第七章靜電與電磁輻射防護(張園園).doc

7靜電與電磁輻射防護27.1靜電危害及防護27.1.1靜電及危害27.1.2靜電防護措施67.2 電磁危害及防護197.2.1 電磁輻射的產(chǎn)生197.2.2 電磁輻射危害207.2.3 電磁輻射防護23257靜電與電磁輻射防護隨著社會的不斷發(fā)展與進步，工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工中靜電技術的應用已日益廣泛，電子電氣設備的使用也已基本普及，但它們?yōu)槿祟惿詈蜕鐣l(fā)展帶來極大便利的同時也對人體健康和環(huán)境安全帶來了一定的危害。例如：靜電技術應用過程中可能發(fā)生的火災、電擊等靜電事故，電子設備使用過程中也可能引起電子設備干擾、人體心律異常等電磁輻射危害。由于靜電和電磁輻射都具有的其危害性，為確保人們的生活與環(huán)境安全，需要了解靜電和電磁輻射的特點、危害機理等相關知識，并掌握相應的防護措施。7.1靜電危害及防護當靜電電荷超過一定的限度，且在其客觀環(huán)境適宜時，便會以其特有的不同模式對生產(chǎn)環(huán)境、產(chǎn)品和人身產(chǎn)生危害。靜電的產(chǎn)生幾乎是難以避免的，但可以通過各種行之有效的措施加以防護，以使其降低到可以接受的程度，并盡可能地減少危害。7.1.1靜電及危害一、靜電的產(chǎn)生及特點 靜電的產(chǎn)生所謂靜電，是在宏觀范圍內(nèi)暫時失去平衡的相對靜止的正電荷和負電荷。試驗證明，只要兩種物質(zhì)緊密接觸，再分離時，就可能產(chǎn)生靜電，靜電的產(chǎn)生是同接觸的電位差和接觸面上的雙電層直接相關的。 接觸分離起電。兩種物質(zhì)相接觸，其間距離小于2510-9cm時，由于不同原子得失電子能力不同，不同原子（包括原子團和分子）外層電子的能級不同，其間即發(fā)生電子的相對轉(zhuǎn)移。因此，兩種物質(zhì)緊密接觸，界面兩側(cè)會出現(xiàn)大小相等、極性相反的兩層電荷。這兩層電荷稱為雙電層，其間的電位差稱為接觸電位差。根據(jù)雙電層和接觸電位差的理論，可以推知兩種物質(zhì)緊密接觸，若再分離時，即可能產(chǎn)生靜電。兩種物質(zhì)相互摩擦之后，之所以能產(chǎn)生靜電，其中就包括通過摩擦實現(xiàn)較大面積的緊密接觸，在接觸面上產(chǎn)生雙電層的過程。導體與導體之間雖然也能產(chǎn)生雙電層，但由于分離時所有互相接觸的各點不可能同時分離，接觸面兩邊的正負電荷將通過尚未脫離開的那些點迅速中和，致使兩導體都不帶電。 破斷起電。不論材料破斷前其內(nèi)電荷分布是否均勻，破斷后均可能在宏觀范圍內(nèi)導致正、負電荷的分離，即產(chǎn)生靜電，這種起電稱為破斷起電。固體粉碎、液體分離的過程的起電屬于破斷起電。 感應起電。圖7.1所示為一種典型的靜電感應起電過程。當B導體與接地體C相連時，在帶電體A的感應下，端部出現(xiàn)正電荷，但B導體對地電位仍然為零。當B導體離開接地體C時，雖然中間不放電，但B導體成為帶電體。圖7.1靜電感應起電（a）分離前 （b）分離后電荷遷移當一個帶電體與一個非帶電體接觸時，電荷將重新分配，即發(fā)生電荷遷移而使非帶電體帶電。當帶電霧滴或粉塵撞擊在導體上時，會產(chǎn)生有力的電荷遷移。 靜電的特點 電量小，電壓高靜電的電位一般較高，如人體在穿脫衣服的時候可以產(chǎn)生一萬多伏的電壓，但其總能量卻很小，在生產(chǎn)和生活中的靜電雖然可以使人受到電擊，但是不會直接危害人的生命。 持續(xù)時間長在絕緣體上靜電泄漏很慢，這樣就使帶電體保留危險狀態(tài)的時間比較長，危險程度相應增加。 一次性放電處于絕緣狀態(tài)帶有靜電電荷的導體，遇上放電對象，其自由電荷將一次經(jīng)放電點放掉，因此帶有相同數(shù)量靜電荷的導體要比非導體危險性大。 遠端放電若某處產(chǎn)生了靜電，其周圍與地絕緣的金屬導體就會在感應下將靜電擴散到遠處，并可能在預想不到的地方放電。 靜電屏蔽靜電場可以用導電的金屬加以屏蔽，避免放電對外界產(chǎn)生危害。屏蔽在生產(chǎn)中被廣泛應用。二、靜電的類型及危害 靜電的類型 靜電可以按起電方式、帶電體、電荷性質(zhì)進行分類。按照起電方式可以分為：接觸摩擦分離起電，靜電感應起電，電磁感應起電，射線電離空氣起電，物質(zhì)三態(tài)變化起電，分子分裂起電，極化起電，場致發(fā)射起電。按帶電體分類可以分為：固體帶電，液體帶電，氣體帶電，人體帶電，生物帶電。按電荷性質(zhì)分類可分為單極性電荷、雙極性電荷。 靜電的危害構(gòu)成靜電危害的基本條件：一是產(chǎn)生并積累足夠的靜電，形成了“危險靜電源”，以至于局部電場強度達到或超過周圍介質(zhì)的擊穿場強，發(fā)生靜電放電；二是危險靜電源存在的場所有易燃易爆氣體混合物并達到爆炸濃度極限，或有電火工品、炸藥之類爆炸危險品，或有靜電敏感器件及電子裝置等靜電易爆、易損物質(zhì)；三是危險靜電源與靜電易爆、易損物質(zhì)之間能夠形成能量耦合并且靜電放電能量等于或大于前者最小點火能或靜電敏感度。形成靜電危害的這三個條件是缺一不可的，只要控制其中一個條件不成立，就不會有靜電危害發(fā)生。靜電造成的危害通過多種模式表現(xiàn)出來。對于不同的對象，不同的環(huán)境，靜電造成的危害也不同。 靜電庫倫力造成的危害積聚于物體上的靜電荷，將在其周圍空間產(chǎn)生電場，其中的物體將會受到靜電庫侖力的作用。當置于電場中的物體是一個非帶電體時，如果是導體，則將在其上產(chǎn)生靜電感應；如果是絕緣體，則將在其上產(chǎn)生極化。無論何種情況，都會使物體受到力的作用，并在該力的作用下使物體轉(zhuǎn)動。例如，在紡織行業(yè)，化纖及含水分極少的棉紗，在梳棉、紡紗、整理和漂染等工藝過程中因摩擦產(chǎn)生靜電，在靜電庫侖力的作用下，可造成根絲飄動、紗線松散等，影響生產(chǎn)的正常進行；在橡膠工業(yè)，合成橡膠從苯槽中出來時，靜電電位可達250千伏，壓延機壓出的產(chǎn)品靜電電位高達80千伏，膠機靜電電位達30千伏，由于靜電庫侖力作用可造成吸污，使產(chǎn)品質(zhì)量下降。 靜電放電造成的危害a 靜電放電熱效應造成的危害。一般說來，靜電火花放電或刷形放電都是在微秒或納秒量級完成的，是種絕熱過程。放電瞬間回路通過數(shù)安培的大電流使空氣電離、擊穿、發(fā)光、發(fā)熱，形成局部的高溫熱源。這種局部的熱源可以引起易燃、易爆氣體燃燒、爆炸；也可以使火炸藥、電雷管等各種電發(fā)火裝置意外發(fā)火，引起爆炸事故。在石化工業(yè)中靜電放電多次使汽油著火爆炸，如2010年1月7日17時30分，中國蘭州石化罐區(qū)爆炸起火，6人遇難，1人重傷，5人輕傷。事故原因系罐體泄漏，致使現(xiàn)場可燃氣體濃度達到爆炸極限，溢出可燃氣體產(chǎn)生靜電，引發(fā)著火爆炸釀成慘劇。b 靜電放電的電磁效應造成的危害。靜電放電過程是電位、電流隨機瞬時變化的電磁輻射過程，無論是放電能量較小的電暈放電，還是放電能量比較大的火花式放電，都可以產(chǎn)生電磁輻射。在航空、航海領域和各種現(xiàn)代化電子裝備中，靜電放電電磁輻射的危害是很普遍的。靜電放電電磁干擾屬于寬帶干擾，從低頻到幾個吉赫茲以上。其中，電暈放電是出現(xiàn)在飛機機翼、螺旋槳及天線和火箭、導彈表面等尖端或細線部位，產(chǎn)生電磁干擾，使飛機、火箭等空間飛行器與地面的無線通訊中斷，導航系統(tǒng)不能正常工作，使衛(wèi)星姿態(tài)失控，造成嚴重后果。另外，電暈放電產(chǎn)生的噪聲，對某些家用電器和電信號檢測工作也會產(chǎn)生電磁干擾。傳播型刷形放電和火花放電都是靜電能量比較大的靜電放電過程，其峰值電流可達幾百安培，它可以形成電磁脈沖串，對微電子系統(tǒng)造成強電磁干擾及浪涌效應，引起電路錯誤翻轉(zhuǎn)或致命失效。即使采取完善的屏蔽措施，當電路屏蔽盒上發(fā)生靜電火花放電時靜電放電的大電流脈沖仍會在儀器外殼產(chǎn)生大壓降。這種瞬時的電壓跳變，會使被屏蔽的內(nèi)部電路出現(xiàn)感應電脈沖而引起電路故障。另外，日本人通過模擬實驗已證實，靜電放電產(chǎn)生的磁場也能夠使控制設備發(fā)生誤動作，影響設備的正常工作。 靜電感應放電引發(fā)的事故人體和金屬之類靜電導體，在靜電場中可以發(fā)生靜電感應現(xiàn)象，造成意外的火花放電。三、靜電的影響因素了解和掌握靜電產(chǎn)生和積累的影響因素，對于控制靜電的危害是十分必要的。其中靜電的產(chǎn)生和積累與材質(zhì)、工藝設備參數(shù)、環(huán)境條件等因素相關。1 材質(zhì)和雜質(zhì)的影響對于固體材料，電阻率為1l07m以下者，由于泄漏較強而不容易積累靜電；電阻率為1l09m以上者，容易積累靜電，造成危害。對于液體，在一定范圍內(nèi)，靜電隨著電阻率的增加而增加，但超過某一范圍以后，隨著電阻率的增加，液體靜電反而下降。實驗證明，電阻率為11010m左右的液體最容易產(chǎn)生靜電；電阻率為1108m以下的液體，由于泄漏較強而不容易積累靜電；電阻率為11013m以上的液體，由于其分子極性很弱而不容易產(chǎn)生靜電；石油、重油的電阻率為11010m以下，靜電危險性較小、石油制品和苯的電阻率多在為11010m11011m之間，靜電危險性較大。對于粉體，當管道、攪拌器或料槽材料與粉體材料相同時，不容易產(chǎn)生靜電，而且粉體帶電情況也不規(guī)則，有的帶正電，有的帶負電，也有的不帶電，其帶正電的顆粒數(shù)與帶負電的顆粒數(shù)大致相等，當管道、攪拌器或料槽材料用金屬材料制成、粉體用絕緣材料制成時，產(chǎn)生靜電的多少與管道、攪拌器或料槽種類沒有多大關系，而主要決定于粉體的性質(zhì)。當管道、攪拌器或料槽以及粉體均由絕緣材料制成時，材料性質(zhì)對靜電的影響很大，并可能因材料改變而改變靜電的極性。懸浮粉體因處于絕緣狀態(tài)，受材料的影響不大。由以上分析可以知道，只有容易得失電子，而且電阻率很高的材料容易產(chǎn)生和積累靜電。生產(chǎn)中常見的乙烯、丙烷、丁烷、原油、汽油、輕油、甲苯、甲苯、硫酸、橡膠、賽璐珞和塑料等都比較容易產(chǎn)生和積累靜電。雜質(zhì)對靜電有很大的影響，靜電在很大程度上決定于所含雜質(zhì)的成分。一般情況下，雜質(zhì)有增加靜電的趨勢。但是，如果雜質(zhì)能降低原有材料的電阻率，則加入雜質(zhì)有利于靜電的泄漏。液體內(nèi)含有高分子材料（如橡膠、瀝青）的雜質(zhì)時會增加靜電的產(chǎn)生。液體內(nèi)含有水分時，在液體流動、攪拌或噴射過程中會產(chǎn)生附加靜電；液體宏觀運動停止后，液體內(nèi)水珠的沉降過程要持續(xù)相當長一段時間、沉降過程中也會產(chǎn)生靜電。如果油管或油槽底部積水，經(jīng)攪動后容易引起靜電事故。2 工藝設備和工藝參數(shù)的影響接觸面積越大，雙電層正、負電荷越多，產(chǎn)生靜電越多；管道內(nèi)壁越粗糙，接觸面積越大，沖擊和分離的機會也越多，流動電流就越大；對于粉體、顆粒越小者，一定量粉體的表面越大，產(chǎn)生靜電越多。接觸壓力越大或摩擦越強烈，越會增加電荷的分離，以致產(chǎn)生較多的靜電。接觸分離速度越高，產(chǎn)生靜電越多。液體流速和管徑對液體靜電影響很大。設備的幾何形狀也對靜電有影響。例如，平皮帶與皮帶輪之間的滑動位移比三角皮帶大，產(chǎn)生的靜電也比較強烈。過濾器會大大增加接觸和分離程度，可能使液體靜電電壓增加十幾倍至一百倍以上。下列工藝過程比較容易產(chǎn)生和積累靜電： 高電阻率液體在管道中流動且流速超過1m/s時，液體噴出管口時，液體注入容器發(fā)生沖擊、沖刷和飛濺時等。 液化氣體、壓縮氣體或高壓蒸汽在管道中流動和由管口噴出時，如從氣瓶放出壓縮氣體、噴漆等。 穿化纖布料衣服、高絕緣(底)鞋的人員在操作、行走、起立時等。3 環(huán)境條件和時間的影響材料表面電阻率隨空氣濕度增加而降低、相對濕度越高，材料表面電荷密度越低。當相對濕度在40以下時，材料表面靜電電荷密度幾乎不受相對濕度的影響而保持為某一最大值。由于空氣濕度受環(huán)境溫度的影響，所以環(huán)境溫度的變化可能加劇靜電的產(chǎn)生。導電性地面在很多情況下能加強靜電的泄漏、減少靜電的積累。周圍導體布置對靜電電壓有很大的影響。由Q=CU可知，靜電電量Q不變時，靜電電壓U與電容C成反比。帶靜電體周圍導體的面積、距離、方位都影響其間電容，從而影響其間靜電電壓。例如，傳動皮帶剛離開皮帶輪時電壓并不高，但轉(zhuǎn)到兩皮帶輪中間位置時，由于距離拉大，電容大大減小，電壓則大大升高。又如，粉體經(jīng)管道輸送時，在管道中間脹大處和出口處，由于電容減小、靜電電壓升高，容易因為較大火花引起爆炸事故。帶電歷程會改變物體的表面特性，從而改變帶電特征。一般情況下，初次或初期帶電較強，而重復性或持續(xù)性帶電較弱。7.1.2靜電防護措施一、 靜電危險的安全閾值要研究如何防止或控制靜電危害，必須根據(jù)靜電起電、放電基本原理和材料性能等有關知識，控制產(chǎn)生靜電危害三個基本條件，當然首先要掌握靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）的安全閾值。在實際靜電防護工作中，經(jīng)常使用并且容易測試的靜電參數(shù)是靜電電位。因此，確定發(fā)生靜電放電的電位界限更有實際意義。（1）帶電物體為導體時的ESD閾值當帶電物體是導體時，如發(fā)生靜電放電，一般的情況下，帶電體一次可以將儲存的靜電能量幾乎全部放出。假設帶電導體所儲存的靜電能量等于最小點火能量（或靜電感度）時，便有發(fā)生靜電危害的危險。帶電導體所儲存的靜電能量為：（7-1）式中 C導體與形成放電的物體間的等效電容；V導體與形成放電的物體之間的電位差。如果帶電導體是對接地導體放電，則V為靜電電位，那么產(chǎn)生靜電危害的靜電電位閾值為： （7-2） 由式（7-1）可求出帶電導體儲存的能量與帶電電位和等效電容之間的關系。 帶電物體為靜電非導體時的ESD閾值當帶電物體是靜電非導體（電阻率大于1010m）時，如果發(fā)生放電，一般情況下帶電體不是在一次放電中就能將所積蓄的靜電能量全部放出，而是部分地放出，因此帶電物體為靜電非導體的放電界限，就不能用帶電導體所用的方法求出，這要視放電的條件和放電類型而定。還與靜電非導體的帶電電位和接地導體的曲率半徑有關。所以，根據(jù)可燃性物質(zhì)的最小點火能，見表7.1。表7.1 不同可燃物的靜電非導體帶電的電位界限序號最小點火能mJ可燃性物質(zhì)電位極限值kV11.0氮，粉塵等4060另外，緊靠導體而厚度為8mm以下的層狀帶電靜電非導體，如產(chǎn)生成為氣體蒸汽或粉塵點燃源的傳播型刷形放電，其表面極限電荷密度為2.65104C/m2。應該注意的是，靜電非導體的帶電是比較復雜的，遇到下列情況時，電位極限比上述值小得多： 帶電的分布極不均勻時； 在靜電非導體中有局部電導率高的部分，該部分又帶電時； 在帶電的靜電非導體附近或里面有接地導體時； 在帶電量或帶電極性變化較大時。 帶電塑料面產(chǎn)生點燃性放電的最小面積通常電氣儀表設備的外殼塑料，因表面受到摩擦或受到小顆粒的撞擊（如多塵空氣的流動）而帶靜電。在考慮靜電危險時，塑料外殼的尺寸頗為重要，且大型外殼產(chǎn)生靜電帶電的危險性遠遠大于小型外殼。表7.2給出了達到可燃性放電的塑料外殼的最小面積值。表7.2 塑料產(chǎn)生可燃性放電的最小面積氣體混合物最小面積/cm2甲烷空氣80丙烷空氣60乙烯空氣20氫氣空氣5表7.3給出了三個不同類別的電氣設備所用塑料外殼的投影表面面積的極限值。其中A類電氣設備適用于在丙烷中使用；B類電氣設備適于在乙烯中使用；C類電氣設備適于在氫氣中使用。表7.3 塑料外殼投影面積極限值與括號內(nèi)實驗氣體有關的設備類別表面積/cm2A（丙烷空氣）100B（乙烯空氣）50C（氫氣空氣）20 國內(nèi)外對絕緣體帶電引燃能力的研究實驗表明，靜電非導體帶電的放電引燃能力和正負極性有關。1972年夫雷德霍姆等通過絕緣體放電引燃試驗后指出，絕緣體帶正負不同極性電荷時，放電引燃能力差別很大。198l年萊斯特蘭等進行絕緣板的引燃性試驗時，發(fā)現(xiàn)帶負電的絕緣板發(fā)生刷形放電有相當高的引燃率，但帶正電絕緣板的數(shù)百次放電試驗均未引燃。同年，布菜斯等對薄膜進行放電試驗時，發(fā)現(xiàn)帶正電的薄膜，在發(fā)生主放電前有預放電，而帶負電的薄膜則無預放電現(xiàn)象。1984年，北京勞動保護科研所趙錄臻等對絕緣板帶正負極性電荷的放電引燃能力也進行了試驗，結(jié)果表明，帶正電荷的絕緣板在主放電前，預放電的脈沖能量比單次主放電能量小23個數(shù)量級。在同樣電位和放電電極條件下，正絕緣板的單次主放電能量比負電荷時的放電能量小一個數(shù)量級。在此是基礎上他們提出絕緣板引燃最小點火能量等于或大于0.2mJ 可燃性氣體的臨界電位為35kV左右。比如以1/10為安全系數(shù)，最后確定了帶電絕緣體(背面15cm內(nèi)無接地導體)不引燃上述可燃氣體的最高安全電位值為15kV。關于正負極件放電特性差別的原因，在有關氣體放電的著作中已有論述。一是陰極的作用，當絕緣板帶正電時，由于場致發(fā)射，球電極表面容易發(fā)射電子使空氣電離；二是空間電荷的作用，由于正負離子的漂移速度有很大差別，若球電極為負極時，其附近有正離子包圍，減弱了電極附近的場強，使空氣難于電離，因此需要更高的擊穿電壓，才能發(fā)生火花放電或刷形放電。 液體帶電的靜電放電閾值液體帶電和絕緣固體帶電有相似之處。1983年，我國公安部沈陽消防科研所史祟岳等對不同極性帶電油品的靜電放電進行了研究，結(jié)果表明負極性油面的放電能量在相同條件下比正極性油面的大一個數(shù)量級。GB6951-86規(guī)定汽油、煤油、柴油等輕質(zhì)油品裝油的安全油面電位值為12kV。為了降低輕質(zhì)油品的油面電位，提高靜電泄漏能力，可在油料中加入一定數(shù)量的抗靜電添加劑，使油料的靜止電導率大于50pS/m。 人體靜電閾值 人體靜電引燃能力的研究1983年英國人威爾遜對人體靜電與接地電極間的放電作了實驗研究，結(jié)果表明：由人體靜電引燃某種可燃性物質(zhì)，所需要的人體靜電能量比該可燃性物質(zhì)的最小點火能量大得多。實驗還證明，在一定的電極條件下，放電引燃時，人體靜電電位是主要因素，而人體電容影響不大。實驗給出點燃最小點火能為0.39mJ的天然氣的人體靜電電位的最小值為6.0kV，此時人體靜電能量為1.7mJ。 人體靜電放電引爆電火工品的電位閾值人體靜電放電意外引爆電火工品的事故在國內(nèi)外時有發(fā)生，因此確定人體靜電放電引爆電火工品的電位閾值是十分重要的。軍械工程學院靜電技術研究所(石家莊)，多年來通過對靜電放電模型和電火工品靜電感度及靜電發(fā)火數(shù)理模型的研究，確定了有關電火工品的ESD(Electrostatic Discharge,靜電放電)閾值。參照國內(nèi)外有關標準和研究成果，根據(jù)人體靜電放電模型，確定人體模型中電容CH500pF，人體電阻RB100和電火工品的最小點火能，求得火箭彈和導彈等電發(fā)火裝置使用的電點火具JD-11、DD-4.5、DD-17和105電火帽的靜電放電電流注入臨界發(fā)火電位值為：JD-11電點火具： 14.0kVDD-4.5電點火具： 8.7kV；DD-17電點火具： 2.2kV；105電火帽： 0.88kV根據(jù)機器ESD模型(即日本模型)，等效電容為200pF，電阻為0 的實驗裝置（因為機器為金屬，其等效電阻為0，等效電容為200pF），求得靜電放電發(fā)火的臨界電位值為：發(fā)火的臨界電位值為：JD-11電點火具： 3.3kVDD-4.5電點火具： 2.9kV；DD-17電點火具： 1.4kV；105電火帽： 0.85kV考慮到火工行業(yè)引爆事故的特殊性，特別對人體ESD模型機器ESD模型進行比較，由于機器放電模式的等效電阻為0，故其放電過程更短，在幾毫微秒和幾十毫微秒之內(nèi)會有數(shù)安培的放電電流產(chǎn)生，由以上數(shù)據(jù)可以看出機器ESD模型的電點火工具的臨界電位值低于人體ESD模型的電點火工具的臨界電位值，因此機器放電模式的破壞力更大。同時，對比以上兩種靜電放電模型參數(shù)可以看出，即使確定的靜電源為人體靜電，由于不同人體、不同著裝與地面條件的差異，等效模型參數(shù)不同，對同一種電火工品也會有不同的靜電放電閾值。不過在實際工作中，只要確定了電火工品的最小靜電點火能和人體靜電參數(shù)及環(huán)境條件，可以求出每一個試驗對象的靜電放電閾值。 人體靜電電擊的感知閾值和疼痛閾值靜電放電作用于人體時，由于放電脈沖的時間非常短，故不存在擺脫閾值，但存在感知閾值、疼痛閾值和室顫閾值。為了全面了解靜電放電對人體的作用，我們首先研究人體對靜電放電電流的感知閾值。國際電工委員會在IEC4792中給出了在用手握大電極條件下，感知閾值和疼痛閾值與電量和充電電壓的關系。但國際電工委員會只給出了電容充電電壓最高為1000V時，人體對電容放電電擊的感知閾值和疼痛閾值。然而人在地毯上行走就可以帶上數(shù)萬伏的靜電電位，人在脫衣服時人體靜電電位最大值可達60kV。近幾年，日本等國研制的人體靜電放電模擬器電壓參數(shù)已定為30kV。為此，必須研究高電壓靜電放電對人體作用的感知閾值和疼痛閾值。軍械工程學院靜電技術研究所1997年報道了人體受高電壓電容器放電電擊的感知閾值、疼痛閾值和人體帶電對接地導體放電電擊的研究結(jié)果。 電容器放電對人體電擊感知閾值測試的實驗過程及結(jié)果實驗時，先給高電壓電容器充電，然后通過高壓開關對人體放電，調(diào)整電壓，直到人剛好感覺到有電刺激時，記錄對應的最大電壓。對每一個實驗對象在同一電容器放電時，測試五次以上，然后取平均值，以確定實驗對象在此電容器放電條件下的感知閾值。對同一個實驗對象用同一電容器放電時，典型的結(jié)果如表7.4所示。表7.4 同一個實驗對象用同一電容器（500pF）放電時的感知閾值實驗次序12345678910均值感知電壓/kV1.181.151.601.121.171.151.141.131.151.131.15感知電量/ C0.590.580.580.560.590.580.570.570.580.570.57感知能量/mJ0.350.330.340.310.340.330.320.320.330.320.33各次實驗所得的感知電壓，感知電量和感知能量都很接近。也就是說，每個人對靜電放電有確定的感知閾值。對同個實驗對象用不同電容器放電時測試結(jié)果見表7.5。由表7.5可知，同一個實驗對象用不向電容器放電時，感知能量和感知電壓都有很大的差別，20pF與1000PF的電容器放電相比，感知能量相差12倍，感知電壓相差25倍，但感知電量只相差兩倍。說明應該用感知電量來描述人體對靜電放電的感知閾值。表7.5 同一個實驗對象用不同電容器放電時感知閾值放電電容（pF）201005001000感知電壓/kV14.804.201.150.601感知能量/mJ2.192.190.880.18感知電量/ C0.300.420.580.60對不同實驗對象用相同電容器放電的實驗結(jié)果見表7.67.9表7.6 不同實驗對象相同電容器放電（20pF）時感知閾值實驗對象性別身高/m體重/Kg年齡感知電壓/KV感知電量/ C感知能量/mJ1女1.6048287.010.140.492男1.6957357.800.160.613男1.7055278.440.170.714男1.75703211.50.231.35男1.80783313.40.271.86男1.75755613.50.271.87男1.81705916.20.402.6均值11.10.221.3表7.7 不同實驗對象相同電容器放電（100pF）時感知閾值實驗對象性別身高/m體重/Kg年齡感知電壓/KV感知電量/C感知能量/mJ1女1.6048282.460.250.322男1.6957353.330.330.563男1.7055273.320.330.554男1.7570323.360.340.575男1.8078334.020.400.816男1.7575565.130.511.307男1.8170596.300.631.98均值3.990.400.87表7.8 不同實驗對象相同電容器放電（500pF）時感知閾值實驗對象性別身高/m體重/Kg年齡感知電壓/KV感知電量/C感知能量/mJ1女1.6048280.6230.310.102男1.6957350.8300.420.183男1.7055270.8240.410.174男1.7570320.9790.490.235男1.8078331.150.570.336男1.7575561.160.580.347男1.8170591.760.880.77均值1.050.520.30表7-9 不同實驗對象相同電容器放電（1000pF）時感知閾值實驗對象性別身高/m體重/Kg年齡感知電壓/kV感知電量/ C感知能量/mJ1女1.6048280.2830.280.0392男1.6957350.3340.330.0563男1.7055270.4080.410.0834男1.7570320.3380.340.0575男1.8078330.6010.600.186男1.7575560.7570.760.297男1.8170590.9080.910.41均值0.5180.520.16從表7.67.9可以看出，當儲能電容器的電容從20pF變化到1000pF時，感知電壓的平均值從11.1kV變化到0.518kV，感知電量的平均值從0.22C變化到0.52C,感知能量的平均值從1.3mJ1.6mJ。再次說明，在一定條件下決定人體對靜電放電感知閾值的靜電參量主要是放電的電量。對于50的概率，人體對靜電電擊的感知電量閾值為0.37C。當放電條件相同時，不同人的感知閾值有一定的差別，這主要決定于人的個體差異。男性的感知閾值高于女性，隨著年齡的增加，感知閾值也在增加。感知閾值與身高及體重也有明顯的關系，身體高的人，體重大的人感知閾值亦大。 電容器放電電擊人體疼痛閾值測試的實驗結(jié)果研究靜電放電對人體的作用，不僅要研究人體對脈沖電擊的感知閾值，更重要的是研究人體對脈沖電擊的疼痛閾值。疼痛閾值是指對人體加沖擊電流不引起疼痛時，電量或比能量的最大值。比能量是指單位體積電阻消耗的能量，即I2t，其中I為電流有效值，t為持續(xù)時間。這里所說的疼痛是指人不愿意再次接受的痛苦，當脈沖電流超過疼痛閾值時，會產(chǎn)生蜜蜂刺痛或煙頭灼痛的痛苦。由于確定疼痛閾值需要相當高的電壓對人體直接放電，雖然這種電擊實驗不會引起生命危險（實驗中采取了相應的安全措施），但是出于在生理上產(chǎn)生使人痛苦的電擊以及心理上對高壓電的恐懼，實驗難度比較大。實驗程序與感知閾值實驗相同，所不同的是靜電放電電擊直至使人體產(chǎn)生難以忍受的疼痛時，記錄產(chǎn)生疼痛時所對應的放電電壓，見表7.10所示。表7.10 人體靜電放電電擊疼痛閾值放電電容/pF1002005001000疼痛電壓/kV25146.03.1疼痛能量/ mJ31.319.69.04.8疼痛比能/10-6A2s62.639.218.09.6疼痛電量/C2.52.83.03.1由表7-10可知，在靜電電流流經(jīng)四肢，接觸面積較大的條件下，對于小電容放電，疼痛閾值亦主要決定于放電電量，約為3C。從比能的觀點考慮疼痛閾值為9.610-662.610-6A2s，對應的放電能量為4.83l.3mJ。達到上述量級的電擊，使整個手臂有通電感覺，整個手臂不由自主地震顫。 人體靜電放電電擊的生理效應為了全面考察靜電放電對人體的作用，不僅要研究帶電體對人體放電時的效應，而且要研究人體靜電對接地導體放電時的生理效應。實驗的基本方法是用靜電高壓電源對人體充電，以模擬人體自然帶電形成的人體靜電，然后斷開電源，使靜電帶電的人體對接地金屬體放電。充電時串聯(lián)100M的高壓電阻，以限制充電電流，確保實驗對象的安全。實驗分三組進行，第一組是人穿著泡沫塑料底拖鞋站在水磨石地板上，人體對地電容為90pF對地泄漏電阻為1013。第二組是實驗對象站在2cm厚的泡沫塑料板上，對地電容為70pF，泄漏電阻為1014。第三組實驗是實驗對象穿著泡沫塑料底拖鞋站在1.02.0m2的接地金屬板上，并且在實驗對象附近放置一塊接地金屬板，以模擬人體周圍存在接地導體的情況，此時，人體對地電容為200pF。實驗時環(huán)境條件是：相對溫度為18，相對濕度為25。實驗結(jié)果見表7.11。在表7.11中，人體電容為90pF，電壓從2.012kV的結(jié)果參考了GBl2158-90防止靜電事故通用導則和日本靜電安全指南等資料。表7.11電容相同時，靜電電擊的強度隨靜電電壓的升高而增加。當人體對地電容不同時，靜電打擊的強度主要決定于靜電放電的電量。從表7-11可以看出，在一般情況下，無論帶電導體對人體放電還是人體靜電對接地導體放電，大約3kV電壓是發(fā)生電擊的電壓閾值。 帶電體是非導體時的電擊閾值靜電非導體的放電情況與金屬導體不一樣。但是在大多數(shù)情況下，當非導體帶靜電電位為30kV以上，且向人體放電時，會發(fā)生靜電電擊。考慮到狀態(tài)特別不均勻，非導體中局部有電導率高的部分，或者非導體里面或附近有接地體時帶電電位約為10kV或帶電電荷密度約為105C/m2，此數(shù)值作為發(fā)生靜電電擊的一個界限。表7.11 帶電人體靜電放電時的反應對地電容/PF電壓/kV放電能量/mJ電量/C生理效應901.00.0450.09沒有感覺2.00.180.18手外側(cè)有感覺，但不疼痛2.50.280.225放電部位有針刺感，輕微沖擊感但不疼痛3.00.410.27有輕微和中等針刺感4.00.720.36手指輕微疼痛，有較強的針刺感5.01.10.45手掌，乃至手腕前部有打擊感6.01.60.54手指劇痛，手腕后部有強烈電擊感7.02.2.0.63手指，手掌劇痛，有麻木感8.02.90.72手掌，乃至手腕有麻木感9.03.60.81手腕劇痛，手部嚴重麻木104.50.90整只手劇痛，有電流流過感115.40.99手指劇烈麻木，整個手有強烈的電擊感126.51.1整只手有強烈的打擊感15101.4整個前臂有打擊感，疼痛20181.8整個手臂有打擊感，劇烈疼痛7020.140.14沒有感覺30.320.21手外側(cè)有感覺，但不疼痛50.880.35手指輕微疼痛，有較強的針刺痛感103.50.70手掌，乃至手腕有麻木感157.91.1整只手有強烈的打擊感20141.4整只手有強烈的打擊感，疼痛2000.50.0250.10沒有感覺1.00.100.20放電手指有感覺，但不疼痛3.00.900.60手指疼痛，手掌有麻木感5.02.51.0整只手有強烈的打擊感10102.0整個前臂有打擊感，疼痛15223.0整個前臂有打擊感，劇烈疼痛二、靜電防護措施靜電的產(chǎn)生幾乎是難以避免的，但可以通過各種行之有效的措施加以防護，以使其降低到可以接受的程度，并盡可能地減少危害。靜電的防護措施主要圍繞以下幾個方面：盡量減少靜電荷的產(chǎn)生；對已產(chǎn)生的靜電荷盡快予以消除，包括加速其泄漏、中和及降低其強度；最大限度地減少靜電危害；嚴格靜電防護管理，以保證各項措施的有效執(zhí)行。靜電防護是一種系統(tǒng)性、立體化、全方位、全過程的綜合性工作，需要相當復雜的技術措施、強有力的和健全的管理措施；需要工程技術人員、操作人員、使用及維護人員的共同參與。 防止靜電的產(chǎn)生 控制靜電產(chǎn)生的環(huán)境溫度控制。在可能條件下盡量降低溫度，包括環(huán)境溫度和物體接觸溫度；塵?？刂啤４伺e措為防止附著（吸附）帶電的重要措施；地板、桌椅面料和工作臺墊應由防靜電材料制成，并正確接地；靜電敏感產(chǎn)品的運送傳遞和存儲及包裝應采取靜電防護措施；噴射、流動、運送、纏繞和分離速度應加以控制，在液體、粉體等材料的輸送管道中使用緩和器。 防止人體帶電正確佩戴防靜電產(chǎn)品；嚴格禁止與工作無關的人體活動（例如做操、打鬧、梳頭發(fā)、吃東西等）；進行離子風浴。 材料選用要求凡必須或有可能發(fā)生接觸分離的材料應考慮使其在帶電序列表上的位次盡量靠近；應使材料表面光滑、平整、潔凈無污染；使用靜電導體材料和靜電耗散材料； 工藝控制措施制定并實施防靜電操作程序；使用防靜電工具；對有靜電燃燒、爆炸可能性的液體材料設置必要的靜置時間；盡量減少物體間的接觸壓力、時間、面積； 減少和消除靜電荷 接地設備、工具、管線等正確接地。 增濕使用各種適宜的加濕器和噴霧器等；采用濕拖布拖地或通過灑水等方法以提高帶電體附近或環(huán)境的濕度；在允許的情況下盡量選用吸濕性材料。 中和針對場所和帶電物體的形狀、特點、選用適宜類型的靜電消除器，以消除器具、器材、產(chǎn)品、場所、設備和人體上的靜電荷。 摻雜在非導體材料、器具的表面通過噴、涂、印、貼等方式附加上一層物質(zhì)以增加表面導電率，加速的電荷的泄露和釋放；在易于產(chǎn)生靜電的液體（如汽油、航空煤油燈）中加入化學藥品作為抗靜電添加劑，以改善液體材料的電導率。 減少靜電危害 提高產(chǎn)品自身抗靜電能力對CMOS等靜電敏感集成電路采用輸入、輸出保護電路設計；對于靜電敏感電子組件和電子設備，采用抗靜電防護設計（設置輸出、輸入保護電路和網(wǎng)絡、使用隔離電阻器，設置邊界保護環(huán)等）；對敏感元器件進行靜電防護設計（設置串聯(lián)限制流電阻器、設置鉗位放電間隙、降低瞬態(tài)能量密度、避免引線交迭和寄生MOS電容的形成等）。 采用靜電屏蔽和接地設計對敏感部位和敏感元器件采用加防護蓋、罩、片等靜電屏蔽措施，以減少靜電的力學、感應和放電危害；應盡量避免孤立導體的存在；在液體儲油罐等設施中設立具有屏蔽作用的檢測井，以保證和采樣的安全。 確保設備、設施和作業(yè)場所的靜電安全控制易燃、易爆的液體或粉體使爆炸性化合物濃度在燃燒、爆炸的極限濃度之下；保持作業(yè)場所各種接地設施和系統(tǒng)（雷電保護、故障保護、信號參考、大地電極、防靜電操作等）正確和有效接地；控制作業(yè)區(qū)內(nèi)各點靜電電位在標準允許的范圍之內(nèi)；安裝局部放電器、放電刷等，以通過電暈放電不斷釋放靜電能量使其積聚的能量在安全范圍之內(nèi)；嚴格靜電安全操作規(guī)程。 嚴格防靜電管理 建立健全責任制和規(guī)章制度建立健全各類人員（領導者，技術和管理人員、操作人員）的靜電安全防護管理職責，并備有檢測制度；建立靜電安全事故分析制度；編制具體詳細的防靜電操作規(guī)程；對設備、裝置、器材、工具等的防靜電性能要求建立定期檢測制度；建立產(chǎn)品靜電損害機理分析制度。 培訓教育針對領導者、管理和技術人員、操作人員等不同層次和不同崗位的人員、實施有關防靜電意識、知識、技術和安全教育；針對不同崗位操作人員進行操作技能培訓及考核。 警示裝置、標記、及符號的使用應在靜電敏感產(chǎn)品上和內(nèi)外包裝器件上做出警示標記或符號；應當對裝置、設備中的靜電敏感部件、部位，按照標準的要求做出標記或警示符號；應對防靜電作業(yè)場所（工作區(qū)）做出規(guī)定的特別標記；對關鍵控制部位應裝設報警裝置，以提醒人們及時處置。二、 按標準規(guī)定進行檢測試驗對有靜電性能要求的工具、器具、服裝等應定期檢測，使之保持合格狀態(tài)；對有明確指標要求的環(huán)境參數(shù)應按規(guī)定測量檢查；對人體和設備、裝置、系統(tǒng)的接地情況應按規(guī)定檢測；對產(chǎn)品的靜電敏感度（抗擾度）應按標準的規(guī)定進行試驗，并建立質(zhì)量分析和檢測制度。三、 防靜電產(chǎn)品簡介防靜電產(chǎn)品種類很多，主要從防靜電建筑環(huán)境、防靜電人體系統(tǒng)、防靜電操作系統(tǒng)等方面對一些常用的防靜電產(chǎn)品進行簡單的介紹。 防靜電建筑環(huán)境 防靜電板材地面在橡膠、塑料等高分子材料中加入炭黑、金屬粉或抗靜電劑，通過壓制成防靜電板材。防靜電橡膠地坪就是用防靜電橡膠板鋪裝而成的。地坪的電阻值除與膠板電阻率有關外，還與基材電阻值有關。由于作為基層的水泥砂漿層的電阻值一般較低（為l04105），所以選用電阻率過低的膠板對于降低地坪的系統(tǒng)電阻意義不大，故采用v為l06109cm的膠板即可滿足要求?？偟膩碚f，防靜電板材地坪具有施工簡單、抗靜電性能優(yōu)良、地面彈性好等優(yōu)點，特別適用于舊廠房改造、生產(chǎn)線調(diào)整以及其他需臨時采用防靜電地面的場所。 防靜電現(xiàn)澆地面目前廣泛使用的防靜電現(xiàn)場澆注高分子聚合物是將一般塑料與各種導電性物質(zhì)通過分散復合、層積復合或形成表面導電膜等方式構(gòu)成的。其中又以導電材料分散復合法用的較多，這種方法又分為抗靜電劑型和填加型。前者是在塑料中添加化學抗靜電劑，后者是向塑料中加入炭黑、金屬等填料。由于是現(xiàn)場涂澆和自然流平，所以地面無縫隙、平整、光滑，特別適用于潔凈度要求較高的場合。常用的防靜電現(xiàn)場澆注地坪有3種：a.防靜電不飽和樹脂地面：是在各種不飽和樹脂中加入導電填料，以降低其電阻率，可使v下降到l05107cm。這種地坪的優(yōu)點是質(zhì)輕、色淺、施工簡便、耐酸堿，缺點是耐水性差。b.防靜電聚氨酯地面:在地面施工時所用材料是一種雙組分、黏稠狀的物質(zhì)，其中A組分為聚氯酯預聚體，B組分是由固化劑、填充劑等組成的復合物。施工時，將A、B兩組分按一定比例混合并攪拌均勻，即可涂刷在基層地面，24小時后地面基本固化，57天充分固化后投入使用。該地坪的電阻率為l05108cm，其優(yōu)點是與基層地面粘接力強，耐酸、堿、水等。c.防靜電環(huán)氧樹脂地面:由于環(huán)氧樹脂具有耐久性和高沖擊強度，不易磨損、割裂和剝離，同時防靜電性能良好，地坪下部鋪設的導電網(wǎng)絡可用紫銅帶連接至接地導體上。另外，還有涂刷防靜電涂料，即在原地面上涂一層導靜電、耐高低溫、低灰塵、阻燃的涂料，顏色包括無色、白色或彩色，一般用醇酸樹脂或環(huán)氧樹脂做成。 防靜電活動地板在計算中心和電話局等各房間的工程技術設施中，活動地板是一個很重要的構(gòu)件。利用活動地板可以在機房內(nèi)組成一個地下空間的建筑結(jié)構(gòu)。活動地板上安裝著信息技術設備或通信設備，活動地板下的空間則用來敷設連接設備的各種管線，并可作為空調(diào)的靜壓送風風庫，通過地板上設的風口，把風送至地板上面的電子設備；無論機房的形狀和面積如何，都能方便而迅速地裝配并能容易地拆除；地板表面無噪聲、牢固、耐磨、潔凈、不起塵、不吸塵、不反光、不打滑。 防靜電地毯此種地毯是在其用料中混入一定量的導電纖維制作而成的。使用較多的導電纖維是不銹鋼纖維、碳纖維和復合纖維。特別是復合纖維，以其優(yōu)良的性能正在國外得到快速推廣。例如在歐美和日本廣泛應用的防靜電錦綸膨體變形長絲（BCF）地毯紗，就是采用錦綸長絲與導電纖維混纖制成的復合紗。為提高地毯的防靜電性能，要求在地毯纖維中使用導電纖維的同時，其底部也應是防靜電的，對于割絨化纖地毯來說，這一點更是必要的。用上述工藝制作的地毯即使在較低的相對濕度下（RH在40以下）也具有良好的防靜電性能，而且還解決了普通化纖地毯吸附塵埃的問題。表7.12是將不銹鋼纖維按各種比例混入羊毛地毯中所制成的防靜電地毯的抗靜電效果的比較。 表7.12 防靜電地毯纖維組成與人體靜電壓地毯中不銹鋼纖維混用率，%00.31.03.010.0人體最高靜電壓，V55001200100050050表7.13是在聚乙烯化纖地毯中織入2的導電纖維制成的防靜電地毯的消電效果，該復合纖維由碳纖維芯、聚乙烯殼和表面鍍鎳層組成。表7.13 含有復合導電纖維的防靜電地毯的防靜電效果樣品人體靜電壓，V安全防靜電鞋在地毯上步行60s在地毯上止步后普通聚乙烯地毯39002900防靜電聚乙烯地毯200100防靜電地毯上附設有接地端子，使用時直接與工作區(qū)靜電接地母線相連。防靜電地毯具有防靜電效果明顯，受環(huán)境溫、濕度影響小，鋪設方便，美觀等諸多優(yōu)點。缺點是易受污染，成本也高。 防靜電墻面由于地面與人體、工件、氣流等的摩擦、碰撞，若使用塑料貼面板、塑料壁紙等絕緣性能很好的材料制作，所以墻面上的靜電電壓產(chǎn)生后很難泄漏。防靜電墻面主要使用防靜電涂料、防靜電貼面板和防靜電壁布、壁紙等，并與適宜的地線系統(tǒng)配合，使墻壁不易產(chǎn)生靜電，而且還能泄漏與它接觸的人體等靜電導體上的靜電荷。 防靜電門防靜電門在門的把手和門體上采取了增加泄漏電阻等一些措施，使人體靜電通過門慢慢泄漏。避免了人體電擊，同時泄放掉靜電。 人體系統(tǒng)防靜電產(chǎn)品 防靜電腕帶防靜電腕帶與皮膚直接接觸，是一種通過接地把人體皮膚靜電導走的裝置。腕帶由松緊圈和接地組件組成。其中，松緊圈可由多種導靜電的復合材料制作，如鍍銀的單纖維和彈性尼龍線的編織物，帶有保護層的不銹鋼纖維織物，碳浸漬的塑料軟片等。一般來說，松緊圈材料的電阻串v102cm。接地組件是防靜電腕帶的另一個重要組成部分，接地組件必須串接(或材料本身具有)一定數(shù)值的電阻，以保證操作者在意外情況下觸及線電壓時不致發(fā)生人身傷害事故。正確選用該電阻數(shù)值是很關鍵的，其選用原則是：所串接的電阻R，一方面應保證操作者觸及線電壓時流經(jīng)人體的電流小于5mA，另一方面又要保證人體靜