CN115951156A - 一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法 - Google Patents

一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法 Download PDF

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CN115951156A
CN115951156A CN202310223342.9A CN202310223342A CN115951156A CN 115951156 A CN115951156 A CN 115951156A CN 202310223342 A CN202310223342 A CN 202310223342A CN 115951156 A CN115951156 A CN 115951156A
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Abstract

本发明公开了一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,根据线缆参数和地面电导率计算线缆特性参数,根据入射场参数、单位长度传输线阻抗和单位长度传输线导纳计算传输线场线耦合过程的激励源矢量,在长度为pL的架空单线上给定注入源位置,根据注入源位置、激励源矢量以及线缆特性阻抗,计算串联注入源、并联注入源;基于串联注入源和并联注入源的形式,能够在线缆端口实现与场线耦合过程相同的激励,解决当前的高空电磁脉冲传导效应测试中端口单点注入方法的等效性缺陷,克服了欠测试或过测试问题,本方法不改变电路两端端接负载的连接方式,能够应用于传输线带电运行状态下的电磁脉冲注入试验。

Description

一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法
技术领域
本发明涉及电磁脉冲传导效应测试技术领域,具体涉及一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法。
背景技术
高空电磁脉冲(High-altitude Electromagnetic Pulse, HEMP)会通过场线耦合作用在线缆上产生高幅值的感应电压和感应电流,电磁能量传导至线缆端口可能引起绝缘损坏、开关跳闸、元器件损坏等效应现象,对电网、通信网等关键基础设施造成严重威胁,因此需要对电力线、通讯线等传输线进行高空电磁脉冲传导效应试验研究。脉冲电流注入(Pulsed Current Injection, PCI)技术是一种高空电磁脉冲传导效应试验方法,通过耦合器将脉冲源产生的电磁脉冲注入到受试线缆上,进而在线缆端口模拟产生脉冲。为避免过测试或欠测试,需要保证PCI测试和高空电磁脉冲场线耦合过程在线缆端口产生的电流相同,满足传导注入-场线耦合等效性。
在对于地面附近架空的电力线、通信线等线缆进行注入时,由于线缆参数、端接负载等均有很大区别,现有的端口单点注入法与高空电磁脉冲场线耦合过程在线缆端口产生的激励相差较大,对线缆端接效应物往往产生远大于场线耦合过程的激励(即存在过测试问题)或产生远小于场线耦合过程的激励(即存在欠测试问题),影响了PCI试验的正确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,解决传统的端口单点注入方法易造成过测试或欠测试的问题,本发明能够在线缆上以串并联注入源的形式注入两个具有时序关系的脉冲,在线缆端口形成与高空电磁脉冲场线耦合作用相同的脉冲电流,并且注入源波形独立于线缆端接负载。
一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,包括以下步骤:
S1,根据线缆参数和地面电导率计算线缆特性参数,线缆特性参数包括单位长度传输线阻抗、单位长度传输线导纳和线缆特性阻抗;
S2,根据入射场参数、单位长度传输线阻抗和单位长度传输线导纳计算传输线场线耦合过程的激励源矢量;
S3,在长度为L的架空单线上给定注入源位置pLp为大于0小于1的常数;
S4,根据注入源位置、激励源矢量以及线缆特性阻抗,计算串联注入源和并联注入源;
S5,根据步骤S4中获得串联注入源获取串联注入源频域波形,根据并联注入源获取并联注入源频域波形,将串联注入源频域波形和并联注入源频域波形经傅里叶变换,获得串联注入源时域波形和并联注入源时域波形,然后计算串联注入源时域波形和并联注入源时域波形的时序关系;
S6,将步骤S4计算的串联注入源、并联注入源及耦合器连接在架空单线的注入源位置pL处,根据步骤S5中计算的串联注入源时域波形和并联注入源时域波形的时序关系,分别触发串联注入源、并联注入源,开展PCI测试。
优选的,线缆参数包括单位长度传输线电感、单位长度传输线电容和单位长度传输线电阻;地面电导率包括单位长度大地阻抗和单位长度大地导纳。
优选的,计算单位长度传输线电感:
Figure SMS_1
Figure SMS_2
为真空磁导率常数,
Figure SMS_3
为受辐照架空单线半径,h为架空单线距离地面高度;
单位长度传输线电容:
Figure SMS_4
式中:
Figure SMS_5
为真空介电常数;
单位长度传输线电阻:
Figure SMS_6
式中:
Figure SMS_7
为传输线电导率。
优选的,单位长度大地阻抗:
Figure SMS_8
式中:
Figure SMS_9
为大地传播常数,其表达式为:
Figure SMS_10
式中:
Figure SMS_11
为土壤电导率;
Figure SMS_12
为土壤介电常数;h为架空单线距离地面高度;ω为角频率;
单位长度大地导纳:
Figure SMS_13
线缆特性阻抗:
Figure SMS_14
优选的,计算单位长度传输线阻抗
Figure SMS_15
和单位长度传输线导纳
Figure SMS_16
表达式如下:
Figure SMS_17
式中:j为虚数标记。
优选的,激励源矢量为:
Figure SMS_19
式中:
Figure SMS_20
为Agrawal模型等效分布电压激励源;
Figure SMS_21
是距离线缆起始点的距离;
Figure SMS_22
为Agrawal模型中一侧端接集总电压源,
Figure SMS_23
为Agrawal模型中另一侧端接集总电压源;
Figure SMS_24
为线缆传播常数;L为架空单线长度;
Figure SMS_25
Figure SMS_18
为激励源项;
其中,
Figure SMS_26
优选的,Agrawal模型等效分布电压激励源和集总电压源:
Figure SMS_27
Figure SMS_28
Figure SMS_29
式中:
Figure SMS_30
为垂直方向菲涅尔反射系数,
Figure SMS_31
为入射波频域场强;
Figure SMS_32
为水平方向菲涅尔反射系数;j为虚数标记;k为波矢量;h为架空单线距离地面高度,ψ为入射场的仰角,
Figure SMS_33
为入射场的方位角,α为入射场的极化角。
优选的,所述激励源项:
Figure SMS_34
Figure SMS_35
公式中,L为架空单线长度;j为虚数标记;k为波矢量;
Figure SMS_36
为入射波频域场强;k=ω/cc为光速;ω为角频率;
Figure SMS_37
是垂直方向菲涅尔反射系数;
Figure SMS_38
是水平方向菲涅尔反射系数;
Figure SMS_39
为入射电场的幅度。
优选的,计算串联注入源
Figure SMS_40
、并联注入源
Figure SMS_41
Figure SMS_42
公式中,
Figure SMS_43
是线缆传播常数,
Figure SMS_44
是线缆特性阻抗;P1为串联注入源序号,P2为并联注入源序号;
Figure SMS_45
为串联注入源内阻,
Figure SMS_46
为并联注入源内阻;
Figure SMS_47
Figure SMS_48
为激励源项。
优选的,采用触发时延控制系统分别触发串联注入源、并联注入源;触发时延控制系统输出两路触发脉冲,且两路时延在0ns至500ns。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,根据线缆参数和地面电导率计算线缆特性参数,根据入射场参数、单位长度传输线阻抗和单位长度传输线导纳计算传输线场线耦合过程的激励源矢量,在长度为pL的架空单线上给定注入源位置,根据注入源位置、激励源矢量以及线缆特性阻抗,计算串联注入源、并联注入源;基于串联注入源和并联注入源的形式,能够在线缆端口实现与场线耦合过程相同的激励,解决当前的高空电磁脉冲传导效应测试中端口单点注入方法的等效性缺陷,克服了欠测试或过测试问题,本方法不改变电路两端端接负载的连接方式,能够应用于传输线带电运行状态下的电磁脉冲注入试验。
优选的,注入源形式不再依赖于端接负载,可应用于端接负载具有非线性的情况,克服了传统的端口单点注入方法依赖于端接负载阻抗的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中时序注入方法流程图。
图2为本发明实施例中电磁脉冲辐照地面附近架空单线电缆的示意图。
图3为本发明实施例中架空单线电缆受集总电压源、电流源激励的电路模型图。
图4为本发明实施例中架空单线电缆电磁脉冲时序注入电路模型图。
图5为本发明实施例中架空单线电缆电磁脉冲时序注入测试配置图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中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的实施例,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,都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示,本发明一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,包括以下步骤:
S1,根据线缆参数和地面电导率计算线缆特性参数;
地面附近架空单线电缆对地组成双导体传输线系统,如图2所示。该双导体传输线系统受到HEMP入射平面波激励。
线缆参数包括单位长度传输线电感、单位长度传输线电容和单位长度传输线电阻;地面电导率包括单位长度大地阻抗和单位长度大地导纳;线缆特性参数包括单位长度传输线阻抗、单位长度传输线导纳和线缆特性阻抗;
地面为损耗地面,考虑了单位长度大地阻抗和单位长度大地导纳,计算单位长度传输线阻抗
Figure SMS_49
和单位长度传输线导纳
Figure SMS_50
表达式如下:
Figure SMS_51
式中:
Figure SMS_52
为单位长度传输线电感;
Figure SMS_53
为单位长度传输线电容;
Figure SMS_54
为单位长度传输线电阻;j为虚数标记;
Figure SMS_55
为单位长度大地阻抗;
Figure SMS_56
为单位长度大地导纳。
对于地面上线缆,单位长度传输线电感计算式为:
Figure SMS_57
Figure SMS_58
为真空磁导率常数,
Figure SMS_59
为受辐照架空单线半径,h为架空单线距离地面高度;
对于地面上线缆,单位长度传输线电容:
Figure SMS_60
式中:
Figure SMS_61
为真空介电常数。
由于在实际场合中电导相对较小,因此单位长度电导
Figure SMS_62
可以忽略不计。
对于地面上线缆,单位长度传输线电阻:
Figure SMS_63
式中:
Figure SMS_64
为传输线电导率。
最后考虑大地损耗,单位长度大地阻抗的表达式为:
Figure SMS_65
式中:
Figure SMS_66
为大地传播常数,其表达式为:
Figure SMS_67
式中:
Figure SMS_68
为土壤电导率;
Figure SMS_69
为土壤介电常数。
单位长度大地导纳由大地阻抗求得:
Figure SMS_70
线缆特性阻抗:
Figure SMS_71
S2,根据入射场参数和线缆特性参数计算传输线场线耦合过程的激励源矢量;
入射场参数包括仰角ψ、方位角
Figure SMS_72
和极化角α;极化角α是入射电场方向和入射面平面之间的夹角,入射场为垂直极化时,入射电场方向在入射平面内,α=0;入射场为水平极化时,入射电场方向垂直于入射面,α=90
双导体传输线的BLT方程形式为:
Figure SMS_73
式中:
Figure SMS_75
为线缆传播常数;
Figure SMS_76
x= 0处的反射系数;
Figure SMS_78
x=L处的反射系数;
Figure SMS_80
为线缆特性阻抗;
Figure SMS_81
Figure SMS_82
为激励源项;
Figure SMS_83
x=0处的电压,
Figure SMS_74
x=L处的电压;
Figure SMS_77
x=0处的电流,
Figure SMS_79
x=L处的电流,L为架空单线长度。
反射系数由端接负载阻抗、线缆特性阻抗计算得:
Figure SMS_84
Figure SMS_85
Figure SMS_86
为外部辅助设备入端阻抗;
Figure SMS_87
为受试设备入端阻抗。
根据双导体传输线的BLT方程形式,将激励源矢量表达成:
Figure SMS_88
式中:
Figure SMS_89
为Agrawal模型等效分布电压激励源;
Figure SMS_90
是距离线缆起始点的距离;
Figure SMS_91
为Agrawal模型中一侧端接集总电压源,
Figure SMS_92
为Agrawal模型中另一侧端接集总电压源;
Figure SMS_93
为线缆传播常数;
其中,
Figure SMS_94
计算分布电压激励源和集总电压源得:
Figure SMS_95
Figure SMS_96
Figure SMS_97
式中:
Figure SMS_98
为垂直方向菲涅尔反射系数,
Figure SMS_99
为入射波频域场强;
Figure SMS_100
为水平方向菲涅尔反射系数;两者的表达式如下:
Figure SMS_101
Figure SMS_102
Figure SMS_103
为土壤电导率;
Figure SMS_104
为土壤介电常数;
Figure SMS_105
为真空介电常数;
由此,可以求得场线耦合的激励源项:
Figure SMS_106
Figure SMS_107
公式中,L为架空单线长度;j为虚数标记;k为波矢量;
Figure SMS_108
为入射波频域场强;k=ω/cc为光速;ω为角频率;
Figure SMS_109
是垂直方向菲涅尔反射系数;
Figure SMS_110
是水平方向菲涅尔反射系数;
Figure SMS_111
为入射电场的幅度;h为架空单线距离地面高度。
激励场对传输线的场线耦合作用通过分布激励源进行表示,而分布激励源的形式仅与辐射场和传输线结构相关,与线缆端接负载无关;因此建立一种与线缆端接负载无关的等效注入方法,即为本发明能够在线缆端口产生与场线耦合相同激励电压的原理。
S3,在长度为L的架空单线上给定注入源位置pLp为大于0小于1的常数,注入源位置距离线缆两端的距离均大于100m,即
Figure SMS_112
S4,根据注入源位置、激励源矢量以及线缆特性阻抗,计算串联注入源
Figure SMS_113
、并联注入源
Figure SMS_114
,计算公式如下:
Figure SMS_115
公式中,
Figure SMS_116
是线缆传播常数,
Figure SMS_117
是线缆特性阻抗;P1为串联注入源序号,P2为并联注入源序号;
Figure SMS_118
为串联注入源内阻,
Figure SMS_119
为并联注入源内阻;
S5,根据步骤S4中获得串联注入源
Figure SMS_121
获取串联注入源频域波形
Figure SMS_122
,根据并联注入源
Figure SMS_124
获取并联注入源频域波形
Figure SMS_126
,将串联注入源频域波形
Figure SMS_128
和并联注入源频域波形
Figure SMS_131
经傅里叶变换,获得串联注入源时域波形
Figure SMS_132
和并联注入源时域波形
Figure SMS_120
,并确定串联注入源时域波形和并联注入源时域波形的时序关系
Figure SMS_123
,即串联注入源时域波形和并联注入源时域波形起始时间差;
Figure SMS_125
为串联注入源时域波形
Figure SMS_127
的脉冲起始时刻,
Figure SMS_129
为并联注入源时域波形
Figure SMS_130
的脉冲起始时刻;
场线耦合过程在传输线上产生的分布激励源对端接EUT的作用可用位于pL位置的集总电压源
Figure SMS_133
、电流源
Figure SMS_134
进行替代,如图3所示,
Figure SMS_135
Figure SMS_136
以由场线耦合激励源项表示:
Figure SMS_137
考虑实际工程上将脉冲源输出激励注入耦合到传输线上时需要占据一定线缆长度,这段线缆长度设为L IC。此区域对外可以视为一个二端口网络,该二端口网络被用于对集总源
Figure SMS_138
和电流源
Figure SMS_139
的等效。由于
Figure SMS_140
且考虑到HEMP耦合线缆长度较大,因此该二端口网络的两端向外看都可以视为无限长传输线,即二端口网络端接阻抗为Z C,反射系数为0。此时,在场线耦合等效集总源
Figure SMS_141
Figure SMS_142
作用下二端口网络两端的电压根据BLT方程可以计算得:
Figure SMS_143
设该二端口网络可以等效为一个串联注入源
Figure SMS_144
和并联注入源
Figure SMS_145
,串联注入源内阻和并联注入源内阻分别为
Figure SMS_146
Figure SMS_147
,如图4所示。串联注入源
Figure SMS_148
和并联注入源
Figure SMS_149
x R-L IC/2至x R+L IC/2两端产生的电压电流关系可以表示为:
Figure SMS_150
x R为二端口网络距线缆起始点的距离,
Figure SMS_151
表示串联注入源
Figure SMS_152
x R-L IC/2至x R+L IC/2两端产生的电流,
Figure SMS_153
表示并联注入源
Figure SMS_154
x R-L IC/2至x R+L IC/2两端产生的电流。
与集总源
Figure SMS_155
和电流源
Figure SMS_156
x R-L IC/2至x R+L IC/2两端产生的电压电流相比较;并联注入源和串联注入源有以下关系:
Figure SMS_157
根据串联注入源内阻
Figure SMS_158
和并联注入源内阻
Figure SMS_159
可以确定集总源
Figure SMS_160
和电流源
Figure SMS_161
的形式。因此,可以通过串并、联注入源的形式等效场线耦合集总源,进而等效场线耦合作用在端接EUT上产生的激励。并且,并联注入源和串联注入源仅与传输线参数和入射场参数有关,与端接负载无关。
特别地,由于
Figure SMS_162
,因此可以表示为:
Figure SMS_163
确定串联注入源时域波形和并联注入源时域波形的时序关系公式为:
Figure SMS_164
式中:
Figure SMS_165
为串联注入源时域波形
Figure SMS_166
的脉冲起始时刻,
Figure SMS_167
为并联注入源时域波形
Figure SMS_168
的脉冲起始时刻。
S6,将步骤S4计算的串联注入源、并联注入源及耦合器连接在架空单线的注入源位置pL处,根据步骤S5中计算的串联注入源时域波形和并联注入源时域波形的时序关系
Figure SMS_169
,采用触发时延控制系统分别触发串联注入源、并联注入源,开展PCI测试;触发时延控制系统能够输出两路触发脉冲,且两路时延在0ns至500ns可调,抖动控制在5ns以内。
实验时,切断架空单线的电缆供电,保证参试设备和人员安全。
如图5所示,将串联注入源、并联注入源及耦合器连接在架空单线电缆的位置pL处;将触发时延控制系统连接至串联注入源、并联注入源;
如开展带电运行状态下的效应试验,可将架空单线电缆恢复供电;
串联注入源、并联注入源充电至待触发状态;
按照串联注入源时域波形和并联注入源时域波形的时序关系分别触发串联注入源、并联注入源;
观察并记录线缆端接EUT效应,确认端接EUT及线缆系统的状态;
如端接EUT及线缆系统状态正常,可开展多次重复性试验。
本发明基于串联注入源和并联注入源的形式,能够在线缆端口实现与场线耦合过程相同的激励,解决当前的高空电磁脉冲传导效应测试中端口单点注入方法的等效性缺陷,克服了欠测试或过测试问题;本方法中注入源形式不再依赖于端接负载,因此可以应用于端接负载具有非线性的情况,克服了传统的端口单点注入方法依赖于端接负载阻抗的问题;本方法不改变电路两端端接负载的连接方式,能够应用于传输线带电运行状态下的电磁脉冲注入试验。

Claims (10)

1.一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,根据线缆参数和地面电导率计算线缆特性参数,线缆特性参数包括单位长度传输线阻抗、单位长度传输线导纳和线缆特性阻抗;
S2,根据入射场参数、单位长度传输线阻抗和单位长度传输线导纳计算传输线场线耦合过程的激励源矢量;
S3,在长度为L的架空单线上给定注入源位置pLp为大于0小于1的常数;
S4,根据注入源位置、激励源矢量以及线缆特性阻抗,计算串联注入源和并联注入源;
S5,根据步骤S4中获得串联注入源获取串联注入源频域波形,根据并联注入源获取并联注入源频域波形,将串联注入源频域波形和并联注入源频域波形经傅里叶变换,获得串联注入源时域波形和并联注入源时域波形,然后计算串联注入源时域波形和并联注入源时域波形的时序关系;
S6,将步骤S4计算的串联注入源、并联注入源及耦合器连接在架空单线的注入源位置pL处,根据步骤S5中计算的串联注入源时域波形和并联注入源时域波形的时序关系,分别触发串联注入源、并联注入源,开展PCI测试。
2.根据权利要求1所述的一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,其特征在于,线缆参数包括单位长度传输线电感、单位长度传输线电容和单位长度传输线电阻;地面电导率包括单位长度大地阻抗和单位长度大地导纳。
3.根据权利要求2所述的一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,其特征在于,计算单位长度传输线电感:
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
为真空磁导率常数,
Figure QLYQS_3
为受辐照架空单线半径,h为架空单线距离地面高度;
单位长度传输线电容:
Figure QLYQS_4
式中:
Figure QLYQS_5
为真空介电常数;
单位长度传输线电阻:
Figure QLYQS_6
式中:
Figure QLYQS_7
为传输线电导率。
4.根据权利要求3所述的一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,其特征在于,单位长度大地阻抗:
Figure QLYQS_8
式中:
Figure QLYQS_9
为大地传播常数,其表达式为:
Figure QLYQS_10
式中:
Figure QLYQS_11
为土壤电导率;
Figure QLYQS_12
为土壤介电常数;ω为角频率;
单位长度大地导纳:
Figure QLYQS_13
线缆特性阻抗:
Figure QLYQS_14
5.根据权利要求4所述的一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,其特征在于,计算单位长度传输线阻抗
Figure QLYQS_15
和单位长度传输线导纳
Figure QLYQS_16
表达式如下:
Figure QLYQS_17
式中:j为虚数标记。
6.根据权利要求5所述的一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,其特征在于,激励源矢量为:
Figure QLYQS_19
式中:
Figure QLYQS_20
为Agrawal模型等效分布电压激励源;
Figure QLYQS_21
是距离线缆起始点的距离;
Figure QLYQS_22
为Agrawal模型中一侧端接集总电压源,
Figure QLYQS_23
为Agrawal模型中另一侧端接集总电压源;
Figure QLYQS_24
为线缆传播常数;L为架空单线长度;
Figure QLYQS_25
Figure QLYQS_18
为激励源项;
其中,
Figure QLYQS_26
7. 根据权利要求6所述的一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,其特征在于,Agrawal模型等效分布电压激励源和集总电压源:
Figure QLYQS_27
Figure QLYQS_28
Figure QLYQS_29
式中:
Figure QLYQS_30
为垂直方向菲涅尔反射系数,
Figure QLYQS_31
为入射波频域场强;
Figure QLYQS_32
为水平方向菲涅尔反射系数;k为波矢量;ψ为入射场的仰角,
Figure QLYQS_33
为入射场的方位角,α为入射场的极化角。
8.根据权利要求7所述的一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,其特征在于,所述激励源项:
Figure QLYQS_34
Figure QLYQS_35
公式中;k = ω / cc为光速;
Figure QLYQS_36
为入射电场的幅度。
9.根据权利要求4所述的一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,其特征在于,计算串联注入源
Figure QLYQS_37
、并联注入源
Figure QLYQS_38
Figure QLYQS_39
公式中,
Figure QLYQS_40
为线缆传播常数,P1为串联注入源序号,P2为并联注入源序号;
Figure QLYQS_41
为串联注入源内阻,
Figure QLYQS_42
为并联注入源内阻;
Figure QLYQS_43
Figure QLYQS_44
为激励源项。
10.根据权利要求1所述的一种用于架空单线电缆电磁脉冲效应试验的时序注入方法,其特征在于,采用触发时延控制系统分别触发串联注入源、并联注入源;触发时延控制系统输出两路触发脉冲,且两路时延在0ns至500ns。
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