Разряды статического электричества

Внешние электромагнитные импульсы

Наряду с ИП, возникающими в СЭС при коммутациях и работе мощных тиристорных преобразователей, существует вероятность воздействия на электрооборудование ИП, возбуждаемых внешними по отношению к сооружению электромагнитными импульсами. Среди мощных внешних источников наибольшего внимания заслуживают электромагнитный импульс разряда молнии (ЭМИМ); разряды статического электричества; электромагнитные поля промышленной и высокой частоты, возникающие при работе различных электротехнических устройств; электромагнитные импульсы ядерных взрывов и т.д.

Основным каналом распространения энергии внешних электромагнитных импульсов во внутренние помещения сооружений являются кабели и другие электропроводящие элементы, такие, как трубопроводы систем водоснабжения и канализации и т.п. Рассмотрим основные особенности влияния внешних электромагнитных воздействий на электрооборудование систем электроснабжения.

Возникновение импульсных напряжений и токов

При разрядах молнии

Многие электрические системы непосредственно или косвенно связаны с кабельными коммуникациями или иными проводящими контурами, расположенными снаружи сооружения. При разряде молнии в металлоконструкции сооружения либо при разрядах молнии в непосредственной близости от сооружения возникают сильные электромагнитные поля. Они наводят в кабелях ЭДС и токи, которые проникают по кабелям внутрь сооружения, достигают чувствительного электрооборудования и могут вызвать сбои в его работе и даже повреждения. При анализе явлений в электрооборудовании сооружений, сопровождающих ЭМИМ, необходимо по известным параметрам ЭМИМ определить амплитуду наведенных импульсных напряжений.

ЭМИМ может длиться около 1 с и состоит из нескольких импульсов тока большой амплитуды. Отдельный импульс тока молнии обычно задается формой, приведенной на рис. 2.3, а. Разряд молнии над поверхностью земли характеризуется следующими параметрами:

- максимальный ток в канале разряда молнии I _mах=80...200 кА;

- время нарастания (от уровня 0,1 I _mах до уровня 0,9 I _mах) t _ф = 0,5 ... 1,5 мкс;

- длительность импульса (по уровне 0,5 I _mах) = 50 мкс;

- максимальная скорость нарастания тока (dI/dt)_{mа х} = 80...200 кА/мкс.

При разрядах молнии над морской поверхностью максимальная скорость нарастания тока в 3...10 раз больше, а время нарастания t _Ф уменьшается до 90 нс.

Любая молния и любой ток в проводах, обусловленный молнией, вызывают электромагнитные поля, которые вызывают в электрических контурах напряжения с мешающими или разрушающими последствиями.

Импульс тока молнии I ₁при протекании по проводнику (рис.2.19) сопровождается падением напряжения на нем U ₁, а также наводкой в близлежащих контурах напряжения U ₂и тока I ₂.

Наиболее опасными для электрооборудования являются импульсные напряжения при прямом разряде молнии. Они обусловлены

протеканием тока через пораженный молнией объект (токоведущиежилы кабеля, экранирующие оболочки и т.д.). Напряжение на металлических проводниках имеет преимущественно индуктивный характер. Так, при токе молнии 80 кА и скорости нарастания тока 80 кА/мкс в медном проводе длиной 1 м сечением 10 мм² падение напряжения на омическом сопротивлении будет составлять

а индуктивное падение напряжения при индуктивности прямого провода   L = 2 мкГн/м составит

          (2.14)

Индуцированные напряжения вызваны изменением электромагнитного поля канала молнии или проводников, по которым протекает ток прямого разряда молнии. Максимальную величину индуцированного напряжения в витке, расположенном вблизи проводника с протекающим по нему импульсным током, можно определить, зная величину взаимной индуктивности витка и провода с током молнии

                                 (2.15)

Если виток с индуцированным напряжением замкнут, то по нему протекает импульсный ток. Величину тока в короткозамкнутом витке с малым активным сопротивлением (например, в витке, образованном экранирующей оболочкой кабеля) можно оценить, зная величину собственной индуктивности витка L и величину взаимной индуктивности М витка и провода с током

                                     (2.16)

Форма тока I ₂ будет подобна форме тока I ₁. Замкнутый виток может быть образован проводящей поверхностью сооружения и металлической трубой, в которой проложен кабель. При этом часть тока проникает на внутреннюю поверхность трубы и приводит к появлению между жилами кабеля и трубой импульса напряжения U ₃ с амплитудой, пропорциональной сопротивлению трубы R ₀:

                                        (2.17)

где к – коэффициент, учитывающий скин-эффект при проникновении поля в стенку трубы. В случае, когда скин-эффектом можно пренебречь, к =1.

Время нарастания напряжения U ₃ на два порядка больше времени нарастания тока I ₂.

Разряды статического электричества

Под разрядами статического электричества понимают процессы выравнивания зарядов между отдельными твердыми телами, жидкими и газообразными средами, несущими разные электростатические разряды. Они обычно сопровождаются скользящими, коронными, искровыми или подобными молнии разрядными явлениями, однако выравнивание может происходить исключительно за счет электропроводности в месте контакта, если разность потенциалов перед касанием тел не превышает 380 В.   При возникновении искр могут воспламеняться горючие газы и пары или инициироваться взрывоопасные смеси. Вызванные разрядами токи и поля могут повредить электронные элементы, вывести из строя или нарушить функции электронного оборудования. Первое названное воздействие относится к области пожаробезопасности или взрывобезопасности, а последнее – к области электромагнитной совместимости.

Заряды статического электричества, вызывающие опасные воздействия, могут возникать различными путями. Однако при изготовлении и применении электронных элементов и приборов существенны два механизма электризации: за счет индукции и трения.

Принцип электризации за счет индукции состоит в следующем. Если электрически нейтральное тело В (рис.2.20) попадает в электростатическое поле, образованное, например, заряженными телами А и С, то в теле В происходит поляризация (разделение) зарядов. Если затем отвести, например, отрицательные заряды тела В на тело С через проводящее соединение, то тело В останется заряженным положительно даже в том случае, если внешнее поле исчезнет.

Наиболее часто встречающаяся форма возникновения паразитных электростатических зарядов – электризация трением. Она возникает, если два различные, первоначально нейтральные тела А и В соприкасаются, трутся друг о друга, а затем разъединяются. Одно тело передает электроны другому и заряжается положительно, а тело, получившее электроны, – отрицательно. Полярность и значения зарядов зависят, с одной стороны, от таких свойств материалов тел, как структура материала и поверхности, диэлектрическая проницаемость, объемная и поверхностная электрическая проводимость, а с другой – от ряда внешних факторов, например от размера контактной поверхности, интенсивности трения, силы сжатия тел перед разделением, скорости разведения, температуры, влажности воздуха, причем последняя имеет очень большое влияние.

Токи в процессе зарядки составляют от сотен пикоампер до нескольких микроампер, а электростатические заряды – от 3 нКл до 5 мкКл. Электростатическая разность потенциалов между телами определяется после окончания процесса зарядки отношением приобретенного заряда Q к емкости C_АВ  тел между собой: U_AB = Q/C_АВ.

Приведем ряд некоторых материалов и предметов по степени способности передачи электронов в порядке ее убывания: воздух, рука человека, асбест, кроличья шкурка, стекло, слюда, волосы человека, нейлон, шерсть, мех, свинец, шелк, хлопок, дерево, янтарь, эбонит, никель, медь, полиэтилен, поливинилхлорид (винил).

Паразитная электризация трением проявляется в промышленности вследствие контакта человека с его одеждой, с сидениями, с полом, с рабочими средствами и приборами. В табл. 2.1 приведены характерные значения электростатических напряжений на предприятиях электронной техники.

Таблица 2.1

Значения напряжений статических зарядов на предприятиях электронной техники при относительной влажности воздуха 24% и температуре 21^о С

Причина возникновения	Производственное помещение	Измеренное напряжение, В
Человек, идущий по полу с поливинилхлоридным покрытием	Монтажное	200...9000
Человек, работающий за верстаком	То же	100...3000
Человек, держащий пластмассовую сумку	То же	300...7000
Извлечение пластиковой микросхемы из пластикового пакета	То же	До 20000
Упаковка керамической микросхемы	То же	До 5000
Манипуляция с распаячным устройством	Ремонтная мастерская	500...1500
Человек, идущий по нейлоновому ковру	Канцелярия	10000...15000

 

Как видно из табл. 2.1, напряжения статических зарядов лежат в пределах 0,1...20 кВ, что значительно выше допустимых для электронных приборов. С электронными деталями, элементами и приборами необходимо особенно осторожное обращение, чтобы избежать их повреждения из-за электростатических явлений. Особое значение при обращении с электронными приборами имеет возможный электростатический разряд тела человека на переключающие схемы, печатные платы, корпусы приборов при их транспортировке, испытаниях и монтаже. Тело человека обладает емкостью относительно земли С _чел = 100…300 пФ. Если человек идет по полу с синтетическим покрытием, то эта емкость может зарядиться до U _max = 15 кВ и накопленная энергия составит

мДж.

Наиболее сильное воздействие разрядов статического электричества получается тогда, когда в руке имеется металлический предмет (ключ, отвертка и т.д.). В этом случае крутизна тока, определяющая индуктированные напряжения помех, может достигать 100 А/нс.

Основными методами предотвращения вредного воздействия электростатических разрядов и ограничения несанкционированного функционирования средств электроники под их воздействием являются: предотвращение и ограничение накопления зарядов; отвод или нейтрализация неизбежно возникающих паразитных зарядов; сведение к минимуму полевых и разрядных эффектов.