電纜放電事件建模及其特性測試研究

韓宇南　李文濤　POMMERENKE David　戴琳　許世良

(1.北京化工大學信息科學與技術學院,北京 100029;

2.密蘇里科技大學電子與計算機工程系,羅拉，密蘇里州,美國 65401;

3.遼河石油勘探局通信公司,盤錦 124010)

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電纜放電事件建模及其特性測試研究

韓宇南1李文濤1POMMERENKE David2戴琳3許世良1

(1.北京化工大學信息科學與技術學院,北京 100029;

2.密蘇里科技大學電子與計算機工程系,羅拉，密蘇里州,美國 65401;

3.遼河石油勘探局通信公司,盤錦 124010)

摘要參考人體行走電壓的測試標準IEC 61340-4-5,搭建了電纜由線軸上繞下并在地板上拖拽積累的電壓的測試系統,測量了六類非屏蔽網線的電壓波形.基于實測電纜電壓波形,提出了電纜電壓的RC等效電路模型,并分析了模型參數對電纜電壓時域波形的影響.進行了電纜充電后對金屬靶的放電實驗,測量了電纜放電事件的電流波形、瞬態電場和瞬態磁場波形,分析了電纜放電事件對電子設備的影響.根據測量的電纜放電事件的電流波形,對比了GJB 151B中CS 115電纜束注入脈沖激勵傳導敏感度的電流波形,二者電流波形有一定的相似性,但是對于較長電纜在電流的強度和寬度方面都會大于CS 115規定的限值.因此,提出了電纜放電事件的防護方法,并對相關標準的改進方面提出了初步建議.

關鍵詞電纜放電事件;靜電放電;電纜電壓;時域波形

資助項目: 國家留學基金委公派留學基金(No.201208110396); 中央高校基本科研業務費(ZY1113、YS1404)

聯系人： 韓宇南 E-mail: chark-han@126.com

引言

電纜放電事件(Charged Cable Discharge Events, CDE)是指電纜連接到電氣設備端口時產生的放電現象[1],其產生的原因是由于電纜和待連接設備端口之間存在的電位差引起的空氣放電.電纜從線軸上繞下、在地板上拖拽、放到線槽中等動作,都會導致電纜絕緣的外層護套積累凈電荷,護套內的金屬芯線上感應出極性相反的電荷.當電纜靠近設備的接頭,電纜上的電荷將產生火花并向設備的接頭內注入脈沖電流[2-3].電纜芯線積累的千伏的電位,以及電纜放電產生的納秒級上升沿,寬度為幾十至幾百納秒的脈沖電流,可能對電子信息設備的端口電路構成很大威脅.目前的電磁兼容標準GJB 151B中測試項目CS115[4],規定了電纜脈沖注入敏感度試驗,其波形的幅度及脈寬與電纜放電事件的波形非常接近,部分適用于設備端口的線纜安裝情況下的電纜放電事件.

近年來,電纜放電事件的重要性越來越受到重視,相關研究機構認為CDE可能導致電子設備(例如計算機)平臺上的芯片出現故障,正在積極逐步研究.相關研究包括:Stadler等人對電纜向通信接口放電的情況進行了研究[5-6],考慮不同類型的電纜,如通用串行總線(Universal Serial Bus,USB),同軸電纜連接器(Bayonet Nut Connector, BNC),網線,發生靜電放電時電流的波形,認為不同類型電纜發生靜電放電時,波形基本一致,均由初始電流尖峰,矩形脈沖,衰減振蕩波形三部分組成.研究了電纜放電的波形脈寬與電纜長度的關系,二者滿足線性正相關.Poon等人對屏蔽電纜的放電事件進行研究[7],當屏蔽電纜在屏蔽層放電時,電纜內芯遠端上的信號波形不同于傳輸線波形,而是W波形.美國采暖、制冷與空調工程師學會(ASHRAE)資助了相關課題,主要研究數據中心在不同溫濕度條件下,可能產生的靜電放電,及對信息設備的風險[8-10],以便制定合適的靜電放電防護標準.在該研究基礎上,參考IEC 61340-4-5[11]和ANSI/ESD STM97.2[12],討論了電纜拖拽情況下,芯線上的測量電壓,并分析電纜的靜電存儲模型,給出了芯線上積累電壓的模型.討論了電纜放電事件的電流波形,涉及到的放電參數包括上升時間、電弧長度、電場強度、磁場強度.電纜放電事件的研究,可以為相關電磁兼容性能評估提供參考.

1電纜電壓的測量與等效電路模型

由于拖拽和摩擦引起的電纜電壓,其測量參考IEC 61340-4-5[11]和ANSI/ESD STM97.2[12]中對人體行走電壓的測量方法[13],測試布置圖如圖1所示,六類非屏蔽網線繞在一定間距的線軸上,中間支撐起一塊地板,線纜在線軸上繞動,并與地板摩擦,能夠積累一定的電荷,通過測試系統可以測量電纜芯線上的電壓.被測電纜和測量系統的等效電路如圖2所示.被測電纜等效為電纜電阻RC和電纜電容CC的串聯.電纜的待測芯線連接到電極(a)上.測量系統的等效電路是靜電電壓表(b)與儀器輸入電阻RM、儀器的輸入電容CM和測量系統連接電纜對地電容CL并連.

圖1　電纜沉積靜電的測量布置圖

圖2　電纜沉積靜電的測量等效電路

測量儀器的輸入電阻RM大于1014Ω,一般線纜的電阻RC滿足

RC?RM.

(1)

并且測量儀器電容CM和電纜對地電容CL之和小于30pF,電纜電容CC一般較大.有

CC?CM+CL.

(2)

因此,測量系統能夠準確測量線纜的電壓.

圖2中電極(a)的右側是電纜等效電路模型,電纜可以等效成電纜電容CC和電纜電阻RC的并聯.根據該電路模型,

(3)

有電纜積累電荷包括兩個過程:充電過程和放電過程.在充電過程中,由于電纜的拖動、彎曲、拖拽等,線纜的芯線逐漸積累電荷,芯線電壓呈指數升高.圖3為測量到的六類非屏蔽網線芯線上的電壓,可見電壓最大值為1 140 V.在電纜更長,地板面積更大情況下,由摩擦引起的電纜芯線上的電壓可以達到幾千伏,在接觸接插件瞬間,可以產生靜電放電.

圖3　與地板摩擦引起的六類非屏蔽網線芯線上的電壓

電纜長時間靜止不動,存在自然放電延遲.在自然放電過程中,電纜靜止不動,電纜的電荷逐漸耗散,芯線電壓呈負指數降低.

可以得到如下推論:電纜拖拽等動作,能夠讓電纜芯線上積累較高的電壓,電壓可超過幾千伏的量級;芯線上的電壓能夠保持較長的時間,往往電纜靜止放置較長時間后,芯線上電壓還能有峰值電壓的20%以上.

電纜放電事件所釋放的能量,相對于人體對設備的靜電放電能量更高.因為人體對地的電容,往往在200 pF量級,而線纜對地的電容通常超過1 000 pF.電纜儲存的靜電能量更高,更容易導致設備的敏感.

2電纜放電事件的測量

為了測量在電纜插入接插件時,測量由于電纜積累的靜電引起的電纜放電事件,可能帶來的電磁兼容風險,采用如圖4所示的測量原理圖進行放電電流、電弧長度、瞬態電場、瞬態磁場的測量[14],測量系統的布置圖,如圖5所示.測量系統的接收端,安安裝在屏蔽體外部,如圖5(a)所示.屏蔽體外布置了電纜接插件、靶、電場探頭、磁場探頭、弧長感應頭.如圖5(b),屏蔽體內布置了示波器、萬用表、電場探頭供電模塊、磁場探頭供電模塊、弧長測試模塊、直流電源組等測量和供電設備.示波器通過通用接口總線(General-Purpose Interface Bus, GPIB)線,連接到控制計算機上,能夠實時自動獲取測量數據.該測試系統的電流測試帶寬大于3 GHz,瞬態電場和磁場的測試帶寬大于2 GHz,能夠準確地獲取測試數據.

圖4　電纜放電事件的測試原理圖

(a) 屏蔽體外部測量布置圖

(b) 屏蔽體內部測量布置圖圖5　電纜放電事件的測量布置圖

在測試中,通過ESD槍,為線纜充電至規定的電壓,并保持一段時間,讓線纜芯線上電壓穩定.然后,將線纜端口插入到接插件上,測量放電電流、輻射的瞬態電場和瞬態磁場.

如圖6所示,給出了在環境實驗室內,固定的溫濕度條件下(溫度23℃,相對濕度30%)情況下,測試了15.24 m(50英尺)長的六類網線的電纜放電事件.充值電壓是3 kV,測量得到的電流峰值為12 A,電流的脈沖寬度為15 ns.芯線上的電流會直接作用到設備內部,可能引起設備內部芯片的敏感,并在設備內部激勵起瞬態電磁場.

(a) 電纜放電事件的沖擊電流

(b) 電纜放電事件的輻射電場

(c) 電纜放電事件的輻射磁場圖6　電纜放電事件的測量結果

3同現有標準比較

從實驗結果可以看出,典型的電纜放電事件能夠在線纜的芯線上產生電流峰值為12 A,電流的脈沖寬度約為15 ns的近似矩形脈沖.

現階段沒有專門針對電纜放電事件的電磁兼容標準,可以將電纜放電事件電流波形與現有的電磁兼容標準相比較,最接近的測試為GJB 151B中CS 115電纜束注入脈沖激勵傳導敏感度規定電流波形,電流強度為5 A,脈沖寬度為30 ns的矩形脈沖.該波形注入到線纜上,通過示波器監測到的實際波形,不再是完整的矩形脈沖.

通過比較可以看出,電纜放電事件可能產生的電流強度更高,電流的持續時間可能會更長,電流波形更接近于矩形脈沖.現有的電磁兼容標準不能完全考察電纜放電事件的影響,可以考慮對于多次插拔的電纜,采用類似CS 115的測量方法,測量更強的電流和更寬的矩形脈沖.

針對多次插拔的電纜,特別是軍用電纜,應采取一定的電磁兼容防護措施,防止設備端口被電纜放電事件損毀.具體的防護措施:電纜插入設備接插件前,對電纜的各個芯線進行對地放電;發生電纜放電事件概率大的設備端口,進行電磁兼容加固設計,例如采用瞬變電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor, TVS)等器件進行防護;逐步建立電纜放電事件的考核標準,或與現有標準融合,對發生電纜放電事件概率大的設備端口進行考核驗收.

4結論

測量了電纜放電事件的時域電壓波形,建立了線纜的RC等效電路模型.通過分析,電纜靜止放置較長時間,芯線上電壓還能有峰值電壓的20%以上,因此電纜放電事件是高概率事件.通過測量電纜放電事件,15.24 m(50英尺)長的屏蔽和非屏蔽六類網線,充值電壓是3 kV,測量得到的電流峰值為12 A,電流的脈沖寬度為15 ns.與現有的CS 115相比,電流強度更高.建議對發生電纜放電事件概率大的設備,特別是軍用設備,制定更有針對性的標準.

致謝:感謝ASHRAE TC 9.9對本課題的支持,感謝Mahdi Moradian、David E. Swenson和Fayu Wan共同完成實驗,并做了大量有益的交流和討論.

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韓宇南(1980-), 男,遼寧人, 北京化工大學講師.2007年7月獲北京郵電大學電磁場與微波技術博士學位.2009年9月在中國運載火箭技術研究院總體設計部評為高級工程師.國家公派留學基金資助,2013年在美國密蘇里科技大學電磁兼容實驗室做訪問學者主要研究方向為電磁兼容、計算電磁學、抗核電磁脈沖加固、雷電防護、生物電磁學、天線設計.

李文濤(1989-)，男,山東人,北京化工大學信息科學與技術學院在讀碩士研究生，主要研究方向為電磁兼容、電子信息工程、智能控制.

POMMERENKE David(1966-),男,美國密蘇里科技大學電子與計算機工程系教授,電磁兼容專家.

戴琳(1988-),女,遼寧人,遼河石油勘探局通信公司助理工程師.2014年6月獲得東北石油大學通信與信息系統碩士學位.主要研究方向:無線通信理論與技術,電磁兼容,物聯網技術,數字信號處理.

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Charged cable discharge events model

and performance measurement

HAN Yunan1LI Wentao1POMMERENKE David2DAI Lin3XU Shiliang1

(1.CollegeofInformationTechnology,BeijingUniversityofChemicalTechnology,

Beijing100029,China;2.DepartmentofElectricalandComputerEngineering,

MissouriUniversityofScienceandTechnology,Rolla,MO65401,USA;

3.LiaohePetroleumExplorationBureauCommunicationCompany,

PanjinLiaoningProvince,Panjin124010,China)

AbstractFirstly, cable voltage charging by rotating and rubbing on floor was measured referred to standard of IEC 61340-4-5, and category 6 ethernet cable voltage was measured. Secondly, based on measurement of the cable voltage waveform, the cable voltage equivalent RC circuit model was deduced, and exponential function can be obtained to describe the cable voltage, the time constant τ is determined by the cable resistance R and capacity C to the ground. Thirdly, the current, transient electric field and magnetic field was measured while the charged cable discharging on the metal targ-et. At last, the current waveform was compared with MIL-STD-461F CS115 conducted susceptibility, bulk cable injection and impulse excitation. The results show that the CDE current waveform is similar, but current is higher. Therefore, the CDE protection method is required and the EMC testing standard needed to be improved to cover CDE measurement.

Key wordscharged cable discharge events (CDE); electro-static discharge (ESD); cable voltage; time domain waveform

作者簡介

收稿日期：2014-11-16

中圖分類號O441.1; TM206

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)06-1064-06