. Szymon Ptak

Streszczenie projektu:

Znajomość parametrów niezupełnego wyładowania elektrostatycznego (zwanego w skrócie niezupełnym ESD, ang. electrostatic discharge), a także rozumienie mechanizmu jego powstawania są niezbędne w kontekście bezpieczeństwa procesu technologicznego, pracy urządzeń kontrolno-sterujących, bezpieczeństwa pracowników oraz dla oceny ryzyka zapłonu mieszanin wybuchowych.

Celem projektu było przeprowadzenie badań czasu trwania i mocy niezupełnych ESD oraz ocena zagrożeń wywołania przez nie zapłonu atmosfer wybuchowych. Uzyskane w czasie trwania całego projektu wyniki pozwoliły na opracowanie poradnika nt. oceny ryzyka zapłonu atmosfer wybuchowych przez niezupełne ESD.

W celu scharakteryzowania mocy, energii i czasu trwania wyładowania przeprowadzono badania na dedykowanym stanowisku laboratoryjnym przygotowanym w ramach projektu. Do uzyskania wszystkich niezbędnych parametrów wyładowania niezupełnego ESD wykorzystano szybką kamerę oraz odpowiedni oscyloskop (próbkowanie do 25 Gs/s) umożliwiający rejestrowanie przebiegów trwających ok. 1 µs. Do wyznaczenia energii wyładowań niezupełnych ESD posłużono się metodą bazującą na bilansie energii.

Badania przeprowadzone w ramach projektu podzielono na 2 fazy. W 1. zrealizowano badania wstępne w celu osiągnięcia zadowalającej powtarzalności wyników. Stwierdzono, że:

-  Polaryzacja napięcia podczas ulotowej elektryzacji próbki ma wpływ na wyładowanie niezupełne ESD

- Minimalny czas ładowania powierzchni dielektryka pozwalający uzyskać niezmienną wartość ładunku na jego powierzchni wynosi 20 s, co odpowiada osiągnięciu maksymalnej gęstości ładunku powierzchniowego dla danej próbki

- Dla zwiększenia powtarzalności badań należy wyposażyć stanowisko w autonomiczny układ sterowania przesuwem elektrody inicjującej, powodującej powstanie wyładowania niezupełnego ESD. 

Wszystkie te spostrzeżenia zostały uwzględnione w trakcie badań docelowych, których wyniki pozwoliły na sformułowanie wniosków opisanych w raporcie z realizacji pracy. Jeden z najważniejszych wniosków dotyczy wartości energii wyładowania snopiastego rozprzestrzeniającego się, która zwykle będzie na tyle duża, że będzie mogła spowodować zapłon atmosfery wybuchowej.

Po przeprowadzonej analizie porównawczej wykazano, że niezupełne ESD powinny być traktowane jako potencjalne źródła zapłonu dla wszystkich mieszanin gazów i par cieczy. Natomiast w przypadku mieszanin pyłowo-powietrznych o wysokich minimalnych energiach zapłonu, np. pyłu cynku, wyładowania tego rodzaju nie zawsze wydzielą energię odpowiednią do spowodowania zapłonu. Dla niektórych pyłów, np. mąki, skrobi ziemniaczanej, likopodium, cukru i siarki, obliczona energia wyładowania jest wystarczająca do ich zapłonu (dotyczy to materiałów dielektrycznych o wymiarach równych formatowi A5 lub większych od niego). Takie zagrożenie występuje dla obu polaryzacji napięć i dla wszystkich badanych promieni krzywizny elektrody. Energie powstałe w czasie wyładowań na powierzchniach formatu A6 są zbyt małe, by spowodować powstanie wybuchu dla większości mieszanin pyłowo-powietrznych. A zatem ograniczenie powierzchni wyładowania może przynieść efekt w postaci podwyższenia poziomu bezpieczeństwa.

Analiza wyników mocy wyładowań niezupełnych ESD wykazała, że zarówno pole powierzchni materiału nieprzewodzącego, jak i polaryzacja napięcia ulotowego mają wpływ na wartość mocy wyładowania. Im mniejsza powierzchnia, tym niższa moc wyładowania. Największe różnice występują dla folii o mniejszych wymiarach, tj. ISO A6 i A5. Wyładowanie o polaryzacji dodatniej charakteryzuje się mniejszą mocą strimerów niż przy polaryzacji ujemnej.

Projekt III.N.08. Przykład zarejestrowanego wyładowania snopiastego rozprzestrzeniającego się,

powstałego na powierzchni dielektryka

Na podstawie analizy wyników czasu trwania wyładowań niezupełnych ESD stwierdzono, że dla wszystkich badanych przypadków czas ten mieści się w zakresie 0,8¸2 ms. Na te wartości nie ma wpływu polaryzacja napięcia ulotowego, chociaż w przypadku polaryzacji dodatniej w wyładowaniu bierze udział mniejsza wartość ładunku. Zauważono jedynie, że w pewnym zakresie pole powierzchni materiału dielektrycznego ma wpływ na czas trwania wyładowania, np. dla A6 czas ten mieścił się w zakresie 0,8¸1,04 ms, natomiast dla formatu A3 był już większy i mieścił się w zakresie 1,2¸2 ms. Wynika to z faktu, że mniejsze pole powierzchni próbki w naturalny sposób ogranicza zasięg wyładowania, co skraca czas konieczny do neutralizacji zgromadzonego ładunku elektrycznego.

W ramach zrealizowanych prac opublikowano poradnik nt. metod oceny ryzyka zapłonu atmosfer wybuchowych przez niezupełne ESD.

Wyniki projektu przedstawiono w 1 publikacji w czasopiśmie o zasięgu krajowym oraz 2 publikacja w czasopismach o zasięgu międzynarodowym. Ponadto zaprezentowano je podczas 3 seminariów, 1 szkolenia oraz 1 konferencji krajowej i 1 konferencji międzynarodowej.

Jednostka: Pracownia Zagrożeń Elektrostatycznych

Okres realizacji: 01.01.2018 – 31.12.2019