防電磁脈沖濾波器的防護性能試驗

張饒，段艷濤，石立華，陳海林，張琪

（陸軍工程大學 電磁環境效應與光電工程重點實驗室，南京 210007）

引言

雷電和電磁脈沖能夠通過傳導耦合方式在電子設備、電力線路內部形成過電壓或過電流，可能造成無線電等通信設備的損壞和計算機等電子設備的瞬間失效[1,2]。因此，關于雷電和電磁脈沖的傳導干擾防護問題成為研究熱點。扶慶楓等采用脈沖電流注入（PCI）方法測試不同型號的信號線濾波器，發現（100～500）A注入電流就可以使濾波器輸出線與濾波器殼體發生絕緣擊穿[3]。胡景森驗證了PCI測試方法，并闡述了防電磁脈沖濾波器防護性能試驗的測試原理、測試過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的設計方法，解決了電源端口在不同電磁脈沖條件下的防護問題[5]。楊振寶利用參數易控制的方波脈沖對器件模型在不同注入幅值及脈寬下獲取到各技術參數的響應規律，根據IEC 61000-4-24標準搭建了方波脈沖注入測試系統，分析了防護器件在方波脈沖下的響應特性[6]。本文針對3種型號防電磁脈沖濾波器的防護性能展開測試，對其進線進行雷電脈沖注入和核電磁脈沖注入，通過監測對應出線的殘余電壓或電流來判斷濾波器的傳導干擾抑制能力。

1 試驗方法

雷電脈沖注入試驗設置如圖1（a）所示，試驗裝置主要由雷電組合波發生器、高壓探頭、示波器等組成。雷電組合波發生器可產生不同等級的雷電脈沖,其短路輸出的電流波形為8/20 μs波形，開路電壓波形為1.2/50 μs波形，輸出最高等級為20 kV/10 kA。試驗中將雷電組合波發生器的輸出端連接至被測濾波器輸入端的某個進線上，按最高等級進行注入，采用高壓探頭（1 000倍衰減）和示波器監測濾波器輸出端的對應出線上的殘余電壓并記錄，圖1（b）為部分測試現場圖。

圖1 雷電脈沖注入測試

核電磁脈沖注入試驗采用線-地注入方法進行脈沖電流注入測試[7,8]，試驗裝置主要由脈沖電流源、電流探頭、屏蔽柜、示波器、模擬負載等組成。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五個等級進行測試。試驗中將被測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進線上，采用電流探頭（變比1 V/A）和示波器監測輸出端的對應出線上的殘余電流并記錄，實驗過程中根據需要增加衰減器進行測試。電源濾波器、地線濾波器測試時模擬負載為2 Ω，信號濾波器測試時模擬負載為50 Ω。

待測的防電磁脈沖濾波器共有3種，編號為1#～3#。1#為信號線濾波器，有紅、藍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、黃、綠4根輸入線。試驗中3種試件先進行雷電脈沖注入試驗，記錄每次注入的殘余電壓峰值，之后進行功能檢測，確認正常后進行3種試件的核電磁脈沖注入試驗，記錄殘余電流峰值。

2 輸入波形校驗

2.1 雷電注入波形

在試驗開展前，首先校準雷電組合波發生器輸出的開路電壓波形和短路電流波形。圖2（a）為示波器測得的典型開路電壓校準波形，上升時間約為1.083 μs，半峰值寬度約為51.85 μs，與標準波形誤差在±20 %之內，滿足試驗要求。圖中峰值電壓為19.2 V，相當于雷電組合波發生器實際輸出峰值電壓為19.2 kV，逐步增大發生器的充電電壓，直至其實際輸出為20 kV，此時記錄充電電壓值，在后續試驗過程中雷電組合波發生器均采用這個值對濾波器試件進行注入試驗。

圖2 注入試驗的校準波形

2.2 核電磁脈沖注入波形

其次校準脈沖電流源的短路電流波形。圖2（b）為示波器測得的典型校準波形，上升時間約為6.67 ns，半峰值寬度約為505.1 ns，滿足試驗波形要求。圖中峰值電壓為1.33 V，測試中電流探頭（變比0.5 V/A）配合使用了60 dB衰減器，相當于脈沖電流源實際輸出電流峰值為2 660 A。通過調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五個等級下的充電電壓值，在后續試驗過程中脈沖電流源采用這組值對濾波器試件進行注入試驗。

3 試驗結果

首先定義濾波器試件的電壓或電流抑制比計算公式為：

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—測得的殘余電壓或電流峰值。

3.1 雷電脈沖注入試驗結果

雷電脈沖注入時，正負極性輸出各1次，即被試濾波器的每根進線注入2次，表1中僅給出殘壓的較大值。采取正負極性注入可全面反映濾波器對雷電脈沖的防護效果。從表中可以看出，在20 kV/10 kA等級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。對于3#電源線濾波器，4根進線的殘余電壓差別不大，說明該濾波器內部結構的對稱性較好。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了震蕩現象。

表1 雷電脈沖注入測試數據

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結果

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線在100 A、500 A、1 000 A、1 800 A和2 500 A五個等級下每個等級注入2次，表2中僅給出了每個注入等級的殘余電流的較大值。由表2可知，各濾波器試件對核電磁脈沖電流注入具備較好的電流抑制能力，信號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是增大的，但也存在非線性現象，如2#試件在1 000 A和2 500 A等級注入時，殘余電流峰值分別為1.19 A和1.34 A，而在1 800 A等級注入時，殘余電流峰值低于1 A。圖4為三個濾波器試件的電流抑制比折線圖，可以觀察到，隨著注入電流等級的提升，電流抑制能力逐步增強，說明采用電流抑制比來評價濾波器試件的核電磁脈沖防護性能需要關注或明確電流的注入等級。圖5為3#電源濾波器黃色進線在2 500 A等級電流注入時的典型殘余電流波形，可以看出其波形后部同樣出現了震蕩現象。

表2 核電磁脈沖注入測試數據

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 結論

本文對3種類型的防電磁脈沖濾波器進行了雷電脈沖和核電磁脈沖注入試驗，得到了以下結論：

1）3種型號的濾波器在20 kV/10 kA等級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，滿足設計要求。

2）3種型號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五個等級注入下，具備較好的電流抑制能力，殘余電流最大值均小于10 A，滿足設計要求。

3）采用電流抑制比來評價防電磁脈沖濾波器的核電磁脈沖防護性能，需要關注或明確電流的注入等級。