如何避免高阻绝缘体的静电放电？

我们知道，高阻绝缘体因摩擦、挤压等原因会产生静电电荷。这些电荷随着摩擦、挤压等过程的延续而积累起来，于是，在这些绝缘体上就会出现很高的电压，即静电电压。如果遇到合适的条件，就可能发生静电放电。

就静电放电的能量而言，它的大小与很多因素有关，例如，静电电压、积累的电荷量、绝缘体的形状、放电间隙和绝缘体上的放电面积等。

静电放电是一种“无源”式放电，相对于有源网络的电气放电来说，放电能量要弱一些。然而，静电放电火花能够点燃爆炸性气体-空气混合物。实验指出，球形电极与平面绝缘体之间的静电放电，在静电电压为2500V时，点燃了爆炸性氢气-空气混合物。

1.静电放电的一般概念

静电放电通常可以分为两种情况：一是在高阻绝缘体上发生的静电放电现象；二是被绝缘的导体因感应发生的静电放电现象。这两种情况的静电放电具有不同的性质。

（1）绝缘体上的静电放电现象

大家知道，当绝缘体以某种方式带上静电电荷时，由于绝缘体所具有的高阻性能，它上面的静电电荷是不能随意移动的。有这样的情况，在一块绝缘平板上同时可以带上正、负两种符号的电荷，然而它们却不能发生中和。基于这种原因，当带电的绝缘体和接地的导体之间发生静电放电时，只有和导体接近的那部分绝缘体上的电荷释放到大地中，其他部分的电荷不会“流动”过来进入大地。这种放电现象被称作局部放电现象。在绝缘体的静电放电现象中，最普遍的是刷形放电。当接地的导体接近带电的绝缘体时，起初静电电场发生畸变，随着导体与绝缘体距离的缩短，在电场作用下空气发生电离，于是开始刷形放电，接着发生火花放电。这种放电过程如图1.3所示。

在绝缘体上，静电放电的能量主要与绝缘体上所带的静电电压有关。静电电压越高，绝缘体上可以释放电荷的面积就越大，释放出的电荷就越多。人们在实验室中进行了放电能量的测试实验。实验是用半径为5mm的接地金属小球来接近带电的绝缘体进行放电的。实验测得的数据如表1.7所示。

图1.3 刷形放电

表1.7 静电电压与放电面积、放电能量的关系

（续）

根据表1.7中所列数据，可以绘制出绝缘体上所带的静电电压与放电面积、放电能量的关系曲线，如图1.4所示。

图1.4 静电电压与放电面积、放电能量的关系

1—静电电压与放电面积的关系曲线 2—静电电压与放电能量的关系曲线

从图1.4中可以看出，随着静电电压的增加，绝缘体（绝缘平板）的放电面积、静电火花释放出的能量随之非线性地增加。曲线1和曲线2具有同样的增长趋势。

绝缘体上发生静电放电的条件是，绝缘体上必须积累足够多的电荷，静电电压必须达到一定的水平。

图1.5 感应起电

（2）被绝缘的导体上的静电放电现象

根据静电理论可知，被绝缘的导体放置在静电电场中会得到感应电荷（图1.5）。如果这个电场是由绝缘体上的静电电荷引起的，那么，导体上与绝缘体接近的一端会感应相反符号的电荷。感应电荷的数量与电场强度、导体切割磁力线的数量有关。例如，行驶的车轮轮胎上积累的静电电荷形成了一个电场，车辆的金属结构处在这个电场中，因而就会感应符号相反的静电电荷（图1.6）。如果将导体接地的话，则导体上的感应电荷就会泄漏到大地中。(www.xing528.com)

绝缘导体上感应电荷的放电与绝缘体上静电电荷的放电有着本质的不同。绝缘体上发生静电放电是一种“局部放电”，除放电区域外，其他部分的静电电荷不会“补充”过来。放电电荷的数量与静电电压、接地导体的形状有关。然而，在被绝缘的导体上情况就不同，一旦接触到接地的导体，被绝缘的导体上感应的静电电荷就会全部释放掉。也就是说，不仅与接地导体接近的电荷释放到大地，而且，其他部分的电荷会补充过来，也立即释放掉。由此可见，对于点燃爆炸性气体混合物来说，这种情况比局部放电的情况更具有潜在危险性。

分析可知，被绝缘的导体上静电放电的特点是，在较低的静电电压情况下，可能释放出较多的静电电荷。这是因为，如果被绝缘的导体与大地之间构成的电容器的电容值比较大，那么，在绝缘体上的静电电荷感应在导体上时，出现的静电电压可能很低，即

V=Q/C （1.9）

式中 Q——静电电荷数量；

C——静电电容。

但是，不管静电电压多么低，只要一接触接地导体，电荷就会全部释放掉。

图1.6 轮胎的静电电场

1—车体的金属结构 2—轮胎

2.材料的电阻率和放电时间常数是影响绝缘体产生和积累静电电荷的主要因素

在静电电荷产生和积累过程中，有很多因素在起作用，例如，在起电过程中材料的电阻率、放电时间常数、介电常数、过程发生的速度、物质状态、摩擦接触点的多少以及环境湿度，等等。在所有的这些影响因素中，最主要的、起实质性作用的是材料的电阻率和材料的放电时间常数（τ=RC）。

根据静电理论可知，绝缘材料起电后，静电电荷将会随着时间的推移按照指数规律衰减，即

Q=Q₀e^-t/τ （1.10）

式中 Q——绝缘体上静电电荷数量（C）；

Q₀——绝缘体上静电电荷的初始数量（C）；

t——持续时间（s）；

τ——时间常数（s），τ=RC=ρε，其中，ρ为材料的电阻率（Ω·m），ε为材料的介电常数，ε=ε₀ε_r，ε₀为真空介电常数，ε₀=8.85×10^-12F/m，ε_r为相对介电常数。

从式（1.10）中可以分析得出，如果绝缘材料起电后经历t=τ时间的话，那么，静电电荷就可以衰减到它的初始值的1/e（e≈2.71828），即约37%。一般情况下，人们便可以认为，此时的绝缘材料就不带静电电荷了。

材料的放电时间常数是一个表征材料静电特性的重要参数。它反映着材料的绝缘性能和带电能力。

一般认为，在材料的时间常数τ=0.01s的情况下，这种材料就不容易产生和积累静电电荷。对于大多数材料来说，介电常数（ε）不超过1×10^-10F/m。由此可见，要想使某种材料不产生和积累静电电荷，则必须使这种材料的电阻率不大于1×10⁸Ω·m。

为了防止和避免静电放电点燃爆炸性气体-空气混合物，人们一直在寻求实用的抗静电的材料和有效的消除静电的方法。

事实上，防止绝缘材料产生和积累静电电荷的方法有很多，例如，降低材料的电阻率、接地、增加环境湿度、降低工艺速度、涂敷防静电剂，等等。在这些方法中，只有降低材料的电阻率才是最为根本的方法，而其他的则是辅助的。