船舶靜電防護技術分析研究

郭飛，張超，明朔，李曉偉，袁超

（武警海警學院，浙江 寧波 315000）

目前對船舶電氣設備的靜電防護研究相對不多。而船舶靜電有時會給船舶的正常運行帶來嚴重影響，如果控制不好，就容易產生巨大的靜電放電能量，進而造成的嚴重的設備干擾及損害，帶來巨大的經濟損失。基于此，需要結合船舶靜電產生的實際情況，對船舶靜電場防護技術進行研究，明確船舶靜電場產生機理，分析靜電放電模型，并針對此類危害，研究預防船舶靜電危害的有效措施，滿足船舶靜電防護需求，確保船舶運行安全。

1 船舶靜電起電機理

靜電起電是一種常見的現象，當物體接觸與分離時，會產生電荷的移動，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，就會導致靜電現象的發生。

船舶上，在遇到突然分離或發生高低電位的設備或物體相互接觸時，容易引起有害靜電的產生，從而造成靜電對設備的干擾和影響，危害正常運行環境的安全，甚至可能會造成火災或爆炸事件的發生。此外，艙室環境會加重人體靜電，繼而人體也是靜電危害的可移動載體。

1.1 船舶靜電的起電機理

船舶中的靜電可以分成3種類型，包括接觸起電、靜電感應起電、物理效應起電。其中，靜電感應起電在發生時，在靜電影響下，電場中如果有導體，會出現導體的表面不同位置產生相應的電荷，同時發生的變化：如不帶電的導體，可能成為帶電的導體，產生感應起電。感應起電是一種較為常見的物理現象，船舶航行中經常會有靜電感應起電的問題，甚至還會給船舶的正常運行帶來安全影響。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 靜電放電類型

在實際的航行中，船舶上會存在很多尖銳的導體。如在實際的運行中，鐵把手的關閉，船舶甲板上的各類凸起物，會在靜電產生時，導致電暈放電的發生。這種情況的發生，由于危險性相對不高，所以并不會被很多人所重視。但是，電暈放電是一種不能被忽略的放電問題。因為在一定環境的影響下，電暈放電可以演變成為另外一種靜電放電，進而容易引起火花放電。例如，膠鞋踏足到船舶上時，如果發生火花放電時，就容易給雷達、導航儀器等電子設備帶來影響，不利于電子設備的功能和作用，嚴重影響電子設備的正常功能。所以，在船舶運行時，一旦發生了靜電放電，那么，電暈放電或是火花放電的發生概率就相對較高，另外，還容易引起輻射放電。常見的靜電放電類型如圖3。

圖3 常見的靜電放電類型

2 靜電放電模型

圖4 ESD電流波形

上圖中的脈沖函數可以使用ESD電流表達式進行描述：

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

2.1 靜電放電的人體模型

實際上，可以發現靜電放電的人體模型是在結合靜電基本情況之上，所建立的模型。是綜合了對地放電、器件放電建立的模型。模型的建立，對實現人體靜電預防，具有較好的實用價值（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。研究發現，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件有關系。低速模式與人體電容相關聯。低速模式中，所產生的放電電流在上升的過程中，所耗費的時間相對較多，而且，峰值相對不大。所以，采取人體－金屬模型的簡單模式適應性就相對較差。結合實際情況，考慮雙電氣結構，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，也可以被叫做增強模型，可以參考人體手持金屬物件的方式，以此進行模擬。最初模型建立時，是以單RC電氣模型為基礎。同時，電容數值選取為150pF，而電阻值相對較小，所以可以選取500歐。進一步優化和改善該項模型如圖6，CB、RB、LB分別為人體電容，電阻和電感；CHA、RHA、LHA分別描述手、前臂和金屬構件的電容，等效電阻和電感。模型的相應參數，可以用如下內容描述：

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

進一步進行分析，可以得到：

針對商務英語專業跨境電商師資隊伍存在的問題，高職院校應協同教育主管部門和企業探索一條以社會為本位的、多渠道、個性化的跨境電商教師培訓體系。教育主管部門應在全國創建更多的跨境電商師資培訓基地，與跨境電商示范院校和跨境電商龍頭企業開展協同創新，為更多的商務英語專業教師提供具有針對性、實踐性、連續性和開放性的跨境電商師資培訓。

CHA=3～10pF；RHA=20～200O；LHA=0.05～0.2μH

2.3 靜電放電的場感應模型

分析發現，所有帶電體的周圍，都具有電場，帶電體和地面之間存在相應的電位梯度，對于相關設備而言，因為接觸的電場和器具的差異，就會使得靜電場中出現電荷分離或是放電的現象。建立電場感應模型，實現了對靜電場中靜電接觸的模擬。實際發現，高電場強度短持續的靜電放電，在瞬變過程中會出現電荷位置的偏移，并且這部分移動的發生原因和電場強度有直接關系。

通常情況下，靜電場感應電位差不能使設備出現異常，比如，發生設備失效、損壞的問題。但是，因為設備內部器件的管腳等效于接收的天線，所以，容易引起電場出現畸變的情況，也就會增強半導體內二氧化硅的場強變化，這種情況下，就容易引起柵極的氧化膜出現被擊穿的情況，進而影響的正常使用。場感應模型等效電路如圖7。

圖7 場感應模型等效電路圖

3 船舶靜電場危害分析

3.1 設備危害

（1）給船舶電子設備帶來影響。船舶在正常運行中，電子設備的重要性是毋庸置疑的，但是，在實際的船舶運行中，容易出現靜電場問題，而在靜電的影響下，設備的正常運行就會受到影響，包括電子設備出現的穩定性問題，這些問題綜合作用，就會嚴重影響船舶的正常運行，甚至容易造成安全隱患。

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

（3）導航系統。導航系統是船舶的重要組成部分，如果導航系統受到影響，就會給船舶的正常行駛帶來影響，甚至威脅船舶的行駛安全。因為靜電場的存在，導航系統的精度就會受到影響，進而容易造成導航系統出現問題，不利于船舶的正常行駛。

3.2 人員危害

靜電場的存在，可能會給船舶上的船員帶來人身傷害，由于船舶靜電場的電壓有時會瞬時很高，如果電流相對較大，則容易給船員帶來一定影響，甚至能夠帶來手指麻木，恐慌情緒等損害。同時，電磁環境也會對人體腦部產生一定影響。這樣就不利于船員正常工作的進行，嚴重影響船舶的安全系數。

4 船舶靜電場防護技術研究

4.1 靜電接地技術

該項技術的使用，能將靜電荷迅速泄漏掉，并且滿足船舶安全行駛的基本需求。這種技術，也是實用的一種靜電場防護技術之一。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，納入船舶靜電場防護中，不僅能夠實現對船舶的控制，還能有效降低各類安全隱患的發生，從而全面提升船舶的運行質量，確保船舶的運行能力，降低船舶安全隱患的發生。靜電接地技術，需要按照：

電阻基本關系，同時，還要注意對電阻率的控制，最終確保接地能夠滿足船舶正常運行的基本需求。

4.2 提高周圍環境濕度

加濕技術應用簡單，而且效果也相對明顯，并且不會給船舶設備帶來影響，但是高濕度的成本相對較高，還會船員帶來潮濕、悶熱等反應。所以，實際中很少對濕度調整，甚至有的操作工藝，還不允許使用。

4.3 抑制靜電感應

結合實際，可知靜電感應發生所產生的電場會影響電子元件的性能，甚至會引起較大電位差的出現。控制靜電感應可以以相關物理屏蔽的方式實現，進而降低危害影響，提升設備靜電環境安全。選擇屏蔽式電源線的，需要注意線間干擾的控制。還要對雙絞線的信號線進行處理，保證雙絞線信號線的效果。另外，還可以采用屏蔽盒，實現屏蔽接地，從而實現對電位差的控制。對于電子器件，可以選擇具有較好防靜電能力的表面保護對設備覆蓋，確保在實際的運行中，不受其影響，降低隱患的發生概率。

4.4 靜電檢測報警裝置

為了實現對靜電的檢測和控制，需要設計靜電檢測報警裝置，這種裝置主要結構有3部分：防爆靜電釋放裝置、測試儀表和支架。此外，還包括提示牌、自動上斷電電路、報警裝置和接地線等進行控制等。測試儀表包括：放大電路、MCU數據處理器和AD轉換和觸摸壓動盤等部分。檢測后的靜電需要進行釋放，考慮釋放電流過大的影響，結合釋放裝置的基本結構，引入電流限流技術。裝置組成，如圖9所示。

圖9 靜電釋放裝置

運行中，有人接近的防爆數顯靜電釋放裝置的瞬間，檢測電路會動作。如果手接觸到裝置，人體的靜電會被顯示出來，同時，完成對人體靜電的測定，之后裝置會根據產生靜電大小發出相應報警的信號并進行靜電釋放。當人體中所存在的靜電釋放完成后，報警停止。同時，會顯示人體所殘存的靜電。該設備，能夠實現人體靜電的合理測定，過程中使用信號放大器，對相應信號進行放大，以保證檢測的精度，但是它的電衰減相對較快。信號裝置的原理圖，如圖10。

圖10 信號裝置的原理圖

4.5 靜電防護技術的綜合運用

（1）定期靜電監測。根據艙室電氣設備特點，劃分出重點產生有害靜電設備與重點易受靜電干擾設備。對于靜電污染類設備，如大型電動機、大負荷電纜等易產生強電磁感應的設備應重點布置設備監測分析，必要時應針對性地采取靜電消除措施。此外，對重點設備的靜電監測分析也可及早發現設備異常，及早排除故障。設備監測應按每周、每月、每半年、每年分時有側重、性針對的進行。

（2）人體靜電引流。人體靜電是船舶防靜電防護的重要不可控因素，為提高船舶安全系數必須要采取相應的技術防護措施。考慮人員的流動的隨機性、衣著穿搭的不確定性，產生的靜電也會多樣化。實際采取靜電消除操作將會十分煩瑣，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，應用上文中靜電檢測報警技術，引入靜電消除裝置。如在艙室把手、踏墊、工區扶手等人員必經之地加以設置接觸引流裝置，隨時釋放靜電，保持靜電環境安全。

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

需要做好相關制度的制定，配備專門的管理人員，做好相關監測的記錄工作，確保個人用品使用規范，降低個人因素帶來的影響。

另外，還要做好工作臺、地板等重要場所的檢查。確保工作人員，在進入工作區，佩戴好必要的設備，并遵守靜電防護的相關規范，最大程度降低靜電可能產生的危害。

5 結語

本文從船舶靜電危害的角度出發，結合船舶的運行環境特點，建立基本靜電模型，對船舶靜電機理與危害進行分析。最后，結合實際靜電防護需求，綜合討論、研究了船舶靜電場防護技術，提出采用船舶靜電監測和靜電消除等方法和措施，降低靜電偶然性事故發生概率，維護靜電環境安全，提升了船舶運行安全系數。