船舶靜電防護(hù)技術(shù)分析研究

郭飛，張超，明朔，李曉偉，袁超

（武警海警學(xué)院，浙江 寧波 315000）

目前對(duì)船舶電氣設(shè)備的靜電防護(hù)研究相對(duì)不多。而船舶靜電有時(shí)會(huì)給船舶的正常運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響，如果控制不好，就容易產(chǎn)生巨大的靜電放電能量，進(jìn)而造成的嚴(yán)重的設(shè)備干擾及損害，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。基于此，需要結(jié)合船舶靜電產(chǎn)生的實(shí)際情況，對(duì)船舶靜電場(chǎng)防護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，明確船舶靜電場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理，分析靜電放電模型，并針對(duì)此類(lèi)危害，研究預(yù)防船舶靜電危害的有效措施，滿(mǎn)足船舶靜電防護(hù)需求，確保船舶運(yùn)行安全。

1 船舶靜電起電機(jī)理

靜電起電是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，當(dāng)物體接觸與分離時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電荷的移動(dòng)，引起電荷不平衡的情況，這種情況，打破了原本物體電荷的平衡，使物體帶電。如生活中的不斷接觸與摩擦，就會(huì)導(dǎo)致靜電現(xiàn)象的發(fā)生。

船舶上，在遇到突然分離或發(fā)生高低電位的設(shè)備或物體相互接觸時(shí)，容易引起有害靜電的產(chǎn)生，從而造成靜電對(duì)設(shè)備的干擾和影響，危害正常運(yùn)行環(huán)境的安全，甚至可能會(huì)造成火災(zāi)或爆炸事件的發(fā)生。此外，艙室環(huán)境會(huì)加重人體靜電，繼而人體也是靜電危害的可移動(dòng)載體。

1.1 船舶靜電的起電機(jī)理

船舶中的靜電可以分成3種類(lèi)型，包括接觸起電、靜電感應(yīng)起電、物理效應(yīng)起電。其中，靜電感應(yīng)起電在發(fā)生時(shí)，在靜電影響下，電場(chǎng)中如果有導(dǎo)體，會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)體的表面不同位置產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，同時(shí)發(fā)生的變化：如不帶電的導(dǎo)體，可能成為帶電的導(dǎo)體，產(chǎn)生感應(yīng)起電。感應(yīng)起電是一種較為常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，船舶航行中經(jīng)常會(huì)有靜電感應(yīng)起電的問(wèn)題，甚至還會(huì)給船舶的正常運(yùn)行帶來(lái)安全影響。絕緣材料接觸帶電如圖1，接觸分離起電如圖2。

圖1 絕緣材料接觸帶電

圖2 接觸分離起電

1.2 靜電放電類(lèi)型

在實(shí)際的航行中，船舶上會(huì)存在很多尖銳的導(dǎo)體。如在實(shí)際的運(yùn)行中，鐵把手的關(guān)閉，船舶甲板上的各類(lèi)凸起物，會(huì)在靜電產(chǎn)生時(shí)，導(dǎo)致電暈放電的發(fā)生。這種情況的發(fā)生，由于危險(xiǎn)性相對(duì)不高，所以并不會(huì)被很多人所重視。但是，電暈放電是一種不能被忽略的放電問(wèn)題。因?yàn)樵谝欢ōh(huán)境的影響下，電暈放電可以演變成為另外一種靜電放電，進(jìn)而容易引起火花放電。例如，膠鞋踏足到船舶上時(shí)，如果發(fā)生火花放電時(shí)，就容易給雷達(dá)、導(dǎo)航儀器等電子設(shè)備帶來(lái)影響，不利于電子設(shè)備的功能和作用，嚴(yán)重影響電子設(shè)備的正常功能。所以，在船舶運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生了靜電放電，那么，電暈放電或是火花放電的發(fā)生概率就相對(duì)較高，另外，還容易引起輻射放電。常見(jiàn)的靜電放電類(lèi)型如圖3。

圖3 常見(jiàn)的靜電放電類(lèi)型

2 靜電放電模型

圖4 ESD電流波形

上圖中的脈沖函數(shù)可以使用ESD電流表達(dá)式進(jìn)行描述：

假設(shè)上述公式中的電流為i（t），放電的間隙長(zhǎng)度為dl，放電前，靜電荷的電量為Q0，放電開(kāi)始后電極電荷量會(huì)按照如下公式（2）的情況進(jìn)行變化：

2.1 靜電放電的人體模型

實(shí)際上，可以發(fā)現(xiàn)靜電放電的人體模型是在結(jié)合靜電基本情況之上，所建立的模型。是綜合了對(duì)地放電、器件放電建立的模型。模型的建立，對(duì)實(shí)現(xiàn)人體靜電預(yù)防，具有較好的實(shí)用價(jià)值（如圖5）。

圖5 靜電放電人體模型

2.2 人體與金屬模型

人體金屬模型，放電電阻值比人體模型要小。研究發(fā)現(xiàn)，該放電存在高速和低速2種模式，其中，高速模式與手中所持有的金屬構(gòu)件有關(guān)系。低速模式與人體電容相關(guān)聯(lián)。低速模式中，所產(chǎn)生的放電電流在上升的過(guò)程中，所耗費(fèi)的時(shí)間相對(duì)較多，而且，峰值相對(duì)不大。所以，采取人體－金屬模型的簡(jiǎn)單模式適應(yīng)性就相對(duì)較差。結(jié)合實(shí)際情況，考慮雙電氣結(jié)構(gòu)，該模型中，包括人體電容，電阻和電感，手持金屬物件等，如圖6。

圖6 人體－金屬模型

人體－金屬模型，也可以被叫做增強(qiáng)模型，可以參考人體手持金屬物件的方式，以此進(jìn)行模擬。最初模型建立時(shí)，是以單RC電氣模型為基礎(chǔ)。同時(shí)，電容數(shù)值選取為150pF，而電阻值相對(duì)較小，所以可以選取500歐。進(jìn)一步優(yōu)化和改善該項(xiàng)模型如圖6，CB、RB、LB分別為人體電容，電阻和電感；CHA、RHA、LHA分別描述手、前臂和金屬構(gòu)件的電容，等效電阻和電感。模型的相應(yīng)參數(shù)，可以用如下內(nèi)容描述：

CB=150F±10%；RB=300O±10%；LB=0.04～0.2μH；

進(jìn)一步進(jìn)行分析，可以得到：

針對(duì)商務(wù)英語(yǔ)專(zhuān)業(yè)跨境電商師資隊(duì)伍存在的問(wèn)題，高職院校應(yīng)協(xié)同教育主管部門(mén)和企業(yè)探索一條以社會(huì)為本位的、多渠道、個(gè)性化的跨境電商教師培訓(xùn)體系。教育主管部門(mén)應(yīng)在全國(guó)創(chuàng)建更多的跨境電商師資培訓(xùn)基地，與跨境電商示范院校和跨境電商龍頭企業(yè)開(kāi)展協(xié)同創(chuàng)新，為更多的商務(wù)英語(yǔ)專(zhuān)業(yè)教師提供具有針對(duì)性、實(shí)踐性、連續(xù)性和開(kāi)放性的跨境電商師資培訓(xùn)。

CHA=3～10pF；RHA=20～200O；LHA=0.05～0.2μH

2.3 靜電放電的場(chǎng)感應(yīng)模型

分析發(fā)現(xiàn)，所有帶電體的周?chē)?，都具有電?chǎng)，帶電體和地面之間存在相應(yīng)的電位梯度，對(duì)于相關(guān)設(shè)備而言，因?yàn)榻佑|的電場(chǎng)和器具的差異，就會(huì)使得靜電場(chǎng)中出現(xiàn)電荷分離或是放電的現(xiàn)象。建立電場(chǎng)感應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)靜電場(chǎng)中靜電接觸的模擬。實(shí)際發(fā)現(xiàn)，高電場(chǎng)強(qiáng)度短持續(xù)的靜電放電，在瞬變過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)電荷位置的偏移，并且這部分移動(dòng)的發(fā)生原因和電場(chǎng)強(qiáng)度有直接關(guān)系。

通常情況下，靜電場(chǎng)感應(yīng)電位差不能使設(shè)備出現(xiàn)異常，比如，發(fā)生設(shè)備失效、損壞的問(wèn)題。但是，因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)部器件的管腳等效于接收的天線，所以，容易引起電場(chǎng)出現(xiàn)畸變的情況，也就會(huì)增強(qiáng)半導(dǎo)體內(nèi)二氧化硅的場(chǎng)強(qiáng)變化，這種情況下，就容易引起柵極的氧化膜出現(xiàn)被擊穿的情況，進(jìn)而影響的正常使用。場(chǎng)感應(yīng)模型等效電路如圖7。

圖7 場(chǎng)感應(yīng)模型等效電路圖

3 船舶靜電場(chǎng)危害分析

3.1 設(shè)備危害

（1）給船舶電子設(shè)備帶來(lái)影響。船舶在正常運(yùn)行中，電子設(shè)備的重要性是毋庸置疑的，但是，在實(shí)際的船舶運(yùn)行中，容易出現(xiàn)靜電場(chǎng)問(wèn)題，而在靜電的影響下，設(shè)備的正常運(yùn)行就會(huì)受到影響，包括電子設(shè)備出現(xiàn)的穩(wěn)定性問(wèn)題，這些問(wèn)題綜合作用，就會(huì)嚴(yán)重影響船舶的正常運(yùn)行，甚至容易造成安全隱患。

（2）火藥等危險(xiǎn)品。部分船舶可能會(huì)承載火藥等危險(xiǎn)品，但是這些危險(xiǎn)品容易受到船舶靜電場(chǎng)的影響，最終可能造成嚴(yán)重的安全隱患。一般情況下，要求電報(bào)裝置的靜電安全ε≤εL。

（3）導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)是船舶的重要組成部分，如果導(dǎo)航系統(tǒng)受到影響，就會(huì)給船舶的正常行駛帶來(lái)影響，甚至威脅船舶的行駛安全。因?yàn)殪o電場(chǎng)的存在，導(dǎo)航系統(tǒng)的精度就會(huì)受到影響，進(jìn)而容易造成導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，不利于船舶的正常行駛。

3.2 人員危害

靜電場(chǎng)的存在，可能會(huì)給船舶上的船員帶來(lái)人身傷害，由于船舶靜電場(chǎng)的電壓有時(shí)會(huì)瞬時(shí)很高，如果電流相對(duì)較大，則容易給船員帶來(lái)一定影響，甚至能夠帶來(lái)手指麻木，恐慌情緒等損害。同時(shí)，電磁環(huán)境也會(huì)對(duì)人體腦部產(chǎn)生一定影響。這樣就不利于船員正常工作的進(jìn)行，嚴(yán)重影響船舶的安全系數(shù)。

4 船舶靜電場(chǎng)防護(hù)技術(shù)研究

4.1 靜電接地技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)的使用，能將靜電荷迅速泄漏掉，并且滿(mǎn)足船舶安全行駛的基本需求。這種技術(shù)，也是實(shí)用的一種靜電場(chǎng)防護(hù)技術(shù)之一。如圖8所示，為完整的靜電接地示意圖。

圖8 完整的靜電接地示意圖

將靜電接地的方式，納入船舶靜電場(chǎng)防護(hù)中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)船舶的控制，還能有效降低各類(lèi)安全隱患的發(fā)生，從而全面提升船舶的運(yùn)行質(zhì)量，確保船舶的運(yùn)行能力，降低船舶安全隱患的發(fā)生。靜電接地技術(shù)，需要按照：

電阻基本關(guān)系，同時(shí)，還要注意對(duì)電阻率的控制，最終確保接地能夠滿(mǎn)足船舶正常運(yùn)行的基本需求。

4.2 提高周?chē)h(huán)境濕度

加濕技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)單，而且效果也相對(duì)明顯，并且不會(huì)給船舶設(shè)備帶來(lái)影響，但是高濕度的成本相對(duì)較高，還會(huì)船員帶來(lái)潮濕、悶熱等反應(yīng)。所以，實(shí)際中很少對(duì)濕度調(diào)整，甚至有的操作工藝，還不允許使用。

4.3 抑制靜電感應(yīng)

結(jié)合實(shí)際，可知靜電感應(yīng)發(fā)生所產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)影響電子元件的性能，甚至?xí)疠^大電位差的出現(xiàn)?？刂旗o電感應(yīng)可以以相關(guān)物理屏蔽的方式實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而降低危害影響，提升設(shè)備靜電環(huán)境安全。選擇屏蔽式電源線的，需要注意線間干擾的控制。還要對(duì)雙絞線的信號(hào)線進(jìn)行處理，保證雙絞線信號(hào)線的效果。另外，還可以采用屏蔽盒，實(shí)現(xiàn)屏蔽接地，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電位差的控制。對(duì)于電子器件，可以選擇具有較好防靜電能力的表面保護(hù)對(duì)設(shè)備覆蓋，確保在實(shí)際的運(yùn)行中，不受其影響，降低隱患的發(fā)生概率。

4.4 靜電檢測(cè)報(bào)警裝置

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電的檢測(cè)和控制，需要設(shè)計(jì)靜電檢測(cè)報(bào)警裝置，這種裝置主要結(jié)構(gòu)有3部分：防爆靜電釋放裝置、測(cè)試儀表和支架。此外，還包括提示牌、自動(dòng)上斷電電路、報(bào)警裝置和接地線等進(jìn)行控制等。測(cè)試儀表包括：放大電路、MCU數(shù)據(jù)處理器和AD轉(zhuǎn)換和觸摸壓動(dòng)盤(pán)等部分。檢測(cè)后的靜電需要進(jìn)行釋放，考慮釋放電流過(guò)大的影響，結(jié)合釋放裝置的基本結(jié)構(gòu)，引入電流限流技術(shù)。裝置組成，如圖9所示。

圖9 靜電釋放裝置

運(yùn)行中，有人接近的防爆數(shù)顯靜電釋放裝置的瞬間，檢測(cè)電路會(huì)動(dòng)作。如果手接觸到裝置，人體的靜電會(huì)被顯示出來(lái)，同時(shí)，完成對(duì)人體靜電的測(cè)定，之后裝置會(huì)根據(jù)產(chǎn)生靜電大小發(fā)出相應(yīng)報(bào)警的信號(hào)并進(jìn)行靜電釋放。當(dāng)人體中所存在的靜電釋放完成后，報(bào)警停止。同時(shí)，會(huì)顯示人體所殘存的靜電。該設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)人體靜電的合理測(cè)定，過(guò)程中使用信號(hào)放大器，對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大，以保證檢測(cè)的精度，但是它的電衰減相對(duì)較快。信號(hào)裝置的原理圖，如圖10。

圖10 信號(hào)裝置的原理圖

4.5 靜電防護(hù)技術(shù)的綜合運(yùn)用

（1）定期靜電監(jiān)測(cè)。根據(jù)艙室電氣設(shè)備特點(diǎn)，劃分出重點(diǎn)產(chǎn)生有害靜電設(shè)備與重點(diǎn)易受靜電干擾設(shè)備。對(duì)于靜電污染類(lèi)設(shè)備，如大型電動(dòng)機(jī)、大負(fù)荷電纜等易產(chǎn)生強(qiáng)電磁感應(yīng)的設(shè)備應(yīng)重點(diǎn)布置設(shè)備監(jiān)測(cè)分析，必要時(shí)應(yīng)針對(duì)性地采取靜電消除措施。此外，對(duì)重點(diǎn)設(shè)備的靜電監(jiān)測(cè)分析也可及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，及早排除故障。設(shè)備監(jiān)測(cè)應(yīng)按每周、每月、每半年、每年分時(shí)有側(cè)重、性針對(duì)的進(jìn)行。

（2）人體靜電引流。人體靜電是船舶防靜電防護(hù)的重要不可控因素，為提高船舶安全系數(shù)必須要采取相應(yīng)的技術(shù)防護(hù)措施?？紤]人員的流動(dòng)的隨機(jī)性、衣著穿搭的不確定性，產(chǎn)生的靜電也會(huì)多樣化。實(shí)際采取靜電消除操作將會(huì)十分煩瑣，影響正常工作秩序。

考慮以上原因，在艙室中以最大程度不影響工作的方式，應(yīng)用上文中靜電檢測(cè)報(bào)警技術(shù)，引入靜電消除裝置。如在艙室把手、踏墊、工區(qū)扶手等人員必經(jīng)之地加以設(shè)置接觸引流裝置，隨時(shí)釋放靜電，保持靜電環(huán)境安全。

（3）加強(qiáng)靜電管理措施。為了更好地對(duì)靜電管理和控制，需要加強(qiáng)相關(guān)工作人員的管理工作，首先確保要有相關(guān)足夠的基本知識(shí)，在上艦前，做好培訓(xùn)工作。

需要做好相關(guān)制度的制定，配備專(zhuān)門(mén)的管理人員，做好相關(guān)監(jiān)測(cè)的記錄工作，確保個(gè)人用品使用規(guī)范，降低個(gè)人因素帶來(lái)的影響。

另外，還要做好工作臺(tái)、地板等重要場(chǎng)所的檢查。確保工作人員，在進(jìn)入工作區(qū)，佩戴好必要的設(shè)備，并遵守靜電防護(hù)的相關(guān)規(guī)范，最大程度降低靜電可能產(chǎn)生的危害。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從船舶靜電危害的角度出發(fā)，結(jié)合船舶的運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)，建立基本靜電模型，對(duì)船舶靜電機(jī)理與危害進(jìn)行分析。最后，結(jié)合實(shí)際靜電防護(hù)需求，綜合討論、研究了船舶靜電場(chǎng)防護(hù)技術(shù)，提出采用船舶靜電監(jiān)測(cè)和靜電消除等方法和措施，降低靜電偶然性事故發(fā)生概率，維護(hù)靜電環(huán)境安全，提升了船舶運(yùn)行安全系數(shù)。