張饒，段艷濤，石立華，陳海林，張琪

（陸軍工程大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)與光電工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210007）

引言

雷電和電磁脈沖能夠通過(guò)傳導(dǎo)耦合方式在電子設(shè)備、電力線路內(nèi)部形成過(guò)電壓或過(guò)電流，可能造成無(wú)線電等通信設(shè)備的損壞和計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的瞬間失效[1,2]。因此，關(guān)于雷電和電磁脈沖的傳導(dǎo)干擾防護(hù)問(wèn)題成為研究熱點(diǎn)。扶慶楓等采用脈沖電流注入（PCI）方法測(cè)試不同型號(hào)的信號(hào)線濾波器，發(fā)現(xiàn)（100～500）A注入電流就可以使濾波器輸出線與濾波器殼體發(fā)生絕緣擊穿[3]。胡景森驗(yàn)證了PCI測(cè)試方法，并闡述了防電磁脈沖濾波器防護(hù)性能試驗(yàn)的測(cè)試原理、測(cè)試過(guò)程和電流注入方式選擇的方法[4]。彭澤清等提出了一種適用于多種電磁脈沖防護(hù)的設(shè)計(jì)方法，解決了電源端口在不同電磁脈沖條件下的防護(hù)問(wèn)題[5]。楊振寶利用參數(shù)易控制的方波脈沖對(duì)器件模型在不同注入幅值及脈寬下獲取到各技術(shù)參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律，根據(jù)IEC 61000-4-24標(biāo)準(zhǔn)搭建了方波脈沖注入測(cè)試系統(tǒng)，分析了防護(hù)器件在方波脈沖下的響應(yīng)特性[6]。本文針對(duì)3種型號(hào)防電磁脈沖濾波器的防護(hù)性能展開(kāi)測(cè)試，對(duì)其進(jìn)線進(jìn)行雷電脈沖注入和核電磁脈沖注入，通過(guò)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)出線的殘余電壓或電流來(lái)判斷濾波器的傳導(dǎo)干擾抑制能力。

1 試驗(yàn)方法

雷電脈沖注入試驗(yàn)設(shè)置如圖1（a）所示，試驗(yàn)裝置主要由雷電組合波發(fā)生器、高壓探頭、示波器等組成。雷電組合波發(fā)生器可產(chǎn)生不同等級(jí)的雷電脈沖,其短路輸出的電流波形為8/20 μs波形，開(kāi)路電壓波形為1.2/50 μs波形，輸出最高等級(jí)為20 kV/10 kA。試驗(yàn)中將雷電組合波發(fā)生器的輸出端連接至被測(cè)濾波器輸入端的某個(gè)進(jìn)線上，按最高等級(jí)進(jìn)行注入，采用高壓探頭（1 000倍衰減）和示波器監(jiān)測(cè)濾波器輸出端的對(duì)應(yīng)出線上的殘余電壓并記錄，圖1（b）為部分測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖1 雷電脈沖注入測(cè)試

核電磁脈沖注入試驗(yàn)采用線-地注入方法進(jìn)行脈沖電流注入測(cè)試[7,8]，試驗(yàn)裝置主要由脈沖電流源、電流探頭、屏蔽柜、示波器、模擬負(fù)載等組成。注入電流波形前沿小于20 ns，脈沖寬度（500～550）ns，分為100 A、500 A、1 000 A、1 800 A和2 500 A五個(gè)等級(jí)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)中將被測(cè)濾波器安裝在屏蔽柜上，將脈沖電流注入到濾波器輸入端的某個(gè)進(jìn)線上，采用電流探頭（變比1 V/A）和示波器監(jiān)測(cè)輸出端的對(duì)應(yīng)出線上的殘余電流并記錄，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)需要增加衰減器進(jìn)行測(cè)試。電源濾波器、地線濾波器測(cè)試時(shí)模擬負(fù)載為2 Ω，信號(hào)濾波器測(cè)試時(shí)模擬負(fù)載為50 Ω。

待測(cè)的防電磁脈沖濾波器共有3種，編號(hào)為1#～3#。1#為信號(hào)線濾波器，有紅、藍(lán)2根輸入線；2#為地線濾波器，只有1根紅色輸入線；3#為電源線濾波器，有紅、藍(lán)、黃、綠4根輸入線。試驗(yàn)中3種試件先進(jìn)行雷電脈沖注入試驗(yàn)，記錄每次注入的殘余電壓峰值，之后進(jìn)行功能檢測(cè)，確認(rèn)正常后進(jìn)行3種試件的核電磁脈沖注入試驗(yàn)，記錄殘余電流峰值。

2 輸入波形校驗(yàn)

2.1 雷電注入波形

在試驗(yàn)開(kāi)展前，首先校準(zhǔn)雷電組合波發(fā)生器輸出的開(kāi)路電壓波形和短路電流波形。圖2（a）為示波器測(cè)得的典型開(kāi)路電壓校準(zhǔn)波形，上升時(shí)間約為1.083 μs，半峰值寬度約為51.85 μs，與標(biāo)準(zhǔn)波形誤差在±20 %之內(nèi)，滿足試驗(yàn)要求。圖中峰值電壓為19.2 V，相當(dāng)于雷電組合波發(fā)生器實(shí)際輸出峰值電壓為19.2 kV，逐步增大發(fā)生器的充電電壓，直至其實(shí)際輸出為20 kV，此時(shí)記錄充電電壓值，在后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中雷電組合波發(fā)生器均采用這個(gè)值對(duì)濾波器試件進(jìn)行注入試驗(yàn)。

圖2 注入試驗(yàn)的校準(zhǔn)波形

2.2 核電磁脈沖注入波形

其次校準(zhǔn)脈沖電流源的短路電流波形。圖2（b）為示波器測(cè)得的典型校準(zhǔn)波形，上升時(shí)間約為6.67 ns，半峰值寬度約為505.1 ns，滿足試驗(yàn)波形要求。圖中峰值電壓為1.33 V，測(cè)試中電流探頭（變比0.5 V/A）配合使用了60 dB衰減器，相當(dāng)于脈沖電流源實(shí)際輸出電流峰值為2 660 A。通過(guò)調(diào)整脈沖電流源的充電電壓，獲取并記錄100 A、500 A、1 000 A、1 800 A和2 500 A五個(gè)等級(jí)下的充電電壓值，在后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中脈沖電流源采用這組值對(duì)濾波器試件進(jìn)行注入試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

首先定義濾波器試件的電壓或電流抑制比計(jì)算公式為：

式中：

SE—電壓或電流抑制比，單位dB；

WP—注入的電壓或電流峰值；

WR—測(cè)得的殘余電壓或電流峰值。

3.1 雷電脈沖注入試驗(yàn)結(jié)果

雷電脈沖注入時(shí)，正負(fù)極性輸出各1次，即被試濾波器的每根進(jìn)線注入2次，表1中僅給出殘壓的較大值。采取正負(fù)極性注入可全面反映濾波器對(duì)雷電脈沖的防護(hù)效果。從表中可以看出，在20 kV/10 kA等級(jí)的雷電脈沖組合波注入下，各濾波器都具備一定的電壓抑制能力，信號(hào)線濾波器的殘余電壓最大值為192 V，地線濾波器的殘余電壓最大值為810 V，電源線濾波器的殘余電壓最大值為830 V，信號(hào)線濾波器的電壓抑制能力要明顯好于地線濾波器和電源線濾波器。對(duì)于3#電源線濾波器，4根進(jìn)線的殘余電壓差別不大，說(shuō)明該濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性較好。圖3為2#地線濾波器試件的典型殘余電壓波形，可以看出其波形后部出現(xiàn)了震蕩現(xiàn)象。

表1 雷電脈沖注入測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 地線濾波器的典型殘余電壓波形

3.2 核電磁脈沖注入試驗(yàn)結(jié)果

核電磁脈沖注入的電流為正極性輸出，被試濾波器的每根進(jìn)線在100 A、500 A、1 000 A、1 800 A和2 500 A五個(gè)等級(jí)下每個(gè)等級(jí)注入2次，表2中僅給出了每個(gè)注入等級(jí)的殘余電流的較大值。由表2可知，各濾波器試件對(duì)核電磁脈沖電流注入具備較好的電流抑制能力，信號(hào)濾波器的殘余電流最大值為0.67 A，地線濾波器的殘余電流最大值為1.34 A，電源濾波器的殘余電流最大值為1.00 A。隨著核電磁脈沖注入電流的增大，殘余電流峰值整體趨勢(shì)是增大的，但也存在非線性現(xiàn)象，如2#試件在1 000 A和2 500 A等級(jí)注入時(shí)，殘余電流峰值分別為1.19 A和1.34 A，而在1 800 A等級(jí)注入時(shí)，殘余電流峰值低于1 A。圖4為三個(gè)濾波器試件的電流抑制比折線圖，可以觀察到，隨著注入電流等級(jí)的提升，電流抑制能力逐步增強(qiáng)，說(shuō)明采用電流抑制比來(lái)評(píng)價(jià)濾波器試件的核電磁脈沖防護(hù)性能需要關(guān)注或明確電流的注入等級(jí)。圖5為3#電源濾波器黃色進(jìn)線在2 500 A等級(jí)電流注入時(shí)的典型殘余電流波形，可以看出其波形后部同樣出現(xiàn)了震蕩現(xiàn)象。

表2 核電磁脈沖注入測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 濾波器的電流抑制比折線圖

圖5 電源濾波器的典型殘余電流波形

4 結(jié)論

本文對(duì)3種類型的防電磁脈沖濾波器進(jìn)行了雷電脈沖和核電磁脈沖注入試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：

1）3種型號(hào)的濾波器在20 kV/10 kA等級(jí)的雷電脈沖組合波注入下，具備一定的電壓抑制能力，殘余電壓的最大值均小于1 200 V，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）3種型號(hào)的濾波器在核電磁脈沖電流100 A、500 A、1 000 A、1 800 A和2 500 A五個(gè)等級(jí)注入下，具備較好的電流抑制能力，殘余電流最大值均小于10 A，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）采用電流抑制比來(lái)評(píng)價(jià)防電磁脈沖濾波器的核電磁脈沖防護(hù)性能，需要關(guān)注或明確電流的注入等級(jí)。