空氣濕度對靜電放電參數(shù)低重復(fù)性的影響分析

（貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001）

空氣濕度對靜電放電參數(shù)低重復(fù)性的影響分析

劉瀟瀟 阮方鳴

（貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001）

靜電放電發(fā)生時(shí)，放電間隙的電性質(zhì)具有非線性和離散性， 用靜電放電模擬器進(jìn)行的測試結(jié)果，存在著重復(fù)性低的問題。統(tǒng)一考慮放電間隙放電參數(shù)的非線性和離散性，深入認(rèn)識間接（空氣）放電的本質(zhì)特性對此類研究顯得非常必要。本文通過改變環(huán)境濕度獲得相應(yīng)的固定間隙靜電放電情況下電流峰值的差異，試圖對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論上的分析討論。

低重復(fù)特性；靜電放電；固定間隙放電

引言

靜電放電發(fā)生時(shí)，放電間隙的電性質(zhì)具有非線性和離散性， 用靜電放電模擬器進(jìn)行測試，得出的結(jié)果存在著重復(fù)性低的問題。這種低重復(fù)性，對于認(rèn)識靜電放電本質(zhì)特性，從而采取措施防止靜電放電危害，對于間接靜電放電測試標(biāo)準(zhǔn)的制定，有著非常重要的意義。本文所做的工作是在上述研究成果的基礎(chǔ)上從空氣濕度角度對影響靜電放電低重復(fù)性的因素進(jìn)行分析，并通過理論模型、計(jì)算機(jī)仿真、實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證等對研究結(jié)果進(jìn)行分析解釋。

1 新型靜電放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的的介紹

圖1為靜電放電發(fā)生器，也被稱為放電槍的結(jié)構(gòu)圖和等效電路圖。該發(fā)生器符合國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2，模擬帶靜電人體放電過程，可以很好地測試電氣或電子設(shè)備受到靜電放電時(shí)的抗擾性能。

2 實(shí)驗(yàn)原理

放電槍發(fā)生的放電現(xiàn)象發(fā)生在與放電靶接觸的時(shí)候，通過導(dǎo)線將放電靶與接地金屬相連，則放電產(chǎn)生的電流信號就會(huì)由放電靶內(nèi)部的同軸電纜傳顯示到數(shù)字示波器上。該實(shí)驗(yàn)通過空氣加濕器來改變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境濕度。

3 靜電放電低重復(fù)性特性的結(jié)果分析

利用新型靜電放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬了固定小間隙靜電放電的試驗(yàn)，獲得波形如圖2所示。

下面來探討環(huán)境濕度究竟是如何影響到靜電放電參數(shù)的。

Townsend放電理論指出，放電電流受第一電離系數(shù)α的影響并且具有呈指數(shù)上升的關(guān)系，且該系數(shù)α與氣體壓強(qiáng)P也具有指數(shù)關(guān)系，氣體壓強(qiáng)還與空氣濕度有關(guān)，所以環(huán)境濕度對小間隙放電中放電參數(shù)有重要影響。

圖1 靜電放電發(fā)生器結(jié)構(gòu)與空氣放電等效電路圖

圖2 空氣濕度變化對放電參數(shù)的影響

以一個(gè)盛有空氣的密閉容器為例，當(dāng)容器中氣體還未達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，我們向容器中輸入水汽，氣體的壓強(qiáng)必然會(huì)增加。從微觀方面分析，產(chǎn)生氣體壓強(qiáng)的根本原因是氣體分子的“碰撞”。因而我們也可以根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)的基本理論解釋大氣壓隨空氣濕度變化的問題，氣體分子的平均速率越大，導(dǎo)致氣體分子的平均動(dòng)量（若僅考慮其大小）越大。任何一種物質(zhì)在加壓過程中分子之間間距縮小，分子運(yùn)動(dòng)的平均速率加大，單位體積內(nèi)水分子含量上升，所以濕度也會(huì)加大。

小間隙放電模型指明氣體壓強(qiáng)對小間隙放電參數(shù)具有非常明顯的影響。公式（1）和（2） 描述的是電子雪崩和表面過程兩種次級過程：

ve（t）為電子的漂移速度。Townsend放電理論由以下公式可直觀表示，電子的漂移速度和Townsend第一電離系數(shù)α受大氣壓強(qiáng)變化的影響非常顯著。

空氣壓強(qiáng)的變化同時(shí)會(huì)對電子雪崩次級過程產(chǎn)生很明顯的影響。在電子雪崩次級過程中，放電電流隨著氣體壓強(qiáng)的減小而顯著下降。

根據(jù)以上公式可以得出結(jié)論，實(shí)驗(yàn)室條件下的氣體壓強(qiáng)受環(huán)境濕度的影響顯著，而氣體壓強(qiáng)又將作用于電子漂移速度和Townsend第一電離系數(shù)α，因而環(huán)境濕度越大，壓強(qiáng)越大，放電電流也會(huì)隨之增大。

結(jié)語

新研制的靜電放電參數(shù)測試系統(tǒng)，能夠探討不同因素（如電極移動(dòng)速度、空氣壓強(qiáng)、環(huán)境溫濕度等）對相關(guān)放電參數(shù)低重復(fù)特性的影響。本文就空氣濕度因素對放電參數(shù)低重復(fù)特性的影響進(jìn)行了分析討論，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了深入的原理分析，建立了物理和數(shù)學(xué)模型，并利用相關(guān)公式進(jìn)行了解釋說明。空氣濕度的改變將引起大氣壓強(qiáng)的變化，從而引起電荷運(yùn)動(dòng)的變化，是影響靜電放電低重復(fù)性特性的一個(gè)重要因素。

[1]Meek and Craggs， Electrical Breakdown of Gases， Oxford Univ. Press Oxford，1953 and Wiley， New York， 1978.

[2]阮方鳴，高攸綱，石丹，等. 靜電放電參數(shù)對電極速度的相關(guān)性與機(jī)理分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)：2008，23（05）：977-981.

[3]阮方鳴，石丹，楊乘，高攸綱，周峰，劉素玲.在小間隙放電中用 Bernoulli 定理分析電極移動(dòng)速度效應(yīng)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（03）：551-555.

[4]阮方鳴，石丹，沈遠(yuǎn)茂，高攸綱.人體靜電放電參數(shù)對帶電電壓的依賴關(guān)系研究.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（05）：979-982.

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