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核电厂主控制室金属门静电放电现象的探讨
摘要 介绍国内在建某核电厂主控制室金属门静电放电ESD的现象，分析金属门静电成因及核电厂实际环境下对静电产生的影响，对主控制室金属门的防静电措施提出了建议。
关键词：核电厂 静电放电 接地
Analysis of ESD on Main Control Room Metal Door
Abstract This article introduces the ESD phenomenon occurred on main control room metail door, and investigates the reason of electrostatic electrification and the effects that the actual environment of nuclear power plant makes on ESD, and gives the methods which are proved functional.
keywords引言
国内某在建核电厂反映其主控制室金属门长期存在静电，操纵员和施工人员接触金属门时，会遭到强烈电击，同时伴有明显的放电声，对厂房内的工作人员造成了强烈的疼痛感和恐惧感。主控制室是人员进行高度集中注意力操作的场所，一旦遭受静电电击，极为容易出现误操作，构成整个核电厂的安全隐患，也对主控制室区域的人因建设造成了不利影响。本文将从静电的原理、成因和实际环境等角度，对该核电厂主控制室区域金属门产生静电的现象进行分析，并提出可靠的解决措施。
2 静电原理
按照GB/T 15463-2008 《静电安全术语》中的定义，静电解释为“对观测者处于相对静止的电荷”。对于静电原理，本文要讨论的主要对象不是静电本身，而是静电的两个过程：静电起电和静电消散。
2.1 静电起电
静电起电在GB/T 15463中是这样定义的："由于物体的接触分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等原因，使物体正负电荷失去平衡或电荷分布不均，在宏观上呈现带电的过程。" 本文主要关注下述两种厂区内常见的起电过程。
（1）接触-分离起电
在日常生活中最常见的静电起电过程是接触分离起电，比如摩擦生电就是两种物体相互之间大面积紧密接触并分离（当然其中还涉及诸多的其他如压电、热电等复杂的起电过程），从而使物体带电的现象。从微观上说，一切使正负电荷分离的过程都可以称之为静电起电，当两种物体紧密接触（如金属之间的间距需小于25×10-10m）时，由于两种物体的功函数不同，对电子的得失能力不同，外层电子的能级也不同，由于量子力学中的隧道效应，两种物体间会发生电子的转移，并伴随能量的传递，因此接触的界面上会出现等量异号的电荷（偶电层），偶电层之间的电位差即为接触电位差。
（2）静电感应起电
电厂中另外一种常见的起电过程现象是静电感应。静电感应在GB/T 15463中定义如下：“在静电场影响下引起导体上电荷重新分布，并在其表面产生电荷的现象”。由于静电感应，原本不带电的金属导体变成了带电的导体，由于静电积聚效应（由于某种起电因素使物体上静电起电的速率超过静电消散的速率而在其上呈现静电荷的积累过程），则未做静电接地的金属导体上的电荷会逐渐累积，甚至产生很高的电压。
输电线路的工频电磁场虽然随时间变化，但变化较缓慢，分析的时候可以忽略电磁感应作用，将其视为静电场来考虑。
2.2 静电消散
按照GB/T 15463 《静电安全术语》中的定义，静电消散解释为“带电体上的电荷由于静电中和、静电泄漏、静电放电而使电荷部分或全部消失的过程”。静电消散的原理与如何做好静电危害的防护息息相关，常规的处理办法即定义中提到的三种过程：静电中和，静电泄漏和静电放电。
（1）静电中和
带电体上的电荷由于与其内部或外部相反符号的电荷（电子或离子）的结合，使其所带静电部分或全部消失的现象【1】。如石油化工和造纸纺织等行业常见的静电中和器，其原理是通过感应或外加电源产生异性带电粒子，达到消除静电的作用。
（2）静电放电
当带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质产生电离而使带电体上的电荷部分或全部消失的现象【1】。ESD有多种形式存在，如电晕放电，刷形放电和火花放电等，是一种在工业生产中很常见的危害，可形成强电压，强电场，瞬时的大电流，并伴随较强的电磁辐射。在电子元器件的生产过程中，经常发生人身上的静电对元器件的内部电路放电造成不可逆损坏的现象。
（3）静电泄漏
带电体上的电荷通过带电体自身或其他物体等途径，向大地传导而使电荷部分或全部消失的现象【1】。案例中操纵员接触金属门发生电击的现象即为静电泄漏的过程，因此，从保护人身安全，提高人因舒适度的角度而言，静电泄漏是本文中静电消散过程中的主要研究对象。
一定时间内通过单位面积的电荷量定义为电流，即
（1）
电压等于电流与电阻的乘积，即
（2）
（3）
式中
----内带电体泄漏的电荷总量，单位为C；
I----内的平均电流值，单位为A；
U----内的带电体对地（或对另一个物体）的平均电位差，单位为V；
R----内的带电体对地的平均泄漏电阻，单位为Ω；
上式3表明，在一定时间内，电压一定时，电荷的泄漏量与电阻成反比。因此，要增大泄漏量，就要减小对地（或对另一个物体）的电阻值。这样，如何增大泄漏量的问题就转化为如何减少对地泄漏电阻的问题【4】。
3 现象分析
静电起电的现象受各种因素的影响，它和环境温度、湿度、材料性质、杂质、表面状况、接触面积、分离速度、压力等都有非常密切的联系，因此是一个十分复杂的过程。静电消散的过程（特别是静电放电）则是一个暂态过程，通常为高电位、强电场、瞬时大电流的一个过程。从静电起电和静电消散的过程考虑，是难以复制和重现的。本文结合案例中操纵员触碰主控制室金属门导致被电击的原因，通过部分条件的假设，分析静电起电和消散的过程。
电厂人员接触金属门遭电击可以归结为两种情况：
（1）人体累积的静电对金属门放电
（2）未做可靠静电接地的金属门累积的静电对人体放电
3.1 人体静电
从案例中核电厂实际环境出发，可能存在静电起电的主要因素有如下几种：
（1）着装摩擦、剥离等引起的静电起电
（2）带电颗粒被人体吸附引起的的静电
人体静电所带电荷量的成因十分复杂，且与环境温、湿度、大气流动有关，与人体与大地及周围物体的绝缘程度等相关。环境越是干燥，人体对大地的泄漏电阻越大，人体就越容易积聚静电荷，产生较高的静电电位。
3.1.1 服装之间的摩擦起电
该核电站人员进入实物保护区，需佩戴全套的PPE装备。包括安全帽，防风眼镜，反光背心和防砸鞋。其中较易产生静电的主要有反光背心和人员自身的衣装摩擦产生的静电。反光背心 为polyester（聚酯）材质，工作人员穿着通常为人造纤维、棉质、羊毛等， 这几类物质因为起电极性（见下表1）的不同，极易产生静电。同时，因为主控制室地板为木质地板，静电无法通过人体及时泄放入大地，从而不断累积，最终导致触摸金属物体发生静电电击。（这也解释了为何在其他区域较少发生静电电击的现象，因为人体产生的静电及时通过防砸鞋和混凝土/金属地板进入大地，静电电荷无法累积的缘故）
需要说明的是，表中两种物质相互摩擦时，处于上方的物质带正电，下方的物质带负电。且上下相隔越远，带电量越大。
3.1.2 防砸鞋和地板的摩擦起电
静电产生的原理同3.1.1节，不赘述。防砸鞋外部主要为橡胶材质，与木地板、地毯之间的摩擦产生的静电电位可以很高。下图1可以看到主控制室区域地板为临时木质地板，且门口铺有地毯等。
图1 主控制室金属门
3.1.3 颗粒吸附起电
本核电厂目前位于施工状态，厂房内存在着较多切割、焊接、粉碎等产生的带电金属微粒。这些微粒会被人体吸附，也会使人由于吸附静电电荷而带电，带电颗粒有时会使得人体带上很高的电位。
3.2 金属门感应静电
金属门/盘台对人体放电的前提是金属未做良好的接地并且有静电累积的过程。
从电站现场实际情况来看，主控制室金属大门目前尚未接地，因此理论上存在金属门产生静电累积并对人体放电的可能，因为：
从现场观察，三门发生静电电击的金属门周围存在低压动力电缆（见下图2），理论上会存在产生的电场在未曾接地的金属门上感应出电荷的可能(可用电轴法和镜像法进行计算)。但是因动力线均敷设于金属管线内，且电压只有380V，基本上不可能感应出人体能感觉得到的静电放电电荷（人体能感觉到疼痛感的的静电电位一般在3kV以上）。
图2 金属门周边的动力管线
（2）转轴摩擦、门与门框的刮擦（金属漆）、干燥空气的流动在金属门上累积电荷等原因产生的静电
转轴等处因摩擦、压力等过程也会产生静电（见下图3，图4）， 但①金属之间通过压力、小范围缓慢摩擦产生静电的条件较为苛刻；②金属门为静电导体，无法长时间保持静电；③产生的静电荷量较难达到对人体产生刺痛感。因此可以得出结论：大门自身摩擦引起静电并发生电击的可能性较低。
图3 金属门转轴处1
图4 金属门转轴处2
另外值得注意的是，据主控制室工作人员反映，目前主控制室温度范围为19-26℃，相对湿度范围为30-60%；且通过个体的感觉判断，主控制室的环境属偏干燥。这种环境下静电容易累积且不易被中和，因此产生静电的概率会比厂房内其他环境大很多。
4 解决措施
电厂实际环境复杂，静电的产生是由多种因素共同造成的。而最常见的接触分离起电方式和感应起电方式在电厂中的实际反映，就是人体着装的摩擦和剥离，防砸鞋与地板的摩擦分离，以及高压电场对人体的感应起电。此外，还有金属粉尘、颗粒的吸附等各种因素共同作用，才产生了接触金属门电击的现象。
核电厂主控制室有特殊的环境和人因等具体要求，因此在考虑消除静电的方案时，需从实际出发，寻找可行、易于操作的静电消除方案。
下面列举了一些消除静电源可行的措施：
（1）尽量穿着“静电起电序列”中相邻近的材料的衣物；
（2）保持手部的清洁和湿度，消除人体表面积聚的静电荷；
（3）使用金属小器件如钥匙等预先触碰金属栏杆、扶手等以消除人体电荷；
对主控制室可采取下列措施来保证静电的泄漏速度：
（1）主控制室使用良好接地的金属地板或揉以导电纤维的防静电地毯以释放静电荷；
（2）做好设备、盘台、金属门等的等电位连接；
此外，做好主控制室的温湿度控制也极为重要。可考虑在合理、允许的范围内，适当增加环境中的湿度，可显著降低静电荷的累积。
5 结论
本文对核电厂主控制室发生的静电电击现象进行了探讨，从静电起电和静电消散的原理出发，对主控制室静电的成因进行了分析，并结合主控制室的实际环境条件，给出了可行的解决措施。对核电站这种庞大的工程而言，静电因为看不见摸不着，带来的危害受各种条件影响而难以评估，因此极为容易被忽视。但对于主控制室这种人因因素颇为重要的区域而言，静电带来的影响应值得工程人员去重视。
参考文献
[1] GB/T 15463-2008, 静电安全术语[S].
[2] GB 50611-2010, 电子工程防静电设计规范[S].
[6] 常天海, 马威, 常建. 二次电子发射特性与固体材料摩擦起电的关系[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2011, 39(12).
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