电缆放电事件建模及其特性测试研究

韩宇南　李文涛　POMMERENKE David　戴琳　许世良

(1.北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029;

2.密苏里科技大学电子与计算机工程系,罗拉，密苏里州,美国 65401;

3.辽河石油勘探局通信公司,盘锦 124010)



电缆放电事件建模及其特性测试研究

韩宇南1李文涛1POMMERENKE David2戴琳3许世良1

(1.北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029;

2.密苏里科技大学电子与计算机工程系,罗拉，密苏里州,美国 65401;

3.辽河石油勘探局通信公司,盘锦 124010)

摘要参考人体行走电压的测试标准IEC 61340-4-5,搭建了电缆由线轴上绕下并在地板上拖拽积累的电压的测试系统,测量了六类非屏蔽网线的电压波形.基于实测电缆电压波形,提出了电缆电压的RC等效电路模型,并分析了模型参数对电缆电压时域波形的影响.进行了电缆充电后对金属靶的放电实验,测量了电缆放电事件的电流波形、瞬态电场和瞬态磁场波形,分析了电缆放电事件对电子设备的影响.根据测量的电缆放电事件的电流波形,对比了GJB 151B中CS 115电缆束注入脉冲激励传导敏感度的电流波形,二者电流波形有一定的相似性,但是对于较长电缆在电流的强度和宽度方面都会大于CS 115规定的限值.因此,提出了电缆放电事件的防护方法,并对相关标准的改进方面提出了初步建议.

关键词电缆放电事件;静电放电;电缆电压;时域波形

资助项目: 国家留学基金委公派留学基金(No.201208110396); 中央高校基本科研业务费(ZY1113、YS1404)

联系人： 韩宇南 E-mail: chark-han@126.com

引言

电缆放电事件(Charged Cable Discharge Events, CDE)是指电缆连接到电气设备端口时产生的放电现象[1],其产生的原因是由于电缆和待连接设备端口之间存在的电位差引起的空气放电.电缆从线轴上绕下、在地板上拖拽、放到线槽中等动作,都会导致电缆绝缘的外层护套积累净电荷,护套内的金属芯线上感应出极性相反的电荷.当电缆靠近设备的接头,电缆上的电荷将产生火花并向设备的接头内注入脉冲电流[2-3].电缆芯线积累的千伏的电位,以及电缆放电产生的纳秒级上升沿,宽度为几十至几百纳秒的脉冲电流,可能对电子信息设备的端口电路构成很大威胁.目前的电磁兼容标准GJB 151B中测试项目CS115[4],规定了电缆脉冲注入敏感度试验,其波形的幅度及脉宽与电缆放电事件的波形非常接近,部分适用于设备端口的线缆安装情况下的电缆放电事件.

近年来,电缆放电事件的重要性越来越受到重视,相关研究机构认为CDE可能导致电子设备(例如计算机)平台上的芯片出现故障,正在积极逐步研究.相关研究包括:Stadler等人对电缆向通信接口放电的情况进行了研究[5-6],考虑不同类型的电缆,如通用串行总线(Universal Serial Bus,USB),同轴电缆连接器(Bayonet Nut Connector, BNC),网线,发生静电放电时电流的波形,认为不同类型电缆发生静电放电时,波形基本一致,均由初始电流尖峰,矩形脉冲,衰减振荡波形三部分组成.研究了电缆放电的波形脉宽与电缆长度的关系,二者满足线性正相关.Poon等人对屏蔽电缆的放电事件进行研究[7],当屏蔽电缆在屏蔽层放电时,电缆内芯远端上的信号波形不同于传输线波形,而是W波形.美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAE)资助了相关课题,主要研究数据中心在不同温湿度条件下,可能产生的静电放电,及对信息设备的风险[8-10],以便制定合适的静电放电防护标准.在该研究基础上,参考IEC 61340-4-5[11]和ANSI/ESD STM97.2[12],讨论了电缆拖拽情况下,芯线上的测量电压,并分析电缆的静电存储模型,给出了芯线上积累电压的模型.讨论了电缆放电事件的电流波形,涉及到的放电参数包括上升时间、电弧长度、电场强度、磁场强度.电缆放电事件的研究,可以为相关电磁兼容性能评估提供参考.

1电缆电压的测量与等效电路模型

由于拖拽和摩擦引起的电缆电压,其测量参考IEC 61340-4-5[11]和ANSI/ESD STM97.2[12]中对人体行走电压的测量方法[13],测试布置图如图1所示,六类非屏蔽网线绕在一定间距的线轴上,中间支撑起一块地板,线缆在线轴上绕动,并与地板摩擦,能够积累一定的电荷,通过测试系统可以测量电缆芯线上的电压.被测电缆和测量系统的等效电路如图2所示.被测电缆等效为电缆电阻RC和电缆电容CC的串联.电缆的待测芯线连接到电极(a)上.测量系统的等效电路是静电电压表(b)与仪器输入电阻RM、仪器的输入电容CM和测量系统连接电缆对地电容CL并连.

图1　电缆沉积静电的测量布置图

图2　电缆沉积静电的测量等效电路

测量仪器的输入电阻RM大于1014Ω,一般线缆的电阻RC满足

RC≪RM.

(1)

并且测量仪器电容CM和电缆对地电容CL之和小于30pF,电缆电容CC一般较大.有

CC≫CM+CL.

(2)

因此,测量系统能够准确测量线缆的电压.

图2中电极(a)的右侧是电缆等效电路模型,电缆可以等效成电缆电容CC和电缆电阻RC的并联.根据该电路模型,

(3)

有电缆积累电荷包括两个过程:充电过程和放电过程.在充电过程中,由于电缆的拖动、弯曲、拖拽等,线缆的芯线逐渐积累电荷,芯线电压呈指数升高.图3为测量到的六类非屏蔽网线芯线上的电压,可见电压最大值为1 140 V.在电缆更长,地板面积更大情况下,由摩擦引起的电缆芯线上的电压可以达到几千伏,在接触接插件瞬间,可以产生静电放电.

图3　与地板摩擦引起的六类非屏蔽网线芯线上的电压

电缆长时间静止不动,存在自然放电延迟.在自然放电过程中,电缆静止不动,电缆的电荷逐渐耗散,芯线电压呈负指数降低.

可以得到如下推论:电缆拖拽等动作,能够让电缆芯线上积累较高的电压,电压可超过几千伏的量级;芯线上的电压能够保持较长的时间,往往电缆静止放置较长时间后,芯线上电压还能有峰值电压的20%以上.

电缆放电事件所释放的能量,相对于人体对设备的静电放电能量更高.因为人体对地的电容,往往在200 pF量级,而线缆对地的电容通常超过1 000 pF.电缆储存的静电能量更高,更容易导致设备的敏感.

2电缆放电事件的测量

为了测量在电缆插入接插件时,测量由于电缆积累的静电引起的电缆放电事件,可能带来的电磁兼容风险,采用如图4所示的测量原理图进行放电电流、电弧长度、瞬态电场、瞬态磁场的测量[14],测量系统的布置图,如图5所示.测量系统的接收端,安安装在屏蔽体外部,如图5(a)所示.屏蔽体外布置了电缆接插件、靶、电场探头、磁场探头、弧长感应头.如图5(b),屏蔽体内布置了示波器、万用表、电场探头供电模块、磁场探头供电模块、弧长测试模块、直流电源组等测量和供电设备.示波器通过通用接口总线(General-Purpose Interface Bus, GPIB)线,连接到控制计算机上,能够实时自动获取测量数据.该测试系统的电流测试带宽大于3 GHz,瞬态电场和磁场的测试带宽大于2 GHz,能够准确地获取测试数据.

图4　电缆放电事件的测试原理图

(a) 屏蔽体外部测量布置图

(b) 屏蔽体内部测量布置图图5　电缆放电事件的测量布置图

在测试中,通过ESD枪,为线缆充电至规定的电压,并保持一段时间,让线缆芯线上电压稳定.然后,将线缆端口插入到接插件上,测量放电电流、辐射的瞬态电场和瞬态磁场.

如图6所示,给出了在环境实验室内,固定的温湿度条件下(温度23℃,相对湿度30%)情况下,测试了15.24 m(50英尺)长的六类网线的电缆放电事件.充值电压是3 kV,测量得到的电流峰值为12 A,电流的脉冲宽度为15 ns.芯线上的电流会直接作用到设备内部,可能引起设备内部芯片的敏感,并在设备内部激励起瞬态电磁场.

(a) 电缆放电事件的冲击电流

(b) 电缆放电事件的辐射电场

(c) 电缆放电事件的辐射磁场图6　电缆放电事件的测量结果

3同现有标准比较

从实验结果可以看出,典型的电缆放电事件能够在线缆的芯线上产生电流峰值为12 A,电流的脉冲宽度约为15 ns的近似矩形脉冲.

现阶段没有专门针对电缆放电事件的电磁兼容标准,可以将电缆放电事件电流波形与现有的电磁兼容标准相比较,最接近的测试为GJB 151B中CS 115电缆束注入脉冲激励传导敏感度规定电流波形,电流强度为5 A,脉冲宽度为30 ns的矩形脉冲.该波形注入到线缆上,通过示波器监测到的实际波形,不再是完整的矩形脉冲.

通过比较可以看出,电缆放电事件可能产生的电流强度更高,电流的持续时间可能会更长,电流波形更接近于矩形脉冲.现有的电磁兼容标准不能完全考察电缆放电事件的影响,可以考虑对于多次插拔的电缆,采用类似CS 115的测量方法,测量更强的电流和更宽的矩形脉冲.

针对多次插拔的电缆,特别是军用电缆,应采取一定的电磁兼容防护措施,防止设备端口被电缆放电事件损毁.具体的防护措施:电缆插入设备接插件前,对电缆的各个芯线进行对地放电;发生电缆放电事件概率大的设备端口,进行电磁兼容加固设计,例如采用瞬变电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor, TVS)等器件进行防护;逐步建立电缆放电事件的考核标准,或与现有标准融合,对发生电缆放电事件概率大的设备端口进行考核验收.

4结论

测量了电缆放电事件的时域电压波形,建立了线缆的RC等效电路模型.通过分析,电缆静止放置较长时间,芯线上电压还能有峰值电压的20%以上,因此电缆放电事件是高概率事件.通过测量电缆放电事件,15.24 m(50英尺)长的屏蔽和非屏蔽六类网线,充值电压是3 kV,测量得到的电流峰值为12 A,电流的脉冲宽度为15 ns.与现有的CS 115相比,电流强度更高.建议对发生电缆放电事件概率大的设备,特别是军用设备,制定更有针对性的标准.

致谢:感谢ASHRAE TC 9.9对本课题的支持,感谢Mahdi Moradian、David E. Swenson和Fayu Wan共同完成实验,并做了大量有益的交流和讨论.

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韩宇南(1980-), 男,辽宁人, 北京化工大学讲师.2007年7月获北京邮电大学电磁场与微波技术博士学位.2009年9月在中国运载火箭技术研究院总体设计部评为高级工程师.国家公派留学基金资助,2013年在美国密苏里科技大学电磁兼容实验室做访问学者主要研究方向为电磁兼容、计算电磁学、抗核电磁脉冲加固、雷电防护、生物电磁学、天线设计.

李文涛(1989-)，男,山东人,北京化工大学信息科学与技术学院在读硕士研究生，主要研究方向为电磁兼容、电子信息工程、智能控制.

POMMERENKE David(1966-),男,美国密苏里科技大学电子与计算机工程系教授,电磁兼容专家.

戴琳(1988-),女,辽宁人,辽河石油勘探局通信公司助理工程师.2014年6月获得东北石油大学通信与信息系统硕士学位.主要研究方向:无线通信理论与技术,电磁兼容,物联网技术,数字信号处理.

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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

作者简介

收稿日期：2014-11-16

中图分类号O441.1; TM206

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)06-1064-06