磁环的HEMP传导特性实验

秦 锋，周 辉，崔志同

(西北核技术研究所,西安710024； 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安710024)

磁环的HEMP传导特性实验

秦 锋，周 辉，崔志同

(西北核技术研究所,西安710024； 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安710024)

研究了ENT800、R10K、QP160共3种铁氧体磁环在高空核电磁脉冲(high-altitude electromagnetic pulse, HEMP)传导防护中的应用性能，分析了磁环HEMP传导特性与磁环本身特性的关系。通过分析HEMP传导电流的能量谱与传导电流脉冲前沿的主要能量集中频段对应的磁环复相对磁导率，得出磁环相对磁导率对HEMP传导电流峰值的抑制规律以及相对磁导率的实部随HEMP传导电流脉冲前沿的变化规律。

磁环；高空核电磁脉冲；上升沿；能量谱

高空核电磁脉冲(high-altitude electromagnetic pulse ，HEMP)传导电流脉冲为纳秒级前沿，峰值电流达几百安，现有的防护器件能在一定程度上起到保护作用，但存在类似于气体放电管等器件泄漏部分能量进入系统,器件价格偏贵等不足。多种防护器件的联合防护是目前HEMP传导防护的一种常用方法，但存在结构复杂、成本较高的问题。

本文提出了采用铁氧体磁环防护HEMP传导电流的方法。铁氧体磁环成本较低，在高频段具有较高的导磁性能，套在电力、通信线缆或者天线上，等效为引入了一个平缓脉冲前沿的电感和一个抑制脉冲幅值的电阻，且易实现HEMP与雷电电磁脉冲的联合防护[1-5]。本文还研究了几种铁氧体磁环在HEMP传导电流作用下的防护性能，通过矢量网络分析仪得出磁环的复磁导率，分析磁环物理参数与HEMP防护效能之间的关系。研究结果对认识磁环在HEMP环境下的响应特性以及磁环在HEMP防护中的应用具有一定的指导意义。

1 磁环的HEMP传导电流防护性能实验

1.1 实验平台与具体配置

针对HEMP的传导防护测试，相关标准[6]给出了测试方法。鉴于滤波器设计过程中，主要对具体波形的能量集中频段进行设计。按照IEC61000-2-10中推荐采用的10/100 ns双指数脉冲波形，其主要能量集中在30 kHz～100 MHz。因此，本文实验采用10/100 ns的双指数PCI注入源，电缆长度l≪λ，使得电缆上传输的波形为双指数脉冲电流波形[7-8]，其主要能量集中在100 MHz以下，上升沿主要能量集中在30 MHz以下，满足标准推荐波形的主要能量集中频段。本文采用铁氧体磁环防护HEMP传导电流的方法，重点研究铁氧体磁环本身的物理参数对HEMP传导防护的效果。磁环HEMP传导防护电路如图1所示，图中设备参数如表1所列。

1.2实验对象

磁性材料的种类繁多[9]，每一种材料都具有多种型号且性能各异。本文重点研究磁环在HEMP传导电流作用下的响应特性，仅以3种不同软磁材料的磁环和同一种软磁材料的3种不同型号的磁环作为研究对象。其中，ENT800是矫顽力中等、电阻率中等的磁材料典型代表，R系列材料是矫顽力较低、电阻率较低的磁材料典型代表，QP160是矫顽力较高、电阻率较高的磁材料典型代表。同时，R系列的3种不同型号的磁环主要用来研究不同初始磁导率的影响。表2列出了实验采用的磁环基本参数。磁环的固定尺寸为外直径Do=50 mm、内直径Di=30 mm、厚度l=15 mm。

图1 磁环的HEMP特性测试电路Fig.1Properties test circuit of magnetic rings under HEMP

EquipmentTypeandparametersPCIDoubleexponentialpulse(10/100ns)TF100-1Highpowermatchedload(1GHz,100W,50Ω)Monitor2877currentmonitor(300Hz～200MHz,1∶1)VoltageprobeVoltagedividerofPCI(274∶1)ScopeTektronixDPO4104B(1GHz,5GS·s-1)FixtureAluminumplate(800mm×400mm×4mm,l=167mm,h=67mm)FerritecoresFerritebead(50mm×30mm×15mm)

表2 磁环生产厂家给出的基本参数Tab.2Basic parameters given by magnetic ring manufacturers

磁环生产厂家给出的磁环基本参数均为特定情况下的测试结果，且给出的磁环参数有限，针对某一特定频段的动态参数一般未能给出，不便于磁环型号的选型及应用。因此，本文在研究过程中将通过矢量网络分析仪得出针对HEMP主要能量频段的磁环动态参数，确保结果的可靠性。

1.3实验结果

模拟实验主要对有无磁环、不同磁环材料、同一磁环材料3种类型进行了电流环监测，并分析对比HEMP传导电流。需要说明的是，磁环安置在支架线缆的中部，每种磁环的数量固定为3个。不同磁环的HEMP传导电流波形，如图2所示，其中，右上角为归一化上升沿波形图。

图2 不同磁环的HEMP传导电流的波形Fig.2The waveforms of HEMP conductive current with different magnetic rings

如图2所示，加入磁环后对HEMP传导电流的脉冲幅值和脉冲上升沿均有较为明显的影响。不难发现，加入磁环后，HEMP传导电流的脉冲幅值均得到了一定程度的抑制，本文实验条件下最大能抑制掉46%的峰值。同时，传导电流的脉冲上升沿发生了较大的变化，R10K材料对应的上升沿变快较为明显，其他材料对应的上升沿均在一定程度上变慢。

2 磁环等效模型分析

对于磁环的等效模型，目前国内外文献推荐的是可变电感与可变电阻的并联或串联。本文主要研究磁环材料特性对HEMP响应的影响，不对具体模型进行仿真实验，因此，简单采用可变电感与可变电阻的串联模型进行定性分析。

图3 磁环结构尺寸Fig.3Structural dimension of the magnetic ring

如图3所示，内外径分别为Di、Do，厚度为l的圆筒状磁环[10]，电流I穿过其截面积产生的磁通为

(1)

等效为电感得

(2)

式中，μo为真空磁导率；μr为相对磁导率。为了更好地分析磁环在HEMP下的特性，本文均采用复相对磁导率形式，可表示为

μr=μr′-jμr″

(3)

其中，μr′为复相对磁导率的实部，决定磁环的感性成分；μr″为复相对磁导率的虚部，决定磁环的阻尼成分。

在线缆上增加磁环后，阻抗的增量为

ΔZ=jω(L-Lα)

(4)

式中，Lα为无磁环时空气介质的电感；L为有磁环时的电感。

(5)

将(3)代入式(5)得

(6)

(7)

从式(6)、式(7)得出，在线缆上套上磁环后相当于增加了一个与复相对磁导率实部相关的电感Li和一个与复相对磁导率虚部相关的电阻Ri。

3 磁环材料特性的影响

为了更好地分析铁氧体磁环对HEMP传导电流的影响，对HEMP传导电流的主要能量集中频段的磁环特性进行了细致的分析。

图4给出了HEMP传导电流及其传导电流上升沿的能量谱。

图4 HEMP传导电流及其传导电流上升沿的能量谱Fig.4The energy spectrum of HEMP conductive current and its impulse front

从图4可见，HEMP传导电流的主要能量频段集中在1～100 MHz之间，上升沿的主要能量频段集中在10 MHz以上。

为了方便分析HEMP传导电流的脉冲上升沿与磁环材料和磁环种类之间的关系，HEMP传导电流的归一化上升沿，如图5所示。其中，图5(a)为R系列的3种铁氧体磁环，图5(b)为ENT、R、QP 3个系列的铁氧体磁环。

(a)3 kinds of R-type magnetic ring

(b)3 types of magnetic ring 图5脉冲电流的上升沿Fig.5Impulse front of the HEMP conductive current

通过矢量网络分析仪得到表2所列出的磁环在1～100 MHz频段的特性曲线，得出其复相对磁导率，如图6所示。

(a)Real part of complex magnetic permeability of R-type beads

(b)Real part of complex magnetic permeability of different type beads

(c)Amplitude of complex magnetic permeability of R-type beads

(d)Amplitude of complex magnetic permeability of different type beads 图6各种磁环的复相对磁导率Fig.6Complex relative permeability of differentkinds of magnetic ring

图6(c)和图6(d)给出复相对磁导率，结合图3可以发现，HEMP传导电流幅值的抑制主要与复相对磁导率的绝对值成正相关，与相对磁导率的虚部μ″r并不成正相关。这说明，在涉及磁性材料对传导电流幅值影响关系研究中，需要具体针对相对磁导率的绝对值进行对比分析。

由此可见，磁环的材料参数对抑制HEMP传导电流较为敏感，需要具体针对HEMP传导电流及其上升沿主要能量集中频段的复相对磁导率。从式(6)和式(7)可得，相应频段的复相对磁导率的虚部和实部决定了磁环等效模型的电感与电阻的大小，对电路模型仿真建模起着决定性的作用。

4 小结

本文通过对几种不同型号的铁氧体磁环进行了HEMP电流传导注入实验，分析总结了磁环特性对HEMP传导电流幅值及其上升沿的响应关系。结果表明，在HEMP传导电流上升沿的能量主要集中频段内，磁环对脉冲电流上升沿的平缓作用与磁环复相对磁导率的实部大小成正相关，而在HEMP传导电流的整个能量集中频段内这样的正相关并不成立；在HEMP传导电流的整个能量集中频段内，磁环对脉冲电流幅值的抑制作用与磁环复相对磁导率的绝对值成正相关。

[1]刘卫东, 金立军, 钱家骊, 等. 铁氧体磁环抑制GIS的VFTO的可能性[J]. 电工技术学报, 2002, 17(4): 22-25. (LIU Wei-dong, JIN Li-jun, QIAN Jia-li, et al. Possibility of suppressing VFTO in GIS by ferrite rings [J]. Transactions of China Electromagnetical Society, 2002, 17(4): 22-25.)

[2]ZHANG X, HE J L. Lighting overvoltage suppression to UHV power transformer by ferromagnetic ring[J]. Electric Power Systems Research, 2013, 94: 122-128.

[3]URABE J, FUJII K, DOWAKI Y, et al. A method for measuring the characteristics of an EMI suppression ferrite core[J]. IEEE Trans Electromagn Compat, 2006, 48(4): 774-780.

(下转第041002-7页)

Experimental Study on HEMP Conduction Properties of Magnetic Rings

QIN Feng,ZHOU Hui,CUI Zhi-tong

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an710024,China)

Based on studying the properties of three ferrite magnetic rings like ENT800, R10K, and QP160 under high-altitude electromagnetic pulse (HEMP) conductive environment, we analyzed the relationship between the HEMP conduction properties and the intrinsic characteristics of magnetic rings. By analyzing the complex relative permeability of magnetic rings corresponding to the energy spectrum of HEMP conductive current and the main energy spectrum of the conductive current impulse front,we obtained the influence of the magnetic ring’s complex relative permeability to the amplitude of the HEMP conductive current and the rise time of the HEMP conductive current.

magnetic ring;HEMP;impulse front;energy spectrum

2016-04-27；

2016-06-06

秦锋(1991- )，男，湖南郴州人，研究实习员，硕士，主要从事核电磁脉冲效应与防护技术研究。

E-mail：qinfeng@nint.ac.cn

TM27

A

2095-6223(2016)040602(5)