貴州師范大學物理與電子科學學院　由小錦

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靜電放電中電極移動速度效應對放電電流的影響性分析

貴州師范大學物理與電子科學學院由小錦

【摘要】在小間隙靜電放電中，電極移動速度影響放電參數(shù)，引起測量結果數(shù)離散性和低重復性。我們研究團隊研制的新型測試系統(tǒng)，可測量靜電放電各參數(shù)隨不同因素變化的影響。在以不同速度向靶移動放電時，放電電流峰值、電流的上升斜率以及波形都會產(chǎn)生明顯的差異。該因素和氣體壓強、溫度、濕度等多個因素同時作用，是導致國際電磁兼容標準迄今尚無非接觸靜電放電測試標準的主要原因。在實驗室條件下基于研發(fā)的新型ESD測試系統(tǒng)，改變電極向靶移動速度，觀察放電電流峰值的相應變化。研究討論了實驗測試中,改變電極移動速度,獲得在一定不同帶電電壓下小間隙放電電流各參數(shù)的差異。對實驗測量結果初步進行了理論上的分析。

【關鍵詞】靜電放電；低重復性；電極移動速度；小間隙放電

0　引言

靜電放電在日常生活中對電子電器設備服務系統(tǒng)會產(chǎn)生一種嚴重的危害。在靜電放電發(fā)生時，放電間隙的擊穿呈現(xiàn)電阻的非線性導致了放電電流電流特性具有非線性[1]。電極向靶的移動速度是影響放電參數(shù)低重復性的重要因素之一[2,3]。這種低重復性間接制約非接觸靜電放電的標準的制定。全面對非接觸靜電放電受多因素影響關系進行研究，尚未見報道。我們團隊自主研發(fā)的新型ESD測試系統(tǒng)，綜合考慮不同環(huán)境因素的影響，逐一定量考察隊放電結果參數(shù)影響。

1　新型靜電放電測試系統(tǒng)原理

根據(jù)國際電工委員會標準IEC61000-4-2制造的靜電放電發(fā)生裝置(俗稱放電槍)，是放電過程的模擬裝置[4]。該新型靜電放電測試儀器采用將傳統(tǒng)的圓周運動轉(zhuǎn)變成直線運動的曲軸連桿機構精巧設計，通過電機轉(zhuǎn)矩和速度調(diào)節(jié)器來控制電極運動速度和直線運動行程，保證了帶電體(放電槍)高速向靶運動，將電極加速度信號記錄下來，并通過數(shù)字示波器進行顯示。為了定量研究非接觸靜電放電中不同因素的影響，我們團隊研制出一種新型靜電放電測試系統(tǒng)[4]。如圖1所示，給出了該新型測的結構示意圖。

圖1　新型靜電放電測試系統(tǒng)結構示意圖

各部分的名稱如下：1-密閉箱體，2-曲軸連桿，3-放電靶，4-導軌支架，5-導軌，6-靜電放電發(fā)生器，7-電動機，8-攝像頭，9-溫度濕度顯示器，10-滾輪，11-負壓表，12-連接管，13-電機驅(qū)動調(diào)速器，14-控制器，15-無線路由器，16-靜電放電發(fā)生器固定底座，17-電機支架?？紤]到放電參數(shù)在空氣中的低重復特性，我們通過電機驅(qū)動調(diào)速器和電路面板的控制實現(xiàn)對電極移動速度的改變，測量記錄了相應的放電電流。

2　電極速度引起電流峰值的變化

在同樣的電壓值下，理論上靜電放電發(fā)生器的放電電流峰值應該相等。電極移動速度不同的原因是步進電機的轉(zhuǎn)動頻率不同，所以實驗中放電電流峰值和波形也會有所不同，放電參數(shù)出現(xiàn)明顯的離散特性，由圖2可得電極速度高的放電電流明顯大。

圖2　電極速度與放電電流的關系圖

3　電極速度對ESD的影響分析

德國G Mierdel和R Seeliger在早年就進行過電暈實驗研究[5]。后期美國人Penny、Cooperman等人對電暈理論和應用進行了深入研究[6,7]。在忽略濕度對放電過程的影響和帶電粒子的慣性力的前提下，用氣體學原理和電暈放電理論得電極移動速度和電場強度之間的關系如下[8]：

α與氣體壓強和間隙中的場強密切相關，也與電子運動的平均自由程λ成正比，即與氣體壓強密切相關[9]：

我們用以上公式驗證了該觀點。由公式(3)可得電極速度ν增大，則單位長度電離出的載流子數(shù)α增加。公式(4)描述的是表面過程的次級過程，可得載流子數(shù)α增大，電流峰值則增高。理想情況下，同一靜電放電發(fā)生器在相同放電電壓和固定間隙時應具有相同的電流峰值，但實驗證明存在多種因素影響放電參數(shù)。由圖2可看出在不同帶電電壓下放電電流峰值也不同，則帶電電壓也是影響放電電流的一個重要因素。其中V為電極移動速度，q為金屬粒子電荷量，氣體動力黏度，E為電極間的場強，ds為帶電粒子的斯托克斯粒徑，α為單位長度電離出的載流子數(shù)，ve(t)為電子的漂移速度，A與B是分別與氣體性質(zhì)和電極材料有關的常數(shù)。

圖3　帶電電壓為2kV時的電流變化圖

圖4　帶電電壓為4kV時的電流變化圖

圖5　帶電電壓為6kV時的電流變化圖

比較圖3和圖4可以看出，帶電電壓增大時，電流峰值也隨之增大。當帶電電壓在6kV時，觀察圖5電極運動速度下的放電電流比4kV時電極速度下的電流峰值有所下降。則說明還有其它因素的影響，例如濕度，環(huán)境等。對于這些因素需要我們進一步探討研究。

4　結論

由實驗可知，在一定范圍內(nèi)放電電流峰值會隨電極速度增加。但從測試結果可知，隨著電壓繼續(xù)增大時，放電電流只是第1個峰值下降，而總的電流是增加的；第1個峰值是放電頭上電荷放電，如果移動速度慢，有部分電荷消散到周圍環(huán)境，則會導致放電電流峰值開始下降。

參考文獻

[1]阮方鳴,石丹,高攸綱,等.在小間隙放電中用Bernoulli定理分析電極移動效應[J].電波科學學報,2009,25(3):551-555.

[2]D.Pommerenke.On Influence of Speed of Approach,Humidity and Arc Length on ESD Breakdown[C].The 3rd ESD Forum,Grainau,Germany,1993:103-111.

[3]S.Frei,M.Senghaas,R.Jobava,et al.The Influence of Speed of Approach and Humidity on the Intensity of ESD[C].Int.Zurich Symp.EMC,1999:105-110.

[4]阮方鳴,楊向東,李章倫,等.電極移動速度效應檢測儀及其制作方法[P].中國專利:CN103091585A,2013-05-08 .

[5]Mierdel G,Seeliger R.The Physical Basis of Electrical Gas Purification[J].Trans.Faraday Soc,1936,32:1284-1289.

[6]G.W.Penny,G..T.Humert.Photoionization Measurement in Air,Oxygen,and Nitrogen[J].APPI.Phys,1970,41:572-577.

[7]Cooperman P.A Theory for Space-charge Limited Currents with Application[J].Trans.AIEE,1960,79(49):47-50.

[8]汪穎.噴射放電極靜電除塵器的收塵機理及研發(fā)[D].武漢:武漢科技大學,2009:21-29.

[9]阮方鳴,高攸綱,石丹,等.靜電放電參數(shù)對電極速度的相關性與機理分析[J].電波科學學報,2008,23(5):977-981.