RESD_1人体静电放电模型系统设计与研究

第 30卷 � 第 5期 2010年 � 9月 河北大学学报(自然科学版) Journal o f H ebei University ( Natural Science Edit ion) V ol. 30 No. 5 Sep. 2010 RESD�1人体静电放电模型系统与研究 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) � � 摘 � 要: 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. 关键词: 火工品;严格人体模型; 静电安全性 中图分类号: O 441. 1 � � � 文献标志码: A � � � 文章编号: 1000- 1565( 2010) 05- 0600- 04 Design and Study on RESD�1 Human Body ESD Model System LIU Chun�feng, LIU Jin�cheng, LI Zhi�peng, LIU Ji�chuan ( Institute of Chemical Engineering M aterial Graduate, Chinese Engineering Physical Inst itute for Research, M ianyang 621900, China) Abstract:RESD�1 human body elect rostat ic dischar ge model system, based on � Sandia str ict human body model , w as designed and manufactured. E lectr ostat ic security experiments w ere carried out for the certain detonator and electr onic detonator ESD. T here w er e many factors, such as low hum id sto ckpile, f requent stat ic st imulat ion, static st imulat ion at low humid, foot to foot and foot to shell discharge, for the ex� plosive to be considered for the infection of static security. Elementary experiments showed that the certain detona� tor and electronic detonator had better static security in the military weapon assembly and disassembly. Key words: explosive; str ict human body model; stat ic security 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 中详细了设备对静电放电( 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 � 收稿日期: 2010- 03- 10 � 基金项目: 国家总装预研基金资助项目( 9140A11060608ZW0301) � 第一作者: 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. 第 5 期 刘春凤等: RESD�1 人体静电放电模型系统设计与研究 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 图 1 � 人体 ESD模型 Fig. 1 � Human body ESD model 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. 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] . 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, � � � a.严格人体模型等效电路; b.快速放电的电流波形 ; c.慢速放电的电流波形 . 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 ∀601∀ 河北大学学报(自然科学版) 2010 年 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/㎝, 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 f or strict human body model ∀602∀ 第 5 期 刘春凤等: RESD�1 人体静电放电模型系统设计与研究 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 experiment results for the certain detonator and electronic detonator 产品名称 低湿储存条件 放电方式 ESD次数 实验环境条件 实验结果 XX 雷管 XX电爆管 RH: < 10% RT : ( 20# 5) ∃ 储存时间 约为 6 个月 脚- 脚 脚( - ) - 壳( + ) 脚- 脚 脚( - ) - 壳( + ) 40 次/发 RH: 11% # 1% RT : ( 28 # 1) ∃ RH: 10% # 1% RT : ( 29 # 1) ∃ RH: 11% # 1% RT : ( 27 # 1) ∃ RH: 10% # 1% RT : ( 27 # 1) ∃ 5 发被测雷管均未发火 5 发被测雷管均未发火 5 发被测雷管均未发火 5 发被测雷管其中的 1 发在第 34 次 刺激时发火, 其余均未发火 4 � 结果 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. 参 � 考 � 文 � 献: [ 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. (责任编辑:孟素兰) ∀603∀