RESD-1人體靜電放電模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

劉春鳳,劉金城,李志鵬,劉冀川

(中國工程物理研究院化工材料研究所,四川綿陽 621900)

RESD-1人體靜電放電模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

劉春鳳,劉金城,李志鵬,劉冀川

(中國工程物理研究院化工材料研究所,四川綿陽 621900)

根據(jù)“Sandia嚴(yán)格人體模型”的電路參數(shù)設(shè)計(jì)制作了RESD-1人體靜電放電模型系統(tǒng),對XX雷管和XX電爆管ESD進(jìn)行了靜電安全性實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)中考慮了火工品經(jīng)低濕儲存、多次靜電刺激、在低濕條件下接受靜電刺激以及經(jīng)由腳-腳和腳-殼方式放電等多種因素對其靜電安全性的影響.初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在軍用武器的正常拆裝過程中,XX雷管和XX電爆管均具有較高的靜電安全性.

火工品;嚴(yán)格人體模型;靜電安全性

隨著高能鈍感炸藥以及爆炸絲雷管、沖擊片雷管的研制和應(yīng)用,軍用炸藥和火工品靜電安全性能已有很大的改善,如果仍沿用以前的安全操作條件既浪費(fèi)資源也不利于備戰(zhàn).因此有必要對軍用武器使用的炸藥、火工品靜電安全性能進(jìn)行詳細(xì)研究,對軍用武器拆裝過程中炸藥及火工品的靜電安全性進(jìn)行評估,并提出有效的靜電防護(hù)和消除措施,在此基礎(chǔ)上,確定適合軍用武器安全拆裝的操作環(huán)境條件,制定靜電安全操作規(guī)范.

目前,主要研究軍用武器拆裝過程中的靜電起電—放電變化規(guī)律,并對炸藥及火工品在低濕條件下的抗靜電能力進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),測定其靜電安全閾值.為此項(xiàng)研究,筆者設(shè)計(jì)并研制了RESD-1人體靜電放電模型系統(tǒng).

國際電工委員會在IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)規(guī)定了設(shè)備對靜電放電(ESD)抗擾性測試的具體要求,而ESD模擬器成為測試的關(guān)鍵設(shè)備,其中的放電回路是設(shè)備的核心.由于ESD模擬器放電回路的結(jié)構(gòu)形成的分布參數(shù)對設(shè)備的性能影響很大,所以放電回路的設(shè)計(jì)有一定的難度[1].

1 人體ESD模型

靜電放電是一個(gè)復(fù)雜多變的過程,且靜電放電的形式多樣,能產(chǎn)生靜電放電的靜電源也是多種多樣,同一靜電放電源對不同的物體放電產(chǎn)生的結(jié)果不一樣,即使同一靜電源對同一物體放電,也會因氣候、環(huán)境等條件的影響,難以得到重復(fù)性的放電結(jié)果.由于靜電放電的這種多變性,使得難以有效地對ESD的危害和效應(yīng)進(jìn)行正確的評估[2-3].針對這一問題,人們對實(shí)際中各種可能產(chǎn)生具有危害的靜電放電的靜電源進(jìn)行了深入研究,根據(jù)其主要的靜電放電特點(diǎn)和規(guī)律模擬并簡化得到了ESD電路模型,如圖1示.目前公開報(bào)道的ESD模型有人體模型、場增強(qiáng)模型(或者人體-金屬模型)、機(jī)器模型等9種之多,人體模型和場增強(qiáng)模型描述了人體作為危險(xiǎn)靜電源在不同情況下放電的特征參量.

圖1 人體ESD模型Fig.1 Human body ESD model

在軍用武器拆裝過程中靜電起電主要是人體靜電以及金屬裝置(器具)的靜電.靜電放電具有多種類型,最有可能形成的是靜電火花放電的形式,火花放電方式能量釋放集中,具有較強(qiáng)的引燃引爆能力.人體的ESD可能是造成炸藥、電火工品意外發(fā)火或者性能變化的主要危害源[4].

圖2 嚴(yán)格人體模型等效電路圖及其放電電流波形Fig.2 Equivalent circuit diagram and discharge current waveform for strict human body model

目前,國外常用的電火工品人體ESD模型是由Sandia實(shí)驗(yàn)室提出的Sandia嚴(yán)格人體模型,其模擬電路為雙R-C電路(圖2 a).它由最壞情況下人體靜電放電參數(shù)即充電電壓、電容和電阻組合而成,包括2部分,一部分模擬通過手或金屬物件的快速放電,它決定放電電流的上升前沿;另一部分模擬通過人體的慢速放電,大部分能量集中在這一過程.圖2 b為快速放電的電流波形圖,圖2 c為慢速放電的電流波形圖.這個(gè)模擬電路所輸出的電流波形與測得的極限人體靜電放電電流能很好地符合,它代表了對火工品人體靜電刺激實(shí)驗(yàn)的最壞應(yīng)力水平.采用這種模型對電火工品進(jìn)行靜電安全實(shí)驗(yàn),對于軍用武器拆裝過程中電火工品的靜電安全性評估具有重要的參考意義.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本項(xiàng)目根據(jù)“Sandia嚴(yán)格人體模型”的電路參數(shù)制作了RESD-1人體靜電放電模型系統(tǒng),其具體的電路參數(shù)和性能在前面已進(jìn)行了詳細(xì)敘述.該系統(tǒng)由嚴(yán)格人體ESD模型實(shí)驗(yàn)箱及高低壓控制電源組成,其最高電壓達(dá)30 kV,要求幾乎高于干燥空氣的擊穿強(qiáng)度25～30 kV/cm,而本地區(qū)的濕度相對較大,所以不可避免存在高電壓沿面放電和空間局部放電,給研制工作帶來很大困難.

為了避免高電壓沿面放電和空間局部放電,采取了以下措施[5]:1)改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì),在高低壓控制電源及ESD模型實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部,采用硅橡膠灌封產(chǎn)生高電壓的部件及連接處,加強(qiáng)絕緣并與空氣隔離,防止漏電;2)改進(jìn)制作工藝,在高壓接插件表面涂硅脂,提高沿面閃絡(luò)電壓閾值;對焊點(diǎn)進(jìn)行表面光滑處理,用高壓密封膠包敷與空氣隔離,避免尖端放電;3)改善運(yùn)行條件,如注意防潮,防止塵污和各種有害氣體的侵蝕,并合理地周期性清掃(用無水乙醇擦拭),使介質(zhì)保持清潔.

3 實(shí)驗(yàn)研究

對于火工品靜電安全性的實(shí)驗(yàn)研究,主要是采用靜電模擬發(fā)生器對火工品進(jìn)行靜電刺激,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來評估被測火工品的靜電安全性.

通過高低壓控制電源控制嚴(yán)格人體ESD模型實(shí)驗(yàn)箱對火工品放電的電流波形測試結(jié)果見圖3所示.由于放電電流波形是決定靜電放電模擬實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的重要因素,波形反映了設(shè)備運(yùn)行的理想化程度,波形參數(shù)如上升和下降速率、形狀、振鈴等,反映著放電電流強(qiáng)度、能量及其變化.

影響波形的主要因素有:1)電路元件參量及其誤差狀況(通過影響充電電壓、放電速率等影響電流波形參數(shù));2)放電電極的結(jié)構(gòu)形狀尺寸;3)設(shè)備接線電纜連接狀況(影響分布參數(shù));4)氣候條件,包括溫濕度、大氣壓力等;5)負(fù)載的狀況等.

從測試的電流波形看,基本上可以較好地滿足實(shí)驗(yàn)要求.但由于人體靜電放電模型設(shè)備接線電纜對分布參數(shù)影響較大,電流波形不是十分理想,有待進(jìn)一步改善.

圖3 嚴(yán)格人體模型ESD模擬發(fā)生器電路電流波形Fig.3 Current waveform of ESD simulate circuit for strict human body model

采用嚴(yán)格人體模型對XX雷管和XX電爆管ESD進(jìn)行了靜電安全性實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中考慮了火工品經(jīng)低濕儲存、多次靜電刺激、在低濕條件下接受靜電刺激以及經(jīng)由腳-腳和腳-殼方式放電等多種因素對其靜電安全性的影響.實(shí)驗(yàn)時(shí)的充電電壓為20 kV,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1所列.

表1 XX雷管和XX電爆管嚴(yán)格人體模型ESD實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 ESD exper iment results for the certain detonator and electron ic detonator

4 結(jié)果分析

從表1可以看到,受試的電火工品經(jīng)過了約6個(gè)月的低濕儲存,在較低的相對濕度條件下(10%～14%),采用嚴(yán)格人體模型,被測火工品通過腳-腳方式的靜電放電刺激均未發(fā)火.而當(dāng)采用嚴(yán)格人體模型對XX電爆管進(jìn)行腳-殼方式的靜電刺激時(shí),其中的1發(fā)在經(jīng)受第34次靜電刺激時(shí)發(fā)火.由于實(shí)驗(yàn)是破壞性質(zhì)的,現(xiàn)場沒有太多可供分析的證據(jù),因此,還需進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)或者增加實(shí)驗(yàn)的樣本量等方法驗(yàn)證其原因.

實(shí)驗(yàn)時(shí)嚴(yán)格人體模型由最壞情況下人體靜電放電參數(shù)組合而成,代表著對火工品人體靜電刺激實(shí)驗(yàn)的最壞應(yīng)力水平.并且實(shí)驗(yàn)時(shí)的加載電壓都為20 kV,在拆裝過程中只要稍加控制,人體的靜電電壓是很難達(dá)到這么高的.由此可見,這種模型中考慮的靜電刺激情況可以說是比較嚴(yán)格和極端的.在這種情況下,受試的XX雷管和XX電爆管都通過了腳-腳方式的放電刺激實(shí)驗(yàn).初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在軍用武器的正常拆裝過程中,XX雷管和XX電爆管均具有較高的靜電安全性.

[1]朱長清,劉尚和,魏明.靜電放電模擬器放電回路的設(shè)計(jì)[J].儀器技術(shù)與傳感器,2004(3):31-33.

[2]劉尚合.靜電放電及靜電防護(hù)的研究與進(jìn)展[M]//徐匡迪.中國科學(xué)技術(shù)前沿:第6卷.北京:高等教育出版社,2003: 168-169.

[3]劉尚合,魏興輝,劉直承,等.靜電理論與防護(hù)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1999.

[4]王凱民,溫玉全.軍用火工品設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[5]王川波.高壓電氣絕緣及測試[M].北京:中國水利水電出版社,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

國家總裝預(yù)研基金資助項(xiàng)目(9140A11060608ZW 0301)

劉春鳳(1960—),女,湖北孝感人,中國工程物理研究院工程師,主要從事靜電安全測試技術(shù)及測控技術(shù)應(yīng)用研究.

(責(zé)任編輯:孟素蘭)