船舶静电防护技术分析研究

2023-08-09郭飞张超明朔李晓伟袁超

中国设备工程 2023年14期

郭飞，张超，明朔，李晓伟，袁超

（武警海警学院，浙江宁波 315000）

目前对船舶电气设备的静电防护研究相对不多。而船舶静电有时会给船舶的正常运行带来严重影响，如果控制不好，就容易产生巨大的静电放电能量，进而造成的严重的设备干扰及损害，带来巨大的经济损失。基于此，需要结合船舶静电产生的实际情况，对船舶静电场防护技术进行研究，明确船舶静电场产生机理，分析静电放电模型，并针对此类危害，研究预防船舶静电危害的有效措施，满足船舶静电防护需求，确保船舶运行安全。

1 船舶静电起电机理

静电起电是一种常见的现象，当物体接触与分离时，会产生电荷的移动，引起电荷不平衡的情况，这种情况，打破了原本物体电荷的平衡，使物体带电。如生活中的不断接触与摩擦，就会导致静电现象的发生。

船舶上，在遇到突然分离或发生高低电位的设备或物体相互接触时，容易引起有害静电的产生，从而造成静电对设备的干扰和影响，危害正常运行环境的安全，甚至可能会造成火灾或爆炸事件的发生。此外，舱室环境会加重人体静电，继而人体也是静电危害的可移动载体。

1.1 船舶静电的起电机理

船舶中的静电可以分成3种类型，包括接触起电、静电感应起电、物理效应起电。其中，静电感应起电在发生时，在静电影响下，电场中如果有导体，会出现导体的表面不同位置产生相应的电荷，同时发生的变化：如不带电的导体，可能成为带电的导体，产生感应起电。感应起电是一种较为常见的物理现象，船舶航行中经常会有静电感应起电的问题，甚至还会给船舶的正常运行带来安全影响。绝缘材料接触带电如图1，接触分离起电如图2。

图1 绝缘材料接触带电

图2 接触分离起电

1.2 静电放电类型

在实际的航行中，船舶上会存在很多尖锐的导体。如在实际的运行中，铁把手的关闭，船舶甲板上的各类凸起物，会在静电产生时，导致电晕放电的发生。这种情况的发生，由于危险性相对不高，所以并不会被很多人所重视。但是，电晕放电是一种不能被忽略的放电问题。因为在一定环境的影响下，电晕放电可以演变成为另外一种静电放电，进而容易引起火花放电。例如，胶鞋踏足到船舶上时，如果发生火花放电时，就容易给雷达、导航仪器等电子设备带来影响，不利于电子设备的功能和作用，严重影响电子设备的正常功能。所以，在船舶运行时，一旦发生了静电放电，那么，电晕放电或是火花放电的发生概率就相对较高，另外，还容易引起辐射放电。常见的静电放电类型如图3。

图3 常见的静电放电类型

2 静电放电模型

图4 ESD电流波形

上图中的脉冲函数可以使用ESD电流表达式进行描述：

假设上述公式中的电流为i（t），放电的间隙长度为dl，放电前，静电荷的电量为Q0，放电开始后电极电荷量会按照如下公式（2）的情况进行变化：

2.1 静电放电的人体模型

实际上，可以发现静电放电的人体模型是在结合静电基本情况之上，所建立的模型。是综合了对地放电、器件放电建立的模型。模型的建立，对实现人体静电预防，具有较好的实用价值（如图5）。

图5 静电放电人体模型

2.2 人体与金属模型

人体金属模型，放电电阻值比人体模型要小。研究发现，该放电存在高速和低速2种模式，其中，高速模式与手中所持有的金属构件有关系。低速模式与人体电容相关联。低速模式中，所产生的放电电流在上升的过程中，所耗费的时间相对较多，而且，峰值相对不大。所以，采取人体－金属模型的简单模式适应性就相对较差。结合实际情况，考虑双电气结构，该模型中，包括人体电容，电阻和电感，手持金属物件等，如图6。

图6 人体－金属模型

人体－金属模型，也可以被叫做增强模型，可以参考人体手持金属物件的方式，以此进行模拟。最初模型建立时，是以单RC电气模型为基础。同时，电容数值选取为150pF，而电阻值相对较小，所以可以选取500欧。进一步优化和改善该项模型如图6，CB、RB、LB分别为人体电容，电阻和电感；CHA、RHA、LHA分别描述手、前臂和金属构件的电容，等效电阻和电感。模型的相应参数，可以用如下内容描述：

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

进一步进行分析，可以得到：

针对商务英语专业跨境电商师资队伍存在的问题，高职院校应协同教育主管部门和企业探索一条以社会为本位的、多渠道、个性化的跨境电商教师培训体系。教育主管部门应在全国创建更多的跨境电商师资培训基地，与跨境电商示范院校和跨境电商龙头企业开展协同创新，为更多的商务英语专业教师提供具有针对性、实践性、连续性和开放性的跨境电商师资培训。

CHA=3～10pF；RHA=20～200O；LHA=0.05～0.2μH

2.3 静电放电的场感应模型

分析发现，所有带电体的周围，都具有电场，带电体和地面之间存在相应的电位梯度，对于相关设备而言，因为接触的电场和器具的差异，就会使得静电场中出现电荷分离或是放电的现象。建立电场感应模型，实现了对静电场中静电接触的模拟。实际发现，高电场强度短持续的静电放电，在瞬变过程中会出现电荷位置的偏移，并且这部分移动的发生原因和电场强度有直接关系。

通常情况下，静电场感应电位差不能使设备出现异常，比如，发生设备失效、损坏的问题。但是，因为设备内部器件的管脚等效于接收的天线，所以，容易引起电场出现畸变的情况，也就会增强半导体内二氧化硅的场强变化，这种情况下，就容易引起栅极的氧化膜出现被击穿的情况，进而影响的正常使用。场感应模型等效电路如图7。

图7 场感应模型等效电路图

3 船舶静电场危害分析

3.1 设备危害

（1）给船舶电子设备带来影响。船舶在正常运行中，电子设备的重要性是毋庸置疑的，但是，在实际的船舶运行中，容易出现静电场问题，而在静电的影响下，设备的正常运行就会受到影响，包括电子设备出现的稳定性问题，这些问题综合作用，就会严重影响船舶的正常运行，甚至容易造成安全隐患。

（2）火药等危险品。部分船舶可能会承载火药等危险品，但是这些危险品容易受到船舶静电场的影响，最终可能造成严重的安全隐患。一般情况下，要求电报装置的静电安全ε≤εL。

（3）导航系统。导航系统是船舶的重要组成部分，如果导航系统受到影响，就会给船舶的正常行驶带来影响，甚至威胁船舶的行驶安全。因为静电场的存在，导航系统的精度就会受到影响，进而容易造成导航系统出现问题，不利于船舶的正常行驶。

3.2 人员危害

静电场的存在，可能会给船舶上的船员带来人身伤害，由于船舶静电场的电压有时会瞬时很高，如果电流相对较大，则容易给船员带来一定影响，甚至能够带来手指麻木，恐慌情绪等损害。同时，电磁环境也会对人体脑部产生一定影响。这样就不利于船员正常工作的进行，严重影响船舶的安全系数。

4 船舶静电场防护技术研究

4.1 静电接地技术

该项技术的使用，能将静电荷迅速泄漏掉，并且满足船舶安全行驶的基本需求。这种技术，也是实用的一种静电场防护技术之一。如图8所示，为完整的静电接地示意图。

图8 完整的静电接地示意图

将静电接地的方式，纳入船舶静电场防护中，不仅能够实现对船舶的控制，还能有效降低各类安全隐患的发生，从而全面提升船舶的运行质量，确保船舶的运行能力，降低船舶安全隐患的发生。静电接地技术，需要按照：

电阻基本关系，同时，还要注意对电阻率的控制，最终确保接地能够满足船舶正常运行的基本需求。

4.2 提高周围环境湿度

加湿技术应用简单，而且效果也相对明显，并且不会给船舶设备带来影响，但是高湿度的成本相对较高，还会船员带来潮湿、闷热等反应。所以，实际中很少对湿度调整，甚至有的操作工艺，还不允许使用。

4.3 抑制静电感应

结合实际，可知静电感应发生所产生的电场会影响电子元件的性能，甚至会引起较大电位差的出现。控制静电感应可以以相关物理屏蔽的方式实现，进而降低危害影响，提升设备静电环境安全。选择屏蔽式电源线的，需要注意线间干扰的控制。还要对双绞线的信号线进行处理，保证双绞线信号线的效果。另外，还可以采用屏蔽盒，实现屏蔽接地，从而实现对电位差的控制。对于电子器件，可以选择具有较好防静电能力的表面保护对设备覆盖，确保在实际的运行中，不受其影响，降低隐患的发生概率。

4.4 静电检测报警装置

为了实现对静电的检测和控制，需要设计静电检测报警装置，这种装置主要结构有3部分：防爆静电释放装置、测试仪表和支架。此外，还包括提示牌、自动上断电电路、报警装置和接地线等进行控制等。测试仪表包括：放大电路、MCU数据处理器和AD转换和触摸压动盘等部分。检测后的静电需要进行释放，考虑释放电流过大的影响，结合释放装置的基本结构，引入电流限流技术。装置组成，如图9所示。

图9 静电释放装置

运行中，有人接近的防爆数显静电释放装置的瞬间，检测电路会动作。如果手接触到装置，人体的静电会被显示出来，同时，完成对人体静电的测定，之后装置会根据产生静电大小发出相应报警的信号并进行静电释放。当人体中所存在的静电释放完成后，报警停止。同时，会显示人体所残存的静电。该设备，能够实现人体静电的合理测定，过程中使用信号放大器，对相应信号进行放大，以保证检测的精度，但是它的电衰减相对较快。信号装置的原理图，如图10。

图10 信号装置的原理图

4.5 静电防护技术的综合运用

（1）定期静电监测。根据舱室电气设备特点，划分出重点产生有害静电设备与重点易受静电干扰设备。对于静电污染类设备，如大型电动机、大负荷电缆等易产生强电磁感应的设备应重点布置设备监测分析，必要时应针对性地采取静电消除措施。此外，对重点设备的静电监测分析也可及早发现设备异常，及早排除故障。设备监测应按每周、每月、每半年、每年分时有侧重、性针对的进行。

（2）人体静电引流。人体静电是船舶防静电防护的重要不可控因素，为提高船舶安全系数必须要采取相应的技术防护措施。考虑人员的流动的随机性、衣着穿搭的不确定性，产生的静电也会多样化。实际采取静电消除操作将会十分烦琐，影响正常工作秩序。

考虑以上原因，在舱室中以最大程度不影响工作的方式，应用上文中静电检测报警技术，引入静电消除装置。如在舱室把手、踏垫、工区扶手等人员必经之地加以设置接触引流装置，随时释放静电，保持静电环境安全。

（3）加强静电管理措施。为了更好地对静电管理和控制，需要加强相关工作人员的管理工作，首先确保要有相关足够的基本知识，在上舰前，做好培训工作。

需要做好相关制度的制定，配备专门的管理人员，做好相关监测的记录工作，确保个人用品使用规范，降低个人因素带来的影响。

另外，还要做好工作台、地板等重要场所的检查。确保工作人员，在进入工作区，佩戴好必要的设备，并遵守静电防护的相关规范，最大程度降低静电可能产生的危害。