核電磁脈沖濾波器防護(hù)性能測試研究

摘" 要：為驗(yàn)證核電磁脈沖濾波器對(duì)電源線傳導(dǎo)干擾的防護(hù)性能，采用脈沖電流注入法（PulsedCurrentInjection，PCI），從測試原理、環(huán)境布置、過程和結(jié)果分析等方面對(duì)研制的220 V/16 A核電磁脈沖濾波器樣機(jī)電磁脈沖防護(hù)能力進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)注入電壓為10 kV和30 kV時(shí)，殘余電流約為8 A和20 A，隨著注入電壓的增大，其電流抑制比也增大。測試結(jié)果表明，脈沖電流注入測試法可操作性強(qiáng)，其試驗(yàn)所用濾波器具有良好的電磁脈沖防護(hù)性能，為后期工程實(shí)際改進(jìn)提供方向。

關(guān)鍵詞：電源;EMP;濾波器;電磁脈沖;防護(hù)性能

中圖分類號(hào)：TM724" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）25-0015-04

Abstract： In order to verify the protection performance of nuclear electromagnetic pulse filters against conducted interference on power lines， the pulsed current injection （PCI） method was used to verify the electromagnetic pulse protection ability of the developed 220 V/16 A nuclear electromagnetic pulse filter sample from the aspects of testing principle， environmental arrangement， process， and result analysis. When the injection voltage is 10 kV and 30 kV， the residual current is about 8 A and 20 A， with the increase of injection voltage. The current suppression ratio also increases. The test results show that the pulse current injection test method has strong maneuverability， and the filter used in the test has good electromagnetic pulse protection performance， which provides a direction for later engineering improvement.

Keywords： power supply; EMP; filter; electromagnetic pulse; protective performance

隨著未來戰(zhàn)場空間的日趨復(fù)雜化，作戰(zhàn)空間逐步朝著海、陸、空、天和電磁五維空間發(fā)展，2011版《中國人民解放軍軍語》定義電磁空間是由電磁波構(gòu)成的物理空間。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，由各種不同的電磁能量相互作用形成了復(fù)雜電磁環(huán)境，電磁脈沖、高功率微波武器和軍用通信雷達(dá)設(shè)備的頻譜拓寬及發(fā)射功率的變大，使得現(xiàn)代戰(zhàn)場空間電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。

電磁脈沖主要分為雷電電磁脈沖（LEMP）、靜電電磁脈沖、核電磁脈沖（NEMP）和非核電磁脈沖等，當(dāng)有上述脈沖能量進(jìn)入電子系統(tǒng)時(shí)，電磁脈沖通過與天線和電纜等耦合產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾對(duì)各種電子設(shè)備等造成損壞，對(duì)于這種情況，一般通過在電源輸入端口安裝電源線濾波器，抑制經(jīng)電源線進(jìn)入設(shè)備或者系統(tǒng)的電磁干擾，并對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)自身的傳導(dǎo)發(fā)射進(jìn)行抑制。因此，研究電磁脈沖防護(hù)對(duì)維持政府、軍事指揮中心和軍用雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等設(shè)備的防護(hù)能力具有十分重要的意義[1-2]。

1" EMP濾波器原理概述

核電磁脈沖濾波器的常見設(shè)計(jì)方法是在EMI濾波器和瞬態(tài)二極管TVS（或壓敏電阻）組合使用形成電磁脈沖濾波器，這種濾波器既能防護(hù)電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備和系統(tǒng)的損壞，也能防護(hù)一定條件下雷電（如感應(yīng)雷電信號(hào)）引起的電磁干擾。但是其所能承受的EMP能量是很有限的，當(dāng)遇到高能量的電磁脈沖時(shí)會(huì)導(dǎo)致TVS箝位電流、功耗急劇增加，一旦超過極值，瞬態(tài)二極管就會(huì)遭到損壞，從而引起EMP濾波器的失效。對(duì)壓敏電阻MOV元件而言，能承受的沖擊能量比TVS高一些，但是每經(jīng)受一次EMP或雷電的沖擊，其性能就會(huì)下降并失效，從而喪失防護(hù)能力。為了提高設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性，我們想通過EMI濾波器的原理進(jìn)行EMP濾波器的設(shè)計(jì)，假設(shè)EMI濾波器的特殊設(shè)計(jì)可以替代瞬態(tài)抑制電路，則可以達(dá)到非常好的EMP防護(hù)效果，其電路原理圖如圖1所示。

1.1" 220VAC電源防護(hù)原理圖

核電磁脈沖濾波器的綜合防護(hù)主要通過電壓限幅、低通濾波、EMI濾波等方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其信號(hào)防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2中可以看到，信號(hào)輸入后，經(jīng)過第一級(jí)的限幅器件泄放雷電流，通過第二級(jí)低通濾波將電磁脈沖的高頻分量濾除，經(jīng)前兩級(jí)的防護(hù)后，第三級(jí)通過EMI濾波的方式將耦合在信號(hào)線上的干擾雜波進(jìn)一步過濾，由信號(hào)輸出端輸出。3種不同防護(hù)電路之間的組合互不干擾，第一級(jí)防護(hù)僅在有雷電波形干擾時(shí)才發(fā)揮作用，常態(tài)均保持不工作狀態(tài);第二級(jí)針對(duì)高頻分量，一般針對(duì)超過20 kHz以上的波形有效;第三級(jí)針對(duì)電源進(jìn)線EMI濾波，滿足電磁兼容性的要求。

1.2" 濾波器殼體的設(shè)計(jì)

在濾波器的設(shè)計(jì)中，采用三腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，分別為輸入腔體、中間腔體和輸出腔體，進(jìn)密閉性試驗(yàn)驗(yàn)證，其屏蔽效能良好，殼體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2" EMP濾波器防護(hù)技術(shù)指標(biāo)

針對(duì)電磁脈沖對(duì)敏感設(shè)備的各種耦合通道，電磁脈沖防護(hù)的主要思路是通過對(duì)其能量的反射、吸收、隔離和泄放的手段，使電磁脈沖能量衰減到設(shè)備能夠承受的程度，在實(shí)際工程中，常用的防護(hù)方式有屏蔽、濾波和接地等[3]。

電磁脈沖濾波器的主要性能參數(shù)包括額定電壓、額定電流、漏電流、絕緣阻抗、工作溫度范圍、脈沖抑制峰值浪涌電流、插入損耗性能（EMI）、電磁脈沖防護(hù)性能和屏蔽效能等，前幾項(xiàng)指標(biāo)都有明確測試方法，但對(duì)于核電磁脈沖濾波器的電磁脈沖防護(hù)性能需要進(jìn)行專門的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1" 電磁脈沖防護(hù)性能指標(biāo)測試

目前，對(duì)核電磁脈沖防護(hù)性能測試標(biāo)準(zhǔn)主要有GJB 5792—2006《軍用涉密信息系統(tǒng)電磁屏蔽體等級(jí)劃分和測量方法》、MIL-STD-188-125-1《固定C4I系統(tǒng)的高空核電磁脈沖防護(hù)要求》、MIL-STD-188-125-2《地面機(jī)動(dòng)C4I系統(tǒng)的高空核電磁脈沖防護(hù)要求》 、IEC61000-4-24《高空核電磁脈沖（HEMP）傳導(dǎo)騷擾保護(hù)裝置的試驗(yàn)方法》和GJB 8848—2016《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)方法》[4-7]。其中GJB 8848—2016和MIL-STD-188-125關(guān)于PCI的試驗(yàn)配置規(guī)定有相似之處，信號(hào)源的類型都是電流源，在短脈沖即幅值和波形為5 000 A、20/500 ns的情形下，源阻抗為60 Ω，負(fù)載阻抗為2 Ω，耦合方式分為直接耦合、電容耦合和電感耦合，在測試時(shí)不需要夾具。而IEC61000-4-24中信號(hào)源的類型都是電壓源，脈沖幅值為期望電壓的2倍，波前上升率大于1 kV/ns，脈沖寬度大于20 ns，源阻抗和負(fù)載阻抗均為50 Ω，耦合方式只有直接耦合，在測試時(shí)需要夾具且對(duì)大尺寸的器件（如電源濾波器）測試受限[4-7]。通過上述比較，選用GJB 8848—2016的試驗(yàn)方法，綜合考慮更適合于電磁脈沖濾波器防護(hù)性能測試，其標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)波形如圖4所示，測試布置如圖5所示。

2.2.1" 測試方法介紹

選擇220 V/16 A的電磁脈沖濾波器作為測試對(duì)象，按照GJB 8848—2016系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)脈沖電流注入（PCI）試驗(yàn)方法，采用的線-地電流注入試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑紫仁窃跒V波器輸入端的任一相線注入幅值不同的脈沖電流，然后在對(duì)應(yīng)相線輸出端測量經(jīng)濾波后的殘余電流，即可得出電源濾波器的核電磁脈沖防護(hù)效果。

2.2.2" 測試原理及環(huán)境布置

脈沖電流注入（PCI）測試原理是首先將濾波器安裝在屏蔽體的外側(cè)且與屏蔽體的接觸面具有良好的電搭接，在屏蔽體外部距離保護(hù)器件15 cm處加上注入電流測量傳感器，殘余電流傳感器位于屏蔽體內(nèi)部，距離保護(hù)器件15 cm，在試驗(yàn)過程中為防止注入和殘余電流傳感器造成損傷，可選用能夠承受的最大峰值電流至少為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脈沖電流20%以上。屏蔽體的接地點(diǎn)應(yīng)選在保護(hù)器件附近，通過直接耦合、電容耦合或電感耦合的耦合方式對(duì)濾波器輸入端任一相線施加標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脈沖電流，注入脈沖電流的波形由外部監(jiān)測示波器獲取，殘余脈沖電流的波形由屏蔽體內(nèi)部被測濾波器輸出端的示波器獲取，應(yīng)當(dāng)采用高性能屏蔽電纜與示波器電流探頭連接。通過示波器記錄注入電流和殘余電流的波形和幅度，需要注意的是在進(jìn)行脈沖電流的過程中和脈沖電流注入完成以后應(yīng)對(duì)濾波器的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)濾波器輸入端施加的電流波形和幅度滿足要求時(shí)，測得濾波器輸出端的波形和幅度參數(shù)也滿足相應(yīng)要求，則說明該濾波器的防護(hù)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.3" 測試過程

電磁脈沖防濾波器的防護(hù)性能測試過程如下：

1）先按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定波形和幅值對(duì)脈沖源進(jìn)行波形的校準(zhǔn)，使其脈沖源的短路電流幅度（1 000 A）、上升沿（小于20 ns）和半脈寬（500～550 ns）滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）按圖1所示的環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)布置。

3）按需選擇脈沖電流的注入方式。

4）為防止對(duì)設(shè)備造成損壞，線纜PCI試驗(yàn)應(yīng)至少包括2個(gè)低幅值的脈沖電流注入試驗(yàn)，應(yīng)按照規(guī)定值的10%、25%、50%、100%的試驗(yàn)順序進(jìn)行，但最大不能超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的110%。

5）分別記錄注入脈沖電流和殘余脈沖電流的幅度、上升沿的數(shù)值，并記錄波形。

6）殘余脈沖電流的波形和幅度參數(shù)是否滿足電磁脈沖濾波器的防護(hù)性能標(biāo)準(zhǔn)要求。值得注意的是，如果在測試過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，則應(yīng)立即停止測試并分析原因。

2.3" PCI試驗(yàn)方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證PCI試驗(yàn)方法的可行性，在有限的儀器設(shè)備條件下選用電磁脈沖直接注入方法，按照線-地電流注入試驗(yàn)配置來對(duì)濾波器的短脈沖防護(hù)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

試驗(yàn)所用主要設(shè)備見表1。

按照?qǐng)D5所示的PCI線-地試驗(yàn)布置要求對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行布置，在試驗(yàn)之前將源的輸出端短路進(jìn)行波形校準(zhǔn)，其PCI脈沖注入電流標(biāo)準(zhǔn)波形和注入電流為1 kV和2 kV的殘余電流波形如圖6、圖7和圖8所示。

從圖中可以看出，當(dāng)注入電壓為1 kV時(shí)，殘余電流為33 A;注入電壓為2 kV時(shí)，殘余電流為66 A，可以看出該款濾波器具有一定的電磁脈沖防護(hù)能力，同時(shí)也驗(yàn)證了PCI試驗(yàn)的可操作性強(qiáng)。

2.4" 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過電流脈沖注入試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論。

①校準(zhǔn)波形的脈沖源空載特性符合試驗(yàn)波形要求;②EMI濾波器對(duì)EMP的防護(hù)起到了一定的作用;③從殘余電流波形結(jié)果看，該濾波器對(duì)短脈沖注入電流有一定的抑制作用，為后續(xù)性能提升奠定了基礎(chǔ);④從試驗(yàn)過程來看，直接注入方法適合于線對(duì)地的電流脈沖注入試驗(yàn)。

3" 結(jié)束語

隨著核電磁脈沖電源濾波器的廣泛應(yīng)用，其防護(hù)性能和屏蔽效能效果會(huì)直接影響防護(hù)設(shè)備的防護(hù)效果。從上述核電磁脈沖濾波器的電磁脈沖防護(hù)能力和屏蔽效能測試的試驗(yàn)中可以看出PCI試驗(yàn)和屏蔽效能試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確地反應(yīng)濾波器的性能，其測試結(jié)果的關(guān)鍵是在測試過程中要注意測試環(huán)境的布置與測試過程的操作規(guī)范。

參考文獻(xiàn)：

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