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靜電教學實驗的安全問題

放大字體  縮小字體 發布日期:2018-08-14 作者:朱國平
              

 

           金毅                                             教育部教育裝備研究與發展中心 100080      北京教育學院石景山分院100043  

    人們經常見到靜電現象,靜電現象的正面利用以及反面危害的防治,越來越受到廣泛的重視,在新教材中專門有所介紹。随着我國創新的産品電子起電機和高性能範氏起電機(II型,以下同)大量生産并進入學校,相應的行業标準起草制定,有關的靜電教學實驗的安全問題,引起了廣泛的讨論和注意,我們在學習研究靜電安全方面的專著、技術标準,并對上述新産品做了大量實驗的基礎上,談談我們的認識。

1  靜電現象

  所謂靜電現象,是指由于帶電體的靜電場作用而引起的靜電放電、靜電感應、介質極化

以及靜電力作用等各種物理現象的統稱。而靜電放電是指當帶電體周圍的場強超過周圍介質的絕緣擊穿場強時,因介質産生電離而使帶電體上的電荷部分或全部消失的現象。

  人眼可見的靜電放電現象有【1】:(1)尖端放電:在帶電導體曲率半徑很小處所發生的放電現象。(2) 輝光放電:當電場強度達到氣體的放電場強時,在氣體中以發光形式出現的電傳導現象。(3)電暈放電:發生在不均勻的、場強很高的電場中的輝光放電。電暈放電時,在電極周圍有微弱發光的電暈層。(4)火花放電:由于分隔兩電極間的空氣或其它電介質材料突然被擊穿,使電流急劇上升,電壓急劇下降,引起帶有瞬間閃光、并有集中通道的短暫放電現象。(5)沿面放電:當帶靜電的物體接近接地體而在兩者間發生放電時,沿帶電體表面産生的發光放電。(6)刷形放電:指發生于帶電量大的絕緣體與導體之間空氣介質中的一種放電形式。該放電形式發生時放電通道不集中,呈分枝狀。(7)傳播型刷形放電:在高速起電場所及靜電非導體背面襯有接地導體的情況下,在靜電非導體上所發生的放電能量集中、引燃能力強,并帶有聲光特征的一種放電。

2 交流電的人身安全性

(1) 人身接觸交流電時的安全性

根據《GB 13870.1-2008  電流對人和家畜的效應第1部分:通用部分》的5.2條内

容,人體對15Hz-100Hz内正弦交流電的反應阈值是與時間無關的0.5 mA,又根據5.4條内容,人體的擺脫阈值為10 mA,即在這一電流下,人身可以擺脫觸電狀态,這就是安全電流值。

(2) 人身接觸交流或直流供電時的帶電部件(如電容或其它零部件)時的安全性

    由國家标準《GB 8898-2011  音頻、視頻及類似電子設備 安全要求》的“9.1.1.1條 危險帶電零部件的确定”,“如果滿足下列規定,則端子的另部件或接觸件是危險帶電的:a)開路電壓超過交流35V(峰值)或直流60V,…,如果超過a)項的電壓限值,則b)~d)的規定适用。…,c)在直流60V到15kV之間的電壓下所儲存的電荷的電量超過45μC(微庫倫);或d)在超過直流15kV的電壓下所儲存的電荷的放電能量超過350mJ(毫焦耳)。”這些就是普通的交直流電子電路中,帶有危險電壓的帶電部件的安全标準。

3 靜電放電的安全性

(1) 靜電放電場所的安全性。

靜電放電對于高粉塵、易燃易爆的場所,極易造成爆炸事故。在IC行業,靜電放電的

高電壓,極易對微電子電路造成損害。在軍工領域,靜電放電常常會導緻電發火裝置及易燃易爆物質意外發火形成惡性事故。這些是有關部門要特别重視并應采取有效措施避免。

(2)靜電放電對人身的安全性

靜電放電作用于人體時【2】,由于放電脈沖的時間非常短,不存在上述交流電的擺脫阈

值,也就是說,一般不會直接導緻人員傷亡;但存在人的感知阈值、疼痛阈值,這是靜電電擊造成的。靜電電擊是由于帶電體向人體,或帶靜電的人體向接地的導體,以及人體相互間發生靜電放電,其所産生的瞬間沖擊電流通過人體而引起的病理生理效應。靜電電擊的沖擊有可能發生手指麻木,或引起恐慌情緒,或使人體失去平衡,發生跌倒,高空作業時發生人體墜落等二次事故,這些都要引起重視并注意避免。

中國工程院院士、中國物理學會靜電專業委員會主任、解放軍軍械工程學院教授、靜電與電磁防護研究所所長劉尚合為了測出人體靜電電位的極端值,首創性地提出了“非靜電力做功——變容升壓”人體高電壓實驗方法,并親身接受人體實驗。首次測定并驗證了人體靜電電位極端值,達到了71kV(千伏)。在《靜電放電及危害防護》【3】中介紹,實驗得出人體直接受到靜電電擊時,感知電量阈值一般為0.37µC(微庫倫);疼痛阈值主要決定于放電電量,約為3µC~70µC,疼痛阈值放電能量約為4.8 mJ~31 mJ。

(3)靜電電擊的危險程度  

日本菅義夫主編的《靜電手冊》【4】中對靜電電擊危險程度的叙述更明确。

    靜電電擊主要發生在高壓小電容放電,由于火花放電,在人體内流過脈沖電流造成的。在這種條件下,皮膚的阻抗幾乎可看作零,人體的阻抗可認為是500歐姆數量級。

産生心室纖動的臨界值是27瓦秒(焦耳),隻要在電路上不插入電容器,看來是沒有生命危險的。這個臨界能量是相當安全的值。如圖所示,許多電容器放電電擊事故的例子說明進入了危險範圍也不會造成緻命事故。我們以此作為限制靜電儀器最大儲能的依據。間歇放電情況下,如間歇時間為0.9秒以上,可按單脈沖處理。

下圖是該書(281頁)關于靜電電擊對人身安全重要表述。

 

4 電子起電機的安全性

電子起電機的原理,它是用直流低壓電源(如:6伏電池)對振蕩電路供電,經升壓變壓器,輸出到正負對稱的倍壓整流電路中,産生正負端高壓直流輸出,并分别存在不同的高壓電容器中,它們的極性是固定不變的, 極性由電路設計确定(儀器的放電支架座旁标有極性符号),呈現出高壓靜電電源的特征。然後經放電杆發生火花放電。

電子起電機對人身的安全性。(1)規定電子起電機短路電流不大于500µA,注意這是

靜電電源特性的電流,是脈沖性放電,本質上不同于交流電。即使這樣,它仍遠低于交流電安全電流值10 mA,因此電子起電機短路時是完全安全的。這就是為什麼當電子起電機工作時,人的兩個手掌分别抓住電子起電機的兩個放電球,而不會觸電的原因,因為此時通過人體的電流太小。(2)有人說國家标準《GB 8898-2011  音頻、視頻及類似電子設備 安全要求規定,在關閉電源後電子産品中的高壓電容儲能不能超過0.35j的問題,我們認為該标準是為通常的交直流電子電路制定的,該标準完全不适用于靜電性質的電路。(3)電子起電機存在上述靜電電擊問題,但是由于電子起電機的電源最大輸出功率很小(低于3瓦),所産生的靜電電擊僅有可能使身體接觸部位有疼痛感,與教學用電火花計時器的火花放電的刺痛感相近,因為它們的輸出能量等級比較接近,因此電子起電機對人身是安全的。 

電子起電機儀器本身的安全性。(1)電子起電機的電路部分具有開路、短路保護措施。

(2)電子起電機的高壓連接導線是能耐15000V的矽橡膠絕緣高壓軟電線,矽膠線是近些年出現的新産品。普通橡膠等軟導線耐壓都在1000V以下,耐壓不夠,不适合做高壓連接線,而與矽橡膠線有相同耐壓等級的橡膠線則又粗又硬,不适合做教學實驗用高壓連接線。(3)

電子起電機上有“當心靜電電擊”的文字警告。這是警告使用者,即使在關閉電源的情況下,在高壓放電的電容中仍存有一定量的靜電電荷,但這是殘餘電荷,電量很少,即使被電擊,也不會對人身造成傷害,無須過分緊張。

5 高性能範氏起電機的安全性

  教學用範氏起電機是利用下端的電動機帶動轉輪再帶動皮帶移動,通過摩擦産生電荷利用絕緣皮帶向上端的蓄電球輸送電荷。範氏起電機的結構和原理,在有關的教材、産品說明書、行業标準中均可以看到,這裡就不多述。

高性能範氏起電機(II型)對人身的安全性。短路電流不大于20µA,對人身是安全的。(2)範氏起電機也有靜電電擊問題,但是由于高性能範氏起電機的靜電電壓接近30萬伏(經驗估算值),它的蓄電球電容(計算值)32.2(pF)并不大,蓄電球電量: Q=CU =32.2×10-12×3×105 (C)= 96.6×10-7(C)=9.66 (µC),蓄電球儲能W=(1/2)CU2= 0.5×32.2×10-12×(3×105)2  = 1.45 (J),遠小于前面所述靜電臨界能量27瓦秒(J)。即使受到靜電電擊也沒有生命危險,我們還是要盡量避免發生人體的靜電電擊。(3)由于蓄電球比較大(直徑φ580 mm),蓄電球附近會産生強大的電暈風,電暈風是蓄電球周圍發生電暈放電時,由于電場力的作用,使空氣電離産生的離子飛離蓄電球(電極)并帶動中性分子而形成的氣流。(3)需要強調的是,上述靜電臨界能量27J(瓦秒)是直接施加到人身以緻能引起人的心室纖動的焦耳能;實際上,當人身在接近範氏起電機大球到被電擊時,球上的能量并沒有全部施加到人身,人身得到的隻是其中能量的幾十分之一或者更低。這是因為靜電電壓越高,放電距離就越遠,假定當大球對地放電距離為30cm,放電火花在經過30cm的路程中已有大部分能量變成了使球體周圍空氣産生電離及經過30cm路徑上放電而變成光熱損失。因而實際上達到人體的能量是由人與起電機間空氣電阻和人體電阻(約500歐)之間的分壓比決定的,這種比值非常大,所以當電火花觸及到人體時,能量已經消耗得差不多了,可謂強弩之末。我們在大量的現場試驗中,得出了與上述認識相同的結果。當我們在徒手直接接近大球時,無論大球的電壓是高還是低,電壓高,電火花飛的遠;電壓低,電火花飛的近;電火花打在手上的感覺是差不多的,并與人在幹燥天氣摸金屬門把手的感覺差不多。以上是在理性思考及親身實踐的基礎上得出的認識,這也是對人們長期以來對靜電高壓認識誤區的一個糾正。這樣在制定标準時,範氏起電機的安全性處理也就比較簡單。實驗時隻需讓周圍觀衆離開蓄電球2 m距離即可。(5)當實驗者通過絕緣台階(凳)走上去并用雙手接觸到蓄電球時,人體與蓄電球處于同一電位,由于人體不接觸地面,不會發生人體的靜電電擊現象,實驗者的頭發在高壓靜電場的作用下會産生“怒發沖冠”的實驗效果。

高性能範氏起電機(II型)對周圍環境的安全性。我們規定工作時,10m以内不應有開機狀态的電子儀器以及易燃氣體、粉塵等易燃易爆物質。我們數十次利用範氏起電機進行遠距離放電時,發現電火花一般隻會對附近的電腦等電子設備造成幹擾或死機,但離開5 m遠就沒有問題。還沒有發現對電子設備造成破壞性損壞的案例。至于手機,則沒有影響。

範氏起電機儀器本身的安全性與電子起電機儀器本身的安全性要求相同。

 

參考文獻

【1】GB/T 15463-2008 靜電安全術語

【2】靜電安全指南,日本勞動省産業安全研究所編制,勞動人事部保護局等譯,北京勞動出版社,1982

【3】靜電放電及危害防護,劉尚合等,北京郵電大學出版社,2004

【4】靜電手冊,(日)菅義夫主編,《靜電手冊》翻譯組北京科學出版社, 1981

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

該文已被收錄于中國物理學會第22屆全國靜電學術年會會議論文集   時間20180808

 

 

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