CN113740640B - 一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构 - Google Patents

一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构，以脉冲电流注入实验为应用背景，在现有的GJB 151B‑2013中5μH型LISN电路结构基础上，通过加大对地电容和增加一级电感，设计了一种兼具良好阻抗稳定性能和电磁脉冲防护性能的线路阻抗稳定网络。在实际的器件选择和物理布局设计中，针对电磁脉冲上升时间快、电压峰值高的特点，自行设计了匝间绝缘加强型空芯电感、具有针对性的去掉了测量回路并选用高压金属氧化膜电阻。最终使得本发明兼具GJB 151B‑2013中5μH型LISN的阻抗稳定曲线(与GJB 151B‑2013中5μH型LISN的阻抗曲线偏差小于5％)和良好的脉冲电流防护性能(在GJB 8848‑2016和MIL‑STD‑188‑125‑2标准中规定的脉冲发生器输出下，对脉冲电流的衰减可达60倍)。

Description

一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构
技术领域
本发明属于电磁脉冲传导效应实验技术领域，具体涉及一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络(LISN)结构。
背景技术
随着电力系统和电气电子设备在近几十年的飞速发展，电磁环境和电磁脉冲对电力设备和电气电子设备产生的影响也越来越受到各方面学者的重视。其中，高空电磁脉冲(HEMP)等强电磁环境具有场强高，频谱宽和覆盖区域广的特点，对于电力设备和电气电子设备是一个巨大的威胁。已有的研究成果表明，高空核电磁脉冲等强电磁环境，经过天线、孔缝、线缆等耦合作用进入电力设备或电气电子设备，引起高幅值的感应电压和电流，会对设备造成暂时或永久损伤。强电磁环境模拟试验方法主要分为辐照试验和注入试验两种，其中，脉冲电流注入(PCI)试验方法易产生威胁级传导电流，可产生非线性效应，是一种主要的试验方法。为了使实验更贴合设备受到电磁脉冲(EMP)干扰时的真实状态，在进行PCI实验时，被试设备(EUT)由外部市电进行供电。所以在试验过程中，脉冲电流极有可能耦合至外部电网从而形成破坏，因此必须在PCI实验回路和外部负载之间串入去耦装置，利用去耦装置良好的电磁脉冲防护能力对外部电网进行保护。
线路阻抗稳定网络(LISN)也称人工电源网络，在设备的电磁兼容性实验中，为了客观的考查被试设备产生的电磁干扰，需要在被试设备和电网之间加入LISN，已达到隔离干扰和稳定电源阻抗的目的，从而使实验结果具有重复性与可比性。在CISPR-16-2和GJB151B-2013中，对LISN的阻抗曲线有着详细的规定，对其电路结构也有相关推荐。如图1所示，其结构为GJB151B-2013中的5μH型LISN，电路结构中包括一个5μH电感，一个1μF电容、一个0.1μF电容以及一个50Ω电阻(也可以是示波器的50Ω输入阻抗)。该结构近似一个π型滤波结构，在使用中，从被试设备向电源输入看去，对于电磁兼容实验中被试设备产生的高频谐波分量，5μH电感等效阻抗值较大，1μF电容等效阻抗值较小且与电源内阻并联，故将电源输入和LISN的串联当做一个整体来看，电源内阻的变化不会影响这个整体在高频段体现出来的内阻，可以实现将内阻-频率曲线稳定为5μH//50Ω的功能。
使用LISN结构作为去耦网络，在PCI试验中既可以抑制脉冲对外部电网的损伤，又可以起到在工作频段内提供稳定的电源阻抗曲线的作用。然而，由于脉冲电流注入的电磁脉冲具有上升时间快(上升时间<20ns)，幅值高(数千安)以及电压峰值高(上百千伏)，所以常规的LISN无法保证在经受电磁脉冲冲击时不发生绝缘击穿，而且现有的LISN滤波结构也并非针对抑制电磁脉冲而设计，其电路结构也无法保证具有良好的电磁脉冲防护能力。所以，针对PCI实验的应用背景，急需设计一款适用于脉冲电流注入的LISN。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构，以克服常规LISN在绝缘耐受能力和电磁脉冲防护性能上的不足，本发明兼具脉冲电流注入实验情况下电磁脉冲防护能力和常规LISN阻抗稳定性能，可以应用于脉冲电流注入实验中，不仅起到保护外部电网的作用，还能提高实验的可比性和重复性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构，所述线路阻抗稳定网络结构采用三相四线结构，由连接在三相四线市电电源和PCI实验回路之间的电路结构相同的四条支路组成，每条支路均包括依次连接在三相四线市电电源和PCI实验回路之间电感L1和电感L2，所述电感L1和电感L2之间连接有电容C1，所述电感L1、电感L2和电容C1共同形成T型低通滤波器，所述电容C1的另一端接地，所述电感L2和PCI实验回路之间连接有电容C2，电容C2的另一端连接至电阻R1，电阻R1的另一端接地。
进一步地，所述电感L1和电感L2采用匝间耐压加强型5μH空芯电感，所述电容C1采用30μF聚丙乙烯薄膜电容，所述电容C2采用220nF聚丙乙烯薄膜电容，所述电阻R1采用50Ω高压金属氧化膜电阻。
进一步地，所述匝间耐压加强型5μH空芯电感、30μF聚丙乙烯薄膜电容、220nF聚丙乙烯薄膜电容以及50Ω高压金属氧化膜电阻均固定在不锈钢外壳中。
进一步地，所述不锈钢外壳的两侧设置有高耐压穿墙接头，其中一个匝间耐压加强型5μH空芯电感与三相四线市电电源之间进线，以及另一个匝间耐压加强型5μH空芯电感与PCI实验回路之间的出线均通过高耐压穿墙接头穿过不锈钢外壳。
进一步地，所述30μF聚丙乙烯薄膜电容一端接在两个匝间耐压加强型5μH空芯电感接线的中间节点，另一端固定在不锈钢外壳内壁，通过不锈钢外壳接地。
进一步地，所述220nF聚丙乙烯薄膜电容下端与50Ω高压金属氧化膜电阻上端通过M6螺杆连接，所述220nF聚丙乙烯薄膜电容上端与T型低通滤波器输出端进行连接。
进一步地，所述50Ω高压金属氧化膜电阻下端通过螺丝与不锈钢外壳的底座进行固定，并通过与底座的固定从而经由不锈钢外壳接地。
进一步地，所述匝间耐压加强型5μH空芯电感由尼龙骨架和导线构成，导线绕制在尼龙骨架上，匝间由5mm厚的尼龙层进行匝间绝缘加固。
进一步地，所述导线采用横截面积为16mm2的镀锌铜导线。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明兼具脉冲电流注入实验情况下电磁脉冲防护能力和常规LISN阻抗稳定性能，使其可以应用于脉冲电流注入实验中，不仅起到保护外部电网的作用，还能提高实验的可比性和重复性。
本发明以脉冲电流注入实验为应用背景，以兼顾LISN阻抗稳定能力和电磁脉冲防护能力为出发点，在现有的GJB 151B-2013中5μH型LISN电路结构基础上，通过增加一级5μH电感和增大对地电容值，极大的提升了LISN的电磁脉冲防护性能，同时也保证了该结构具有GJB 151B-2013中5μH型LISN的阻抗曲线，具有线路阻抗稳定能力。
此外，在实际的器件选择和物理布局方面，本发明充分考虑电磁脉冲电压信号的分布特点，自行设计在不同频率和电流幅值下电感值较为稳定的匝间绝缘加强型空芯电感，去掉了传统LISN的同轴测量端口设计，并针对性的采用高频性能较好的高压金属氧化膜电阻，确保了本发明优良的绝缘性能和较好的高频响应。整体采用截面积为16mm2的镀锌铜导线，使本发明具有80A的通流量。采用的聚丙乙烯薄膜电容具有良好的耐压和高频响应，不锈钢外壳接地模式大大减小了本发明的接地电阻和接地电感，进一步减小的杂散参数对本发明的影响。
最终经实测证明，本发明兼具GJB 151B-2013中5μH型LISN的阻抗稳定曲线(与GJB151B-2013中5μH型LISN的阻抗稳定曲线偏差小于5％)和良好的脉冲电流防护性能(在GJB8848-2016和MIL-STD-188-125-2标准中规定的脉冲发生器输出下，对脉冲电流的衰减可达60倍)。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的GJB 151B-2013中的5μH型LISN电路结构图
图2为本发明在应用情境下的电路结构参数图；
图3为本发明的整体物理结构图；
其中，1、不锈钢外壳；2、匝间耐压加强型5μH空芯电感；3、30μF聚丙乙烯薄膜电容；4、220nF聚丙乙烯薄膜电容；5、高耐压穿墙接头；6、50Ω高压金属氧化膜电阻。
图4为本发明内部采用的匝间耐压加强型空芯电感的结构图；
图5为本发明电磁脉冲防护能力测试结果图；
图6为本发明阻抗稳定曲线测试结果对比图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明：
一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络(LISN)结构，该LISN结构设计为三相四线结构，由电路结构相同的四条支路组成。
在电路结构设计方面，于GJB 151B-2013中常规5μH型LISN电路结构基础上，加大了对地电容容值并增加了一级电感，故该LISN每条支路的电路结构为一个L-C-L T型低通滤波器并联一个电容电阻支路，此结构同时具有GJB 151B-2013中5μH型LISN的阻抗稳定曲线和良好的脉冲电流防护性能。
该LISN结构物理构造包括不锈钢外壳1，匝间耐压加强型5μH空芯电感2，30μF聚丙乙烯薄膜电容3，220nF聚丙乙烯薄膜电容4，高耐压穿墙接头5以及50Ω高压金属氧化膜电阻6。进线及出线通过高耐压穿墙接头5穿过不锈钢外壳1，其余器件皆通过螺丝固定在不锈钢外壳1内部；在电路结构的物理构造中，T型低通滤波器由两个匝间耐压加强型5μH空芯电感2中间并联一个30μF聚丙乙烯薄膜电容3组成，其中，30μF聚丙乙烯薄膜电容3一端接在两个匝间耐压加强型5μH空芯电感2接线的中间节点，另一端固定在不锈钢外壳1内壁，通过不锈钢外壳1接地；在电路结构的物理构造中，T型低通滤波器后方并联的电容电感支路，由220nF聚丙乙烯薄膜电容4下端与50Ω高压金属氧化膜电阻6上端通过M6螺杆连接构成。220nF聚丙乙烯薄膜电容4上端与T型低通滤波器输出端进行连接，50Ω高压金属氧化膜电阻6下端通过螺丝与不锈钢外壳1底座进行固定，并通过与底座的固定从而经由不锈钢外壳1接地；匝间耐压加强型5μH空芯电感2由尼龙骨架和导线构成，线圈绕制在尼龙骨架上，匝间由5mm厚的尼龙层进行匝间绝缘加固，以防由于脉冲电流上升时间太快，致使匝间电压差过大而引起匝间击穿；为了保证在LISN的绝缘水平满足电磁脉冲的要求，去掉了同轴测量端口的设计，阻抗稳定能力由50Ω高压金属氧化膜电阻6实现。使用时，市电输入端为T型低通滤波结构未并联电容电阻支路的一端，输出端为T型低通滤波结构并联电容电阻支路的一端。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2为本发明电路结构图，也是本发明在实际使用中接线方式说明图，本装置适用于380V三相四线市电电源，在使用中，三相四线市电电源进线端为远离电容电阻支路的一端，市电输出端为靠近电容电阻支路的一端。由于本发明四条支路电路结构相同，故以一相进行说明。从电路结构方面来讲，相比于GJB 151B-2013中5μH型LISN，通过针对电磁脉冲的防护性能进行仿真计算，最终决定增加一级5μH的电感L1，同时将电容C1和电容C2的容值分别提高到30μF和0.22μF，从而极大的提高LISN的电磁脉冲防护性能。电感L2、电容C2和电阻R1主要起到的阻抗稳定的作用，从PCI实验回路向市电看去，假设此时市电内阻为R2，则将市电和LISN视为一个整体，其内阻Z为：
Figure GDA0003729450080000061
其中，Z为市电-LISN整体的内阻，R1＝50Ω，R2非定值(市电内阻)，C1＝30μF，C2＝0.22μF，L1＝L2＝5μH，ω为角频率，j为阻抗虚部。在LISN工作频段(≥10kHz)，
Figure GDA0003729450080000071
故可忽略公式中的
Figure GDA0003729450080000072
同理，
Figure GDA0003729450080000073
的值较小，jωL2较大，故
Figure GDA0003729450080000074
亦可忽略较小项，最终，上式可改写为：
Z＝R1//jωL2
即内阻Z与5μH//50Ω阻抗等效，同GJB 151B-2013中5μH型LISN阻抗曲线情况相同，与CISPR-16-2中50Ω//5μH+1Ω型LISN的阻抗曲线也较为相似。因此，从电路结构来看，本发明的阻抗曲线满足GJB 151B-2013和CISPR-16-2的要求。
图3为本发明的整体物理结构图，并通过该物理结构实现了图2中的电路结构，包括不锈钢外壳1，匝间耐压加强型5μH空芯电感2，30μF聚丙乙烯薄膜电容3，220nF聚丙乙烯薄膜电容4，高耐压穿墙接头5以及50Ω高压金属氧化膜电阻6。进线及出线通过高耐压穿墙接头5穿过不锈钢外壳1，其余器件皆通过螺丝固定在不锈钢外壳1内部；在电路结构的物理构造中，T型低通滤波器由两个匝间耐压加强型5μH空芯电感2中间并联一个30μF聚丙乙烯薄膜电容3组成，其中，30μF聚丙乙烯薄膜电容3一端接在两个匝间耐压加强型5μH空芯电感2接线的中间节点，另一端固定在不锈钢外壳1内壁，通过不锈钢外壳1接地；在电路结构的物理构造中，T型低通滤波器后方并联的电容电感支路，由220nF聚丙乙烯薄膜电容4下端与50Ω高压金属氧化膜电阻6上端通过M6螺杆连接构成。220nF聚丙乙烯薄膜电容4上端与T型低通滤波器输出端进行连接，50Ω高压金属氧化膜电阻6下端通过螺丝与不锈钢外壳1底座进行固定，并通过与底座的固定从而经由不锈钢外壳1接地；匝间耐压加强型5μH空芯电感2由尼龙骨架和导线构成，线圈绕制在尼龙骨架上，匝间由5mm厚的尼龙层进行匝间绝缘加固，以防由于脉冲电流上升时间太快，致使匝间电压差过大而引起匝间击穿；为了保证在LISN的绝缘水平满足电磁脉冲的要求，去掉了同轴测量端口的设计，阻抗稳定能力由50Ω高压金属氧化膜电阻6实现。
图4为本发明内部采用的匝间耐压加强型空芯电感的结构图，空芯电感具有高频稳定性好和饱和效应不明显的特点，更适用于高频分量多、电流幅值高的电磁脉冲的防护，为防止电磁脉冲引起电感匝间绝缘击穿，在匝间设计了5mm厚的尼龙层进行绝缘加固。
图5为本发明电磁脉冲防护能力测试结果图，基于GJB 8848-2016和MIL-STD-188-125-2对电磁脉冲防护器件的测试方法，电磁脉冲发生器满足要求，即在60Ω电阻负载下的短路电流输出峰值为2.5kA，上升时间≤20ns，半高宽在500ns到550ns之间。可以看到，此时，前端注入电流为峰值1.8kA的纳秒级脉冲，后端剩余电流被衰减成了峰值30A的微秒级脉冲，衰减倍数高达60倍，具有良好的电磁脉冲防护性能。
图6为本发明阻抗稳定曲线测试结果对比图，运用矢量网络分析仪(VectorNetwork Analyzer，VNA)进行阻抗-频率曲线的测量，可以看到，与标准值进行对比，在电磁脉冲主要频段(小于30MHz)内，其误差小于5％，可以满足PCI实验中的使用需求。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构，其特征在于，所述线路阻抗稳定网络结构采用三相四线结构，由连接在三相四线市电电源和PCI实验回路之间的电路结构相同的四条支路组成，每条支路均包括依次连接在三相四线市电电源和PCI实验回路之间电感L1和电感L2，所述电感L1和电感L2之间连接有电容C1，所述电感L1、电感L2和电容C1共同形成T型低通滤波器，所述电容C1的另一端接地，所述电感L2和PCI实验回路之间连接有电容C2，电容C2的另一端连接至电阻R1，电阻R1的另一端接地；
所述电感L1和电感L2采用匝间耐压加强型5μH空芯电感(2)，所述电容C1采用30μF聚丙乙烯薄膜电容(3)，所述电容C2采用220nF聚丙乙烯薄膜电容(4)，所述电阻R1采用50Ω高压金属氧化膜电阻(6)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构，其特征在于，所述匝间耐压加强型5μH空芯电感(2)、30μF聚丙乙烯薄膜电容(3)、220nF聚丙乙烯薄膜电容(4)以及50Ω高压金属氧化膜电阻(6)均固定在不锈钢外壳(1)中。
3.根据权利要求2所述的一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构，其特征在于，所述不锈钢外壳(1)的两侧设置有高耐压穿墙接头(5)，其中一个匝间耐压加强型5μH空芯电感(2)与三相四线市电电源之间进线，以及另一个匝间耐压加强型5μH空芯电感(2)与PCI实验回路之间的出线均通过高耐压穿墙接头(5)穿过不锈钢外壳(1)。
4.根据权利要求1所述的一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构，其特征在于，所述30μF聚丙乙烯薄膜电容(3)一端接在两个匝间耐压加强型5μH空芯电感(2)接线的中间节点，另一端固定在不锈钢外壳(1)内壁，通过不锈钢外壳(1)接地。
5.根据权利要求1所述的一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构，其特征在于，所述220nF聚丙乙烯薄膜电容(4)下端与50Ω高压金属氧化膜电阻(6)上端通过M6螺杆连接，所述220nF聚丙乙烯薄膜电容(4)上端与T型低通滤波器输出端进行连接。
6.根据权利要求1所述的一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构，其特征在于，所述50Ω高压金属氧化膜电阻(6)下端通过螺丝与不锈钢外壳(1)的底座进行固定，并通过与底座的固定从而经由不锈钢外壳(1)接地。
7.根据权利要求1所述的一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构，其特征在于，所述匝间耐压加强型5μH空芯电感(2)由尼龙骨架和导线构成，导线绕制在尼龙骨架上，匝间由5mm厚的尼龙层进行匝间绝缘加固。
8.根据权利要求7所述的一种适用于脉冲电流注入的线路阻抗稳定网络结构，其特征在于，所述导线采用横截面积为16mm2的镀锌铜导线。
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