25-静电放电_ESD_对人体的影响

静电放电( ESD)对人体的影响� 武占成1) � 刘尚合1) � 崔庚寅2) ( 1)军械工程学院静电研究所, 050003,石家庄; 2)河北师范大学生物系, 050016,石家庄;第一作者 34岁,男,博士) 摘� 要 � 用不同的静电放电( ESD)源模拟人体静电参数对试验兔和狗以及人体进 行 ESD电击实验, 研究了 ESD 对人体生理的影响,确定了 ESD电击人体的感知阈值、疼痛阈 值和安全界限. 关键词 � 人体; 静电放电; 电击; 生理效应 分类号 � O 441. 1; X 928. 2 0 � 引言 在现代化的社会中,高分子材料已普遍使用,电气化设备处处存在, 机器设备以及人 体往往会带上几千伏甚至上万伏的静电高压,有时形成很强的静电放电火花,对人体的安 全造成威胁.众所周知, 强烈的电击会给人的生理造成危害, 发生心室纤维颤动导致死 亡�1 .许多学者用工频交流电源、直流电源对动物进行过电击实验�2, 3, 4 ,但是,直接研究 静电放电( ESD)对人体生理影响的却未见报导.我们试图通过 ESD电击动物实验模拟人 体受 ESD电击时的生理反应,在人体直接可以接受的安全范围内,用 ESD源对人体直接 电击, 确定不同条件下、不同年龄的人对 ESD 的敏感性和疼痛阈值, 以便研究在 ESD环 境中人身安全问题, 这些实验结果对于防止人体受 ESD电击引发二次事故也有意义. 1 � 实验研究方法和仪器设备 图 1 � 人体对静电放电电流的感知阈值 和疼痛阈值的实验原理图 本实验所使用主要仪器为 NSG435 ESD 模拟器和自制ESD高压源以及 ZPD 1型静电 电位动态测试仪等. 通过 STY 2000B型二道 生理仪和动脉血压测量装置测量 ESD电 击时动物的心电图和血压变化情况. 人体直接 ESD电击实验参照国际电工委员会 IEC479 2 给出的实验方法,但 IEC 给出的最高试验电压 为 1 000 V, 本实验针对实际 ESD环境,需要作 几千伏到上万伏的高电压 ESD实验.实验装置 示意图如图 1所示,图中 E 是高压电源, V 1 是 静电电压表, V 2 是 ZPD 1型静电电位动态测 试仪, C 是高压电容, K 是球形高压开关, R 代表被试验者.实验时,实验对象坐在与地绝 缘的椅子上,两手握大电极(直径 4 cm, 长度 20 cm 的铝管) . 放电时被试验者背对实验装 置,由别人进行操作,以减小被试者心理作用对实验结果的影响. 1998 年 � 6 月 第 22 卷 第 2 期 河北师范大学学报(自然科学版) Journal of Hebei Normal University( Natural Science) Jun. 1998 Vol. 22 No. 2 � 收稿日期: 1997- 05- 20; 修回日期: 1997- 08- 24 2 � 实验结果和分析 2. 1 � 纯种新西兰白兔(国际试验动物)电击试验 2. 1. 1 � 被电击动物自然参数 � 雄性,体重 2. 2~ 3. 0 kg, 5只,血压、心跳正常. 2. 1. 2 � 电击方式和 ESD参数 � 电击分为活动状态电击和麻醉状态电击两种方式. 放电途径: 前肢(与地绝缘) !后肢(静电接地) , 左前肢(与地绝缘) !右后肢(静电接 地) , 右前肢(与地绝缘) !左后肢(静电接地) ,胸部(与地绝缘) !后肢(静电接地) . 放电方式: 渐进式接触放电和插针固定式放电. 接地物:不锈钢钢板、防静电胶板、防静电地毯、水磨石地等. 静电接地电阻: 200 �, 2 k�, 20M � , 200M � , 300M �. 静电放电电容: 2 500 pF, 10 000 pF. 静电放电电压: 5 kV~ 50 kV. 2. 1. 3 � 电击时兔子的生理效应 (1)活动状态电击:挣扎并跳起,惊叫,但电击后兔子活动、吃食一切正常. ( 2)麻醉状 态电击:随着电击能量的增加,由痛苦的抽动,排便等生理反应逐渐出现心跳变慢、血压降 低等现象.经 25 kV 或 30 kV 电击后, 再用 20 kV或 18 kV重复电击,心率不齐心跳明显 变慢,有时停跳.血压降低.有心室颤动的预兆,但试验后兔子仍能恢复正常活动. 为了记录电击前后心电图和血压的变化, 必须对动物进行麻醉, 采用 25%的氨基甲 酸乙脂溶液,静脉注射,注射量为每 kg 体重 4m l溶液. 电击实验结果如表 1所示.表 1中每组数据是三只兔子的实验结果的平均值. 表 1� 静电电击后新西兰纯种兔生理量的变化 储能电容 / nF 充电电压 / kV 峰值电流 / A 时间常数 /�s 体电阻 / � 电量 /�C 放电能量 / J 血压变化 / 133. 3Pa 心电变化 2. 50 2. 50 2. 50 2. 50 2. 50 2. 50 10. 0 10. 0 10. 0 10. 0 9. 00 10. 0 18. 0 20. 0 30. 0 50. 0 5. 00 7. 00 20. 0 30. 0 14. 3 15. 8 29. 0 30. 0 46. 1 82. 0 8. 30 11. 8 32. 1 50. 2 1. 53 1. 55 1. 52 1. 53 1. 52 1. 40 6. 42 6. 35 6. 15 6. 05 618 620 613 615 608 562 632 625 615 605 22. 5 25. 0 45. 0 50. 0 75. 0 125 50. 0 70. 0 200 300 0. 101 0. 125 0. 405 0. 500 1. 13 3. 13 0. 125 0. 245 2. 00 4. 50 0 5. 0 10 18 25 36 16 24 40 45 无明显变化 无明显变化 无明显变化 心率变慢 心率变慢 心率变慢 无明显变化 心率变慢 心率变慢 心率变慢 从表 1中可以看出,对于相同的储能电容, 电压越高对动物的作用越强烈. 储能电容 为 2. 5 nF 时, 20 kV以下的放电电击对新西兰兔的作用不明显(心率无明显变化, 血压变 化也不大) , 储能电容为 10 nF 时, 7 kV 的放电电击就使兔的心率变慢, 血压变化超过 2. 666 kPa. 电击后新西兰兔血压的变化决定于放电电量和放电能量, 在体电阻基本相同 的情况下,主要的决定因素是电量.当放电电量超过 100 �C时, 新西兰兔血压的变化超过 3. 999 kPa. 放电电量超过 50 �C时,新西兰兔的心率开始变慢. 203第 2 期 � � � � � � � � � � � 武占成等: 静电放电( ESD)对人体的影响 � � � � � � � � � � � 图 2 � 新西兰兔电击后典型的血压随时间的变化曲线 图 2给出电击后典型的血 压随时间的变化关系 ( 10 nF 电容充电到 30 kV) .由图 2可 知,电击后被试兔的血压很快 下降, 15 s后下降到最低. 血压 降低了 5. 999 kPa, 就会使动 物瞬态头晕,甚至失去知觉. 20 s后血压逐渐恢复, 3 min后恢 复到正常值. 2. 2 � 静电电击的累积效应 实验发现, 在本实验条件 下单次的静电放电不会使新西兰兔发生心室纤维性颤动,导致动物死亡.但是, 多次静电 电击,就有可能使动物体机能下降,出现迁延性死亡.在麻醉条件下, 我们将 10 nC的电容 充电到 30 kV ,然后对新西兰兔进行电击, 2 h的时间内共电击 50次. 随着电击次数的增 加,新西兰兔出现痛苦的抽动、排便等现象,心电和血压的变化不断增加,但没有发生心室 颤动, 18 h后发现新西兰兔死亡.说明静电电击对动物体的作用有累积效应. 2. 3 � 静电放电对狗电击的实验 在对新西兰标准兔进行电击的基础上,我们选择了在生理上更接近人体的狗进行高 压静电放电电击实验.狗的年龄为 26个月,雌性, 生育过一胎,体重为 20 kg. 2. 3. 1 � 清醒时电击实验结果 实验时,使狗的后肢直接与接地金属板( 30 cm ∀ 40 cm)接触或使动物后肢站在防静 电橡胶板上,前肢对地绝缘,高压电极对动物的前肢电击.为了增加狗与地之间的电容以 模拟人体的静电参数,在狗的一侧放置了接地的金属板, 调整其面积和间距,使得狗与地 面间的电容为 100~ 130 pF.表 2给出实验结果. 表 2 � 清醒状态下对狗电击的实验结果 储能电容/ pF 后肢接地条件 泄漏电阻/ � 狗对地电容/ pF 电击电压/ kV 生理反应 接地金属板 0 130 20 惊叫,挣扎 2 500 防静电地板 3. 0∀ 106 120 20 挣扎 泡沫塑料 1. 0 ∀ 1012 100 20 挣扎 10 000 接地金属板 0 130 20 25, 30 挣扎 惊叫,挣扎 防静电地板 3. 0∀ 106 120 20, 25, 30 惊叫,挣扎 泡沫塑料 1. 0 ∀ 1012 100 20, 25, 30 挣扎 由表 2可知, 20 kV的电击电压均能使狗惊叫, 并挣扎,惊慌,大喘气. 而生理反应与 对地泄漏电阻、狗对地电容、电击电压有关. 204� � � � � � � � � � � � � 河北师范大学学报(自然科学版) � � � � � � � � � � � 第 22 卷 表 3 � 麻醉状态下对狗电击的实验结果 储能电容/ pF 后肢接地条件 泄漏电阻/ � 对地电容/ pF 放电电压/ kV 血压变化/ 133. 3Pa 心率变化 接地金属板 0 130 20 20 心率变慢 2 000 防静电地板 3. 0 ∀ 106 120 20 18 心率变慢 泡沫塑料 1. 0∀ 1012 100 20 15 无 10 000 20 28 心率变慢 接地金属板 0 130 25 30 心率变慢 30 32 心率变慢 20 25 心率变慢 防静电地板 3. 0 ∀ 106 120 25 28 心率变慢 30 31. 6 心率变慢 20 23 无 泡沫塑料 1. 0∀ 1012 100 25 25 无 30 26 无 2. 3. 2 � 麻醉状态下电击的实验结果 在麻醉状态下, 每电击一次,身体抖动一下, 其结果如表 3 所示.由表 3可以看出,对 狗的电击与对新西兰兔的电击相类似. 生理效应主要表现为心率变慢和血压的降低.而且 在同样的电击条件下,狗的心率和血压的变化与动物体对地的静电泄漏电阻和对地电容 大小密切相关. 2. 4 � 人体 ESD电击感知阈值测试的实验结果 实验时,先给高压电容充电,然后通过球形开关对人体放电,调整电压,直到人刚好感 觉到有电刺激时,记录对应的电压.对每一个实验对象在同一电容放电时, 测试 5次以上, 然后取平均值, 以确定实验对象在此电容放电条件下的感知阈值. 对同一个实验对象用同一电容放电时,典型的结果如表 4所示. 各次实验所得的感知 电压,感知电量和感知能量都很接近.也就是说,每个人对静电放电有确定的感知阈值. 表 4� 同一个实验对象用同一电容(500 pF)放电时的感知阈值 实验序次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 均值 感知电压/ kV 感知电量/�C 感知能量/mJ 1. 18 0. 59 0. 35 1. 15 0. 58 0. 33 1. 60 0. 58 0. 34 1. 12 0. 56 0. 31 1. 17 0. 59 0. 34 1. 15 0. 58 0. 33 1. 14 0. 57 0. 32 1. 13 0. 57 0. 32 1. 15 0. 58 0. 33 1. 13 0. 57 0. 32 1. 15 0. 57 0. 33 表 5� 同一个实验对象用不同电容放电时感知阈值 放电电容/ pF 20 100 500 1 000 感知电压/ kV 感知能量/ mJ 感知电量/�C 14. 80 2. 19 0. 30 4. 20 0. 88 0. 42 1. 15 0. 33 0. 58 0. 601 0. 18 0. 60 对同一实验对象用不同电容放电 时,测试结果见表 5. 由表 5可知, 同一 个实验对象用不同电容放电时, 20 pF 与 1 000 pF 的电容放电相比, 感知能量 相差 12倍,感知电压相差 25倍.感知电 量相差两倍. 这说明可以用感知电量来 描述人体对静电放电的感知阈值. 对不同实验对象电容放电的实验是在不同年龄、不同性别的 7名自愿试验者之间进 205第 2 期 � � � � � � � � � � � 武占成等: 静电放电( ESD)对人体的影响 � � � � � � � � � � � 行的,放电电容 20 pF~ 1 000 pF.表 6给出 1 000 pF 电容放电的实验结果. 表 6� 不同的实验对象用相同的电容放电( 1 000 pF)时感知阈值 实验对象 性别 身高/m 体重/ kg 年龄 感知电压/ kV 感知电量/�C 感知能量/mJ 1 2 3 4 5 6 7 均值 女 男 男 男 男 男 男 1. 60 1. 69 1. 70 1. 75 1. 80 1. 75 1. 81 48 57 55 70 78 75 70 28 35 27 32 33 56 59 0. 283 0. 334 0. 408 0. 338 0. 601 0. 757 0. 908 0. 518 0. 28 0. 33 0. 41 0. 34 0. 60 0. 76 0. 91 0. 52 0. 039 0. 055 0. 083 0. 057 0. 18 0. 29 0. 41 0. 16 实验结果表明,储能电容为 20 pF 到 1 000 pF 时, 感知电压的平均值为 11. 1 kV 到 0. 518 kV ;感知电量的为 0. 22 �C 到 0. 52 �C; 感知能量的平均值为 1. 3 mJ到 0. 16 mJ . 因此, 决定人体静电放电感知阈值的静电参量主要是放电的电量.对于 50%的概率, 感知 阈值为 0. 37 �C. 当放电条件相同时,不同人的感知阈值有一定的差别, 男性的感知阈值高于女性,随 着年龄的增加, 感知阈值也在增加.感知阈值与身高及体重也有明显的关系,身体高大,体 重大的人感知阈值大. 2. 5 � 人体对 ESD疼痛阈值测试的实验过程及结果 研究静电放电对人体的作用, 不仅要研究人体的感知阈值, 更重要的是要研究人体的 疼痛阈值.这里所说的疼痛是指人不愿意再次接受的痛苦. 当 ESD超过疼痛阈值时, 会产 生蜜蜂刺痛或烟头灼痛的痛苦.实验时,首先给电容充电到一定的电压, 然后通过球形开 关对人体放电进行电击. 若不产生疼痛,升高充电电压,再次对人体进行电击,直至使人体 产生难以忍受的疼痛时, 记录产生疼痛时所对应的放电电压.实验结果如表 7所示. 表 7� 人体疼痛阈值电压 放电电容/ pF 100 200 500 1 000 疼痛电压/ kV 疼痛能量/mJ 疼痛比能/ 10- 6A2s 疼痛电量/�C 25 31. 3 62. 6 2. 5 14 19. 6 39. 2 2. 8 6. 0 9. 0 18. 0 3. 0 3. 1 4. 8 9. 6 3. 1 � � 由表 7可知,在电流流经四肢,接触面积 较大条件下,对于小电容放电,疼痛阈值亦主 要决定于放电电量, 约为 3 �C. 从比能量的 观点考虑,疼痛阈值为 9. 6 ∀ 10- 6~ 62. 6 ∀ 10 - 6 A 2 s, 对应的放电能量为 4. 8 mJ ~ 31 mJ.由于是对作者本人实验, 故感触很深,达 到上述量级的电压, 使整个手臂有通电感觉, 同时手剧痛,整个手臂不由自主地振颤. 在干手握大电极条件下, 感知阈值和疼痛值与电量和充电电压的关系如图 4所示.图 中横坐标表示电容器充电电压,纵坐标表示放电电量, 两组斜线分别是电容和能量的分度 线.右斜线表示放电能量,左斜线表示电容. 1 000V 以下的数据参考了国际电工委员会的 结果.曲线 A、B分别表示感觉阈值的下限和上限,曲线 C 表示疼痛阈值. 只要知道任意两 个参数,即可在图上找到相应的点,并判断是否可能产生感知或疼痛效应. 206� � � � � � � � � � � � � 河北师范大学学报(自然科学版) � � � � � � � � � � � 第 22 卷 图 3 � 人体感知阈值和疼痛阈值与电量和充电电压的关系 3 � 结束语 充电电容器从 20 pF 到 1 000 pF,电压从 600 V 到 50 kV及不同的静电泄漏电阻,模 拟人体在不同的静电参数下遭受 ESD电击的情况, 用新西兰标准兔和狗进行了 ESD电 击实验,利用不同的 ESD参数对人体直接进行了感知和疼痛阈值实验.实验研究表明,女 性比男性对 ESD更敏感,年青者比年长者敏感,动物实验给出, 当 ESD源的静电电容为 2 500 pF,静电泄漏电阻近似为零时,放电电压高于 20 kV 的 ESD电击, 可以使动物的心 电图及血压发生明显变化,对于人来说,这种 ESD电击是不安全的. 参 考 文 献 1 � Dalziel C F . Electric shock hazards. IEEE Spectrum. 1972, 41 2 � Geddes L A. Handbook of electrical hazards and accidents. 1995 3 � Dalziel C F , W R Lee. Reevaluation of lethal electric currents. IEEE Transactions, 1968, 4( 5) : 467 4 � Br idges J E. An invest igation of low - impedance low - vo ltage shocks. IEEE Transactions on PAS, 1981, 100( 4) : 1 529 5 � IEC479- 2. Effect of curr ent passing t hrough the human body. 1987 The Effects of Electrostatic Discharge on Human Body Wu Zhancheng 1) � Liu Shanghe1) � Cui Gengyin2) ( 1) Institute of Electrostatic Technology,Ordnance Engineering College, 05003, Shijiazhuang, PRC; 2) Department of Biolo� gy,H ebei Normal University, 050016, Shijiazhuang, PRC) Abstract � The elect rostat ic discharge shock experiments on standard rabbits, dogs, and human bodies are made by using different ESD source and dif ferent capacitance to simulate human body# s parameters. T he ef fects of ESD shock on human body# s physiology are stud� ied.T he percept ion threshold, pain threshold and safety lim itat ion for ESD shock is deter� mined. Key words � human body; electrostat ic discharge( ESD) ; physiological ef fects (责任编辑 � 李 � 冀) 207第 2 期 � � � � � � � � � � � 武占成等: 静电放电( ESD)对人体的影响 � � � � � � � � � � �