静电跨接系列（四）之“静电屏蔽”

本期是有关讨论静电接地的第四期，前三期主要讨论了金属容器、管道等工装设备的静电接地，因为对于金属材质的容器和管道我们在实际工作中防静电措施用的最多的就是静电接地，在前面我们对“油品分装、灌装过程中静电的跨接与接地”的必要性和有效性进行了探讨，也对“金属管道法兰静电跨接”的规范要求进行了追本溯源，以及“化工企业静电接地电阻值在某些情况下不能过小”的几个典型场景进行了分析，至此，个人认为对于金属工装器具的静电接地中需要重点关注的3个方面已全部阐述完毕，有兴趣的朋友可以继续浏览公众号“栋察安全”前几期的文章，在实际工作中希望能帮助到大家提高静电风险辨识的意识，减少静电带来的安全生产事故。

接下来，我们再讨论一下防静电措施中另外一种比较常见的措施，叫“静电屏蔽”。静电屏蔽的目的主要是限制非导体带电而引起的力学现象及放电现象产生，这块内容有关规范规定的相对比较少，所以想利用一期的时间从理论到实际运用和大家来讨论讨论。

首先，对于“静电屏蔽”的含义：

1、根据《化工企业静电接地设计规程》（HG/T20675-1990）附录2.16：为避免带电体的静电场对外界的影响，或者为了防止外界静电场对非带电体的影响，可把带电体（或非带电体）用接地的金属罩（金属壳、网、线匝）全部或局部封闭起来，这种方式称为静电屏蔽。

2、根据《石油化工静电接地设计规范》（SH/T3097-2017）：

静电屏蔽是一项重要的防静电措施。就技术领域划分，静电屏蔽不属于本规范的范围。只是静电屏蔽体需要接地，此为静电接地的一种。静电屏蔽有整体屏蔽与分隔屏蔽之分。整体屏蔽是指以屏蔽导体覆盖带电物体的整体，带电物体产生的静电作用，被屏蔽导体封入内部。分隔屏蔽是使带电物体一部分以屏蔽导体从空间或表面进行覆盖，并用屏蔽导体隔开带电物体，增加了带电物体静电电容，降低了静电电位。

根据以上说明可以知道“静电屏蔽”的3点信息：

1、屏蔽导体（金属壳、网、线匝）可以对需要屏蔽的对象进行全部（整体屏蔽）或局部的封闭（分隔屏蔽），以降低对象产生的静电场对外部影响；

2、屏蔽导体（金属壳、网、线匝）可以对需要屏蔽的对象进行全部（整体屏蔽）或局部的封闭（分隔屏蔽），以降低外部静电场对对象的影响；

3、屏蔽导体（金属壳、网、线匝）需要接地。

好，我们针对上面3点一个一个来剖析其理论依据及实际运用情况：

一、屏蔽导体（金属壳、网、线匝）可以对需要屏蔽的对象进行全部（整体屏蔽）或局部的封闭（分隔屏蔽），以降低对象产生的静电场对外部影响。

首先，看一下该情况的物理理论：如下图（图a），如果壳内空腔有原带电体正电荷q，因为静电感应，壳内部带有等量负电荷，壳外部带有等量同号正电荷，壳外空间有电场存在，此电场可以说说是由壳内正电荷q间接产生，也可以说是由壳外感应正电荷直接产生的。但如果将外壳接地（图b），则壳外正电荷将消失，壳内电荷q与内部感应电荷在壳外产生电场为零，被干扰的导体就不会受到静电场的影响。

也就是，我们对“干扰源”用屏蔽导体进行包覆以后，可以限制或阻断该“干扰源”附近产生电气作用，从而消除“干扰源”成为灾害电荷及限制其产生静电放电几率的效果。

在实际运用过程中比如：根据《防止静电事故通用导则》（GB12158-2006）第6.3.11条，当采用软管输送易燃液体时，应使用导电软管或内附金属丝、网的橡胶管，且在相接时注意静电的导通性。如下图：

再比如根据《石油化工静电接地设计规范》（SH/T3097-2017）第5.3.8条，如下图：软管内有金属线或金属网。

以上两个规范针对管道内带电流体进行“静电屏蔽”时，均允许屏蔽导体设在软管内，虽然也能起到静电屏蔽作用，但本人还是建议金属线最好包覆在管道最外壁，特别是涉及爆炸危险环境，我们看一下下面3个规范的描述：

1、NFPA77-2019《静电推荐规程》：

红色划线部分主要意思：针对非导电工艺容器用于储存不导电液体时，应提供一个封闭的接地导电屏蔽，以防止外部放电。该屏蔽应为埋入罐壁的接地金属丝网，并应封闭所有外部表面。

2、《电气装置安装工程 爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规范》（GB50257-2014），第7.2防静电章节：

3、《化工企业静电接地设计规程》（HG/T20675-1990）的图例：屏蔽金属丝及金属网均缠绕在最外壁。

这3个规范要求均表示屏蔽导体需设置在外表面上，特别是针对易燃易爆场所，原则上尽量采用金属管道或金属容器来盛装不导电的可燃液体，如果非要使用非金属材质，屏蔽导体最好封闭非金属管道或容器的所有外部表面，而不是把屏蔽金属设置在内部，因为外绝缘表面会因为外部摩擦等原因而慢慢积累静电，不断积累的静电导致电压不断上升，最终因为没有被屏蔽而向周围放电，特别当处在爆炸危险场所，一旦达到击穿电压，放电会引起火灾、爆炸事故。所以对非导体采取屏蔽措施时，应封闭所有外部表面。

上面的管道屏蔽属于整体屏蔽的运用，在化工企业，还有一个比较常见的局部分隔屏蔽的例子如下：

规范《化工企业静电接地设计规程》（HG/T20675-1990）第3.4.5条：

规范《电气装置安装工程 爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规范》（GB50257-2014），第7.2防静电章节第11款：

如图，为防止人员触及转动的皮带而设置三面局部封闭的金属罩，皮带在传送过程中会因摩擦产生大量静电，静电产生的静电场会对周围产生静电感应，这时可以将金属保护罩进行接地，将感应的静电场进行屏蔽，以阻隔皮带静电对外部产生的影响。

以上两个是化工企业采用“静电屏蔽”原理常用的案例，在这里有几个注意事项：

1、屏蔽器材应使用有足够机械强度的直径尽量小的细金属线或数公分方孔的金属网等金属制品，最好是没有护层和涂漆（参考HG/T20675-1990，2.8.1）。

2、应尽量使屏蔽器材紧密结合于带电物体上，最好是将屏蔽器材的各重要地点，分别固定在带电物体上，不应有位移和颤动（参考HG/T20675-1990，2.8.2）。

3、使用细金属线做屏蔽时，应将细金属线间隔数公分紧密缠绕在带电物体表面上。

二、屏蔽导体（金属壳、网、线匝）可以对需要屏蔽的对象进行全部（整体屏蔽）或局部的封闭（分隔屏蔽），以降低外部静电场对对象的影响；

物理原理如下图：如壳内无带电体而壳外有电荷q（），则静电感应使壳外壁带电。静电平衡时壳内无电场。这不是说壳外电荷不在壳内产生电场，是由于壳外壁感应出异号电荷产生的场强（），它们与q在荷内空间任一点激发的合场强为零（=0）。因而导体荷内部不会受到荷外电荷q或其他电场的影响。

也就是说，在“带电物体”的附近如果存在“有屏蔽但没有带电物体”，则该屏蔽可以起到防止“没有带电物体”受到静电感应的效果。

在化工企业中运用该原理的例子有：在进行罐内检尺和取样的作业前，除了本公众号第一期讲过的需要“静置时间”以及第三期讲过的为了限制过小的接地电阻建议使用“10⁸欧姆”的绳索来防止静电放电措施以外，还可以结合“静电屏蔽”的原理，在检尺及取样场所设置开孔的金属圆筒（检测井）并将其接地（如下图），这个检测井可以屏蔽该井周围大量带电液体产生的静电场，限制静电荷对检尺和取样器的静电感应，从而保护金属检尺和取样器免遭强烈静电感应而高压击穿放电。

另外，在电气仪表方面，该“静电屏蔽”也有所运用，根据《电力电缆设计规范》（GB50217-2018）、《仪表系统接地设计规范》（HG/T 20513-2014）等，针对化工企业中重要的检测仪表及其铠装电缆等需要做屏蔽接地，可以限制及抵消外部静电对仪表及信号线的静电感应干扰，防止信号数据出错，轻者导致装置误报警，仪表损坏，重则将会导致装置停车，造成重大经济损失。

三、屏蔽导体（金属壳、网、线匝）需要接地。

屏蔽体要接地大家都知道，那到底是一端接地还是两端接地？针对非金属软管的屏蔽体，《化工企业静电接地设计规程》（HG/T20675-1990）第2.8条给出的图例是采用两端接地的形式，如下图：

具体什么原因，本人猜想有以下两点：

1、如果对屏蔽金属丝的始、末端均进行接地，可以增加金属丝的电容，那么根据电容电压公式，V=Q/C，电容C增大，电压V可以相应的降低，防止高压击穿放电。

2、我们知道静电的产生是因为双电层原理，管道液体流动会使双电荷层分离，液体流动的冲力带着扩散层的电荷流动，会形成微弱的冲流电流，这个冲流电流会因为一边起电，一点泄放而不稳定，所以是个变化的电流，我们知道变化的电流会产生变化的电磁场，这个电磁场会对周围产生电磁感应放电（如第二期讲过的雷电感应引起法兰间隙放电），所以当屏蔽层两端接地后可以通过大地构成回路，冲流电流产生的电磁场可以在屏蔽层回路上感应出电动势，通过该回路产生电流，该电流又产生相反的电磁场抵消冲流电流产生的电磁场，从而起到屏蔽效果。

3、所以，在条件允许的情况下，对于非金属软管的屏蔽体务必进行两端接地，能起到最好的屏蔽效果。

好了，以上是笔者针对“静电屏蔽”归纳的一些理论依据及实际运用，文中引用了一些规范条文，也增加了许多本人个人理解，旨在抛砖引玉，希望能帮助要大家在工作中举一反三，如有不当之处，敬请理解，谢谢！