大電流作用下電纜轉(zhuǎn)移阻抗非線性特性研究

石立華 張劉輝，2 張 祥 周穎慧

（1.解放軍理工大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)與光電工程國家級重點實驗室，江蘇 南京210007；2.中國人民解放軍73911部隊，江蘇 南京210012）

引 言

屏蔽電纜表面轉(zhuǎn)移阻抗的測試通常在頻域內(nèi)開展［1］，屬于小信號的注入測試方式；而利用時域測試方法能夠進行大電流注入試驗，該方法不僅能夠直觀地反映電纜對電磁脈沖的耦合效果，也能換算得到電纜的頻域轉(zhuǎn)移阻抗特性.因此在電磁脈沖防護中，采用時域法評價電纜在大電流沖擊作用下的屏蔽響應(yīng)顯得尤為重要.時域法分為輻射試驗法和電流注入法.模擬器中開展的輻射試驗更能接近實際的電磁脈沖耦合情況，但受限于模擬器的空間和電磁脈沖入射角，輻射試驗難以獲得足夠大的耦合電流.相比輻射試驗法，電流注入法易于實施，方便對電纜開展電磁脈沖耦合試驗.

采用電流注入法對電纜進行評價在國內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注，Goldstein等［2］分析了屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域和頻域測試方法，采用間接注入的方式獲得5kA的注入脈沖電流，觀察到了某型屏蔽電纜的飽和現(xiàn)象.周啟明等［3］利用脈沖電流注入法得到了多芯電纜的傳遞函數(shù).張琦等［4］采用三同軸法驗證了屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測量與建模方法的有效性.Orlandi等［5-7］提出了在大電流注入（Bulk Current Injection，BCI）下同軸電纜的集成電路仿真程序（simulation program with integrated circuit emphasis，SPICE）電路模型.Tang等［8］采用脈沖注入的方式研究了帶有非線性電涌保護器（surge protection device，SPD）器件的同軸電纜的負載響應(yīng)電壓，結(jié)果表明在4kA脈沖電流作用下芯線所接負載上產(chǎn)生了明顯的限幅效應(yīng).國內(nèi)在時域評價電纜的屏蔽性能時還主要集中在小信號條件下，而對大電流注入非線性效應(yīng)試驗因開展難度較大，工作有待進一步開展.本文研究了一種采用大電流脈沖注入屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗時域測試方法，研究了電纜在不同幅度注入下的芯線耦合非線性效應(yīng).

1 轉(zhuǎn)移阻抗的大電流注入測試方法

1.1 測試原理

大電流注入測試需要解決三個問題：一是大電流的產(chǎn)生，二是測試裝置的脈沖耐壓，三是時域測試結(jié)果的評價.本文提出了一種五平行線裝置，用于測量大電流注入下的多芯屏蔽電纜響應(yīng)，其原理如圖1所示.高壓脈沖源產(chǎn)生的信號注入受試電纜屏蔽層，信號源、電纜屏蔽層、終端負載和四根驅(qū)動線構(gòu)成外回路；受測試電纜始端芯線與屏蔽層間接負載R1，并用卡鉗式脈沖電流探頭測電流；受試電纜本身構(gòu)成內(nèi)回路，電纜終端輸出通過同軸式電壓探頭接數(shù)字存儲示波器，可獲得被測芯線與電纜屏蔽層之間的電壓.五平行線裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、傳輸線特征阻抗可調(diào)的特點，可用于不同型號線纜的測試.

為了確保脈沖電流能夠有效地注入電纜屏蔽層，信號源的內(nèi)阻、五平行線測試裝置特征阻抗和終端四個對稱負載并聯(lián)結(jié)果應(yīng)相匹配.負載R1與多芯電纜的特征阻抗相等.

圖1 屏蔽電纜的大電流時域注入測試裝置示意圖

1.2 脈沖注入源的實現(xiàn)

采用電阻電容（Resistance-Capacitance，RC）放電形式設(shè)計了用于測試系統(tǒng)的電流脈沖發(fā)生裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示.在電流脈沖產(chǎn)生回路中，快速放電開關(guān)選用三電極液體火花開關(guān)［9］；為了減小回路電感，采用無感的脈沖電容器.

圖2 高壓脈沖發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

初級能源選擇幅值30kV的高壓直流源，脈沖電容器為8 000pF，負載阻值5Ω.用電流探頭測得脈沖發(fā)生裝置的回路電流如圖3所示.為獲得較大的輸出電流，裝置的RC放電回路不再滿足產(chǎn)生雙指數(shù)脈沖的過阻尼條件，產(chǎn)生的電流脈沖波形存在一定的負脈沖，但輸出的大電流脈沖能夠滿足屏蔽電纜開展大電流注入測試實驗要求，可用來觀測磁性材料飽和引起的非線性效應(yīng).

圖3 典型電流I脈沖波形

1.3 五平行線測試裝置

相比同軸電纜，多芯電纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同電纜特征阻抗變化較大，阻抗匹配難于實現(xiàn).五平行線測試裝置最大優(yōu)勢是可以通過調(diào)整受試多芯電纜與驅(qū)動線的間距來確保外回路的特征阻抗為恒值；便于大電流和高電壓的注入，回路耐壓高.

圖1中，測試裝置的四根驅(qū)動線采用具有良好導(dǎo)電性的銅管，兩端采用滑動圓盤固定，圓盤尺寸設(shè)計如圖4所示.

圖4 滑動圓盤尺寸

電纜屏蔽層與每根驅(qū)動線組成一對平行傳輸線，傳輸線對應(yīng)不同的間距和線徑有不同的阻抗，由于測試電纜的直徑不同，對應(yīng)的特征阻抗為［10］

式中：ε為電纜屏蔽層與驅(qū)動線組成的平行傳輸線介質(zhì)的介電常數(shù)；d1為驅(qū)動線的直徑；d2為電纜屏蔽層的外徑；D為驅(qū)動線與電纜的中心間距.

不同類型受試電纜的直徑各不相同，因此特征阻抗也是不同的.為了保持外回路特征阻抗為恒定值，驅(qū)動線與電纜屏蔽層的間距D設(shè)計在8～50mm范圍內(nèi)可調(diào).若高壓脈沖發(fā)生裝置的輸出阻抗為50Ω，為了與之相匹配，則五平行線測試裝置的每對平行傳輸線特性阻抗為200Ω，外回路每對傳輸線終端接200Ω的負載電阻.內(nèi)回路的始端負載R1等于多芯電纜的特征阻抗.若驅(qū)動線直徑d1＝6mm，由式（1）得到受試電纜的外徑d2范圍為5～84 mm，從而達到對不同線徑多芯屏蔽電纜測試的目的.

2 兩類屏蔽電纜的測試結(jié)果

選取了兩種軟型多芯屏蔽電纜開展大電流脈沖注入下非線性效應(yīng)實驗.多芯電纜參數(shù)為：屏蔽層為兩層編制屏蔽層，外屏蔽層直徑為13mm，內(nèi)部芯線數(shù)為6，每根芯線半徑為0.5mm.兩種多芯屏蔽電纜最大區(qū)別在于編制屏蔽層中間是否加入了鐵磁性屏蔽層.加入了鐵磁性屏蔽層的多芯屏蔽電纜結(jié)構(gòu)如圖5所示.實驗中為了便于區(qū)別，將沒有加入鐵磁性屏蔽層的多芯電纜標(biāo)記記為1＃，加入鐵磁性屏蔽層的標(biāo)記為2＃多芯電纜.

圖5 含鐵磁性屏蔽層多芯電纜結(jié)構(gòu)

2.1 1＃多芯電纜測試結(jié)果

調(diào)整放電電壓幅值，得到1＃多芯電纜在不同電流等級下的注入皮電流峰值和芯線耦合電壓峰值如表1所示.從表可以看出，注入皮電流與耦合芯電壓具有很好的線性關(guān)系.注入皮電流峰值為1 069 A時電纜響應(yīng)曲線如圖6所示.

表1 不同注入電流等級下1＃多芯電纜的響應(yīng)

2.2 2＃多芯電纜測試結(jié)果

圖6 1＃多芯電纜皮電流和耦合電壓波形

表2 不同注入電流等級下2＃多芯電纜的響應(yīng)

圖7 2＃多芯電纜注入皮電流和耦合電壓的關(guān)系曲線

對2＃多芯電纜，不同放電電壓等級下的注入皮電流峰值和芯線耦合電壓峰值如表2所示.為了觀察加入磁性材料后電纜在大電流脈沖作用下的響應(yīng)規(guī)律，繪制注入皮電流與耦合芯電壓關(guān)系曲線如圖7所示.從圖可以看出，隨著電纜的注入皮電流幅值增大，芯線耦合電壓的增大幅度逐漸變緩，當(dāng)注入電流峰值達到2kA時，芯線上的耦合電壓增大不是很明顯，在注入電流脈沖峰值大于2kA時，芯線耦合電壓峰值保持在1.2V左右.注入皮電流峰值為1 140A時電纜響應(yīng)曲線如圖8所示.

圖8 2＃多芯電纜皮電流Iin和耦合電壓Uou波形

3 測試結(jié)果分析與討論

3.1 從頻域轉(zhuǎn)移阻抗曲線觀察兩類電纜的不同

將時域結(jié)果進行FFT變換并計算線纜轉(zhuǎn)移阻抗.對于1＃多芯電纜，當(dāng)注入皮電流峰值為1 069 A和2 120A時，其轉(zhuǎn)移阻抗與皮電流之間的關(guān)系如圖9所示.從圖可以看出，不同電流等級下電纜轉(zhuǎn)移阻抗曲線重合較好，表明未加入磁性材料的屏蔽多芯電纜受不同幅度外電流作用，其轉(zhuǎn)移阻抗未發(fā)生變化.

在注入皮電流脈沖峰值同樣為1 100A時，1＃和2＃多芯電纜的轉(zhuǎn)移阻抗曲線如圖10所示.由圖可以看出，加入磁性材料降低了2＃多芯電纜的轉(zhuǎn)移阻抗值，提高了其屏蔽效能.

圖9 1＃多芯電纜不同電流等級的轉(zhuǎn)移阻抗II曲線

圖10 Imax＝1.1kA時兩種電纜轉(zhuǎn)移阻抗曲線對比

3.2 非線性現(xiàn)象的分析

由上述實驗可知，磁性材料屏蔽層引入了較強的非線性.磁性材料受外磁場的響應(yīng)規(guī)律可以由磁化曲線來表征［11］.磁化曲線反映了磁感應(yīng)強度B與磁場強度H之間的非線性關(guān)系.圖11為磁性材料的典型B-H曲線.當(dāng)磁場強度H由小變大時，磁感應(yīng)強度B增加緩慢（oa段）；當(dāng)H繼續(xù)增大時，B急劇增大（ab段）；當(dāng)H進一步增大時，B的增幅又開始變得緩慢；到達c點后，磁感應(yīng)強度逐漸趨近于一個確定的飽和值.

國外學(xué)者對磁性材料屏蔽電纜采用大電流脈沖注入的實驗研究［2］也反映了上述類似的現(xiàn)象.文獻［2］通過間接注入的方法對超屏蔽電纜進行大電流測試.發(fā)現(xiàn)隨著注入電纜屏蔽層電流幅值的增大，芯線耦合電壓也在增大，但是耦合電壓峰值與注入電流峰值的比值Umax／Ⅰmax在逐漸減小，文獻［2］中并沒有給出解釋.對本文和文獻［2］發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象的合理解釋是：在小電流注入下，外加磁場較小，磁性材料的初始磁導(dǎo)率μ較低（圖11的oa段），導(dǎo)致屏蔽效能不高，電纜的芯線耦合電壓幅值隨皮電流線性增加.而隨著注入電流的顯著提高，外界磁場進一步增強，磁導(dǎo)率急劇增大（ab段），屏蔽層屏蔽效能提高，導(dǎo)致了芯線耦合電壓幅值隨皮電流增加不明顯，呈非線性響應(yīng)特征.進一步推論，若再加大注入到電纜屏蔽層的電流，磁性材料的磁導(dǎo)率會呈現(xiàn)下降，直至達到完全磁飽和并失去對屏蔽效能的貢獻.

圖11 磁性材料的B-H曲線

4 結(jié) 論

本文利用注入法對多芯電纜轉(zhuǎn)移阻抗開展了大電流條件下的非線性效應(yīng)實驗.設(shè)計的五平行線測試裝置外回路可調(diào)，便于對不同類型的電纜開展測試.對兩種類型的多芯電纜時域測試表明：磁性材料不僅改進了電纜的屏蔽性能，且在注入電流峰值達到2kA時，磁導(dǎo)率可能進入一段急劇增大的區(qū)域，使得屏蔽效能增大，芯線耦合不再隨皮電流線性增長.

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