防电磁脉冲滤波器的防护性能试验

张饶，段艳涛，石立华，陈海林，张琪

（陆军工程大学 电磁环境效应与光电工程重点实验室，南京 210007）

引言

雷电和电磁脉冲能够通过传导耦合方式在电子设备、电力线路内部形成过电压或过电流，可能造成无线电等通信设备的损坏和计算机等电子设备的瞬间失效[1,2]。因此，关于雷电和电磁脉冲的传导干扰防护问题成为研究热点。扶庆枫等采用脉冲电流注入（PCI）方法测试不同型号的信号线滤波器，发现（100～500）A注入电流就可以使滤波器输出线与滤波器壳体发生绝缘击穿[3]。胡景森验证了PCI测试方法，并阐述了防电磁脉冲滤波器防护性能试验的测试原理、测试过程和电流注入方式选择的方法[4]。彭泽清等提出了一种适用于多种电磁脉冲防护的设计方法，解决了电源端口在不同电磁脉冲条件下的防护问题[5]。杨振宝利用参数易控制的方波脉冲对器件模型在不同注入幅值及脉宽下获取到各技术参数的响应规律，根据IEC 61000-4-24标准搭建了方波脉冲注入测试系统，分析了防护器件在方波脉冲下的响应特性[6]。本文针对3种型号防电磁脉冲滤波器的防护性能展开测试，对其进线进行雷电脉冲注入和核电磁脉冲注入，通过监测对应出线的残余电压或电流来判断滤波器的传导干扰抑制能力。

1 试验方法

雷电脉冲注入试验设置如图1（a）所示，试验装置主要由雷电组合波发生器、高压探头、示波器等组成。雷电组合波发生器可产生不同等级的雷电脉冲,其短路输出的电流波形为8/20 µs波形，开路电压波形为1.2/50 µs波形，输出最高等级为20 kV/10 kA。试验中将雷电组合波发生器的输出端连接至被测滤波器输入端的某个进线上，按最高等级进行注入，采用高压探头（1 000倍衰减）和示波器监测滤波器输出端的对应出线上的残余电压并记录，图1（b）为部分测试现场图。

图1 雷电脉冲注入测试

核电磁脉冲注入试验采用线-地注入方法进行脉冲电流注入测试[7,8]，试验装置主要由脉冲电流源、电流探头、屏蔽柜、示波器、模拟负载等组成。注入电流波形前沿小于20 ns，脉冲宽度（500～550）ns，分为100 A、500 A、1 000 A、1 800 A和2 500 A五个等级进行测试。试验中将被测滤波器安装在屏蔽柜上，将脉冲电流注入到滤波器输入端的某个进线上，采用电流探头（变比1 V/A）和示波器监测输出端的对应出线上的残余电流并记录，实验过程中根据需要增加衰减器进行测试。电源滤波器、地线滤波器测试时模拟负载为2 Ω，信号滤波器测试时模拟负载为50 Ω。

待测的防电磁脉冲滤波器共有3种，编号为1#～3#。1#为信号线滤波器，有红、蓝2根输入线；2#为地线滤波器，只有1根红色输入线；3#为电源线滤波器，有红、蓝、黄、绿4根输入线。试验中3种试件先进行雷电脉冲注入试验，记录每次注入的残余电压峰值，之后进行功能检测，确认正常后进行3种试件的核电磁脉冲注入试验，记录残余电流峰值。

2 输入波形校验

2.1 雷电注入波形

在试验开展前，首先校准雷电组合波发生器输出的开路电压波形和短路电流波形。图2（a）为示波器测得的典型开路电压校准波形，上升时间约为1.083 μs，半峰值宽度约为51.85 μs，与标准波形误差在±20 %之内，满足试验要求。图中峰值电压为19.2 V，相当于雷电组合波发生器实际输出峰值电压为19.2 kV，逐步增大发生器的充电电压，直至其实际输出为20 kV，此时记录充电电压值，在后续试验过程中雷电组合波发生器均采用这个值对滤波器试件进行注入试验。

图2 注入试验的校准波形

2.2 核电磁脉冲注入波形

其次校准脉冲电流源的短路电流波形。图2（b）为示波器测得的典型校准波形，上升时间约为6.67 ns，半峰值宽度约为505.1 ns，满足试验波形要求。图中峰值电压为1.33 V，测试中电流探头（变比0.5 V/A）配合使用了60 dB衰减器，相当于脉冲电流源实际输出电流峰值为2 660 A。通过调整脉冲电流源的充电电压，获取并记录100 A、500 A、1 000 A、1 800 A和2 500 A五个等级下的充电电压值，在后续试验过程中脉冲电流源采用这组值对滤波器试件进行注入试验。

3 试验结果

首先定义滤波器试件的电压或电流抑制比计算公式为：

式中：

SE—电压或电流抑制比，单位dB；

WP—注入的电压或电流峰值；

WR—测得的残余电压或电流峰值。

3.1 雷电脉冲注入试验结果

雷电脉冲注入时，正负极性输出各1次，即被试滤波器的每根进线注入2次，表1中仅给出残压的较大值。采取正负极性注入可全面反映滤波器对雷电脉冲的防护效果。从表中可以看出，在20 kV/10 kA等级的雷电脉冲组合波注入下，各滤波器都具备一定的电压抑制能力，信号线滤波器的残余电压最大值为192 V，地线滤波器的残余电压最大值为810 V，电源线滤波器的残余电压最大值为830 V，信号线滤波器的电压抑制能力要明显好于地线滤波器和电源线滤波器。对于3#电源线滤波器，4根进线的残余电压差别不大，说明该滤波器内部结构的对称性较好。图3为2#地线滤波器试件的典型残余电压波形，可以看出其波形后部出现了震荡现象。

表1 雷电脉冲注入测试数据

图3 地线滤波器的典型残余电压波形

3.2 核电磁脉冲注入试验结果

核电磁脉冲注入的电流为正极性输出，被试滤波器的每根进线在100 A、500 A、1 000 A、1 800 A和2 500 A五个等级下每个等级注入2次，表2中仅给出了每个注入等级的残余电流的较大值。由表2可知，各滤波器试件对核电磁脉冲电流注入具备较好的电流抑制能力，信号滤波器的残余电流最大值为0.67 A，地线滤波器的残余电流最大值为1.34 A，电源滤波器的残余电流最大值为1.00 A。随着核电磁脉冲注入电流的增大，残余电流峰值整体趋势是增大的，但也存在非线性现象，如2#试件在1 000 A和2 500 A等级注入时，残余电流峰值分别为1.19 A和1.34 A，而在1 800 A等级注入时，残余电流峰值低于1 A。图4为三个滤波器试件的电流抑制比折线图，可以观察到，随着注入电流等级的提升，电流抑制能力逐步增强，说明采用电流抑制比来评价滤波器试件的核电磁脉冲防护性能需要关注或明确电流的注入等级。图5为3#电源滤波器黄色进线在2 500 A等级电流注入时的典型残余电流波形，可以看出其波形后部同样出现了震荡现象。

表2 核电磁脉冲注入测试数据

图4 滤波器的电流抑制比折线图

图5 电源滤波器的典型残余电流波形

4 结论

本文对3种类型的防电磁脉冲滤波器进行了雷电脉冲和核电磁脉冲注入试验，得到了以下结论：

1）3种型号的滤波器在20 kV/10 kA等级的雷电脉冲组合波注入下，具备一定的电压抑制能力，残余电压的最大值均小于1 200 V，满足设计要求。

2）3种型号的滤波器在核电磁脉冲电流100 A、500 A、1 000 A、1 800 A和2 500 A五个等级注入下，具备较好的电流抑制能力，残余电流最大值均小于10 A，满足设计要求。

3）采用电流抑制比来评价防电磁脉冲滤波器的核电磁脉冲防护性能，需要关注或明确电流的注入等级。