RESD-1人体静电放电模型系统设计与研究

刘春凤,刘金城,李志鹏,刘冀川

(中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳 621900)

RESD-1人体静电放电模型系统设计与研究

刘春凤,刘金城,李志鹏,刘冀川

(中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳 621900)

根据“Sandia严格人体模型”的电路参数设计制作了RESD-1人体静电放电模型系统,对XX雷管和XX电爆管ESD进行了静电安全性实验研究.实验中考虑了火工品经低湿储存、多次静电刺激、在低湿条件下接受静电刺激以及经由脚-脚和脚-壳方式放电等多种因素对其静电安全性的影响.初步的实验结果表明,在军用武器的正常拆装过程中,XX雷管和XX电爆管均具有较高的静电安全性.

火工品;严格人体模型;静电安全性

随着高能钝感炸药以及爆炸丝雷管、冲击片雷管的研制和应用,军用炸药和火工品静电安全性能已有很大的改善,如果仍沿用以前的安全操作条件既浪费资源也不利于备战.因此有必要对军用武器使用的炸药、火工品静电安全性能进行详细研究,对军用武器拆装过程中炸药及火工品的静电安全性进行评估,并提出有效的静电防护和消除措施,在此基础上,确定适合军用武器安全拆装的操作环境条件,制定静电安全操作规范.

目前,主要研究军用武器拆装过程中的静电起电—放电变化规律,并对炸药及火工品在低湿条件下的抗静电能力进行模拟实验,测定其静电安全阈值.为此项研究,笔者设计并研制了RESD-1人体静电放电模型系统.

国际电工委员会在IEC61000-4-2标准中详细规定了设备对静电放电(ESD)抗扰性测试的具体要求,而ESD模拟器成为测试的关键设备,其中的放电回路是设备的核心.由于ESD模拟器放电回路的结构形成的分布参数对设备的性能影响很大,所以放电回路的设计有一定的难度[1].

1 人体ESD模型

静电放电是一个复杂多变的过程,且静电放电的形式多样,能产生静电放电的静电源也是多种多样,同一静电放电源对不同的物体放电产生的结果不一样,即使同一静电源对同一物体放电,也会因气候、环境等条件的影响,难以得到重复性的放电结果.由于静电放电的这种多变性,使得难以有效地对ESD的危害和效应进行正确的评估[2-3].针对这一问题,人们对实际中各种可能产生具有危害的静电放电的静电源进行了深入研究,根据其主要的静电放电特点和规律模拟并简化得到了ESD电路模型,如图1示.目前公开报道的ESD模型有人体模型、场增强模型(或者人体-金属模型)、机器模型等9种之多,人体模型和场增强模型描述了人体作为危险静电源在不同情况下放电的特征参量.

图1 人体ESD模型Fig.1 Human body ESD model

在军用武器拆装过程中静电起电主要是人体静电以及金属装置(器具)的静电.静电放电具有多种类型,最有可能形成的是静电火花放电的形式,火花放电方式能量释放集中,具有较强的引燃引爆能力.人体的ESD可能是造成炸药、电火工品意外发火或者性能变化的主要危害源[4].

图2 严格人体模型等效电路图及其放电电流波形Fig.2 Equivalent circuit diagram and discharge current waveform for strict human body model

目前,国外常用的电火工品人体ESD模型是由Sandia实验室提出的Sandia严格人体模型,其模拟电路为双R-C电路(图2 a).它由最坏情况下人体静电放电参数即充电电压、电容和电阻组合而成,包括2部分,一部分模拟通过手或金属物件的快速放电,它决定放电电流的上升前沿;另一部分模拟通过人体的慢速放电,大部分能量集中在这一过程.图2 b为快速放电的电流波形图,图2 c为慢速放电的电流波形图.这个模拟电路所输出的电流波形与测得的极限人体静电放电电流能很好地符合,它代表了对火工品人体静电刺激实验的最坏应力水平.采用这种模型对电火工品进行静电安全实验,对于军用武器拆装过程中电火工品的静电安全性评估具有重要的参考意义.

2 实验设备

本项目根据“Sandia严格人体模型”的电路参数制作了RESD-1人体静电放电模型系统,其具体的电路参数和性能在前面已进行了详细叙述.该系统由严格人体ESD模型实验箱及高低压控制电源组成,其最高电压达30 kV,要求几乎高于干燥空气的击穿强度25～30 kV/cm,而本地区的湿度相对较大,所以不可避免存在高电压沿面放电和空间局部放电,给研制工作带来很大困难.

为了避免高电压沿面放电和空间局部放电,采取了以下措施[5]:1)改进绝缘设计,在高低压控制电源及ESD模型实验箱内部,采用硅橡胶灌封产生高电压的部件及连接处,加强绝缘并与空气隔离,防止漏电;2)改进制作工艺,在高压接插件表面涂硅脂,提高沿面闪络电压阈值;对焊点进行表面光滑处理,用高压密封胶包敷与空气隔离,避免尖端放电;3)改善运行条件,如注意防潮,防止尘污和各种有害气体的侵蚀,并合理地周期性清扫(用无水乙醇擦拭),使介质保持清洁.

3 实验研究

对于火工品静电安全性的实验研究,主要是采用静电模拟发生器对火工品进行静电刺激,根据实验结果来评估被测火工品的静电安全性.

通过高低压控制电源控制严格人体ESD模型实验箱对火工品放电的电流波形测试结果见图3所示.由于放电电流波形是决定静电放电模拟实验质量的重要因素,波形反映了设备运行的理想化程度,波形参数如上升和下降速率、形状、振铃等,反映着放电电流强度、能量及其变化.

影响波形的主要因素有:1)电路元件参量及其误差状况(通过影响充电电压、放电速率等影响电流波形参数);2)放电电极的结构形状尺寸;3)设备接线电缆连接状况(影响分布参数);4)气候条件,包括温湿度、大气压力等;5)负载的状况等.

从测试的电流波形看,基本上可以较好地满足实验要求.但由于人体静电放电模型设备接线电缆对分布参数影响较大,电流波形不是十分理想,有待进一步改善.

图3 严格人体模型ESD模拟发生器电路电流波形Fig.3 Current waveform of ESD simulate circuit for strict human body model

采用严格人体模型对XX雷管和XX电爆管ESD进行了静电安全性实验.实验中考虑了火工品经低湿储存、多次静电刺激、在低湿条件下接受静电刺激以及经由脚-脚和脚-壳方式放电等多种因素对其静电安全性的影响.实验时的充电电压为20 kV,实验结果见表1所列.

表1 XX雷管和XX电爆管严格人体模型ESD实验结果Tab.1 ESD exper iment results for the certain detonator and electron ic detonator

4 结果分析

从表1可以看到,受试的电火工品经过了约6个月的低湿储存,在较低的相对湿度条件下(10%～14%),采用严格人体模型,被测火工品通过脚-脚方式的静电放电刺激均未发火.而当采用严格人体模型对XX电爆管进行脚-壳方式的静电刺激时,其中的1发在经受第34次静电刺激时发火.由于实验是破坏性质的,现场没有太多可供分析的证据,因此,还需进行重复实验或者增加实验的样本量等方法验证其原因.

实验时严格人体模型由最坏情况下人体静电放电参数组合而成,代表着对火工品人体静电刺激实验的最坏应力水平.并且实验时的加载电压都为20 kV,在拆装过程中只要稍加控制,人体的静电电压是很难达到这么高的.由此可见,这种模型中考虑的静电刺激情况可以说是比较严格和极端的.在这种情况下,受试的XX雷管和XX电爆管都通过了脚-脚方式的放电刺激实验.初步的实验结果表明,在军用武器的正常拆装过程中,XX雷管和XX电爆管均具有较高的静电安全性.

[1]朱长清,刘尚和,魏明.静电放电模拟器放电回路的设计[J].仪器技术与传感器,2004(3):31-33.

[2]刘尚合.静电放电及静电防护的研究与进展[M]//徐匡迪.中国科学技术前沿:第6卷.北京:高等教育出版社,2003: 168-169.

[3]刘尚合,魏兴辉,刘直承,等.静电理论与防护[M].北京:兵器工业出版社,1999.

[4]王凯民,温玉全.军用火工品设计技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[5]王川波.高压电气绝缘及测试[M].北京:中国水利水电出版社,1998.

Design and Study on RESD-1 Human Body ESD Model System

LIU Chun-feng,LIU Jin-cheng,LIZhi-peng,LIU Ji-chuan
(Institute of Chemical Engineering Material Graduate,Chinese Engineering Physical Institute fo r Research,M ianyang 621900,China)

RESD-1 human body electrostatic discharge model system,based on“Sandia strict human body model”,was designed and manufactured.Electrostatic security experiments were carried out fo r the certain detonato r and electronic detonator ESD.There were many facto rs,such as low humid stockpile, f requent static stim ulation,static stimulation at low humid,foot to foot and foot to shell discharge,for the explosive to be considered for the infection of static security.Elementary experiments showed that the certain detonato r and electronic detonato r had better static security in the military weapon assembly and disassembly.

exp losive;strict human body model;static security

O 441.1

A

1000-1565(2010)05-0600-04

2010-03-10

国家总装预研基金资助项目(9140A11060608ZW 0301)

刘春凤(1960—),女,湖北孝感人,中国工程物理研究院工程师,主要从事静电安全测试技术及测控技术应用研究.

(责任编辑:孟素兰)