防静电基础知识(培训教材)

第一章：静电学基础

1. 1概述：

高科技的发展历程中，电子技术和高分子化学技术是两个重要的方面。

电子产品设计的小型化和高集成化，相应的加工技术日趋微、细、薄，使得对静电危害不可忽视。随着电子技术和产品向国民经济各部门的广泛渗透，静电的影响面越加普遍。

正是由于高分子化学技术的发展，促成了高分子材料在工业、国防和人民生活各个方面的广泛应用。普通高分子材料的特点之一就是它具有很高的电阻率，使其特别易于产生静电。

静电造成的故障与危害，通称静电障害。从传统的观点来看，它是火工、化工、石油、粉碎加工等行业引起火灾、爆炸等事故的主要诱发因素之一，也是亚麻、化纤等纺织行业加工过程中的质量及安全事故隐患之一，还是造成人体电击危害的重要原因之一。因此，静电防护是各行业最为关注的安全问题之一。

随着高科技的发展，静电障害所造成的后果已突破了安全问题的界限。静电放电造成的频谱干扰危害，是在电子、通信、航空、航天以及一切应用现代电子设备、仪器的场合导致设备运转故障、信号丢失、误码的直接原因之一。例如，电子计算机和程控交换机是两种有代表性的现代电子设备，如安装、使用环境不当，它们的工作都会受到静电的困扰。此外，静电造成敏感电子元器件的潜在失效，是降低电子产品工作可靠性的重要因素。据日本80年代中期的一项统计资料，在失效的半导体器件中，有45%是因静电危害造成的。

降低静电障害是最有效的手段是实施防护。因为，静电作为一种自然现象，不让它产生几乎是不可能的，但把它的存在控制在危险水平以下，使其造成的障害尽可能小，则是可能的。有效地进行静电防护与控制，依赖于对静电现象的认识和对其发生、存在、清除的控制，依赖于掌握和了解静电与环境条件的关联性和静电发生的规律。

以上观点是从静电危害的防护角度而言的。对静电的应用研究本身就是一项重要的高科技门类，但鉴于不属于本书讨论的范围，在此不再赘述。

2. 1静电：

根据分子和原子结构的理论，自然界中的一切物质都是由分子构成的，而分子又是由原子组成的。单质的分子由一个或几个相同的原子组成，化合物的分子由两个或两个以上不同的原子组成。高分子材料具有更复杂的原子结构点阵排列，并含有更多种类及数量的原子。原子是构成一切化学元素的最小粒子，它由带正电的原子核和带电的围绕原子核旋转的电子组成，电子的个数及排列层次因元素而异。

在自然状态下，原子中的这种正、负电荷是相等的，物质处于电平衡的中性状态，即不带电。在静电学中称不带电的物体为电的中性体。

在某种条件下，当物质原子中的这种电平衡状态被打破，丢失或获得电子，物质即由中性状态改变为带电状态。处于带电状态的物体在静电学术语中称为带电体。物质在获得电子而形成带电体时称为电子带电，所带电荷称为负电荷；因失去电子而形成带电体时，称为空穴带电，所带的电荷称为正电荷。

物质呈现带电的现象，称为带电现象。物质的带电现象是一种自然现象。按照物质所带动电荷的存在与变化状态可分为动电（流电）现象和静电现象。静电现象指相对于观察者而言，所带的电荷处于静止或缓慢变化的相对稳定状态，动电现象则与此相反。

显然，在静电情况下，由于电荷静止不动或其运动非常缓慢，故它所引起的磁场效应较之电场效应来说可以忽略不计划内。

静电可因多种原因而发生，例如物体间的磨擦、电场感应、介质极化、带电微粒附着等许多物理过程都有可能导致静电。

3. 1静电现象：

静电现象广泛存在于自然界、工业生产和人们的日常生活中。

1）自然界中的大气静电现象

人类生活的地球本身，就是个极大的导体，它存储了大约9.02×105C的负电荷量.在距离地面60~350km的电离层区建立了方向垂直于地面的电场。空气中的电场离地面越远强度越低。在海平面，晴天时的场强达到120V/m；在3km高处场强为25V/ m；在80km高处，已处在空气导电的电离层区域内，其场强为4×10-8V/×m，对地电位200~213kv。大气闪电是最具代表性的自然界静电现象之一。此外，自然界中的电解、气流、风沙、冰雪、烟尘等都呈现静电现象。因此，可以毫不夸张地说人类生活在静电的海洋之中。

2）工业中的静电现象

工业生产中，由于物体间的机械分离、与带电的物体接触或孤立导体上的静电感应作用，存在着大量的静电现象。

a 在纺织工业中使用的自由端静电纺纱，具有工艺流程短、产量高、噪音低、用电省、飞花少、织物耐磨性强等优点，它利用静电场将单纤维直、排列和凝聚，用自由端加捻成纱。由于电晕放电、磨擦、接触、极化、电离等方式，使纱织纤维带有静电位。例如棉花电位为-50V，人造丝电位为-100V，维尼纶电位为900V，尼龙电位为1.05kv。

b 在橡胶工业中，合成橡胶从苯槽中出来时，表面电荷密度达7×10-6C/m2，静电位可达250 kv。像胶压延机压出时，产品静电位高达-80 kv。涂胶机的静电位为-30 kv。

c 在印刷和造纸工业中，纸离开辊筒时静电位可达10~20 kv，经过加光机达50 kv。印刷时，纸张静电位可达1.0 kv，在照像凹板印刷的场合，纸张带电密度为10-8~10-10C/ m2。

d 在石油工业中，汽油在金属管道中流动时带负电荷，而管道带正电荷，汽油流经棉制品材料时电位为2.6 kv。槽车装油时，油面电位高在10 kv以上。在石油精炼过程中，油品经反复加压、加热、喷射、冷却和压送等工序，将使油料带有大量荷。油罐车在马路上行驶时轮胎磨擦起电，油料本身由于摇晃也起电，油品经过地阀门、泵、过滤器和其他截面改变之处剧烈起电，特别在过滤时起电电位很高。

e 在汽车运输工业中，轮胎的电阻率为108~1011Ω.cm，在一般车速下可充电15~50 kv，甚至达100 kv。传递皮带上带电30~40 kv，最高达80 kv

f 在塑料工业中，塑料制品表面电阻率为1016~1020Ω.cm，表面经磨擦其电位可达1kv以上。赛璐璐相互磨擦时带电电位高达40kv。

g 在粉碎工业中，大多数粉体，例如煤粉、面粉、塑料粉等，其体电阻率大于1010Ω.cm，在传输及加工中都会起电。这些粉体材料在碎裂时以及与器壁、墙壁、粉体粒子相互碰撞、磨擦时也会带电。例如，面粉流出槽管时可带静电位1~3 kv。

h 在电子工业中，由于产品的小型化。对静电愈加敏感。器件加工中，磨擦起电、人体带电、感应起电都是静电产生的重要方式。例如，操作者的人体与大地绝缘时，静电位可高达1.5~35 kv.如此高的静电位一旦放电,足以使静电敏感电子元器件、组件和设备毁坏、受损、硬击穿或软击穿，形成永久性或暂时性失效，或突然失效或潜在失效，还可能因静电放电产生宽带杂波干扰信号，导致电子设备误动作或其他故障。

第二章：静电防护

1. 1概述：

通过第1章的介绍，我们已经知道任何两个物体的接触和分离都会产生静电，即使是同一类物体，由于表面状态（如表面污染、腐蚀和粗糙度）不同，在发生接触分离时也会因表面逸出功的差异而产生静

电。此外，通过静电感应或静电极化作用，可以使原来不带电的物体成为带电体。这种物体静电带电现象，可以表现于固体，也可以表现于液体、气体和粉体。因此，静电的发生是一种很普遍的自然现象。

当静电的存在超过一定的限度（可以场强、电位或存储能量的形式体现），且在其客观环境适宜时，便会以其特有的不同模式对生产环境、产品和人身产生危害。

静电的产生几乎是难以避免的，但可以通过各种行之有效的措施加以防护，以使其降低到可以接受的程度，并尽可能地减少危害。工程中实用的静电防护措施尽管五花八门，但其基本思路总是紧密围绕下列几点：

1）尽量减少静电荷的产生

2）对已产生的静电荷尽快予以消除，包括加速其泄漏、中和及降低它的程度

3）最大限度地减少静电危害

4）严格静电防护管理，以保证各项措施的有效执行

1.1. 1静电防护的主要内容

各项防护措施综合起来如表1.1所示.

从表1.1可以看到，静电防护是一种具有系统性、立体性、全方位、全过程的综合性工作，不但需要相当复杂的相关技术措施，而且需要强有力的和健全的管理措施；不但要求工程技术人员参与，更要求操作人员、使用及维护人员参与。因此，防静电意识的建立和操作技能的培训，同样具有特别重要的意义。

使有关人员,尤其是领导者和管理人员了解静电防护工作的规律和特点,是做好静电防护工作的关键所在.归纳起来,静电防护工作有以下特点：

1）安全（包括环境、人身及设备）防护与产品防护有时是并存的，特别是电子产品，但有时也各有侧重。2）加工制造过程中对半成品的防护与使用、维护、包装、检测、拆包装、装配、调试过程中对产成品的

防护并重。相对而言，半成品的防护涉及面更宽，任务也更重。

3）防止静电的发生与消除已产生的静电荷，在静电防护工作中具有同等重要的作用，可以根据具体情况和条件选择使用或配合作用。

4）静电防护工作中，技术措施与管理措施均不可缺少，它们是相辅相成的。

5）在实施静电防护措施时，对物的管理和对人的管理、培训都应当规范化和制度化，并建立起责任制。

1.1.3静电防护工作的主要目的

静电防护工作分为两个方面，其主要目的有3个。

两个方面是：安全防护和产品防护。对不同的行业有不同的侧重点，例如火工、化工等行业安全防护最突出，电子行业则产品防护十分重要，而对于纺织等行业可能二者并重。

3个目的是：保证人员和生产场所的安全，防止火灾与爆炸；提高工艺成品率，确保产成品的工作可靠性。

1.2 静电的发生特性

研究静电的发生特性，掌握静电荷发生和积聚的规律，了解影响静电生成的因素，是实施静电防护的前提。

1.2.1影响静电发生的主要因素

静电的发生主要是由于物体之间的接触分离，但静电发生的程度可以有很大不同，也就是说，静电的发生受到多种因素的制约。影响静电发生的主要因素包括：

1）物体本身特性

两个接触分离的物体，其各自的特性对静电的发生程度有影响。在带电序表中，二者的排列序差越小，距离越近，产生的静电较小；反之则较大。

物体中有杂质时，将影响静电的发生，并且往往是因杂质的存在而使静电增大。

2）物体表面状态

物体表面粗糙程度对静电的发生有较大影响，圆滑的表面接触分离后静电发生较小；反之则增大。

物体表面受到杂质污染，特别是有机物的污染，或表面被氧化腐蚀时，往往使产生的静电增大。3）物体带电履历

一般在最初进行接触分离时,静电发生最多,随着反复地接触分离,产生静电的程度将减弱。

如果物体已带有部分静电，则接触分离时静电的发生量将减少。

4）接触面积和接触压力

两个物体之间的接触面积大小对静电的发生有很大影响，接触面积大则产生有静电增大。

物体间的接触压力直接影响静电的发生，压力增大时，静电的发生强度增大。

5）分离速度

分离速度的快漫影响物体间偶电层带电粒子的电荷复合程度，故影响到分离后静电的发生。分离速度快时，偶电层电荷复合少，因而发生的静电将增大。

1.2.1减少静电发生的要点

为减少静电的发生，应针对1.2.1节中所列各因素实施处理，包括：

1）为限制静电的发生，进行设计（包括产品、工艺、工装、加工环境等），应考虑有可能相互接触分离的两种材料，在带电序列表上位次尽可能靠近。在第1章中，我们曾经提到，带电序列表是根据多名科学家的实验结果得到的。由于受到各方面条件的限制，实验的结果(即带电次序排列)也不尽相同，故带电序列表仅是一种科学实验依据的参考资料,当要求特别高时,设计选材最好通过具体实验验证。

2）为限制静电的发生，应当使接触分离的物体表面光滑、无污染，并且采取防氧化腐蚀措施。

3）为限制静电的发生，应尽可能使物体之间的接触面积和接触压力减小，接触次数减少，分离速

度减慢。当上述要求受到工艺条件限制时，可采取加湿、喷洒防静电剂等其他相应措施。

1.3 静电放电对电子产品的危害

1.3.1电子产品静电放电损害的特点

1）隐蔽性

在静电放电造成电子产品的损害当中，活动的人体带电是一个重要原因。一般情况下，人体所带静电电位都在1~2kV范围，而在此电压水平上的静电放电人体一般并无直观察觉，而电子元器件却在人们不知不觉中受到损伤。

2）失效分析的复杂性

静电放电损伤的失效分析工作，因电子产品的精、细、微小的结构特点而费时、费钱，要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。即使如此，有些静电损伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别，使人误把静电操作失效当作其他失效。这在对静电放电损害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。

3）损伤具有潜在性

有些电子元器件受静电放电损伤后，仅表现出产品某些性能参数的下降，但尚未达到完全失效的程度，如不进行全面地检测往往无法发现；例如数字电路在静电放电损伤后电流输入电平的增加，在电路功能测试时一般不会被发现；或者静电放电使产品出现可自愈的击穿或其他非致命的损害，但这种效应可以累加，从而形成潜在隐患，在继续使用的情况下可发生致命失效，既难以预料又不可能事先筛选。

4）损伤的随机性

只要电子元器件接触和靠近超过其静电放电敏感电压阈值的情况存在，就有可能发生静电放电损伤，而由于静电可以在任何两种物体（包括人体）接触分离的条件下产生，故电子元器件的静电放电损伤有可能在产品从加工制造到使用维护的任一环节、任一步骤、与任何有关带电人体（或物体）接触时发生，具有很大的随机性。

第三章:接地技术

1.1接地概念

由前面可知,工程中“地”的概念是指其任何一点的电位按惯例取为零的大地或导电物质。“接地”则是指把物体电气连接到“地”，即连接到能供给或接受大量电荷的物质（例如地面、舰船或运载工具、设备的外壳等）。这里的“地”，既包括大地，也包括“参考地”。

设施的接地，是为了获得某种所希望的保护，或实现电气噪声抑制所采取的措施之一。为了给流向大地的电流提供一条有效的低阻抗通路，必须把各种相关导体、电极、设备和其他物体连接或搭接在一起。这种通路的机械和电气性能应依靠连接元件来保障，而不是只由互连的搭接点决定。另外，这种搭接点的性能必须在很长的时间内保持不变，以免使所建立的搭接性能质量逐步衰退。搭接是为了金属物件之间获得低阻抗的互连，所以还应防止由互连所建立起来的通路因腐蚀或机械松动而逐渐变坏。1.2接地问题的重要性

接地技术是任何电气和电子设备与设施在工程设计及施工中的一项重要技术，也是产品设施（特别是处于有燃烧、爆炸可能性的危险环境中时）静电防护中的一项重要技术。同于这些接地问题直接关系到人员生命和财产安全及设备的工作质量，所以是受到法律、法规强制实施的技术之一。又由于接地技术是一项既涉及到理论问题，又受多方面环境条件制约与影响的实际问题，因而它是一项综合的、复杂的工程技术。

接地是静电防护中最有效和最基本的技术措施之一。良好的接地是保证因故发生的静电电荷迅速泄漏，从而避免静电危害发生的有效手段。因而，静电接地是一切静电敏感产品（包括敏感电子产品和

其他火、化工产品）在生产加工、仓储运输和使用维护过程中必须随时注意的技术问题。

就电气、电子设备与设施来说，静电接地与其他各项接地构成了设备与设施完整的接地系统，是实现人身安全和设备正常运转的技术措施中的重要内容。

1.3静电接地

1)目的

静电接地的目的包括下列3项：

a 使物体与大地之间构成电气上的泄漏通路,将物体上因故发生的静电电荷及时泄漏至大地,防止物体上静电荷的积聚.

b 防止物体处于带电体附近时受到带电体的静电感应。

c 限制带电物体的静电电位上升，从而限制由此产生的静电放电。

2）方式

静电接地的方式包括下列两种：

a 硬接地，即使物体直接或通过一个低阻抗同大地相连接。

b 软接地，即使物体通过一个足够高的阻抗接往大地，以便发生触电事故时把电流限制在人身安全电流之下。

3）类型

静电接地的类型包括下述3种：

a 直接接地，即将金属导体与大地进行导电性连接，从而使金属导体的电位接近于大地电位的一种接地类型。

b 间接接地，即为了使金属导体外部的静电导体和静电亚导体进行静电接地，将其表面人全部或局部与接地的金属导体紧密相接，将此金属导体作为接地电极的一种接地类型。

c 跨接接地，即通过机械或化学方法把金属物体间进行结构固定，从而使两个以上互相绝缘的金属导体进行导电性连接，以建立一个供电流流动的低阻抗通路，然后再接地的一种接地类型。

4）对象

静电接地的对象包括下列3个方面：

a 设施和设备内的金属导体。一般采用硬接地方式，直接接地或跨接接地类型。

b 金属导体外部的静电导体、静电亚导体。一般采用硬接地方式，间接接地类型。

c 操作者及其所用器具、工具。一般采用软接地方式，直接接地类型。

5）范围

需进行静电接地的范围包括下述3个方面：

a 在爆炸危险区和火灾危险场内：

◇凡金属导体有可能产生静电和带电时,不论其大小如何，必须将它进行静电接地。

◇凡金属导体有受静电和带电时，不论其大小如何，必须将它进行静电接地。

◇两个或两个以上的金属导体由于非导体的支承，或混于非导体之中而与大地绝缘时，应将各自的金属导体进行接地，或将其相互跨接并接地。

◇金属导体外部的静电导体，或静电亚导体，有产生静电或带电的可能时，应进行间接接地。

b 加工、存储和运输装置、工具、设备和器具，若其所带静电会危害产品或使人遭受静电电击时，应进行静电接地。

c 加工、调试、检测、包装、维护静电敏感产品的人员，为防止所带静电危害产品，应进行静电接地。

不应或不需要进行静电接地的范围包括下述3个方面：

a 当金属导体已与其他接地分系统有连接时。

b 当金属导体间有紧密的机械连接，在任何情况下，金属触面都不呈现绝缘状态时，只需其中一个导体接地即可。

c 金属导体的一部分埋于地下，或与埋设的建筑结构钢筋或金属管道已有导电性连接时。

2. 2工程接地

2.2.1设施接地系统及其作用

设施是指包括工作设备、接地网络和电气支撑构件的建筑物或其他结构体，这些建筑物或结构体可以是固定的或移动式的。建筑物或结构体的供电连接用的导线或电缆也属于设施的构成部分。

设施接地系统指导体和导电元件的电气互连系统，它对大地提供多路电流以通路。设施接地系统包括大地电极分系统、雷电保护分系统、信号参考分系统，故障保护分系统、静电保护分系统及建筑物构件、设备机架、机柜、线管、接线盒、电缆管道、导管系统、水管和其他通常不载流的元件。

一个良好的接地系统必须通过正确的设计、材料选择和完善的装配与施工技术来实现，而且必须进行定期的检查和维修，以确保接地网络能耐受预期的使用环境，使接地系统在设施的整个寿命期间保持有效性。接地系统起着下述3个方面的作用：

1）人身安全保护

人身安全需依靠供电系统、保护装置、设备和其他导电物体之间的低阻抗接地和搭接来保障。这种低阻抗接地和搭接，使得由故障或雷电所产生的电流不致引起可能造成电击伤害的电压。

2）设备、设施和产品的保护

设备和设施的保护也要依靠供电系统、保护装置、设备和其他物体之间的低阻抗接地和搭接来获得。低阻搭接可防止故障电流和雷电电流在设施内引起危险电压。同时，电流保护装置的正确动作也往往有赖于故障电流的低阻抗通路。适度低阻抗的静电保护接地通道则是确保因故发生的静电荷顺利泄漏，从而防止静电放电，达到对设备和产品实施静电保护的重要条件。

3）降低电气噪声和提高设备运行质量

电信、电子设备电路内电气噪声的降低，依赖于整个设施各信号接地点对大地的接地阻抗的减小。这将使设备之间的电位差达到最小，从而防止噪声源把噪声引导至设备电路中。

事实上，所有电气和电子设备的运行必然与大地发生关联，这是由于容性耦合，偶然接触或有意连接所形成的。所以，在各个接地分系统组成设施总接地系统的情况下，必须从总系统的观点来考虑设施的接地问题。这种设施接地系统为大地与设施内的各种电源和设备之间形成一条已知的低阻抗的直接通路，并形成设施中有效的接地参考点。

2.2.2各接地分系统的接地电阻要求

总的来说，各项接地的目的都是为了实现导体间电流流动的低阻抗通路，但因具体目的的差别，对于接地电阻的要求也不同。各种接地目的的对接地电阻的规定包含为获得低电阻所必需的费用与满足该系统最低要求之间所达成的折衷。推荐接地电阻要求的上限值如下：

◇大地电极分系统10Ω

◇电气线路和设备故障保护25Ω

◇雷电防护10Ω

◇静电防护100Ω(硬接地)

应当指出,在一般情况下,接地电阻要求的值越低，投入的经济造价将越高，但人们往往更愿意以稍多的经济投入而换取更大的安全保险。所以，有关标准对于接地电阻的规定，总是较上述推荐值低。

GBJ79-85《工业企业通信接地设计规定》对电信站的接地电阻有如下规定：

a 不利用大地作为信号回路的电信站，直流供电通信设备的接地电阻应不大于15Ω。交流供电或交

直流两用的通信设备的接地电阻，低功率（不大于0.5KVA）的不应大于10Ω,大功率（大于0.5KVA）不应大于4Ω。

b 利用大地作为信号回路的设备，两组接地体并联后的接地电阻，当交换机容量小于等于600门时，6Ω；600~1000门时，4Ω；1000~20**门时，3Ω；20**~4000门时，2Ω。

c 电信站的通信接地、房屋建筑避雷接地、工频交流供电系统接地在总接地排处汇总后的接地电阻不应大于1Ω。

GB2887-89《计算机场地技术条件》规定：

a 交流工作地的接地电阻不宜大于4Ω

b 安全保护地的接地电阻不应大于4Ω

c 防雷保护地的接地电阻不应大于10Ω

d 计算机系统直流地接地电阻的大小、依计算机系统的要求而定。

邮电行业标准YD/T754-1995《通信机房静电防护通则》规定，机房的静电保护接地电阻应小于等于10Ω。

2.2.3各接地分系统的简要比较

为了对各接地分系统的目的，要其和设计要素有一个总体认识，表5.1列出了它们的简要比较。