電子設備的安全性設計

白偉，聞利群

（中北大學 化工與環境學院，太原 030 051）

前言

隨著21世紀電氣、電子技術的飛速發展，各類帶有高新科技的電氣、電子產品出現在我們身邊。它們的出現給我們現在的學習、工作和生活帶來了很大的便捷。但同時，電氣、電子產品的各種安全問題已不容小覷。為盡力避免、減少其對人身財產和環境所造成的危害，世界各國紛紛實行了強制性產品認證制度作為進入市場的條件，其中最重要的一項就是產品的安全認證制度。在電氣、電子產品安全認證方面，最重要的步驟就是做好產品的安全設計。

電子設備由于各種原因而發生失效,無法正確執行預定的功能,從而導致災難事故的發生，由此，電子設備的安全性應運而生。電子設備的安全性研究是安全相關系統(Safety-related System, SRS)的一類,是保障生產安全的重要措施,它應在危險事件發生之前正確地執行其安全功能,避免或減少事故的發生。

電子設備在生產、使用、維修各階段中所出現的許多問題取決于設計階段的安全性工作。例如, 工作人員的操作、設備的安全性設計、電磁信息安全設計等。在研制階段,對各種影響因素進行測定與統計分析，根據其結果調整工藝、設備、操作、管理、生產周期和投資等因素，提出消除、減少、控制危險及危險事件的措施，降低系統運行的風險[1]。

1 設計的內涵

通過對潛在的危險進行分析，提出相應的防范措施，使人-機-環境相協調，減少危險事故的發生。設計的內涵和種類分別如圖1。

2 安全性設計

2.1 設備的選用

2.1.1 材料選擇

很多設備的失效是由所用材料的質量和性能問題造成的。材料的選用要遵循以下原則:

1）材料的選取應滿足工作環境要求和受力的安全要求；

2）避免選用對人體有害的材料，如

①含有致癌物的材料；

②含水銀等有毒材料；

③能釋放與大氣化合形成酸或腐蝕性堿的氣體材料，能釋放有毒煙霧和易爆炸氣體的材料等[2]。

若必須采用上述材料時，應須采用安全技術措施和提示性安全措施。

3）造成材料變質的原因有很多，如工作環境、生物、電磁、老化、應力等，選材上應符合國家、行業標準，設計時應確保材料的使用壽命并滿足工作強度等要求。對于易老化敏感的材料，定期檢查，做到及時發現立即更換。

圖1 設計的內涵

圖2 設計的種類

2.1.2 三防設計

三防設計是指防潮、防鹽霧和防霉設計。材料的選取上, 金屬器件應進行表面防腐處理或采用耐腐蝕性材料等，如防銹合金、三防漆等，應保證金屬器件不會因各種腐蝕失效而對人、其他設備及環境造成危害。需防水的設備，防水設計應達到預期的性能，并且設計的結構要合理，要達到三防的目的[3]。

對露天工作的設備，除達到上訴設計外，也要對塵土、高溫、低溫等進行設計。

2.1.3 防誤碰措施

對潛在的由意外操作而導致危險情況的發生，應設有防誤碰措施。對重要的或會造成嚴重后果的啟動開關,必要時可以覆蓋操作件、添加防護欄裝置等結構措施。

2.1.4 熱安全設計

在規定條件下，所有的設備、部件、器件的工作溫度不得超過GB 8898規定。對于設備中高熱易損的裝置、部件或器件應有過熱保護措施。為防止過熱和過冷對人員傷害，可在人員和設備之間設置隔熱層或輻射屏蔽，并應采取防接觸遮蔽措施或提示性安全措施。

2.1.5 防火、防爆炸設計

設備在工藝設計和制造的過程中，對元件、材料等的選取應首先選擇具有不易燃燒或阻燃性質的，對所使用具有易燃、易爆等性質的物件時，應采取嚴格、有效的保護措施來達到防火、防爆炸設計。設備的使用應盡可能遠離高溫環境。對潛在的火源進行分析確定，有必要的消防器材，可以采用設置防火墻、防爆墻、泄壓設備等措施，必要時配備著火告警設備。設置火災探測器，早發現早控制。

對電真空器件，應嚴格選材，并須設有足夠強度的防護裝置，以減小爆炸時對周圍人員、設備的傷害。對超過1個標準大氣壓的充氣、充液等的壓力容器，設計的安全系數要適當及有相應的過壓安全閥等措施，防止承受過大的壓力而爆炸[4]。

鋰電池使用不當會引起燃燒、爆炸。應給出警告，設計上應采用限流電路、采用過流保護元件等措施防止放電電流和反向電流超過電池制造廠規定的允許值。

2.2 工作環境的安全性設計

2.2.1 安全出入口

工作室除設有人員進出的門外，也應配有一個緊急安全出入口，且開啟操作簡單方便，其位置應清楚標明，附近不應有雜物。

2.2.2 溫度設計

為使工作者的環境溫度適宜，對工作環境所設計的溫度要合理。通常是選用空調、加濕器等設備，來調整溫度、濕度等參數以保證人體正常的生理特點。

2.2.3 防噪聲設計

噪聲可造成工作人員耳部的不適，如耳鳴、聽力受損甚至耳聾等，另外還易產生疲勞感或煩燥情緒，嚴重時可影響工作效率，甚至可能造成誤操作的危險。

在人員工作崗位上的噪聲強度不大于70dB，無操作人員時的噪聲強度應不大于80dB。

如果噪聲將不可避免地超過允許值時，應設計隔音屏、隔音墻等，對于需要在強噪聲環境中工作的人員，可以配備頭盔、輪班休息等措施來保證人員的生理健康。

2.2.4 照明安全

照明安全是關乎設備和人員安全的重要環境要素。充足的光源可以避免因燈光不足或過強及而造成操作失誤。通常操作區的照度應540lx-755lx。

2.2.5 安全標志

設備上必須標有能清晰長久保存的標牌，其上要標出該設備的主要特征、操作類型說明及警示標志等。

安全色即是能表達出安全信息的顏色，分為紅、藍、黃、綠四種顏色，分別表示禁止、指令、警告、安全等信息。對色彩的選用應按GB 2893-2008嚴格執行。

2.3 電氣、輻射的安全性設計

2.3.1 防止電氣傷害

1）防止觸及帶電件：通過加強絕緣或雙重絕緣將帶危險電壓的零部件與可觸及件隔離。

2）防止危險帶電件與可觸及件之間的絕緣擊穿，根據產品工作的環境條件，如：工作時長、機械應力、環境溫度、空氣濕度、污染狀況等選擇合適的絕緣材料。對絕緣系統的結構設計要有有足夠的絕緣穿透距離、爬電距離、電氣間隙等。

3）防接觸電流過大

①降低隔離電容的容量；

②設備中的接地連接要可靠，防止因任何意外而導致人員傷害和設備受損；

③設置補償電路來達到降低電容電流；

④設置消弧線圈，并使消弧線圈能快速準確做補償調整與校正電感值[5]。

2.3.2 靜電的防護

近年來，在我國因靜電原因引起的事故屢見不鮮，其中損失巨大的有：上海某石化公司的2000m3甲苯罐事故；山東某石化公司的膠渣罐事故；撫順某石化公司的航煤罐事故等。

通過摩擦及各種能量的作用會產生靜電，選用適當材料及形狀，增大電導率等抑制措施外，還可采取下列措施：

1）要有良好的接地系統。工作（實驗）臺、桌椅等要接地，須有防靜電工作服（衣服、帽子、鞋、靜電手環等）以保證靜電對人體和設備的影響；

2）屏蔽。采用靜電屏蔽可將靜電危害限制到最低或者不發生，還可防止儀器設備受到靜電干擾；

3）對絕緣體帶電可采用中和的方法；

4）濕潤的環境可以抑制靜電的產生，可以采用加濕器等來實現。

2.3.3 防輻射

1）電離輻射

電離輻射是釋放電子的過程，特點是具有波長短、能量高。其中質子、α粒子、β粒子帶電，γ射線、χ射線和中子不帶電。影響因素有：

①接受輻射時間的長短。接受輻射時間越長，受到的影響越大；

②距離。不同的射線輻射距離也不同，如χ射線比γ射線射程近；

③屏蔽。設立屏蔽墻（屏）等來達到保護工作人員的目的。

2）激光輻射

激光是波長為180nm~1mm的所有的電磁波，具有定向、能量高、發散度小等的特點。激光輻射可引起人體乏力、頭痛、心律失常、灼傷皮膚、損傷細胞、視力下降甚至失明等。可采取防護罩、擋板、遙控操作等措施避免工作人員直接暴露在激光的輻射范圍內；設立警告標志，防止非工作人員靠近等。

3）電磁防護

①危害:

強電磁輻射可對人體神經、生殖等系統造成傷害，引發癌癥等，可令孕婦流產、畸胎等。

未來是高科技的時代，國防建設中對于能制敵與無形的武器——電磁脈沖武器，它產生的輻射在電路之間及半導體之間產生感應電流，對電子設備造成干擾，甚至使電子元件、集成電路燒毀，使敵方設備失控，喪失戰斗力。

②防護技術：

電磁防護技術一般有屏蔽、接地、濾波等。

屏蔽一般又分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。屏蔽主要是指減弱電磁向外輻射并減弱外部的電磁對設備的影響來達到目的的。電屏蔽一般用于輻射頻率較高時，磁屏蔽一般用于頻率較低時，當有復合電磁場的干擾一般用電磁屏蔽。通過屏蔽，可以保護設備免受外部電磁的干擾和沖擊，同時能有效的保護信息被竊取。

濾波可以將信號中某些特定頻率的信號過濾，達到抑制和防止干擾的作用。一般加載濾波器等措施。

接地起到防止外部電磁場的干擾，可以把多余的電荷釋放掉，接地起到避免設備和人員遭受電源泄露或者靜電放電的作用[6]。

3 總結

隨著科技的發展，電子設備的功能越來越多,組成結構越來越復雜,自動化程度越來越高,設備發生安全事故的可能性也不斷增大,加強安全性的設計與研究顯得十分迫切。鑒于中國在全球制造環節和設計環節的重要地位，使得中國成為全球各大儀器廠商青睞的大戰場，隨著國產設備銷往世界，因此必須要符合世界各地的安全標準。我國的電子設備要走出國門面向全球化市場，首先第一步就是解決電子設備的安全性問題。

[1] 劉芳芳. 電子設備可靠性設計方法研究[J]. 電子測試, 2007(2):99-103.

[2] 莫世禹. 艦艇通信設備安全性設計[C]. 安順：第六屆電子產品防護技術研討會, 2008:176-179.

[3] 路龍龍, 石偉. 電子結構的三防設計[J]. 電子元器件應用, 2012, 14(7):11-13.

[4] 戈進飛.軍用電子設備結構安全性設計概述[J].電子機械工程，2010，26(5):1-6.

[5] 楊鞭. 淺析6～10kV電網中電容電流的危害及防治[J]. 能源技術與管理, 2010(3):132-133.

[6] 郭建飛. 車輛電控系統電磁防護技術研究[D]. 長春：吉林大學, 2013.6.