鄰近雷擊電場環境模擬裝置的設計與實現

2019-10-24 09:13:12王可段艷濤石立華黃瑞濤陳海林

中國艦船研究 2019年5期

王可，段艷濤，石立華，黃瑞濤，陳海林

陸軍工程大學電磁環境效應與光電工程重點實驗室，江蘇南京210007

0 引言

雷電是一種常見的自然放電現象，常常伴隨著復雜變化的電磁環境。在氣候復雜多變的空闊海域，長期在此環境下作業的艦船上高聳的桅桿和各類突出的天線極易在雷雨天氣時吸引雷電，從而對艦載電子、電氣設備造成極大的破壞［1-3］。Thomson［4］分析了71 起空闊海域上船舶遭遇雷擊的事件，指出船舶本身的特點及其所處的特殊環境是其遭遇雷擊的重要原因。近年來，媒體多次報道了我國東南沿海地區艦載雷達等裝備遭遇雷擊并造成重大損失的事故［5］。因此，對艦載電子、電氣設備的雷電防護極具研究價值與現實意義。

雷電對艦船的危害主要包括雷電的直接和間接效應危害。雷電直接效應主要是指雷電通道直接附著或雷電流的傳導造成的物理效應，表現為燃燒、爆炸、侵蝕、高壓沖擊波、結構變形、強電流形成的磁場等。雷電間接效應則來源于雷電產生的電磁場與艦載設備的相互作用，包括直接雷擊和鄰近雷擊引起的間接效應［6］。

隨著各種微電子、電氣設備以及大規模集成電路等復雜電子、電氣系統在裝備上的廣泛運用，艦載設備對電磁環境有著更加苛刻的要求，鄰近雷擊產生的電磁環境對這些電子、電氣系統具有現實威脅性。在我國國軍標GJB 1389A-2005《系統電磁兼容性要求》中明確指出了雷電間接效應的環境參數，要求系統在暴露狀態下應能經受住雷電間接效應，且應通過系統、分系統、設備及部件級的試驗、分析驗證［7］。GJB 8848-2016《系統電磁環境效應試驗方法》中針對GJB 1389A-2005 中的雷電環境要求，明確了系統的雷電試驗方法、試驗配置、試驗步驟、試驗結果評定準則等，這為開展系統的雷電試驗提供了參考和依據，包括鄰近雷擊電場環境效應試驗方法［8］。國外，美軍標MIL-STD-464C 和北約AECTP-500［9-10］在其關于雷電防護要求的內容中也有相同的表述。同時美國L-3 公司為軍方研制了近區雷電模擬器，對雷電通道近區電磁場進行模擬，分別建立了鄰近雷擊引起的電場和磁場環境，主要針對飛機、導彈等裝備全尺寸的現場測試。國內，對于鄰近雷擊脈沖電磁場環境效應的研究起步較晚，目前尚無相關模擬設備研制的報道。

本文擬通過沖擊高壓的峰值截斷建立鄰近雷擊電場環境模擬裝置，為系統電子、電氣設備等開展全尺寸的現場測試提供技術支持。

1 基本原理

脈沖電場模擬裝置主要由沖擊高壓源、截斷裝置、試驗平臺以及測量控制系統組成，其設備搭建如圖1 所示。其中，沖擊高壓源用于產生沖擊高壓；截斷裝置用于截斷沖擊高壓以在放電回路中形成陡波；實驗平臺用于承載被測品和產生滿足要求的均勻脈沖電場環境；測控系統主要用于監測工作狀態以及采集實驗數據。

圖1 鄰近雷擊電場環境模擬裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electric field environment simulator for nearby lightning strike

脈沖電場模擬裝置的工作原理可簡述為：試驗過程中首先對沖擊高壓源進行充電，在高壓極板上形成一定幅值的沖擊高壓。當截波球兩端電壓高于空氣間隙的擊穿電壓時發生破壞性放電，沖擊高壓迅速衰減在跌落段形成陡波，造成高壓極板上的電壓迅速跌落，從而在試驗平臺中產生快速變化的電場。通過參數設計，使這個快速變化電場達到GJB 1389A-2005 關于電場時間變化率的要求值，即6.8×1011V/（m·s-1）。

2 脈沖電場模擬裝置的設計

2.1 沖擊高壓源

由于受高壓硅堆和儲能電容額定電壓的限制，單級沖擊電壓發生器很難滿足脈沖電場幅值的要求。本文采用一種雙邊充電的高效8 級Marx發生器作為沖擊高壓源，如圖2 所示［11］。圖中，K為電源開關，D 為高壓硅堆，T1為單相調壓器，T2為試驗變壓器，R0為保護電阻，R 為充電電阻，rf為波前電阻，rt為波尾電阻，C 為各級充電電容，C2為試品電容，g1為點火球隙，g2～g8為中間球隙，g0為隔離球隙，C11和C12為電容分壓器的高壓臂電容，C20為電容分壓器的低壓臂電容。

其基本原理為：充電電容C 雙邊并聯充電后串聯放電，經擊穿隔離球隙g0后，在放電回路上獲得數倍幅值的沖擊電壓波。雙邊并聯充電是通過2 個反接的整流硅堆實現，而串聯放電的實現是通過一組同步良好的球隙擊穿。

圖2 雙邊充電高效Marx 發生器回路Fig.2 Bilaterally charged high efficiency Marx generator circuit

目前實驗室現有的Marx 發生器每個充電電容器額定電壓均為75 kV，共8 級，最大能輸出1 200 kV 的正、負極性沖擊電壓。同時，通過調試波前電阻和波尾電阻，Marx 發生器能夠得到標準的1.2/50 μs 雷電全波［12］。

2.2 截斷裝置

截斷裝置利用球隙的自放電，在放電回路中起到在沖擊高壓峰值附近截斷的作用，如圖3 所示。對于脈沖電場模擬裝置，其截斷特性必須滿足以下要求：1）波形不受間隙的預放電過程的影響而產生前沿畸變；2）截斷時刻盡量靠近波形峰值并具有可重復性，即保證峰值附近截斷且分散性應盡可能小；3）電壓跌落時間盡可能短，滿足設計要求電壓跌落的陡度大于6.8×102kV/μs。

圖3 截斷波球Fig.3 Chopping sphere

基于上述要求，截斷裝置采用一套可調單球球隙，單球球隙使跌落時間盡可能短，可調球隙使電場時間變化率連續可調，其球隙可以根據充電電壓的大小進行匹配，并與Marx 發生器的點火球隙相適應，最終保證沖擊高壓截斷特性滿足要求［11］。但是，自由觸發的截斷裝置對放電波形截斷具有隨機性，其分散性主要與球隙有關，而電壓跌落時間主要與電壓作用時間、沖擊極性及間隙結構有關。二者均受到試驗環境的溫度、濕度、氣體密度的影響［13］，故其參數設計應從多方面考量，以實測結果為準。經實測，設計的截斷裝置在正極性沖擊電壓為120～320 kV 時，其對1.2/50 μs 雷電全波的截斷時間均在2 μs 以內，截斷電壓跌落時間小于0.09 μs，且具有較好的重復性。

2.3 試驗平臺

試驗平臺由高壓極板與導電地平面組成，二者之間即為試驗空間，可產生均勻電場環境，以及承載被試品，如圖4 所示。當高壓極板上的電壓迅速跌落時，其下方產生快速變化的電場。高強度的電場會引起邊緣、尖端電暈放電［14］，GJB 8848-2016標準附錄G 給出了距離放電通道10 m 處的垂直電場強度和變化率，場強接近3×106V/m。

根據仿真結果，實驗室室內建立這樣的電場強度環境且受試系統不發生閃絡是非常困難的，因此試驗系統模擬的場環境主要考慮滿足電場變化率要求，即要達到6.8×1011V/（m·s-1）。試驗平臺實物如圖4 所示。

圖4 高壓極板（直徑3 m）Fig.4 HV electrode（3 m in diameter）

此外，利用仿真軟件CST 進行仿真，分析了高壓極板的結構對下方電場分布的影響，由于尖端放電會使盤下電場部分畸變，局部場強增強影響場的均勻性，如圖5 所示。因此，后期對高壓電極的尖銳部分進行了適當改造。

圖5 高壓極板下方電場分布Fig.5 Electric field distribution under the high voltage electrode

本文提出了利用均勻性量化計算公式驗證電場是否滿足均勻性指標，如式（1）所示。當電場均勻性系數β小于3 dB 時即認為高壓極板下的電場均勻性良好。同時，分析了高壓極板吊高H 與導電地平面邊長對場均勻性的影響。仿真結果顯示，對于直徑3 m 的高壓極板，當高壓極板的吊高H 為2 m，導電地平面邊長為3.5 m 時，其下方的電場均勻性較好。

式中，Emax，Emin分別為距地面H/3 高度時的電場強度最大值和最小值。

2.4 測控系統

測控系統主要實現控制和測量兩大功能。

控制系統主要負責狀態監測和動作控制，通過實時監測充放電回路電壓和電流信號，利用計算機判斷并執行控制動作。其操作界面包含狀態信息顯示區和控制區。狀態信息顯示區實時顯示當前設置參數、狀態監測以及故障信息；控制區集成了充放電、觸發、故障復位、急停等控制動作。

測量系統包括電容分壓器和電場傳感器，分別測量放電回路電壓和試驗空間電場。電容分壓器通過對沖擊高壓進行分壓測量，將信號輸出到示波器，在后端的工作站完成采集和預處理。電場傳感器由電場探頭和光傳輸裝置組成，電場探頭為偶極子天線用于監測高壓極板下方的電場信號，光傳輸裝置將監測的電場信號轉換成光信號，傳輸至屏蔽柜中的光電轉換器，之后再轉換為電信號輸出至示波器進行測量，從而大幅度減少了電磁干擾對信號采集的影響。

控制和測量系統的詳細功能描述如表1所示。

3 試驗結果與分析

3.1 全波波形

鄰近雷擊電場環境模擬裝置不經截斷裝置進行截波時，輸出1.2/50 μs 全波波形。圖6 所示為Marx 發生器單級充電30 kV 時電容分壓器和電場傳感器測得的歸一化波形，由圖可見，2 個波形的上升時間與半峰值寬度吻合較好。這表明鄰近雷擊電場環境模擬裝置輸出的全波波形是穩定可靠的，并且電場傳感器滿足電場信號測量要求。