楊 哲

(91404部隊，河北 秦皇島 066000)

1 艦船靜電機理與危害

1.1 艦船靜電起電機理

靜電即為靜止的或相對靜止的電荷[1]。當一物體中的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移或分子被極化時，就產(chǎn)生了帶電現(xiàn)象，物體可因其帶有多余的電子或缺乏電子而呈負極性或正極性。艦船靜電產(chǎn)生的原因十分復雜。艦船靜電按起電類別大致可分為感應起電和人體靜電2類，并且它還受到環(huán)境、溫度、時間、材料、介質(zhì)面積等諸多因素的影響。

1)感應起電。艦船作為高新技術綜合發(fā)展的產(chǎn)物，其自身安裝了大量電子設備，艦船在海上航行時，船體材料腐蝕、防腐措施的使用、船體漏電、運動引起的電磁感應等原因造成艦船周圍存在著電場。電子設備之間、每臺電子設備與艦體之間都分布有一定的電容，處在電場中的電子設備表面感應出與電場極性相反的電荷或?qū)υ须姾蛇M行了重新分布，從而使不帶電的設備變成了帶電設備。

2)人體靜電。艦船上有大量的工作人員，當人員在絕緣地面行走時，鞋底與地面不斷摩擦使鞋底帶有電荷。人員進入靜電場時，也會因靜電感應使人體帶有一種電荷，若人員離開靜電場便會使人體帶電；人員在帶電微?；蛞旱慰臻g活動后，由于帶電微粒或液滴降落在人體上，也使人體帶電。帶電人員再與其他不帶電設備接觸時，會因電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生靜電放電現(xiàn)象。

1.2 靜電的危害

靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)是指帶電導體的靜電場電壓超過周圍介質(zhì)的擊穿電壓時，而使帶電導體靜電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。艦船發(fā)生靜電放電時會造成電子設備的損害、彈藥等危險物的引燃以及人員的傷害。

1)對電子設備的危害。靜電放電屬于脈沖式干擾，主要通過放電輻射、靜電感應、電磁感應和傳導耦合等途徑危害電子設備。靜電放電對于電子設備電路的損害在于極短時間內(nèi)的放電電流對電路的感應所產(chǎn)生的噪聲，以及放電電流使基準地電位(如機殼地、信號地)發(fā)生偏移波動，從而導致對電路正常工作的干擾。靜電放電對電子元器件的損害通常表現(xiàn)為短路、開路以及參數(shù)的嚴重變化，進而有導致電子設備誤動作和信息丟失的可能。靜電放電一旦致使艦船指控中心、雷達等關鍵設備喪失功能，對日常訓練或戰(zhàn)時所造成的后果都是不可預估的。

2)對艦船彈藥的危害。靜電對艦船彈藥的危害主要表現(xiàn)在熱效應、脈沖干擾、電場效應和磁效應4個方面。靜電放電所產(chǎn)生的熱效應，有可能瞬間引起艦船彈藥、易燃易爆氣體或電火工品等燃燒爆炸，還可能使艦船彈藥微電子器件電路過熱造成局部損傷失效。脈沖干擾會對彈藥器件或電路性能造成電噪聲，進而對電路性能造成損傷，降低彈藥可靠性。彈藥在轉(zhuǎn)運、維護過程中所產(chǎn)生的靜電，其電壓可能會對處于靜電電場中的敏感零部件放電和擊穿，影響彈藥正常使用。當大量電荷積聚釋放時，會在電子設備表面引起強電流從而產(chǎn)生強磁場，所產(chǎn)生的磁效應會干擾電子設備的正常工作。

3)對人員傷害。當人體靠近帶靜電導體或帶靜電人體接近接地導體時，只要人體和其他導體之間的靜電場電壓超過空氣的擊穿電壓，會造成人體與導體之間的靜電放電，從而使人體受到靜電點擊。雖然靜電電擊不會導致人員傷亡，但會給長期工作生活于狹小艦船的艦員帶來不良情緒[2]，尤其會降低艦員的日常訓練效果，不利于艦船作戰(zhàn)能力的提升。

2 艦船ESD模型分析

艦船上靜電源多種多樣，會發(fā)生不同形式的放電現(xiàn)象；同一靜電源在不同氣候、環(huán)境等因素影響下，也會產(chǎn)生不同的放電結(jié)果。因此需要根據(jù)工作環(huán)境和靜電源特點建立具有代表性的靜電放電模型，從而模擬靜電放電的主要特征。根據(jù)艦船靜電放電特點，可以建立靜電放電的場感應器件ESD模型、人體ESD模型[3]。

2.1 場感應器件ESD模型

場感應器件模型的放電過程是由器件本身感應帶電所引起的。處于靜電場中的電子設備會因靜電感應出現(xiàn)電荷分離，并使電位升高。當外界場強足夠大時，會引起帶電器件與其它不等電位導體之間的放電。如果帶電器件一側(cè)對地短路，則放電電流可能導致器件失效。場感應器件ESD等效電路圖如圖1所示。

圖1 場感應器件ESD等效電路圖

圖1中C1、C2分別代表電子器件與其它不等電位導體之間的分布電容，其值取決于器件位置和電場強度。C為帶電器件電容，R和L為管腳電阻和電感，其參數(shù)值取決于器件具體情況。帶電器件在帶電時，大部分電荷分布在金屬管腳上，并且考慮到R的值較小，管腳的電感不能忽略，故用RCL電氣結(jié)構(gòu)表示。

根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律，并結(jié)合等效電路圖，可得到場感應器件ESD模型等效電路的微分方程：

(1)

(2)

(3)

式中，UC是電容C的電壓；UC2是電容C2的電壓；I是帶電器件對地短路后的放電電流。

2.2 人體—器件ESD模型

人體在活動、處于靜電場中或處于帶電微?？臻g時會帶有一點電量，所以人體具有明顯的電容。同時，人體自身也有電阻，阻值依賴于個體肌肉彈性、水分和接觸電阻等因素。人體作為產(chǎn)生靜電的最主要來源之一，人體ESD模型也成為了艦船靜電放電的重要研究對象。

在研究人體模型時，通常認為人體電感量值很小，大多數(shù)情況下可以忽略不計，將人體等效為電容串聯(lián)電阻的模型。但在實際情況中，單純的采用電容串聯(lián)電阻的人體模型在模擬靜電放電時還并不完善。在工作中，尤其是人體手持小金屬物體或與小金屬物體接觸時，人體的手、前臂對自由空間存在無感電容。因此采用雙RLC電氣結(jié)構(gòu)模型來表示人體更貼近實際情況[4],如圖2所示。圖中C3、R1和L1分別為人體電容、電阻和電感。C4、R2和L2分別為前臂及手的電容、電阻和電感。圖2中各參數(shù)值需根據(jù)不同環(huán)境來進行確定。

圖2 人體ESD等系電路

在艦船環(huán)境中，電子設備和電火工品較多，人體靜電放電所產(chǎn)生的電磁脈沖會影響或損壞電路器件。針對這類特點結(jié)合人體模型，可建立人體—器件ESD模型，如圖3所示。

圖3 人體—器件ESD等效電路

如圖3所示，C5、R、L分別為器件的等效電容、電阻和電感，C6為手與器件之間的分布電容。需要注意的是，當人手持金屬物體與器件接觸時，金屬物體與器件之間還存在無感電容和火花通道的電阻。

同樣，根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律，可得到人體—器件ESD模型的等效電路微分方程：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，UC5是電容C5的電壓;UC3是電容C3的電壓；UC4是電容C4的電壓；I3是流過器件的電流；I1是流過手臂的電流;I2是流過人體的電流。

3 仿真試驗及分析

本文仿真實驗基于MATLAB軟件中的Simulink庫。利用Simulink庫中的可視化元件，將ESD數(shù)學模型轉(zhuǎn)化為直觀的MATLAB仿真模型。進而對不同ESD模型的放電特征進行分析。

3.1 場感應器件仿真模型

根據(jù)場感應器件屬性，設定器件電容C=10 pF，R=20 Ω，L=10 nH；設定器件與地之間的空間電容C1=10 nF；UC=1 000 V，開關開通時間為1 ns。建立場感應器件Simulink仿真模型，如圖4所示。

圖4 場感應器件仿真模型

可得到場感應器件ESD放電電流波形圖，如圖5所示。

圖5 場感應器件靜電放電電流波形

圖5中橫坐標為放電時間，縱坐標為放電電流。由圖5知，電流在1.38 ns時達到峰值20.7 A。由于器件中電感不能忽略，出現(xiàn)反向放電的情況，反向電流峰值達到-7.3 A。場感應器件靜電放電是一個快速振蕩的瞬態(tài)過程，整個過程由1 ns開始放電，至7 ns放電結(jié)束，共持續(xù)6 ns，振蕩周期為2 ns。

通常場感應器件靜電放電不會立即使器件失效，但會因為高頻率的電流變化，產(chǎn)生變化頻率很高的電場和磁場，對電子儀器等設備產(chǎn)生靜電噪聲和電磁干擾。同時，器件的管腳可以充當接收天線，造成與管腳相連導電體的電場畸變，當外加電場足夠大時，可造成器件被擊穿。

3.2 人體—器件仿真模型

根據(jù)IEC—801-2和IEC—61000-4-2標準中規(guī)定的人體模型參數(shù)和器件屬性，設定C1=150 pF，C2=10 pF，C=10 pF，R1=330 Ω，R2=20 Ω，R=20 Ω，L1=0.04 μH，L2=0.05 μH，L=10 nH，UC1=1 900 V，開關開通時間為10 ns。建立人體—器件Simulink仿真模型，如圖6所示。

圖6 人體—器件仿真模型

可得到人體—器件ESD放電電流波形圖，如圖7所示。

圖7 人體—器件靜電放電電流波形

由圖7可知，電流在12.48 ns時達到峰值6.6 A。由于電路中存在電感，電流波形出現(xiàn)了振蕩，第二個波峰出現(xiàn)在17.16 ns，幅值為4.7 A。經(jīng)過第二個振蕩后，電流呈指數(shù)衰減態(tài)勢，直至35 ns后放電結(jié)束。人體—器件ESD模型并未出現(xiàn)場感應器件ESD模型的電流波形，主要原因在于人體電阻遠遠大于電感，在出現(xiàn)兩個波峰后就開始呈指數(shù)衰減，而未出現(xiàn)過大的反向電流。

人體—器件ESD模型雖然未出現(xiàn)較大的電流峰值和高頻振蕩，但其發(fā)生條件更為容易，若頻繁地對同一器件放電，同樣會造成電子儀器的損傷。在環(huán)境較為干燥的冬季，會帶有更高的放電電壓，引起幅值較大的放電電流，進而造成器件的擊穿。

4 艦船靜電防護措施

艦船具有空間狹小、電子設備復雜、武器彈藥數(shù)量龐大等特點。在有限的空間內(nèi)存在復雜的電磁環(huán)境，電子設備和導體必然會發(fā)生靜電感應。同時，在狹小空間中人員操作設備以及搬運物資等工作過程中，也會發(fā)生摩擦起電。這些情況時刻威脅著電子設備、彈藥和人員安全，因此需要對艦船靜電進行安全防護措施。

4.1 規(guī)范防靜電制度和管理

在上艦前，需要對人員進行系統(tǒng)性的靜電防護教育，并對關鍵崗位如雷達、彈藥等部位的操作人員進行針對性的培訓，提高上艦人員的防靜電意識。制定防靜電管理制度，配備防靜電工作服、鞋、腕帶等裝具，嚴格限制重要部位的人員出入。由專人負責防靜電檢測和記錄，并定期對配備裝具和重要部位的工作臺面、擱置架、艙室環(huán)境進行檢查維護。人在靜電放電中處于關鍵一環(huán)，從主觀上進行靜電防護是行之有效且值得提倡的。

4.2 抑制靜電感應

靜電感應發(fā)生的主要原因是電子元器件受到所處電場的影響，產(chǎn)生了電位差。靜電感應可以通過物理屏蔽等措施加以抑制。如采用屏蔽式的電源線，避免線間干擾；采用雙絞線形式的信號線，并盡可能不外露；對艦上的電路模塊使用屏蔽盒，并屏蔽接地；降低電路中阻抗值[5]，以減小電位差；在艦上作業(yè)過程中對電子器件的端子采用良好導電性的防靜電材料進行包裝等措施，均能達到減少靜電感應的作用。對靜電感應的物理屏蔽從根源上降低了靜電發(fā)生的概率，這類措施應當在艦船設計時考慮在內(nèi)。

4.3 采用防靜電材料

摩擦生電是靜電發(fā)生的主要途徑之一，環(huán)境越干燥，材料的絕緣性越好，越容易通過摩擦產(chǎn)生靜電。因此可以通過改善工作環(huán)境，使用防靜電材料減少摩擦生電?；蜻m當增加環(huán)境濕度，將空氣濕度增加到70%左右[6]，以增加絕緣材料的電導率。需要注意的是在高溫環(huán)境下還應考慮降低溫度的因素，在機柜表面涂裝防靜電涂層，使靜電不易形成，在工作臺使用防靜電保護面和導電地板以增強靜電防護能力。防靜電材料的使用可以有效降低靜電荷的產(chǎn)生，避免作業(yè)中的摩擦生電。

5 結(jié)束語

艦船上空間狹小，人員眾多，環(huán)境復雜，容易產(chǎn)生靜電并且發(fā)生靜電放電現(xiàn)象。靜電放電對艦船上大量的電子設備和武器彈藥是不可忽視的威脅。本文根據(jù)艦船上易發(fā)生的靜電放電類型，建立了場感應器件ESD模型和人體—器件ESD模型，并通過MATLAB仿真對2種放電模型進行了仿真驗證，進一步說明了2種放電類型對艦船安全的危害。本文給出了靜電防護措施的建議，為艦船靜電防護提供了行之有效的指導性建議。