静电放电中电极移动速度效应对放电电流的影响性分析

贵州师范大学物理与电子科学学院　由小锦



静电放电中电极移动速度效应对放电电流的影响性分析

贵州师范大学物理与电子科学学院由小锦

【摘要】在小间隙静电放电中，电极移动速度影响放电参数，引起测量结果数离散性和低重复性。我们研究团队研制的新型测试系统，可测量静电放电各参数随不同因素变化的影响。在以不同速度向靶移动放电时，放电电流峰值、电流的上升斜率以及波形都会产生明显的差异。该因素和气体压强、温度、湿度等多个因素同时作用，是导致国际电磁兼容标准迄今尚无非接触静电放电测试标准的主要原因。在实验室条件下基于研发的新型ESD测试系统，改变电极向靶移动速度，观察放电电流峰值的相应变化。研究讨论了实验测试中,改变电极移动速度,获得在一定不同带电电压下小间隙放电电流各参数的差异。对实验测量结果初步进行了理论上的分析。

【关键词】静电放电；低重复性；电极移动速度；小间隙放电

0　引言

静电放电在日常生活中对电子电器设备服务系统会产生一种严重的危害。在静电放电发生时，放电间隙的击穿呈现电阻的非线性导致了放电电流电流特性具有非线性[1]。电极向靶的移动速度是影响放电参数低重复性的重要因素之一[2,3]。这种低重复性间接制约非接触静电放电的标准的制定。全面对非接触静电放电受多因素影响关系进行研究，尚未见报道。我们团队自主研发的新型ESD测试系统，综合考虑不同环境因素的影响，逐一定量考察队放电结果参数影响。

1　新型静电放电测试系统原理

根据国际电工委员会标准IEC61000-4-2制造的静电放电发生装置(俗称放电枪)，是放电过程的模拟装置[4]。该新型静电放电测试仪器采用将传统的圆周运动转变成直线运动的曲轴连杆机构精巧设计，通过电机转矩和速度调节器来控制电极运动速度和直线运动行程，保证了带电体(放电枪)高速向靶运动，将电极加速度信号记录下来，并通过数字示波器进行显示。为了定量研究非接触静电放电中不同因素的影响，我们团队研制出一种新型静电放电测试系统[4]。如图1所示，给出了该新型测的结构示意图。

图1　新型静电放电测试系统结构示意图

各部分的名称如下：1-密闭箱体，2-曲轴连杆，3-放电靶，4-导轨支架，5-导轨，6-静电放电发生器，7-电动机，8-摄像头，9-温度湿度显示器，10-滚轮，11-负压表，12-连接管，13-电机驱动调速器，14-控制器，15-无线路由器，16-静电放电发生器固定底座，17-电机支架。考虑到放电参数在空气中的低重复特性，我们通过电机驱动调速器和电路面板的控制实现对电极移动速度的改变，测量记录了相应的放电电流。

2　电极速度引起电流峰值的变化

在同样的电压值下，理论上静电放电发生器的放电电流峰值应该相等。电极移动速度不同的原因是步进电机的转动频率不同，所以实验中放电电流峰值和波形也会有所不同，放电参数出现明显的离散特性，由图2可得电极速度高的放电电流明显大。

图2　电极速度与放电电流的关系图

3　电极速度对ESD的影响分析

德国G Mierdel和R Seeliger在早年就进行过电晕实验研究[5]。后期美国人Penny、Cooperman等人对电晕理论和应用进行了深入研究[6,7]。在忽略湿度对放电过程的影响和带电粒子的惯性力的前提下，用气体学原理和电晕放电理论得电极移动速度和电场强度之间的关系如下[8]：

α与气体压强和间隙中的场强密切相关，也与电子运动的平均自由程λ成正比，即与气体压强密切相关[9]：

我们用以上公式验证了该观点。由公式(3)可得电极速度ν增大，则单位长度电离出的载流子数α增加。公式(4)描述的是表面过程的次级过程，可得载流子数α增大，电流峰值则增高。理想情况下，同一静电放电发生器在相同放电电压和固定间隙时应具有相同的电流峰值，但实验证明存在多种因素影响放电参数。由图2可看出在不同带电电压下放电电流峰值也不同，则带电电压也是影响放电电流的一个重要因素。其中V为电极移动速度，q为金属粒子电荷量，气体动力黏度，E为电极间的场强，ds为带电粒子的斯托克斯粒径，α为单位长度电离出的载流子数，ve(t)为电子的漂移速度，A与B是分别与气体性质和电极材料有关的常数。

图3　带电电压为2kV时的电流变化图

图4　带电电压为4kV时的电流变化图

图5　带电电压为6kV时的电流变化图

比较图3和图4可以看出，带电电压增大时，电流峰值也随之增大。当带电电压在6kV时，观察图5电极运动速度下的放电电流比4kV时电极速度下的电流峰值有所下降。则说明还有其它因素的影响，例如湿度，环境等。对于这些因素需要我们进一步探讨研究。

4　结论

由实验可知，在一定范围内放电电流峰值会随电极速度增加。但从测试结果可知，随着电压继续增大时，放电电流只是第1个峰值下降，而总的电流是增加的；第1个峰值是放电头上电荷放电，如果移动速度慢，有部分电荷消散到周围环境，则会导致放电电流峰值开始下降。

参考文献

[1]阮方鸣,石丹,高攸纲,等.在小间隙放电中用Bernoulli定理分析电极移动效应[J].电波科学学报,2009,25(3):551-555.

[2]D.Pommerenke.On Influence of Speed of Approach,Humidity and Arc Length on ESD Breakdown[C].The 3rd ESD Forum,Grainau,Germany,1993:103-111.

[3]S.Frei,M.Senghaas,R.Jobava,et al.The Influence of Speed of Approach and Humidity on the Intensity of ESD[C].Int.Zurich Symp.EMC,1999:105-110.

[4]阮方鸣,杨向东,李章伦,等.电极移动速度效应检测仪及其制作方法[P].中国专利:CN103091585A,2013-05-08 .

[5]Mierdel G,Seeliger R.The Physical Basis of Electrical Gas Purification[J].Trans.Faraday Soc,1936,32:1284-1289.

[6]G.W.Penny,G..T.Humert.Photoionization Measurement in Air,Oxygen,and Nitrogen[J].APPI.Phys,1970,41:572-577.

[7]Cooperman P.A Theory for Space-charge Limited Currents with Application[J].Trans.AIEE,1960,79(49):47-50.

[8]汪颖.喷射放电极静电除尘器的收尘机理及研发[D].武汉:武汉科技大学,2009:21-29.

[9]阮方鸣,高攸纲,石丹,等.静电放电参数对电极速度的相关性与机理分析[J].电波科学学报,2008,23(5):977-981.