舰船静电放电仿真研究及防护措施

杨 哲

(91404部队，河北 秦皇岛 066000)

1 舰船静电机理与危害

1.1 舰船静电起电机理

静电即为静止的或相对静止的电荷[1]。当一物体中的电子发生转移或分子被极化时，就产生了带电现象，物体可因其带有多余的电子或缺乏电子而呈负极性或正极性。舰船静电产生的原因十分复杂。舰船静电按起电类别大致可分为感应起电和人体静电2类，并且它还受到环境、温度、时间、材料、介质面积等诸多因素的影响。

1)感应起电。舰船作为高新技术综合发展的产物，其自身安装了大量电子设备，舰船在海上航行时，船体材料腐蚀、防腐措施的使用、船体漏电、运动引起的电磁感应等原因造成舰船周围存在着电场。电子设备之间、每台电子设备与舰体之间都分布有一定的电容，处在电场中的电子设备表面感应出与电场极性相反的电荷或对原有电荷进行了重新分布，从而使不带电的设备变成了带电设备。

2)人体静电。舰船上有大量的工作人员，当人员在绝缘地面行走时，鞋底与地面不断摩擦使鞋底带有电荷。人员进入静电场时，也会因静电感应使人体带有一种电荷，若人员离开静电场便会使人体带电；人员在带电微粒或液滴空间活动后，由于带电微粒或液滴降落在人体上，也使人体带电。带电人员再与其他不带电设备接触时，会因电荷转移发生静电放电现象。

1.2 静电的危害

静电放电(Electrostatic Discharge，ESD)是指带电导体的静电场电压超过周围介质的击穿电压时，而使带电导体静电荷发生转移的现象。舰船发生静电放电时会造成电子设备的损害、弹药等危险物的引燃以及人员的伤害。

1)对电子设备的危害。静电放电属于脉冲式干扰，主要通过放电辐射、静电感应、电磁感应和传导耦合等途径危害电子设备。静电放电对于电子设备电路的损害在于极短时间内的放电电流对电路的感应所产生的噪声，以及放电电流使基准地电位(如机壳地、信号地)发生偏移波动，从而导致对电路正常工作的干扰。静电放电对电子元器件的损害通常表现为短路、开路以及参数的严重变化，进而有导致电子设备误动作和信息丢失的可能。静电放电一旦致使舰船指控中心、雷达等关键设备丧失功能，对日常训练或战时所造成的后果都是不可预估的。

2)对舰船弹药的危害。静电对舰船弹药的危害主要表现在热效应、脉冲干扰、电场效应和磁效应4个方面。静电放电所产生的热效应，有可能瞬间引起舰船弹药、易燃易爆气体或电火工品等燃烧爆炸，还可能使舰船弹药微电子器件电路过热造成局部损伤失效。脉冲干扰会对弹药器件或电路性能造成电噪声，进而对电路性能造成损伤，降低弹药可靠性。弹药在转运、维护过程中所产生的静电，其电压可能会对处于静电电场中的敏感零部件放电和击穿，影响弹药正常使用。当大量电荷积聚释放时，会在电子设备表面引起强电流从而产生强磁场，所产生的磁效应会干扰电子设备的正常工作。

3)对人员伤害。当人体靠近带静电导体或带静电人体接近接地导体时，只要人体和其他导体之间的静电场电压超过空气的击穿电压，会造成人体与导体之间的静电放电，从而使人体受到静电点击。虽然静电电击不会导致人员伤亡，但会给长期工作生活于狭小舰船的舰员带来不良情绪[2]，尤其会降低舰员的日常训练效果，不利于舰船作战能力的提升。

2 舰船ESD模型分析

舰船上静电源多种多样，会发生不同形式的放电现象；同一静电源在不同气候、环境等因素影响下，也会产生不同的放电结果。因此需要根据工作环境和静电源特点建立具有代表性的静电放电模型，从而模拟静电放电的主要特征。根据舰船静电放电特点，可以建立静电放电的场感应器件ESD模型、人体ESD模型[3]。

2.1 场感应器件ESD模型

场感应器件模型的放电过程是由器件本身感应带电所引起的。处于静电场中的电子设备会因静电感应出现电荷分离，并使电位升高。当外界场强足够大时，会引起带电器件与其它不等电位导体之间的放电。如果带电器件一侧对地短路，则放电电流可能导致器件失效。场感应器件ESD等效电路图如图1所示。

图1 场感应器件ESD等效电路图

图1中C1、C2分别代表电子器件与其它不等电位导体之间的分布电容，其值取决于器件位置和电场强度。C为带电器件电容，R和L为管脚电阻和电感，其参数值取决于器件具体情况。带电器件在带电时，大部分电荷分布在金属管脚上，并且考虑到R的值较小，管脚的电感不能忽略，故用RCL电气结构表示。

根据基尔霍夫电压和电流定律，并结合等效电路图，可得到场感应器件ESD模型等效电路的微分方程：

(1)

(2)

(3)

式中，UC是电容C的电压；UC2是电容C2的电压；I是带电器件对地短路后的放电电流。

2.2 人体—器件ESD模型

人体在活动、处于静电场中或处于带电微粒空间时会带有一点电量，所以人体具有明显的电容。同时，人体自身也有电阻，阻值依赖于个体肌肉弹性、水分和接触电阻等因素。人体作为产生静电的最主要来源之一，人体ESD模型也成为了舰船静电放电的重要研究对象。

在研究人体模型时，通常认为人体电感量值很小，大多数情况下可以忽略不计，将人体等效为电容串联电阻的模型。但在实际情况中，单纯的采用电容串联电阻的人体模型在模拟静电放电时还并不完善。在工作中，尤其是人体手持小金属物体或与小金属物体接触时，人体的手、前臂对自由空间存在无感电容。因此采用双RLC电气结构模型来表示人体更贴近实际情况[4],如图2所示。图中C3、R1和L1分别为人体电容、电阻和电感。C4、R2和L2分别为前臂及手的电容、电阻和电感。图2中各参数值需根据不同环境来进行确定。

图2 人体ESD等系电路

在舰船环境中，电子设备和电火工品较多，人体静电放电所产生的电磁脉冲会影响或损坏电路器件。针对这类特点结合人体模型，可建立人体—器件ESD模型，如图3所示。

图3 人体—器件ESD等效电路

如图3所示，C5、R、L分别为器件的等效电容、电阻和电感，C6为手与器件之间的分布电容。需要注意的是，当人手持金属物体与器件接触时，金属物体与器件之间还存在无感电容和火花通道的电阻。

同样，根据基尔霍夫电压和电流定律，可得到人体—器件ESD模型的等效电路微分方程：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，UC5是电容C5的电压;UC3是电容C3的电压；UC4是电容C4的电压；I3是流过器件的电流；I1是流过手臂的电流;I2是流过人体的电流。

3 仿真试验及分析

本文仿真实验基于MATLAB软件中的Simulink库。利用Simulink库中的可视化元件，将ESD数学模型转化为直观的MATLAB仿真模型。进而对不同ESD模型的放电特征进行分析。

3.1 场感应器件仿真模型

根据场感应器件属性，设定器件电容C=10 pF，R=20 Ω，L=10 nH；设定器件与地之间的空间电容C1=10 nF；UC=1 000 V，开关开通时间为1 ns。建立场感应器件Simulink仿真模型，如图4所示。

图4 场感应器件仿真模型

可得到场感应器件ESD放电电流波形图，如图5所示。

图5 场感应器件静电放电电流波形

图5中横坐标为放电时间，纵坐标为放电电流。由图5知，电流在1.38 ns时达到峰值20.7 A。由于器件中电感不能忽略，出现反向放电的情况，反向电流峰值达到-7.3 A。场感应器件静电放电是一个快速振荡的瞬态过程，整个过程由1 ns开始放电，至7 ns放电结束，共持续6 ns，振荡周期为2 ns。

通常场感应器件静电放电不会立即使器件失效，但会因为高频率的电流变化，产生变化频率很高的电场和磁场，对电子仪器等设备产生静电噪声和电磁干扰。同时，器件的管脚可以充当接收天线，造成与管脚相连导电体的电场畸变，当外加电场足够大时，可造成器件被击穿。

3.2 人体—器件仿真模型

根据IEC—801-2和IEC—61000-4-2标准中规定的人体模型参数和器件属性，设定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，开关开通时间为10 ns。建立人体—器件Simulink仿真模型，如图6所示。

图6 人体—器件仿真模型

可得到人体—器件ESD放电电流波形图，如图7所示。

图7 人体—器件静电放电电流波形

由图7可知，电流在12.48 ns时达到峰值6.6 A。由于电路中存在电感，电流波形出现了振荡，第二个波峰出现在17.16 ns，幅值为4.7 A。经过第二个振荡后，电流呈指数衰减态势，直至35 ns后放电结束。人体—器件ESD模型并未出现场感应器件ESD模型的电流波形，主要原因在于人体电阻远远大于电感，在出现两个波峰后就开始呈指数衰减，而未出现过大的反向电流。

人体—器件ESD模型虽然未出现较大的电流峰值和高频振荡，但其发生条件更为容易，若频繁地对同一器件放电，同样会造成电子仪器的损伤。在环境较为干燥的冬季，会带有更高的放电电压，引起幅值较大的放电电流，进而造成器件的击穿。

4 舰船静电防护措施

舰船具有空间狭小、电子设备复杂、武器弹药数量庞大等特点。在有限的空间内存在复杂的电磁环境，电子设备和导体必然会发生静电感应。同时，在狭小空间中人员操作设备以及搬运物资等工作过程中，也会发生摩擦起电。这些情况时刻威胁着电子设备、弹药和人员安全，因此需要对舰船静电进行安全防护措施。

4.1 规范防静电制度和管理

在上舰前，需要对人员进行系统性的静电防护教育，并对关键岗位如雷达、弹药等部位的操作人员进行针对性的培训，提高上舰人员的防静电意识。制定防静电管理制度，配备防静电工作服、鞋、腕带等装具，严格限制重要部位的人员出入。由专人负责防静电检测和记录，并定期对配备装具和重要部位的工作台面、搁置架、舱室环境进行检查维护。人在静电放电中处于关键一环，从主观上进行静电防护是行之有效且值得提倡的。

4.2 抑制静电感应

静电感应发生的主要原因是电子元器件受到所处电场的影响，产生了电位差。静电感应可以通过物理屏蔽等措施加以抑制。如采用屏蔽式的电源线，避免线间干扰；采用双绞线形式的信号线，并尽可能不外露；对舰上的电路模块使用屏蔽盒，并屏蔽接地；降低电路中阻抗值[5]，以减小电位差；在舰上作业过程中对电子器件的端子采用良好导电性的防静电材料进行包装等措施，均能达到减少静电感应的作用。对静电感应的物理屏蔽从根源上降低了静电发生的概率，这类措施应当在舰船设计时考虑在内。

4.3 采用防静电材料

摩擦生电是静电发生的主要途径之一，环境越干燥，材料的绝缘性越好，越容易通过摩擦产生静电。因此可以通过改善工作环境，使用防静电材料减少摩擦生电。或适当增加环境湿度，将空气湿度增加到70%左右[6]，以增加绝缘材料的电导率。需要注意的是在高温环境下还应考虑降低温度的因素，在机柜表面涂装防静电涂层，使静电不易形成，在工作台使用防静电保护面和导电地板以增强静电防护能力。防静电材料的使用可以有效降低静电荷的产生，避免作业中的摩擦生电。

5 结束语

舰船上空间狭小，人员众多，环境复杂，容易产生静电并且发生静电放电现象。静电放电对舰船上大量的电子设备和武器弹药是不可忽视的威胁。本文根据舰船上易发生的静电放电类型，建立了场感应器件ESD模型和人体—器件ESD模型，并通过MATLAB仿真对2种放电模型进行了仿真验证，进一步说明了2种放电类型对舰船安全的危害。本文给出了静电防护措施的建议，为舰船静电防护提供了行之有效的指导性建议。