秦 鋒，周 輝，崔志同

(西北核技術(shù)研究所,西安710024； 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710024)

磁環(huán)的HEMP傳導(dǎo)特性實(shí)驗(yàn)

秦 鋒，周 輝，崔志同

(西北核技術(shù)研究所,西安710024； 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710024)

研究了ENT800、R10K、QP160共3種鐵氧體磁環(huán)在高空核電磁脈沖(high-altitude electromagnetic pulse, HEMP)傳導(dǎo)防護(hù)中的應(yīng)用性能，分析了磁環(huán)HEMP傳導(dǎo)特性與磁環(huán)本身特性的關(guān)系。通過分析HEMP傳導(dǎo)電流的能量譜與傳導(dǎo)電流脈沖前沿的主要能量集中頻段對(duì)應(yīng)的磁環(huán)復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率，得出磁環(huán)相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)HEMP傳導(dǎo)電流峰值的抑制規(guī)律以及相對(duì)磁導(dǎo)率的實(shí)部隨HEMP傳導(dǎo)電流脈沖前沿的變化規(guī)律。

磁環(huán)；高空核電磁脈沖；上升沿；能量譜

高空核電磁脈沖(high-altitude electromagnetic pulse ，HEMP)傳導(dǎo)電流脈沖為納秒級(jí)前沿，峰值電流達(dá)幾百安，現(xiàn)有的防護(hù)器件能在一定程度上起到保護(hù)作用，但存在類似于氣體放電管等器件泄漏部分能量進(jìn)入系統(tǒng),器件價(jià)格偏貴等不足。多種防護(hù)器件的聯(lián)合防護(hù)是目前HEMP傳導(dǎo)防護(hù)的一種常用方法，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的問題。

本文提出了采用鐵氧體磁環(huán)防護(hù)HEMP傳導(dǎo)電流的方法。鐵氧體磁環(huán)成本較低，在高頻段具有較高的導(dǎo)磁性能，套在電力、通信線纜或者天線上，等效為引入了一個(gè)平緩脈沖前沿的電感和一個(gè)抑制脈沖幅值的電阻，且易實(shí)現(xiàn)HEMP與雷電電磁脈沖的聯(lián)合防護(hù)[1-5]。本文還研究了幾種鐵氧體磁環(huán)在HEMP傳導(dǎo)電流作用下的防護(hù)性能，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得出磁環(huán)的復(fù)磁導(dǎo)率，分析磁環(huán)物理參數(shù)與HEMP防護(hù)效能之間的關(guān)系。研究結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)磁環(huán)在HEMP環(huán)境下的響應(yīng)特性以及磁環(huán)在HEMP防護(hù)中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 磁環(huán)的HEMP傳導(dǎo)電流防護(hù)性能實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與具體配置

針對(duì)HEMP的傳導(dǎo)防護(hù)測試，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6]給出了測試方法。鑒于濾波器設(shè)計(jì)過程中，主要對(duì)具體波形的能量集中頻段進(jìn)行設(shè)計(jì)。按照IEC61000-2-10中推薦采用的10/100 ns雙指數(shù)脈沖波形，其主要能量集中在30 kHz～100 MHz。因此，本文實(shí)驗(yàn)采用10/100 ns的雙指數(shù)PCI注入源，電纜長度l?λ，使得電纜上傳輸?shù)牟ㄐ螢殡p指數(shù)脈沖電流波形[7-8]，其主要能量集中在100 MHz以下，上升沿主要能量集中在30 MHz以下，滿足標(biāo)準(zhǔn)推薦波形的主要能量集中頻段。本文采用鐵氧體磁環(huán)防護(hù)HEMP傳導(dǎo)電流的方法，重點(diǎn)研究鐵氧體磁環(huán)本身的物理參數(shù)對(duì)HEMP傳導(dǎo)防護(hù)的效果。磁環(huán)HEMP傳導(dǎo)防護(hù)電路如圖1所示，圖中設(shè)備參數(shù)如表1所列。

1.2實(shí)驗(yàn)對(duì)象

磁性材料的種類繁多[9]，每一種材料都具有多種型號(hào)且性能各異。本文重點(diǎn)研究磁環(huán)在HEMP傳導(dǎo)電流作用下的響應(yīng)特性，僅以3種不同軟磁材料的磁環(huán)和同一種軟磁材料的3種不同型號(hào)的磁環(huán)作為研究對(duì)象。其中，ENT800是矯頑力中等、電阻率中等的磁材料典型代表，R系列材料是矯頑力較低、電阻率較低的磁材料典型代表，QP160是矯頑力較高、電阻率較高的磁材料典型代表。同時(shí)，R系列的3種不同型號(hào)的磁環(huán)主要用來研究不同初始磁導(dǎo)率的影響。表2列出了實(shí)驗(yàn)采用的磁環(huán)基本參數(shù)。磁環(huán)的固定尺寸為外直徑Do=50 mm、內(nèi)直徑Di=30 mm、厚度l=15 mm。

圖1 磁環(huán)的HEMP特性測試電路Fig.1Properties test circuit of magnetic rings under HEMP

EquipmentTypeandparametersPCIDoubleexponentialpulse(10/100ns)TF100-1Highpowermatchedload(1GHz,100W,50Ω)Monitor2877currentmonitor(300Hz～200MHz,1∶1)VoltageprobeVoltagedividerofPCI(274∶1)ScopeTektronixDPO4104B(1GHz,5GS·s-1)FixtureAluminumplate(800mm×400mm×4mm,l=167mm,h=67mm)FerritecoresFerritebead(50mm×30mm×15mm)

表2 磁環(huán)生產(chǎn)廠家給出的基本參數(shù)Tab.2Basic parameters given by magnetic ring manufacturers

磁環(huán)生產(chǎn)廠家給出的磁環(huán)基本參數(shù)均為特定情況下的測試結(jié)果，且給出的磁環(huán)參數(shù)有限，針對(duì)某一特定頻段的動(dòng)態(tài)參數(shù)一般未能給出，不便于磁環(huán)型號(hào)的選型及應(yīng)用。因此，本文在研究過程中將通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得出針對(duì)HEMP主要能量頻段的磁環(huán)動(dòng)態(tài)參數(shù)，確保結(jié)果的可靠性。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模擬實(shí)驗(yàn)主要對(duì)有無磁環(huán)、不同磁環(huán)材料、同一磁環(huán)材料3種類型進(jìn)行了電流環(huán)監(jiān)測，并分析對(duì)比HEMP傳導(dǎo)電流。需要說明的是，磁環(huán)安置在支架線纜的中部，每種磁環(huán)的數(shù)量固定為3個(gè)。不同磁環(huán)的HEMP傳導(dǎo)電流波形，如圖2所示，其中，右上角為歸一化上升沿波形圖。

圖2 不同磁環(huán)的HEMP傳導(dǎo)電流的波形Fig.2The waveforms of HEMP conductive current with different magnetic rings

如圖2所示，加入磁環(huán)后對(duì)HEMP傳導(dǎo)電流的脈沖幅值和脈沖上升沿均有較為明顯的影響。不難發(fā)現(xiàn)，加入磁環(huán)后，HEMP傳導(dǎo)電流的脈沖幅值均得到了一定程度的抑制，本文實(shí)驗(yàn)條件下最大能抑制掉46%的峰值。同時(shí)，傳導(dǎo)電流的脈沖上升沿發(fā)生了較大的變化，R10K材料對(duì)應(yīng)的上升沿變快較為明顯，其他材料對(duì)應(yīng)的上升沿均在一定程度上變慢。

2 磁環(huán)等效模型分析

對(duì)于磁環(huán)的等效模型，目前國內(nèi)外文獻(xiàn)推薦的是可變電感與可變電阻的并聯(lián)或串聯(lián)。本文主要研究磁環(huán)材料特性對(duì)HEMP響應(yīng)的影響，不對(duì)具體模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，因此，簡單采用可變電感與可變電阻的串聯(lián)模型進(jìn)行定性分析。

圖3 磁環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸Fig.3Structural dimension of the magnetic ring

如圖3所示，內(nèi)外徑分別為Di、Do，厚度為l的圓筒狀磁環(huán)[10]，電流I穿過其截面積產(chǎn)生的磁通為

(1)

等效為電感得

(2)

式中，μo為真空磁導(dǎo)率；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率。為了更好地分析磁環(huán)在HEMP下的特性，本文均采用復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率形式，可表示為

μr=μr′-jμr″

(3)

其中，μr′為復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率的實(shí)部，決定磁環(huán)的感性成分；μr″為復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率的虛部，決定磁環(huán)的阻尼成分。

在線纜上增加磁環(huán)后，阻抗的增量為

ΔZ=jω(L-Lα)

(4)

式中，Lα為無磁環(huán)時(shí)空氣介質(zhì)的電感；L為有磁環(huán)時(shí)的電感。

(5)

將(3)代入式(5)得

(6)

(7)

從式(6)、式(7)得出，在線纜上套上磁環(huán)后相當(dāng)于增加了一個(gè)與復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率實(shí)部相關(guān)的電感Li和一個(gè)與復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率虛部相關(guān)的電阻Ri。

3 磁環(huán)材料特性的影響

為了更好地分析鐵氧體磁環(huán)對(duì)HEMP傳導(dǎo)電流的影響，對(duì)HEMP傳導(dǎo)電流的主要能量集中頻段的磁環(huán)特性進(jìn)行了細(xì)致的分析。

圖4給出了HEMP傳導(dǎo)電流及其傳導(dǎo)電流上升沿的能量譜。

圖4 HEMP傳導(dǎo)電流及其傳導(dǎo)電流上升沿的能量譜Fig.4The energy spectrum of HEMP conductive current and its impulse front

從圖4可見，HEMP傳導(dǎo)電流的主要能量頻段集中在1～100 MHz之間，上升沿的主要能量頻段集中在10 MHz以上。

為了方便分析HEMP傳導(dǎo)電流的脈沖上升沿與磁環(huán)材料和磁環(huán)種類之間的關(guān)系，HEMP傳導(dǎo)電流的歸一化上升沿，如圖5所示。其中，圖5(a)為R系列的3種鐵氧體磁環(huán)，圖5(b)為ENT、R、QP 3個(gè)系列的鐵氧體磁環(huán)。

(a)3 kinds of R-type magnetic ring

(b)3 types of magnetic ring 圖5脈沖電流的上升沿Fig.5Impulse front of the HEMP conductive current

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得到表2所列出的磁環(huán)在1～100 MHz頻段的特性曲線，得出其復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率，如圖6所示。

(a)Real part of complex magnetic permeability of R-type beads

(b)Real part of complex magnetic permeability of different type beads

(c)Amplitude of complex magnetic permeability of R-type beads

(d)Amplitude of complex magnetic permeability of different type beads 圖6各種磁環(huán)的復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率Fig.6Complex relative permeability of differentkinds of magnetic ring

圖6(c)和圖6(d)給出復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率，結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)，HEMP傳導(dǎo)電流幅值的抑制主要與復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率的絕對(duì)值成正相關(guān)，與相對(duì)磁導(dǎo)率的虛部μ″r并不成正相關(guān)。這說明，在涉及磁性材料對(duì)傳導(dǎo)電流幅值影響關(guān)系研究中，需要具體針對(duì)相對(duì)磁導(dǎo)率的絕對(duì)值進(jìn)行對(duì)比分析。

由此可見，磁環(huán)的材料參數(shù)對(duì)抑制HEMP傳導(dǎo)電流較為敏感，需要具體針對(duì)HEMP傳導(dǎo)電流及其上升沿主要能量集中頻段的復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率。從式(6)和式(7)可得，相應(yīng)頻段的復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率的虛部和實(shí)部決定了磁環(huán)等效模型的電感與電阻的大小，對(duì)電路模型仿真建模起著決定性的作用。

4 小結(jié)

本文通過對(duì)幾種不同型號(hào)的鐵氧體磁環(huán)進(jìn)行了HEMP電流傳導(dǎo)注入實(shí)驗(yàn)，分析總結(jié)了磁環(huán)特性對(duì)HEMP傳導(dǎo)電流幅值及其上升沿的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，在HEMP傳導(dǎo)電流上升沿的能量主要集中頻段內(nèi)，磁環(huán)對(duì)脈沖電流上升沿的平緩作用與磁環(huán)復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率的實(shí)部大小成正相關(guān)，而在HEMP傳導(dǎo)電流的整個(gè)能量集中頻段內(nèi)這樣的正相關(guān)并不成立；在HEMP傳導(dǎo)電流的整個(gè)能量集中頻段內(nèi)，磁環(huán)對(duì)脈沖電流幅值的抑制作用與磁環(huán)復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率的絕對(duì)值成正相關(guān)。

[1]劉衛(wèi)東, 金立軍, 錢家驪, 等. 鐵氧體磁環(huán)抑制GIS的VFTO的可能性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2002, 17(4): 22-25. (LIU Wei-dong, JIN Li-jun, QIAN Jia-li, et al. Possibility of suppressing VFTO in GIS by ferrite rings [J]. Transactions of China Electromagnetical Society, 2002, 17(4): 22-25.)

[2]ZHANG X, HE J L. Lighting overvoltage suppression to UHV power transformer by ferromagnetic ring[J]. Electric Power Systems Research, 2013, 94: 122-128.

[3]URABE J, FUJII K, DOWAKI Y, et al. A method for measuring the characteristics of an EMI suppression ferrite core[J]. IEEE Trans Electromagn Compat, 2006, 48(4): 774-780.

(下轉(zhuǎn)第041002-7頁)

Experimental Study on HEMP Conduction Properties of Magnetic Rings

QIN Feng,ZHOU Hui,CUI Zhi-tong

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an710024,China)

Based on studying the properties of three ferrite magnetic rings like ENT800, R10K, and QP160 under high-altitude electromagnetic pulse (HEMP) conductive environment, we analyzed the relationship between the HEMP conduction properties and the intrinsic characteristics of magnetic rings. By analyzing the complex relative permeability of magnetic rings corresponding to the energy spectrum of HEMP conductive current and the main energy spectrum of the conductive current impulse front,we obtained the influence of the magnetic ring’s complex relative permeability to the amplitude of the HEMP conductive current and the rise time of the HEMP conductive current.

magnetic ring;HEMP;impulse front;energy spectrum

2016-04-27；

2016-06-06

秦鋒(1991- )，男，湖南郴州人，研究實(shí)習(xí)員，碩士，主要從事核電磁脈沖效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)研究。

E-mail：qinfeng@nint.ac.cn

TM27

A

2095-6223(2016)040602(5)