人体静电放电的影响因素及防护手段研究

张红

摘 要：在实际生产、工作和生活中最为常见的静电类型为人体静电，人体静电放电可以分为三个阶段，受到多个影响因素的影响，如环境因素、活动方式和服装材质。文章主要是在于分析人体静电放电的影响因素并讨论相应的防护手段的有效性，通过实验和理论分析可以发现，环境因素中影响静电放电最为主要的因素是环境湿度；活动方式中，活动越剧烈人体静电电位越高；服装材质中，既需要考虑服装本身的带电能力也要考虑到其本身对环境湿度的敏感程度。防护手段中，最为有效的是静电接地手环，最为实际的是同时穿戴防静电工服和工鞋。

关键词：人体静电；环境因素；活动方式；防护手段

中图分类号：X928.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0046-03

Abstract： In actual production， work and life， the most common type of static electricity is human static electricity， human electrostatic discharge can be divided into three stages， affected by many factors， such as environmental factors， activities and clothing materials. The main purpose of this paper is to analyze the influencing factors of human electrostatic discharge and to discuss the effectiveness of the corresponding protective measures. Through experimental and theoretical analysis， it can be found that the most important factor of environmental factors affecting electrostatic discharge is environmental humidity. In the activity mode， the more intense the human body electrostatic potential is， the higher the electrostatic potential is； the higher the clothing material is， the more sensitive it is to the environmental humidity as well as the charged ability of the garment itself. In the protective measures， the most effective is the electrostatic earthing bracelet， while the most practical is to wear antistatic work clothes and shoes at the same time.

Keywords： human static electricity； environmental factors； activity mode； protective measures

1 概述

近年來，越来越多的学者开始对典型静电起电机理[1]、放电影响因素及防护手段等方面开展相关研究，不断完善静电学理论基础及应用，静电学作为电磁学的一个分支，主要的基础理论为电荷守恒定律和库仑定律，基于电场、电位、电偶极化、功函数、电荷等基本概念，总结出的主要基本理论为洛伦兹电子理论、静电场环路理论、高斯定理等，这些理论可以合理解释物质带静电电荷并放电的现象。

在实际生产、工作和生活中最为常见的静电类型为人体静电，人体在活动与其他物体摩擦或接触的过程中，人体便会携带静电电荷，如果获得的静电电荷比损失的静电电荷数量多，静电电荷便不断在人体累积，人体静电电位不断升高，静电电荷移动便会产生静电电流形成静电放电。对于存放危险化学品仓库，如锆粉、硝酸钡等反应剧烈的产品库，在操作工程如果不对人体静电加以防护，会造成严重的损失。本文的研究目的主要在于分析人体静电放电的影响因素并讨论相应的防护手段的有效性，以避免静电放电事故的发生。

2 静电起电机理

静电在通常情况是指两个绝缘物体相互摩擦或感应而在各自表面产生相反的静止电荷，静止电荷移动便产生静电电流。微观角度可以认为是电平衡状态下，由于外界因素而使得得失电子，破坏静电平衡，物质带有正负电荷，失去电平衡状态即为静电现象。宏观角度可以认为是因摩擦生热而使得原有电子获得更高的能量，电子转移，使得物体带有不同的电荷，失去电子的带正电荷，得到电子的带负电荷。

人体静电放电主要可以分为三个阶段[2]，第一个阶段是电荷的产生，主要的产生方式可以分为两种，一种为电荷转移，即人体与其他带电装置接触后，带电装置电位高于人体，电荷转移至人体；另一种为摩擦或者感应产生电荷，即人体穿着的衣服直接相互摩擦而产生电荷。第二个阶段是人体静电电荷累积，静电电荷不断产生并在人体累积，人体电位不断升高。第三个阶段是人体静电电荷的转移，即当人体电位升高到满足击穿空气的电压后便会产生静电火花，如果周围存在可燃气体、可燃粉尘或其他可燃固体便会引发火灾或爆炸事故。

3 影响因素分析

通过上述对静电放电过程的分析，可以发现对于静电放电影响的主要因素可以分为操作环境、服装材质和人体活动等三个方面。

3.1 周围环境

人工的操作环境中對于人体静电影响的因素有两个，环境温度和环境湿度[3]，设定地面为零电位，利用EST 405静电动态计算机监测报警系统可以测定不同环境温度、不同环境湿度下人体的静电电位，当人体静电电位达到300V时便会发生放电现象，人体静电电位越高越容易发生放电，所以将人体静电电位作为衡量人体静电的指标。通过对5℃、15℃和30℃三个温度下测定的人体静电电位可以发现，人体静电电位随着环境温度的升高而略有升高，但并不明显，升高的主要原因为温度升高使得周围空气活动剧烈，人体静电电荷随之增多而使得静电电位升高。通过对湿度20%RH和50%RH两组测得的静电电位可以发现，人体静电电位随着湿度的增加而降低，而且非常明显，主要原因为当湿度增加时，空气中悬浮的液滴增多，一般空气中的液体均带有电荷，电荷同性相吸，当空气中携带与人体相反电荷的液滴与人体接触时，可以中和掉一部分电荷，降低人地电位，湿度越大降低的效果越明显。

周围环境中影响人体静电电位最为主要的是环境湿度，并且可以发现当环境湿度小于20%RH时静电电位可以达到2.5kV，其静电放电能量可以超过1mJ，满足很大一部分可燃气体的最小点火能，是极其危险的，必须对此特别关注；当环境湿度大于50%RH之间时，静电放电能量低于常见可燃气体的最小点火能，但因实际条件下存在偶然因素，仍然不能松懈对于人体静电的关注。

3.2 服装材质

静电放电不仅受到周围环境的影响，更为主要的是受到服装材质的影响[4]。目前国内实行的防静电服的标准为《防静电服》（GB 12014-2009），其中规定了服装防静电的主要指标为点对点电阻，A级电阻范围为105-107，B级电阻范围为107-1011。服装材质的电阻值越高，其静电电位越高，越容易产生静电。服装材质的静电电位还受到周围环境湿度的影响，如尼龙、羊毛衣料等吸水能力强的材质，当环境湿度小于20%RH时，其带电能力明显增强，静电电位也相应升高，而随着环境湿度的逐渐升高，静电电位迅速降低。如果采用聚丙烯材质，则是在环境湿度60%RH时，静电电位最高，故选择服装材质时既要考虑到服装本身的带电能力也要考虑到其本身对环境湿度的敏感程度。

3.3 活动方式

如前所述，人体所携带的静电电荷是通过摩擦或感应的方式产生的，所以人体静电电荷会受到活动方式的影响[5]，可以将活动方式分为三类，分别为行走、奔跑和跳跃，并且做出如下规定：行走的步频为70步/分，步长为55cm；奔跑的步频为110步/分，步长为70cm；跳跃为垂直跳跃，频率为40次/分，每次跳跃前下蹲至大腿与地面平行，跳跃最高离地高度8cm。通过实验可以发现，跳跃情况下，人体电位最高可以达到2000V；奔跑情况下，人体电位最高可以达到1500V；而在行走状态下，人体最高电位可以到达500V。随着运动的剧烈程度不断提高，人的手臂与躯干相互摩擦更加强烈，摩擦产生静电电荷增多，使得人体电位逐渐升高。

4 防护手段

对于人体静电通常采用的防护方式为设置静电释放桩和防静电服[6]，一般进入到危险场所前，会利用静电释放桩来导除人体所携带的静电电荷，需要定期对静电释放桩的接地电阻进行测试，其电阻不应大于5Ω，但之前的影响因素分析中，人体活动依然会产生静电电荷，并且受到活动剧烈程度的影响，所以需要穿着防静电服来进一步有效防止静电放电事故的发生。防静电服包括防静电工服、防静电工鞋、静电接地手环（如图1所示），其中，防静电工服主要是采用金属或其他导电的有机材质作为防静电纤维织成衣物，可以有效的导除人体多余的静电电荷；防静电工鞋主要是采用PVC或者PU泡沫材料制作鞋底，来有效的降低静电电位。静电接地手环就是直接将佩戴的手环与地面相连接。实验中分别对比单独穿着防静电工服、单独穿着防静电工鞋、单独使用静电接地手环和同时穿着防静电工服和防静电工鞋几种条件下的人体静电电位，具体结果如表1所示。根据表格可以发现，单独使用静电接地手环可以非常有效的降低人体静电电位，但这样会限制人员的活动，所以更多的场所会选择使用防静电工服和工鞋，相对比而言，防静电工鞋对于降低人体静电电位更为显著，但并不能再操作过程中只穿防静电工鞋，仍然需要穿着防静电工服，进一步降低人体静电电位，避免静电放电事故的发生。

随着科技的不断进步，研究者开始研究利用无线网络和蓝牙等远传技术，给操作人员佩戴手环[7]，手环主要由静电感应器和无线信号收发模块组成，手环可以实时测试人体静电电位并且将数据远传至中控主机，中控主机通过这种方式实时监测所有操作人员在操作的过程中静电电位的变化情况，一旦静电电位高于安全值，并会发出警报提醒操作人员释放静电电荷，并且检查静电电位偏高的原因，这一技术已经应用于微电子产品的生产过程中，不久的将来会应用到更多的场合中。

5 结束语

（1）环境因素中对人体静电放电的影响，最为主要的是环境湿度，当环境湿度保持在大于等于50%RH范围内时，可以有效防止静电累积，而当环境湿度小于20%RH范围内会显著呈现带电现象需要对人体静电特别注意。

（2）服装材质的电阻值越高越容易产生静电电荷，带电能力越强，选择服装材质时既要考虑到服装本身的带电能力也要考虑到其本身对环境湿度的敏感程度。

（3）人体活动方式也是影响人体静电电位的重要因素，随着运动的剧烈程度不断提高，人体电位也随之升高，所以在进行操作的过程中需要尽量避免剧烈和大幅度的运动。

（4）防护方式中，最为有效的是静电接地手环，其可以保证人体实时与地面相连接，即时导除人体静电电荷，但考虑到实际操作的便捷性，更多的会选择同时穿戴防静电工服和工鞋，来避免静电放电事故的发生。

（5）随着科技的进步，使用手环进行无线远传来监视人体静电电位将会越来越普及。

参考文献：

[1]刘尚合，宋学君.静电及其研究进展[J].自然杂志，2007（02）：63-68，60.

[2]任觉平.人体静电的产生、危害及防护[J].考试周刊，2013（06）：151-152.

[3]李金梅，朱鸣，李强，等.环境温湿度对人体静电电位影响的实验研究[J].消防科学与技术，2014，33（12）：1370-1373.

[4]关越，吴志明，高卫东，等.浅析影响服装防静电性能的因素[J].江苏纺织，2003（02）：52-54.

[5]Wei-qi Liu，Qiang Li，Jin-mei Li. Influence of Human Body St

atic Elimination Technology on Human Electrostatic Potential[J]. Procedia Engineering， 2018，211：488-494.

[6]李朝刚，田梅，赵阳.人体静电放电模型和人体静电消除器参数分析[J].安全、健康和环境，2015，15（08）：17-20.

[7]Yao-Chin Wang，Nan-Chun Lin，Bor-Shyh Lin. A wireless and wearable measurement system for human body electrostatic monitoring application[J]. Measurement， 2018，117：365-370.