屏蔽室线缆滤波器雷电防护性能评估.pdf

学术探讨372023 年第 3 期 安全与电磁兼容0引言雷电电磁脉冲是自然界常见的强电磁脉冲现象之一，对电子电气设备的正常使用会造成严重影响。雷电造成的危害主要分为直接效应和间接效应1-7,其中对于间接效应的防护是设备雷电防护中的重要内容。雷电间接效应不仅在于雷电产生的辐射干扰，由于各类电子设备线缆耦合引起的传导干扰及其防护更为重要8。传导干扰主要包括设备信号线传导干扰、接地线共地阻抗干扰和电源线传导干扰三类9。以往屏蔽室安装的线缆滤波器主要对常规电磁干扰进行滤波，以及对核电磁脉冲进行防护10-14，其在不同等级雷电冲击下的防护效果值摘 要：加装滤波器是抑制屏蔽室电源线和信号线传导干扰的常见方式之一。为研究屏蔽室线缆滤波器雷电冲击下的防护性能，分别进行了六种型号信号线滤波器和五种型号电源线滤波器不同等级的雷电脉冲注入试验。通过监测滤波器输出端残余电流，并测量滤波器输出线和壳体之间的绝缘电阻来评估其防护效果。试验表明：信号线和电源线滤波器雷电脉冲注入时的残余电流多数大于同等级核电磁脉冲注入时的残余电流；电源线滤波器在雷电脉冲注入时的残余电流峰值可达上千安培，传统线缆滤波器对雷电脉冲和核电磁脉冲传导干扰的防护能力有限；试验中应重点关注滤波器的非线性效应，特别是高等级电流注入时残余电流低于限定值而低等级电流注入时残余电流超出限定值的情况。关键词：信号线滤波器；电源线滤波器；雷电脉冲；核电磁脉冲；残余电流引用格式:张饶，扶庆枫，段艳涛*，等.屏蔽室线缆滤波器雷电防护性能评估 J.安全与电磁兼容，2023(3):37-41.ZhangRao,FuQingfeng,DuanYantao*,etal.EvaluationofLightningProtectionPerformanceofShieldingCabinetLineFiltersJ.SAFETY&EMC,2023(3):37-41.(inChinese)Abstract：Filtersareoneofthemostcommonwaystosuppressconductedinterferenceonpowerlinesandsignallinesofshieldingcabinet.Toexplorelightningprotectionperformanceoflinefiltersofshieldingcabinet,sixdifferenttypesofsignallinefiltersandfivedifferenttypesofpowerlinefilterswereinjectedseparatelyindifferentlevelsoflightningelectromagneticpulse.Theprotectioneffectisevaluatedbymonitoringtheresidualcurrentofthefiltersoutputphaselineandmeasuringthetheinsulationresistancebetweenthephaselineandthehousingoffilters.Theexperimentshowsthattheresidualcurrentoflinefiltersunderlightningelectromagneticpulseinjectionismostlylargerthanthatunderthesamelevelofnuclearelectromagneticpulseinjection.Thepeakvalueofresidualcurrentofpowerlinefilterscanreachoveronethousandofamperesunderlightningelectromagneticpulseinjectionandtheprotectionperformanceoftraditionallinefilterstosuppresslightningandnuclearelectromagneticpulseconductioninterferenceislimited.Moreattentionshouldbepaidtononlineareffectsofthefiltersinthetest,especiallywhenthetheresidualcurrentislowerthanthelimitvaluewhenthehighgradecurrentisinjectedandexceedsthelimitvaluewhenthelowgradecurrentisinjected.Keywords：signallinefilter;powerlinefilter;lightningelectromagneticpulse;nuclearelectromagneticpulse;residualcurrent屏蔽室线缆滤波器雷电防护性能评估EvaluationofLightningProtectionPerformanceofShieldingCabinetLineFilters陆军工程大学 张饶 扶庆枫 段艳涛*石立华得进一步研究。朱续垚15分析了核电磁脉冲在线缆上的耦合机理，并利用 Pspice 软件对滤波电路进行了仿真分析，设计了一款组合电源端口滤波器，可以实现对核电磁脉冲传导耦合和辐射耦合干扰信号的滤除。余彦胤等16对多种型号的信号线滤波器和电源线滤波器进行了不同频率的正弦电压信号注入试验，发现在 30 kHz1 GHz 之间，随着频率升高，滤波器对于射频干扰的抑制能力增强。Jan Nalborczyk 17根据 MIL-STD-188-152-1/2 中脉冲电流注入的波形参数要求，对多个滤波器进行了核电磁脉冲注入试验，结果表明，加装瞬态抑制元件后滤波器残基金项目：国家自然科学基金(2021-2023，52005509)；江苏省自然科学基金(2020-2023，BK20200586)Academic Research38SAFETY&EMC No.3 2023余电流均降至 10 A 以下。以下采用雷电脉冲注入的方式，测试信号线滤波器和电源线滤波器的雷电传导干扰防护性能。通过监测滤波器残余电流峰值，评估其防护效果，并与前期进行的核电磁脉冲注入（PCI）试验结果进行对比分析。测量滤波器输出线和壳体之间的绝缘电阻值，判断滤波器是否受到不可逆的物理损伤，并确定能否进行更高等级的注入试验。1试验设置雷电脉冲注入试验系统主要由雷电流（雷电脉冲 A波）发生器、电流探头、示波器、衰减器和电磁屏蔽柜组成。其中雷电脉冲 A 波发生器的源阻抗为 5，可输出峰值时间 6.4 s、半峰值宽度 69 s 的标准雷电A 波脉冲，最大输出电流峰值 3.2 kA。如图 1 所示，滤波器试件安装在屏蔽柜外侧，其待测输入线与雷电脉冲A 波发生器输出端连接，其对应的输出线与屏蔽柜中的负载阻抗相连。电流探头、衰减器和示波器用来监测滤波器试件输出线的残余电流。负载阻抗通过屏蔽柜外壳接地。试验场景如图 2 所示。2输出电流波形校验试验前，对雷电脉冲 A 波发生器输出电流波形进行校验。将其输出端进行短路连接，用电流探头监测短路输出电流波形。如图 3 所示，各等级短路输出电流波形峰值时间约为 6.9 s，半峰值宽度约为 67 s，与标准雷电A波脉冲波形误差在20%之内，满足试验要求。3试验结果分析对不同型号的信号线滤波器和电源线滤波器进行不同等级的雷电脉冲注入，每个电流等级进行不少于两次试验，取各次试验残余电流峰值的平均值作为该电流等级下滤波器试件的残余电流。3.1信号线滤波器注入试验待测信号线滤波器试件用于屏蔽室的进线防护，额定电压均为 100 V，额定电流均为 1 A 及以下。待测信号线滤波器编号为 1#6#，终端负载电阻选择 50。为了与核电磁脉冲注入试验结果对比，将注入电流分为100 A、200 A、300 A、500 A 四个等级，使用灵敏度系数为 0.005 V/A 的电流探头监测滤波器输出线的残余电流。除 4#滤波器试件仅有一根输入红线外，其他各型号滤波器试件均测试红、黑两根输入线。对滤波器试件的各输入线进行四个等级的电流注入后，测量输出线与滤波器壳体之间的绝缘电阻，判断滤波器是否已经损坏，若损坏则该滤波器不再进行更高等级的电流注入试验。输入线的残余电流峰值试验数据见表 1，其中1#4#滤波器是前期进行的 PCI 试验数据18，因前期该四型试件均已损坏，所以采用相同型号的新试件进行雷电脉冲注入试验；5#和 6#滤波器本次先进行了 PCI 试验，在监测未损坏的情况下，继续使用它们进行了雷电脉冲注入试验。图4为信号线滤波器的残余电流折线图。由图 4（a）可知，随着雷电脉冲注入等级的提高，红线、黑线上的残余电流峰值基本呈现增大趋势；而 图 4（b）随着核电磁脉冲注入等级的提高，1#4#试件的残余电流峰值呈现减小趋势，5#和 6#滤波器出现非线性现象。核电磁脉冲注入波形相比于雷电注入波形，图 1 试验示意图图 2 试验场景图图 3 输出电流波形学术探讨392023 年第 3 期 安全与电磁兼容能量相对集中在高频段，加上被测信号线滤波器的通频带各不相同，导致各个试件呈现不同的残余电流变化规律。从残余电流的幅值来看，基本上各个滤波器试件在雷电脉冲注入时比同等级核电磁脉冲注入时的残余电流要大。基于表 1，对滤波器试件损坏情况进行分析。雷电脉冲注入试验，在 100 A 雷电脉冲注入后六个滤波器试件均完好，在 200 A 雷电脉冲注入后 2#滤波器红线损坏，在 300 A 雷电脉冲注入后 1#滤波器红线、2#滤波器黑线和 3#滤波器红线损坏，在 500 A 雷电脉冲注入后 1#滤波器黑线、3#滤波器黑线、4#滤波器红线和6#滤波器黑线损坏。对于核电磁脉冲注入试验，100 A注入等级下六个滤波器试件均完好，200 A 注入等级下3#和 4#滤波器试件损坏，500 A 注入等级下 1#滤波器红线、2#滤波器试件损坏，而 5#和 6#滤波器试件未损坏。对 5#滤波器红线进行补充试验，5#滤波器红线在 600 A 核电磁脉冲注入后未损坏，在 600 A 雷电脉冲注入后损坏。综上，不同的脉冲电流注入情况下，滤波器试件呈现不同的损伤特性，从 200 A 注入等级起，滤波器开始陆续出现损伤情况。图 5（a）为典型残余电流波形，从波形特征来看，相比于注入电流波形，残余电流波形上升时间从6.9 s 增大到 17.51 s，半峰值宽度从 67 s 增大图 4 信号线滤波器的残余电流折线图（b）核电磁脉冲（a）雷电脉冲 表 1 信号线滤波器注入试验残余电流数据结果注入电流/A注入线类别残余电流（A）和损坏情况备注1#2#3#4#5#6#100红线9.529.609.689.149.609.50雷电脉冲黑线9.689.369.44-9.689.68200红线19.8022.20 损坏18.8018.2019.8019.60黑线19.8018.8019.20-20.2019.90300红线24.80 损坏-21.00 损坏25.7025.6026.50黑线26.6019.40 损坏26.60-26.8028.20500红线-10.80 损坏53.6049.20黑线93.40 损坏-43.00 损坏-56.8046.80 损坏600红线-60.00 损坏-100红线13.151.944.320.3629.6030.91核电磁脉冲黑线2.311.914.93-30.7230.72200红线2.150.951.53 损坏0.05 损坏39.7130.72黑线1.121.021.48 损坏-29.2846.66500红线1.41 损坏0.81 损坏-25.8642.56黑线1.100.88 损坏-23.3632.96600红线-15.60-Academic Research40SAFETY&EMC No.3 2023到 743.7