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[电力相关] 静电是未来演出事故当中的主因?

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发表于 2020-10-19 16:26:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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被静电打到痛吗?
你肯定说:废话! 心理阴影面积大得很!!
                             
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每个人都不希望被静电打到
那电子设备呢?
喔!!这件事情称为ESD 而这件事情是可大可小的!
为甚么我们要来写这一篇呢?
目前静电在演出事故上的问题是频繁发生的
从来没有人谈到静电对于设备稳定性的问题
大家都对于静电了解太少了!
线缆在流动演出使用上经常收放
布放演出中拖动回收的摩擦,都
导致了静电的累积!
甚至空气掠过电缆的运动 或
电缆本身的运动也会引起摩擦电荷的积累。
加以环境当中人员的移动都让静电环境趋于复杂!

密苏里大学罗拉分校电磁兼容实验室Todd Hubing说:
“当你一直走过地板时,你会变得充满电子。
你最终得到的电压可能高达20,000到25,000伏特。”

  而电缆外皮跟外界磨擦会有多大的问题呢?
请注意!!摩擦带电是相对的
我们可以透过查看「带电序列」来了解
1.什么材质容易带正电/负电。
2.所列出的材质之间,彼此排列的距离越远,就会产生越强的静电。

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图片来自于三洋纺织简报

您注意看左边的PVC是最常用的电线外皮 ,
而右边的人手.空气  却是极端!!
你说电线在这样的环境下能不会有静电吗??

  数字设备=低压
  请注意现在电子设备的电压低得很
  看看 intel core i7 的电压只有 “1V”

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  再看看国际电工委员会关于静电放电(ESD)的免疫标准
  是IEC 61000-4-2
  他规范了下列的各种等级

ESD测试等级(IEC / EN 61000-4-2)

直接接触放电
经空气接触
等级
测试电压
测试电压
1
±2 kV
±2 kV
2
±4 kV
±4 kV
3
±6 kV
±8 kV
4
±8 kV
±15 kV
X
X
X
x可以是产品特定标准中指定的任何级别

  看到了吗?随便都是KV等级的电压
  你说这些计算器的小身板怎能扛得住这么大的电压呢?
  那就得靠相应的保护手段来帮忙了!

 静电发生在哪边?
如何防范?
这将是各位未来在工作上使用数字设备
是否能顺利运行的一个重要关键 
  
  静电对于设备的损坏?
  为了让各位更有感的把整篇看完
  我们要先让各位看看静电的破坏力

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  图中的芯片是TPA3100D2。
  这是一款德州仪器公司生产的D类音频放大器。

爆炸发生在靠近针脚32-42的拐角附近。针脚32-33,34-35,36-37,39-40以及41-42捆绑在一起,是这个IC一个通道的电源和输出针脚。它们在内部是相同的引脚。
放大器数据表说明该蕊片它具有短路保护功能,
因此有两种可能导致这种故障。
1.     电源电压范围超出或反向偏置,
2.     放大器连接到高电感或容性负载。

IC制造商将此类损坏称为“EOS / ESD”损坏 - 超载electricaloverstress /静电放电。
这种损坏的真正机制是热量 – 封装下的东西非常热,
以至于电路很快的加热,膨胀和爆炸。
这可能是由于许多因素造成的,但通常意味着封装下的硅遭受了一些损坏(电或热),
成为不可熔的热源并且变成了炸开
如果零件在安装后几小时后爆炸,则可能是由于与工艺相关的潜在损坏
(由于回流焊接导致的热冲击,处理过程中的ESD,拾取和放置时的机械损坏等)
  图片与解析来自于
  
类似的ESD 事故多了去只是我们没在电子制造业见得少了!
像这一片电路板就是被ESD所击穿
  
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  另外各厂家也有针对通讯接口提供保护IC
  如下图就是一个USB的应用范例
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但是这些保护还是需要用户在实际应用上做出相应的配合才能达到效果
因此我们需要来”脑补一下静电”

  静电是电荷在物质系统中的不平衡分布产生的现象。
  用毛皮摩擦琥珀、丝绸摩擦玻璃棒等方法均能使物体带电。
  物体带电后,电荷会保持在物体上,
  除非被其他物体移走,所以称之为“静电”。
  静电与常态电流不同,后者是电荷在导体中的定向移动产生的电学现象。
  静电带电物体往往具有吸引轻小物体(比如纸屑)的性质。

!!请注意!!

常态认知的”非良导体””绝缘体”
都会带有静电!!
这使得以往用于导体的处置手段
通常不足以应付静电问题!!

非导体的静电产生案例:摩擦带电
  • 汽车表面的烤漆跟空气摩擦因此产生静电
  • 衣服与身体,或衣服与衣服之间摩擦也会造成负电移动所致。


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剥离带电

相互接触的两个物体分离(剥离)时产生静电的现象称为剥离带电。
  • 保鲜膜被剥离时会产生静电。
  • 将贴纸从底纸撕下时也会产生静电。这是因为贴纸与底纸之间发生负电移动,进而产生静电。


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  非良导体也能有静电? 也能严重致灾?-
  -- 美金100元那位科学前辈告诉我们的事
  
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美金100元是谁呢?

他是班杰明富兰克林(Benjamin Franklin)
也就是科普故事当中那位下雨天放风筝的前辈

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风筝是不是他放的呢?
不知道,但是他在报告中提到了这件事

据了解他是利用湿的棉线
将风筝上引入的电接入到"莱顿瓶"
这是一个原始形式的”电容器”
藉此证实了云层中带有电能量
闪电是一种极端的放能形式
并且发明了避雷针
  请注意:其实云是"水体"的一种表现
  水在一定程度上是不良导体
  但是由于大量的摩擦能量的累积还是能够产生大量的电荷
  一旦放电利用避雷针是可以将其引入地面
  ---当然也可以是倒霉的某棵树木
  那静电怎么发生的?
不管导体或非导体常态未接触其他物质前属于稳定状态
带有平衡的电荷1个正电、1个负电

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图片说明稳态时正负电平衡
图片来自于KEYENCE基恩斯网站

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图片说明两者间因为接触表面电子转移从而带电
图片来自于KEYENCE基恩斯网站
  与其他物质碰触后发生电子转移  左边带正电右边带负电
此失去平衡的状态就称作「静电」。
静电有带正电的「正静电」与带负电的「负静电」。
带有「静电」的物体将呈现电荷平衡不佳的状态,
而电荷平衡不佳的物体会趋向于恢复原本平衡的状态。
如何平衡-放电
带正电的物体与带负电的物体如果相互靠近,带负电一方的负电会想回到带正电的那一方。
这是为了想要取得平衡所致。
一旦两者极度接近时,负电会回到带正电的一端。称为「放电」。
在「物体」与「物体」之间将会有电流流动。
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图片说明带静电的两者在接触瞬间做出电荷释放
图片来自于KEYENCE基恩斯网站

一个常见的例子:
电梯按钮带有负电,相反的,这时候的自己带有正电(人体具备容易带正电的特性)。若在此状态下按了电梯的按钮,负电将会流向自己的手,引发电中和的现象,这是因为静电而引起的放电。在触电(身体碰触到电)的状态下,人类会感觉到疼痛。
  放电可大可小
  依照累积的电量不同而产生一定的风险
  冬季手和金属之间的火花、雷雨天气的闪电等现象都属于放电。
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图片来自于www.ics.ee.nctu.edu.tw

  蓄积的能量与交换速度取决于:
  •   电荷量大小
  •   物体的大小
  •   物体的电容
  •   周围介质的相对介电常数。

  而人体通常可以等量为一个100~398Pf,电压4000到35000伏特的电容器,当人们触摸物体时,这些能量将在不到1毫秒的时间内释放出来。
  虽然释放的能量很小(大约为0.001焦耳的数量级),但仍能对敏感的仪器造成损害。
  更大的物体量能储存更多的能量,甚至能对人体造成直接危害,
  或者产生足以点燃可燃气体或粉尘的电火花。
  极端环境的静电累积特例:
  •   由于太空环境中湿度非常低,会有大量的静电积累起来,对航天仪器造成危害。
  •   登上月球的宇航员在极度干燥的地面行走之后接触航天器时也会发生强烈的放电,会对精密仪器造成影响

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图片来自于网络

  静电的消除和预防---这是你最想知道的!
  >>>请注意先区分物体是导体还是不良导体两者的主要手段会有不同<<<
  对于非导体施以导体对策将非常不容易产生效果!!
  导体的处置:
假设一个导体有带电,若直接放置不理,它就会维持带电的状态。然而藉由对导体做「某件事」,即可瞬间让它恢复原本没有静电的状态。「某件事」指的就是「接地」。接地的意思就是将导体与大地(地球)连接,地球是一个「非常大且电气稳定的导体」。若将其他导体与地球连接,就会形成一个电气的通道。
例如若对带正电的物体进行接地,地球就会透过接地线对该物体提供负电。另外,若对带负电的物体进行接地,那么累积在物体上的负电将会透过接地线跑向地球。藉由将物体接地,就可以让物体变得没有静电,进入电气稳定的状态。
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图片说明接地进行电荷释放
A:带负电的导体   B:接地后电会流动    C:静电消失
图片来自于KEYENCE基恩斯网站
  法拉第笼
是一种很常见的金属屏蔽方式
透过在设备外部建立一个外壳从而使整个外壳等电位而不至于进入到设备内部
这通常被应用在飞机空中的防雷对策上
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2019年4月21日 CX360 遭受雷击
图片来自于网络

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而飞机在空中与大量空气摩擦将会产生静电则透过static dischargewicks静电释放条做释放
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但是一旦飞机降落到地面 还是需要透过机坪上的接地线来做更加安全的释放
讲到这边….
各位的电子设备您应该不是在空中吧?
演出中手总会离开与再次接触调音台与电子设备,要减少静电放电状况
您是否应当要做好保护接地以便将表面的静电传导至大地呢?
  非导体/绝缘体处置
若是绝缘体产生静电,其过程将与导体产生静电时不同。由于绝缘体不容易导电,因此即使进行接地,仍无法有效地使累积的静电流向大地。
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  您可以采取下列手段:
  1.   为环境配置一个湿度计,若湿度低于40% 将是静电好发的状态
  2.     改善湿度使用空气加湿器,可以增强空气的导电性,有利于物体上的静电经过空气被导走。使用离子发生器也能达到相同的效果。
  3.      对静电放电敏感的物体可以使用抗静电剂,使它们的表面变得容易导电,从而防止静电积累。
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  4.      对于纺织物使用柔软剂通常添加有抗静电剂
  5.      半导体设备对静电很敏感,这些电路组件通常需要用防静电包装(例如由金属网制成)来进行保护。
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防静电包装
图片来自于网络

  6.      在对含有敏感组件的电路进行操作时,人们需要穿戴防静电装置。
  例如静电手环地毯防静电服装
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图片来自于网络
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图片来自于网络

  7.  安装静电防治地毯  但是必须在一定面积条件下进行接地
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圖片來自於kb.staticworx.com/
结束语:
  ”保护接地” 除了保证用电安全之外
  也能成为静电的排放路径
  而地毯摩擦话筒线/手拉手线这件事
  大家别太刻意线缆找方案!!
  因为这是非良导体,最好的解决对策是适度的加湿空间环境
  在工程里面适当的安排加湿器
  将有助于大量静电问题的整体解决!!
  是一个较佳的解决方案!!
  
  
  
彩蛋
在撰写过程中发现有一个问题跟静电很相似目前也造成行业问题
称为 CDE  cable discharge event
这边先做一些提示:
双绞线电缆的行为和特性对于理解CDE至关重要。
双绞线电缆的结构类似于电容器,可以存储电荷。
物理上,电缆的导体可以视为是一个板,接地作为另一个板,
电缆的绝缘作为电介质;因此电容器形成。
显然,许多变量会影响该电容器的特性。
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研究证明,在未端未接负载次的双绞线电缆上可累积数百伏的电荷。
完全放电的电缆可在一小时内产生一半的潜在电荷。
一旦被充电,高级电缆可以保留大部分电量超过24小时。
较长的电缆具有存储更多电量的能力,因此对于电缆长度大于60 m的系统,
应采取额外的CDE预防措施。
而为了防止CDE事件的发生。在IEEE 802.3标准要求绝缘电压为2,250伏直流和1,500伏交流,以防止可能因高电压产生的CDE而造成的连接器故障。
但是我们是否能得知该使用网线的设备是否符合呢?
事实上有更多的协议是非标准的协议只用网线不用以太网协议
但是这种60 m<使用长度摩擦的布放大量空气摩擦使用环境就是我们的演出环境!!
长距离布放  
布放摩擦
单端先行连接<<<<<是不是都命中了呢?
CDE目前还被归类在ESD 类别当中,
文献指出:电缆的电荷保持/放电与电缆设计、电缆材料、湿度和安装实践都有相关。
电缆对地的电容决定了电缆能承受(蓄积)多少电荷。
一旦电缆充电,其对地电容和相对湿度通常决定了电荷消散的速度。
因此在工作环境中保持湿润将有助于降低上述ESD 与 CDE 事件的发生

  数据与图片来源:
http://www.sohu.com/a/212609449_783247

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来源:微信, 作者:SREXACT



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