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防静电工程
作者:段进成    发布于:2013-01-14 22:36:11    文字:【】【】【
摘要:静电接地系统工程技术。

静电接地系统工程技术

接地是静电防护的一项重要技术,也是最基本、最有效的防护技术措施之一,静电接地技术既涉及到静电理论问题,也与工程设计、施工有关,还要受到周围环境的制约和影响。所以,静电接地技术是一项综合的、复杂的系统工程。良好的静电接地系统可以确保静电电荷的迅速泄漏,从面避免静电危害的发生。总之,静电接地是一切静电敏感器件及其组装产品,在生产、加工、仓储、运输和使用维护过程中必不可少的技术措施。

 

()静电接地概念

众所周知,所谓接地就是电气连接到能供给、接受大量电荷的物体,如大地、舰船或运载工具外壳等。

1.  静电接地的作用:

静电接地的主要作用有三,其一是将静电泄漏至大地,防止物体积蓄静电电荷;其二是抑制带电物体静电电位上升,从而限制由此产生的静电放电;其三是屏蔽带电体,防止静电感应的危害。

   地面工程的静电接地系统是很重要的,它主要作用是提供人体和移动式推车、椅子和料架等静电释放、泄漏通道,防止带静电,保护人身和设备安全,减少噪声,防止干扰,确保生产产品不受静电放电和噪声的损害。

 

2.  静电接地的方式和类型

     静电接地方式有硬接地(hard ground)和软接地(soft ground)之分。所谓硬接地是直接与大地电极作导电性连接,软接地则是通过一足以限制流过的电流达到安全值(人为<5ma)的电阻连接到大地电极(eaifh elestiode)。而这大地电极则是指埋于地下与大地保持良好的电气连接的金属体或金属体组,它可以是管状的、棒状的、板状的、式网状的,为接地系统提供接大地的基准点。

      静电接地一般有以下三种类型:

(1)    直接接地:将金属导体直接与大地进行电气连接,使金属导体的静电电位接近于或等于大地的电位。

(2)    间接接地:静电导体,静电亚导体通过与表面全部或部分紧密接触的金属导体与大地进行电气连接。

(3)    跨接接地:两个或两个以上相互绝缘的金属导体进行导电性电气连接以建立一个供电流流动的低阻抗道路,然后再接地。

3. 静电接地的效果和范围(对象)

(1)    静电接地的效果:

① 防止物体带电有效,而防物体的静电产生无效;

② 对金属导体有效,对绝缘的静电非导体无效;

③ 带静电不一定在接地瞬间能将静电泄放掉,而要有一个泄漏静置的时间;

④ 跨接必须还要用接地才具有效果。

 

(2)    在机房和洁净车间中,静电接地的范围:

(Ⅰ)防爆危险区域和静电防护要求很高的范围

① 在金属导体上有可能产生静电或带静电的,不论其大小如何,必须进行防静电接地;

② 金属导体在受静电感应可能时,也不论其大小如何,必须将其接地;

③ 静电导体或静电亚导体有产生静电或带电可能时,也应在其上装设紧密接触的金属导体,进行间接接地;

(Ⅱ)加工的装置设备工具器具,所带静电将危害产品,应进行静电接地。

(Ⅲ)加工、调试、组装、检测、包装和维修等接触静电危害产品,应进行静电接地。

      一般,设施和设备的金属导体,采用硬接地方式,直接接地或跨接接地类型;金属导体外部的静电导体、静电亚导体,如防静电地板,采用硬接地方式的间接接地类型;而操作人员及其所使用的器具工具,则采用软接地方式的直接接地类型。

 

()静电保护接地分系统的设计

     机房、洁净车间(厂房)的接地系统可以分为:雷电保护分系统;故障保护接地分系统;信号接地分系统;静电保护接地分系统和大地电极分系统。见图41所示。

                       41 各接地分系统及其相应关系

静电保护接地分系统主要由人体静电保护接地系统(腕带、服装、鞋、袜等),防静电地面接地系统和静电防护操作装置(包括工具、器具、工艺装置等)接地系统组成。

 

     1.大地电极分系统的设计:

静电防护接地系统一般由接地支线、接地干线(接地母线接地引下线)和接地体(大地电极)组成。这是硬接地,静电防护接地系统也可以软接地,即操作工位通过一限流电阻,接到接地母线上,本文所述的防静电地面工程接地均是直接到接地体的硬接地方式。

 

(1)    大地电极的类型主要有以下类型,各自的优缺点见下表41

① 环形状:沿建筑物滴水线0.61.8m周围,设置一个接地环,并在接地环每0.5m 打一根长3m长的接地棒。

② 辐射状:将水平导体铺设成辐射状。(38m外)

③ 格栅形:将埋设在下15cm左右深的导体组成一个矩形网格,使该区域构成一个等位面。

④ 垂直接地棒管组:垂直打入地下约3m深的多根导体棒(或导体管)组成的接地体。

                 41 大地电极主要类型的相对缺点

 

 

 

 

     

     

      

环形接地体

1.可直接进行设计,易于装配

2.附件易于买到,可延伸到水面

岩层靠近地表不适用

水平辐射接地体

1.能较好获得低电阻低脉冲阻抗

2.星星状布设时是较好的射频地网

土壤电阻易受干燥程度的影响。

水平格栅接地体

1.表面电位梯度最小

2.当岩层上不能使用垂直接地体时能获低接触

3.与垂直接地体组合,能稳定电阻变化

如不采用垂直接地棒,土壤干燥时,电阻易受土壤干燥程度的影响而变化。

 

垂直棒(管)组接地体`

1.设计简单,易于装配

2.附件易买到,能延伸到地下水面

1.脉冲阻抗高。

2.岩层靠近地表时不适用。

金属板接地体

在局部地区内可做到低电阻接触

造价高,难装配。

  

事实上,垂直棒(管)组接地体由于设计简单,易于施工,造价低,容易获得低电阻,一直被普遍推广使用。当岩层靠近地表,无法施工时,可采用水平棒(扁钢)组接地体,同样可以达到较好的效果。

 

(2)    人工垂直棒(管)组接地体垂直打入地下的棒或管子组,一般采用3根圆钢或3根钢管,连接构成等边三角形或直线列引出,见图2,其尺寸见下表42

                    42   垂直棒(管)组接地体尺寸

     

    

     

圆钢

铜棒直径应不小于10mm

2.5m

扁钢

扁钢截面不应小于100mm2

扁钢厚度不应小于4mm

2.5m

角钢

角钢厚度不应小于4mm

2.5m

钢管

钢管外径应大于40mm

钢管壁厚应大于3.5mm

2.5m

 

 

                42  垂直棒(管)组接方式

如土壤是腐蚀性较强的土壤,应采取热镀锌等防腐措施或加大截面。连接采用40×4 mm2镀锌扁钢带。

(3)    人工垂直棒(管)组接地体的安装

         人工垂直棒(管)组接地体的安装应注意如下几点:

         ① 装设地点应在建筑物或设施周围,离出入口和墙面到少3m,为的是今后维修方便。避开高温干燥环境地面和水泥砂石地面,选择黑土层较厚的草地花园区域,同时远离防雷保护引下线和接地体至少12m(20m)。

         ② 防静电要求高的导静电地面工程洁净车间面积大于1000m2,最好车间前后左右对称两个或四个防静电接地体。以便静电电荷的迅速消散。

③ 人工垂直棒(管)组接地体的棒(管)间距≥3m以减小相邻地体的屏蔽作用,埋入地下,顶端与地面的距离至少要0.5m0.8m,为的是避免接地体遭受机械损坏,同时也减小气候对接地体电阻的影响。

         ④ 采用人工垂直棒(管)组时,先挖φ0.5m大小,深2m左右,间距35m形成Δ或一沟3个,内深0.8m,宽0.30.4m的连接坑,然后将3m长的棒(管)打入沟底土层下1m多,使顶端离地面0.50.8m

⑤ 人工垂直棒(管)组接地体的连接应焊接,最好连接的扁钢包覆着棒(管)焊接以增大接触面积,完后焊接处涂刷一层沥青之类进行防腐处理。

⑥ 复土时要扮实,完后浇上适量水,以使土壤与垂直棒充分接触,降低接地电阻。

 

 2.机房架空活动地板的静电接地系统设计

防静电接地系统对机房铺设架空防静电活动地板工程是很重要的一项内容。有的单位防静电活动地板铺设的很好,可是没有安装静电接地系统。静电电荷没法泄放,必然会造成静电危害,有的单位上千平方米面积的活动地板,活动地板间用一块小铜箔连接,边缘只有一个引出头与地端连接,这不只是一个出头不符合要求,而且板间接触也不可靠。正规的可靠的静电接地系统有两种类型:

 

(1)架空活动地板下空间设接地干线(母线)铜排(大面积机房),或沿墙角四周安装接地干线(母线)铜排(小面积机房)。然后每隔几块(根据要求)从支撑或横梁接一根接地支线(花色塑胶电线)接至干线铜排上,如图43所示。

 

(2)架空活动地板下空间布设接地铜网格,然后每隔几块(根据要求),从支撑或横梁引接一根接地支线(塑胶电线)接至这铜网格上,如图44所示。

二者相比较,前者施工更简单,费用更低,实用性好,而后者可兼静电接地和直流工作接地,具有更好的抗干扰能力。

44                                         43

1-墙                                           1-墙

2-接地干线(铜排)                             2-活动地板

3-网格与铜排的连接点                           3-接地干线(铜排)

4-接地支线(铜网格)         4-接地支线与活动地板横梁或支座的连接点线(铜排)

5-接地干-接地干引出线                         5-接地干线引出线

                                                6-接地支线

3.地板贴面和涂层、自流坪的静电接地系统设计

   洁净车间内的地板贴面和涂层自流平,其静电接地系统同样要设置接地干线和支线,一般接地干线是采用铜排,沿四周墙脚布置,再通过引出线连接到大地电极上,而支线通常是采用铜箔带网格,网格的大小取决于地板是导静电型的还是静电耗散型的,粘胶导电层的导电性和洁净车间的重要性。对导静电型地板为保证静电衰减时间<0.1s,要求粘胶(导电层)导电性能要好,取1×103Ω-1×104Ω,且洁净车间防静电性能要求高,其他网格要小一点,在墙角边缘的铜箔带网格横纵出头都要与接地干线铜排电气连接,确保充分的接触面和可靠性。(见图44示意图)

这接地网格有的单位不是采用铜箔带而是采用铜裸线,相比之下,这铜裸线埋下要控槽,增大工作量,更重要的是接触面积小,容易变形,接触不可靠,希望还是采用铜箔带为好。

有的防静电涂层地面工程上万平方米静电接地网只有2个输出头接到地柱上,而引出线很细,这是不符合要求的。

欧洲礼诺公司的树脂型自流坪的导电层未加接地网格,是沿墙每30m2在导层上装设1m长的铜箔带引出接地。

 

4. 接地干线和支线材料

常用的接地干线和接地支线见表43

                43  接地干线和支线材料

 

     线

     线

室内

室外

 

紫铜排(带)

25×3mm

25×3mm

 

镀锌扁钢

25×4mm

40×4mm

 

铜芯软线

 

 

4mm2

多股铜芯花色电缆线

10mm2

10mm2

 

铜箔带

 

 

0.08

铜裸线

10mm2

10mm2

>4mm2

 

() 静电接地电阻的计算和测试

“化工部企业静电接地设计技术规定”标准(CD-90A-1880)静电接地电阻应<100Ω,YD/T754-1995“通信机房静电防护通则”、SJ/J05831994“电子设备制造防静电技术要求”中规定静电保护接地电阻应<10Ω。有的机房和电子元器件、组件,洁净车间要求防静电性能更高。SJ/J106301995“电子元器件制造防静电技术要求”规定,静电保护接地电阻要求小于4Ω,甚至微电子芯片前道工序洁净车间和接触芯片的组装洁净车间要求更高,ANSI ESD S20201999“保护电气和电子器件,组件及设备,静电放电控制大纲”规定接地电阻要求小于1Ω。接地电阻要求越高,对接地极及其连接的设计也要求越高,相应的造价费用便大,对接地极周围环境土壤也要求高,为达到比较合理的设计,减少造价费用和保证性能质量,在设计时对接地电阻应做必要的理论计算,工程结束时进行实地测试。

 

1.接地系统引接线电阻的计算:

        引接线的电阻:

        R=ρ·L/S(Ω)

        式中: ρ- 引接导线材料的电阻率(Ωm)见下表3

L- 引接导线的长度(m)

S- 引接导线的截面积(cm2m2)

 

材料

铁铝合金

黄铜

电阻率×10-8Ωm

1.7

10

2.9

140

2-6

 

2.接地系统的接地极接地电阻的计算

(1)单根:垂直接地棒的工频接地电阻R1,水平接地体工频接地电阻R2.

   R1=ρ/2пL·Ln ·4 L (L+2h)/ d (L+4 h)  

   R2=ρ/2пL (Ln ·L2/ h d+A)

式中:      d- 接地棒()的直径

L- 接地棒的长度;

ρ- 大地电阻率(Ωm)

h- 接地体顶面埋设深度cm

A- 水平接地体形状系数。见表5

(2)多根并联:垂直接地棒的接地电阻

    Rn1R1/nηn1Ω

    Rn2= R2/ nηn1Ω

式中:      n- 接地体的根数

  ηn1- 垂直接地装置利用系数(3根η=0.78)

ηn1- 水平接地装置利用系数(2根ηn1=0.90, 3根ηn1=0.82)

 

                44  土壤介质的近似电阻率

土壤类型

电阻率Ωcm

土壤类型

电阻率Ωcm

湿的有机土

10-103

粘土

2-100

干土壤

103-103

表层土壤肥土等

1-50

潮湿土壤

102-104

砂砾

50-1000

红岩

102-106

粘土页砾比例的述土壤

3-200

黄棕壤(江苏)

5-150

不同砂砾比例的上述土壤

10-1000

红壤(江西)

15-200

紫色土(四川)

25-250

赤红土(广东)

30-500

苏打盐土(黑龙江)

1-10

   

45  水平接地体的形状系数

形状

L

Y

+

*

系数A

0

0.378

0.867

2.14

5.27

1.69

0.48

 

3.接地电阻的测试

 (1)接地体接地电阻的测量:

接地电阻的测量是防静电地面工程重要的一项工作,因为:

① 接地电阻的设计计算值是基于各种假设和近似的;

② 要确保要求的接地电阻值,否则要加强;

③ 通过日常定时的测量,确定接地体是否正常,是否需要维修和加固。

接地体接地电阻的测量通常使用的

三角测量法和电位降法,最普遍使

用的是电位降法,其测量仪器有手

摇表头式接地电阻表和数字式接地

电阻表。测量接地线图如图45:测

量时要注意确保P1 C1 P2 C2在一条

线上,选择合适的能打入探针棒的

草地土层,以减小测量误差。

(2)接地引线电阻的测量

  可以利用接地电阻表测量室内接地

支线端点通过接地干线(室内铜排、

室外引下线)至地面上地极连接端

点的引线电阻。接线方法见图46

(3)土壤电阻率的测量

土壤的电阻率的测量如图47所示。

土壤电阻率:

ρ=6.28aR Ω cm                         

式中:     a=探针棒电极间距

           R=接地电阻表的读数(Ω)  

R的测量方法采用四电极法。         

注意事项:

a)探针棒电极可取Ф810mm

长度L3045cm

b) 探针棒电极间的间距a可取69m

c) 测出3处的数据取平均值

则为该区域的土壤平均电阻率。

 

47  土壤电阻率的测量

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