CN109495089A - 模拟复杂电磁环境的高压双指数波脉冲源生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于强电磁脉冲技术领域，具体涉及一种模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，该方法基于生成装置来实施，所述装置包括：直流高压发生装置、充电限流电阻、储能电容、气动高压开关、水电阻和放电电容；其中，为放电回路中的寄生阻抗，与水电阻、放电电容一起构成放电回路；本发明技术方案采用高电压等级的电容放电双指数波脉冲源方案，产生具有丰富的高频成份及低频直流成分的高压双指数波脉冲信号。高压双指数波脉冲信号作为注入源向电子系统注入不同参数的脉冲电流，验证电子系统的电磁脉冲效应分析情况，对电子系统各端口的毁伤电流阈值进行摸底；强电磁脉冲加固后，通过脉冲电流注入试验验证加固后的防护性能。

Description

模拟复杂电磁环境的高压双指数波脉冲源生成方法
技术领域
本发明属于强电磁脉冲技术领域，具体涉及一种模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法。
背景技术
雷电电磁脉冲、静电放电电磁脉冲、高功率微波等都属于强电磁脉冲,能在大范围摧毁军事和民用电子系统，使其陷入瘫痪状态。亟需开展电子系统抵抗强电磁脉冲攻击的防护技术研究，确保电子系统在执行关键任务时不被损毁，提升复杂电磁环境下的生存能力。强电磁脉冲防护性能验证可采用脉冲电流注入试验验证。通过模拟的强电磁脉冲环境，对试品施加电磁应力，测量试品防护特性变化。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，所述方法基于高压双指数波脉冲源生成装置来实施，所述装置包括：直流高压发生装置G、充电限流电阻R1、储能电容C1、气动高压开关K、水电阻R2和放电电容C2；其中，Z为放电回路中的寄生阻抗，与水电阻R2、放电电容C2一起构成放电回路；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：所述直流高压发生装置G产生预先设定的高电压小电流信号；
步骤2：所述充电限流电阻R1对所述高电压小电流信号进行限流分压；
步骤3：所述储能电容C1接收所述充电限流电阻R1限流分压后的电流信号，在电流信号不断输入下，进行充电储能为高电压大电流信号，充电完成后，接通气动高压开关K；
步骤4：所述气动高压开关K在储能电容C1充电完成后，在极短时间内连通储能电容C1和放电回路，通过放电回路放电产生高压双指数波脉冲信号，对放电输出端和公共地线间的试品瞬间放电；同时可以通过电流探头测量放电输出端的放电电流。
其中，所述充电限流电阻R1采用80MΩ～120MΩ无感电阻。
其中，所述充电限流电阻R1采用100MΩ。
其中，所述高压双指数波脉冲的脉宽由储能电容C1容值决定；储能电容C1采用耐压至少50000V、容值5000pF～6000pF的超级电容。
其中，所述储能电容C1采用推荐5600pF的超级电容。
其中，所述储能电容C1两两串联为一组，四组并联为储能电容矩阵。
其中，所述高压双指数波脉冲的上升沿由气动高压开关特性决定，气动高压开关动作时间越短，放电电感越小上升沿越陡。
其中，所述气动高压开关K由屏蔽舱、气管、气泵组成；气动高压开关K的引线采用120kV的绝缘外皮引线，减小电晕、增强系统安全性；气动高压开关K的屏蔽舱采用全金属屏蔽壳体，屏蔽外界电磁干扰，确保高压开关稳定性和准确性；
气动高压开关K进线端与储能电容C1通过金属支架相连，出线端与水电阻R2衰减器通过编织铜带连接；屏蔽舱采用SF6气体绝缘，与气泵通过气管相连；为了保障试验人员人身财产安全，采用气动控制装置控制触发器吸合。
其中，所述放电回路由：气动高压开关K出线端的通带与公共地形成的回路所产生的寄生阻抗Z、水电阻R2及放电电容C2构成；
所述水电阻R2置于接地金属平面上，水电阻R2一端作为输入端与气动高压开关K出线连接，并固定在金属支架与放电电容C2一端连接，水电阻R2另一端作为输出端通过绝缘块与接地板绝缘，避免高压击穿；放电电容C2另一端与进地金属平面连接。
其中，放电电容C2采用100pF～150pF的金属板电容。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明技术方案采用高电压等级的电容放电双指数波脉冲源方案，产生具有丰富的高频成份及低频直流成分的高压双指数波脉冲信号。高压双指数波脉冲信号作为注入源向电子系统注入不同参数的脉冲电流，验证电子系统的电磁脉冲效应分析情况，对电子系统各端口的毁伤电流阈值进行摸底；强电磁脉冲加固后，通过脉冲电流注入试验验证加固后的防护性能。
通过实施上述技术方案，解决了在实验室环境中模拟产生电流大(100A～500A)、上升时间快(18ns±10％)、带宽宽(大于1000MHz)的高压双指数波脉冲信号，可用于进行元器件限幅响应时间和过冲峰值电压测试。
附图说明
图1为高压双指数波脉冲源原理图。
图2为储能电容矩阵结构图。
图3为放电回路原理图。
图4为双指数脉冲源样机示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明旨在模拟快上升前沿的雷电电磁脉冲、静电放电电磁脉冲、高功率微波等复杂电磁环境，应用于电源/控制/信号/数据线缆等电气引入点(POE)的电磁脉冲注入试验，其技术指标如下所示：
1)最大峰值电流：500A；
2)上升时间：18ns±10％；
3)脉冲宽度：550ns±10％；
4)电流调节范围：100A～500A。
实施例1
为解决现有技术问题，本发明提供一种模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，所述方法基于高压双指数波脉冲源生成装置来实施，如图1所示，所述装置包括：直流高压发生装置G、充电限流电阻R1、储能电容C1、气动高压开关K、水电阻R2和放电电容C2；其中，Z为放电回路中的寄生阻抗，与水电阻R2、放电电容C2一起构成放电回路；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：所述直流高压发生装置G产生预先设定的高电压小电流信号；
步骤2：所述充电限流电阻R1对所述高电压小电流信号进行限流分压；
步骤3：所述储能电容C1接收所述充电限流电阻R1限流分压后的电流信号，在电流信号不断输入下，进行充电储能为高电压大电流信号，充电完成后，接通气动高压开关K；
步骤4：所述气动高压开关K在储能电容C1充电完成后，在极短时间内连通储能电容C1和放电回路，通过放电回路放电产生高压双指数波脉冲信号，对放电输出端和公共地线间的试品瞬间放电；同时可以通过电流探头测量放电输出端的放电电流。
其中，所述充电限流电阻R1采用80MΩ～120MΩ无感电阻。
其中，所述充电限流电阻R1采用100MΩ。
其中，所述高压双指数波脉冲的脉宽由储能电容C1容值决定；储能电容C1采用耐压至少50000V、容值5000pF～6000pF的超级电容。
其中，所述储能电容C1采用推荐5600pF的超级电容。
其中，所述储能电容C1两两串联为一组，四组并联为储能电容矩阵。
其中，所述高压双指数波脉冲的上升沿由气动高压开关特性决定，气动高压开关动作时间越短，放电电感越小上升沿越陡。
其中，所述气动高压开关K由屏蔽舱、气管、气泵组成；气动高压开关K的引线采用120kV的绝缘外皮引线，减小电晕、增强系统安全性；气动高压开关K的屏蔽舱采用全金属屏蔽壳体，屏蔽外界电磁干扰，确保高压开关稳定性和准确性；
气动高压开关K进线端与储能电容C1通过金属支架相连，出线端与水电阻R2衰减器通过编织铜带连接；屏蔽舱采用SF6气体绝缘，与气泵通过气管相连；为了保障试验人员人身财产安全，采用气动控制装置控制触发器吸合。
其中，所述放电回路由：气动高压开关K出线端的通带与公共地形成的回路所产生的寄生阻抗Z、水电阻R2及放电电容C2构成；
所述水电阻R2置于接地金属平面上，水电阻R2一端作为输入端与气动高压开关K出线连接，并固定在金属支架与放电电容C2一端连接，水电阻R2另一端作为输出端通过绝缘块与接地板绝缘，避免高压击穿；放电电容C2另一端与进地金属平面连接。
其中，放电电容C2采用100pF～150pF的金属板电容。
实施例2
为解决上述技术问题，本发明提供一种模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源，所述高压双指数波脉冲源采用高电压等级的电容放电双指数波脉冲源方案，结构简单、体积紧凑、便于自定义输出不同参数高压双指数波，如图1所示，包括：直流高压发生装置G、充电限流电阻R1、储能电容C1、气动高压开关K、水电阻R2和放电电容C2；其中，Z为放电回路中的寄生阻抗，与水电阻R2、放电电容C2一起构成放电回路；其中，
所述直流高压发生装置G用于产生预先设定的高电压小电流信号；
所述充电限流电阻R1用于对所述高电压小电流信号进行限流分压；
所述储能电容C1用于接收所述充电限流电阻R1限流分压后的电流信号，在电流信号不断输入下，进行充电储能为高电压大电流信号，充电完成后，接通气动高压开关K；
所述气动高压开关K用于在储能电容C1充电完成后，在极短时间内连通储能电容C1和放电回路，通过放电回路放电产生高压双指数波脉冲信号，对放电输出端和公共地线间的试品瞬间放电；同时可以通过电流探头测量放电输出端的放电电流。
其中，所述充电限流电阻R1采用80MΩ～120MΩ无感电阻，串联于电路中电容充电，限制充电电流和系统过电压，保护试验设备。充电电阻感抗值非常小，可以忽略不计，避免产生寄生振荡，尽量消除对高压双指数波脉冲信号的影响。
其中，所述充电限流电阻R1采用100MΩ。
其中，所述高压双指数波脉冲的脉宽由储能电容C1容值决定；储能电容C1采用耐压至少50000V、容值5000pF～6000pF推荐5600pF的超级电容。
其中，所述储能电容C1采用推荐5600pF的超级电容。
其中，所述储能电容C1两两串联为一组，四组并联为储能电容矩阵。储能电容矩阵内部采用硬连接，外部采用聚四氟乙烯灌封绝缘。储能电容矩阵指标为耐压至少100000V、容值1nF～1.2nF，结构图见图2。
其中，所述气动高压开关K是高压双指数波脉冲源的关键部件；高压双指数波脉冲的上升沿由气动高压开关特性决定，气动高压开关动作时间越短，放电电感越小上升沿越陡。通过充高压六氟化硫气体，可减小气动高压开关动作响应时间，从而减小电感至nH级，上升沿可到18ns左右。
其中，所述气动高压开关K由屏蔽舱、气管、气泵组成；气动高压开关K的引线采用120kV的绝缘外皮引线，减小电晕、增强系统安全性；气动高压开关K的屏蔽舱采用全金属屏蔽壳体，屏蔽外界电磁干扰，确保高压开关稳定性和准确性；
气动高压开关K进线端与储能电容C1通过金属支架相连，出线端与水电阻R2衰减器通过编织铜带连接；屏蔽舱采用SF6气体绝缘，与气泵通过气管相连；为了保障试验人员人身财产安全，采用气动控制装置控制触发器吸合；气动高压开关K出线端的通带与公共地形成的回路将产生寄生阻抗Z，降低寄生阻抗Z可以降低整个放电回路电感。
其中，所述放电回路由：气动高压开关K出线端的通带与公共地形成的回路所产生的寄生阻抗Z、水电阻R2及放电电容C2构成；放电回路电路原理图见图3。
所述水电阻R2置于接地金属平面上，水电阻R2一端作为输入端与气动高压开关K出线连接，并固定在金属支架与放电电容C2一端连接，水电阻R2另一端作为输出端通过绝缘块与接地板绝缘，避免高压击穿；放电电容C2另一端与进地金属平面连接。水电阻采用NaCl或CuSO2溶液配置，水电阻值由溶液类别、浓度、套管尺寸决定。水电阻采用阻值10～60Ω(推荐20Ω)的水电阻。校准高压双指数波脉冲源时，将水电阻R2的输出端穿过电流探头后对地端接，测量短路放电电流。
其中，放电电容C2采用100pF～150pF(推荐120pF)的金属板电容。铜金属板与接地金属板间采用有机玻璃板绝缘阻隔，构成金属板电容。
实施例3
本实施例提供双指数脉冲源样机。
按照上述原理将储能电容、放电回路、气动开关及电流探头组装在大接地金属平板上，构成高压双指数脉冲源，样机如图4所示。脉冲源工作时，高压源对通过限流电阻对储能电容充电，充电电压达到40kV时，可通过气管触发气动开关，气动开关接通储能电容与气动开关出线，接通放电回路形成双指数脉冲电流。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，其特征在于，所述方法基于高压双指数波脉冲源生成装置来实施，所述装置包括：直流高压发生装置(G)、充电限流电阻(R1)、储能电容(C1)、气动高压开关(K)、水电阻(R2)和放电电容(C2)；其中，Z为放电回路中的寄生阻抗，与水电阻(R2)、放电电容(C2)一起构成放电回路；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：所述直流高压发生装置(G)产生预先设定的高电压小电流信号；
步骤2：所述充电限流电阻(R1)对所述高电压小电流信号进行限流分压；
步骤3：所述储能电容(C1)接收所述充电限流电阻(R1)限流分压后的电流信号，在电流信号不断输入下，进行充电储能为高电压大电流信号，充电完成后，接通气动高压开关(K)；
步骤4：所述气动高压开关(K)在储能电容(C1)充电完成后，在极短时间内连通储能电容(C1)和放电回路，通过放电回路放电产生高压双指数波脉冲信号，对放电输出端和公共地线间的试品瞬间放电；同时可以通过电流探头测量放电输出端的放电电流。
2.如权利要求1所述的模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，其特征在于，所述充电限流电阻(R1)采用80MΩ～120MΩ无感电阻。
3.如权利要求2所述的模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，其特征在于，所述充电限流电阻(R1)采用100MΩ。
4.如权利要求1所述的模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，其特征在于，所述高压双指数波脉冲的脉宽由储能电容(C1)容值决定；储能电容(C1)采用耐压至少50000V、容值5000pF～6000pF的超级电容。
5.如权利要求4所述的模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，其特征在于，所述储能电容(C1)采用推荐5600pF的超级电容。
6.如权利要求4所述的模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，其特征在于，所述储能电容(C1)两两串联为一组，四组并联为储能电容矩阵。
7.如权利要求1所述的模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，其特征在于，所述高压双指数波脉冲的上升沿由气动高压开关特性决定，气动高压开关动作时间越短，放电电感越小上升沿越陡。
8.如权利要求7所述的模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，其特征在于，所述气动高压开关(K)由屏蔽舱、气管、气泵组成；气动高压开关(K)的引线采用120kV的绝缘外皮引线，减小电晕、增强系统安全性；气动高压开关(K)的屏蔽舱采用全金属屏蔽壳体，屏蔽外界电磁干扰，确保高压开关稳定性和准确性；
气动高压开关(K)进线端与储能电容(C1)通过金属支架相连，出线端与水电阻(R2)衰减器通过编织铜带连接；屏蔽舱采用SF6气体绝缘，与气泵通过气管相连；为了保障试验人员人身财产安全，采用气动控制装置控制触发器吸合。
9.如权利要求1所述的模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，其特征在于，所述放电回路由：气动高压开关(K)出线端的通带与公共地形成的回路所产生的寄生阻抗(Z)、水电阻(R2)及放电电容(C2)构成；
所述水电阻(R2)置于接地金属平面上，水电阻(R2)一端作为输入端与气动高压开关(K)出线连接，并固定在金属支架与放电电容(C2)一端连接，水电阻(R2)另一端作为输出端通过绝缘块与接地板绝缘，避免高压击穿；放电电容(C2)另一端与进地金属平面连接。
10.如权利要求1所述的模拟复杂电磁环境下的高压双指数波脉冲源生成方法，其特征在于，放电电容(C2)采用100pF～150pF的金属板电容。
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