CN117129783A - 一种hemp天馈防护器动作电压测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法及系统；解决现有性能测试标准不适用于描述防护器本身特性，不能用于全面指导天馈防护器的选型与研制的问题，方法包括：步骤1：获得通信天线在HEMP环境下，耦合电压波形的电压前沿上升率范围A～B；步骤2：基于步骤1中的耦合电压波形电压前沿上升率范围A～B，选取电压前沿上升率范围C～D可覆盖A～B的指数波脉冲源；步骤3：基于C～D、指数波脉冲源的内阻以及待测天馈防护器的负载阻抗，选择指数波脉冲源的前沿E以及最大输出电压G；步骤4：分别设置指数波脉冲源的前沿上升率为C，测量待测天馈防护器的动作电压；设置指数波脉冲源的前沿上升率为D，测量待测天馈防护器的动作电压；本发明还提出测试系统。
Description
技术领域
本发明涉及高空电磁脉冲(High-attitude electromagnetic pulse，HEMP)防护技术，具体涉及一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法及系统。
背景技术
高空电磁脉冲具有场强高、频谱宽、作用范围广等特点，可通过天线、线缆等耦合途径在电力电子设备端口形成强电磁干扰，影响设备的正常运行，甚至会造成设备损伤。天馈防护器主要由气体放电管(Gas Discharge Tube,GDT)构成，安装于通信系统天线及天调(或收发信机)之间，当通信天线在HEMP环境下的耦合电压幅度大于GDT动作电压时，会形成天馈芯线对地的短路通道，迅速降低干扰电压幅度，保护天调/收发信机等设备不受损伤。
天馈防护器中的气体放电管并联于后端被保护设备，因此被保护设备的动作电压也就是电磁干扰穿透天馈防护器的残余电压。通过比较天馈防护器动作电压及被保护设备的电磁敏感度，便可以评价得出天馈防护器的防护效果。然而，这其中存在一个较大的技术难题：GDT动作电压不仅与干扰电压幅度有关，还与电压波形前沿上升率、电压持续时间等均有关联。GDT用户手册给出的直流动作电压，以及雷电电流(微秒量级)冲击下的动作电压，不能用于确定HEMP电流(纳秒量级)冲击下GDT的动作电压，且两者存在较大差距。
因此，为获取天馈防护器在HEMP冲击下的动作电压，需要研究专门的测试方法并搭建相应的测试系统。现行可借鉴的解决方案及存在的不足：IEC610000-4-24标准规定使用前沿上升率为1kV/ns，持续时间大于20ns的方波脉冲进行GDT等限压型天馈防护器的HEMP防护性能测试；MIL-188-125标准规定主频30MHz以下通信系统天馈防护器使用前沿为20ns，半宽为500ns的双指数脉冲，主频30MHz以上通信系统天馈防护器使用衰减振荡波，进行天馈防护器的性能测试。
以上两个标准都是从被保护设备的角度出发，试验所选取的冲击电压幅度也是按照被保护设备电磁敏感度确定的，只适用于特定应用场景下的防护特性测试，不适用于描述防护器本身特性，尤其在被保护对象变化时，测试结果不再适用，不能用于全面指导天馈防护器的选型与研制。
发明内容
本发明为了解决现有性能测试标准都是从被保护设备的角度出发，试验所选取的冲击电压幅度也是按照被保护设备电磁敏感度确定的，只适用于特定应用场景下的防护特性测试，不适用于描述防护器本身特性，尤其在被保护对象变化时，测试结果不再适用，不能用于全面指导天馈防护器的选型与研制的技术问题，采用数值仿真、实验研究等方法，先后开展了天馈防护器HEMP传导环境威胁特性计算(响应电压波形前沿变化率统计)、特定指标HEMP脉冲波形实现方法分析、防护器动作特性实验研究等几方面的工作，并在此基础上提出了一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法及系统。
本发明的技术方案如下：
一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：获得通信天线在HEMP环境下，耦合电压波形的电压前沿上升率范围A～B，其中，A＞0；
步骤2：基于步骤1中的耦合电压波形电压前沿上升率范围A～B，选取电压前沿上升率范围可覆盖A～B的指数波脉冲源，定义，指数波脉冲源的电压前沿上升率范围为C～D，其中，C＜A，D＞B；
步骤3：基于步骤2中，指数波脉冲源的电压前沿上升率范围C～D、指数波脉冲源的内阻以及待测天馈防护器的负载阻抗，选择指数波脉冲源的前沿E以及最大输出电压G；
步骤4：在步骤3的基础上，分别设置指数波脉冲源的前沿上升率为C，测量待测天馈防护器的动作电压；设置指数波脉冲源的前沿上升率为D，测量待测天馈防护器的动作电压，完成HEMP天馈防护器动作电压的测试。
进一步地，所述步骤4中，分别设置指数波脉冲源的前沿上升率为C，测量三次待测天馈防护器的动作电压，并求取平均值作为天馈防护器在前沿上升率为C时的动作电压；设置指数波脉冲源的前沿上升率为D，测量三次待测天馈防护器的动作电压，并求取平均值作为天馈防护器在前沿上升率为D时的动作电压。
进一步地，所述步骤1中，A＝2.2kV/ns，B＝3.9kV/ns。
进一步地，所述步骤2中，C＝2kV/ns，D＝4kV/ns；
所述步骤3中，E＝10ns，G＝80kV。
进一步地，所述步骤1中，采用数值仿真的方式，获得通信天线在HEMP环境下的耦合电压波形前沿上升率的范围。
进一步地，所述步骤3中，指数波脉冲源的内阻以及待测天馈防护器的负载阻抗相等，均为50Ω。
本发明还提出一种HEMP天馈防护器动作电压测试系统，为了实现上述一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法，其特殊之处在于：
包括充电模块、脉冲源以及防护器测试电路；
所述充电模块与脉冲源连接，用于向脉冲源加压充电；
所述防护器测试电路包括衰减器和示波器，所述脉冲源通过测试连线与待测天馈防护器的输入端连接，待测天馈防护器的输出端通过同轴电缆与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端通过同轴电缆与示波器连接，待测天馈防护器的接地端接地；脉冲源用于输出指数波，示波器用于测量待测天馈防护器的动作电压。
进一步地，所述充电模块包括直流电源VDC、充电电阻RC以及直流开关S1；
所述脉冲源包括脉冲开关S2、充电电容C0、电感L0以及电阻R0；
所述直流电源VDC的负极接地，正极与充电电阻RC的一端连接，充电电阻RC的另一端与直流开关S1的其中一个触点连接，直流开关S1的另一个触点与充电电容C0的一端连接，充电电容C0的另一端接地，充电电容C0的一端依次串联脉冲开关S2、电感L0、电阻R0，电阻R0的另一端通过测试连线与待测天馈防护器的输入端连接。
进一步地，脉冲源输出指数波的前沿为10ns，充电模块的最大加压为80kV，电阻R0为50Ω。
本发明的有益效果：
1、本发明中，待测天馈防护器测试电压的变化率(最高达4kV/ns)，能够覆盖通信天线响应电压波形前沿变化率，测试结果更准确。
2、本发明中，脉冲源输出幅度较高，2kV/ns电压变化率下可达20kV，能够获取高启动电压待测天馈防护器在HEMP激励下的动作电压值。
3、本发明中，综合考虑了波形前沿、输出幅度等因素对脉冲源及天馈防护器测试电路的影响，系统搭建难度小，测试方法可行性高，测试可实施性强，可以更准确的获取HEMP天馈防护器的动作电压，评估其对HEMP的防护效果。
4、本发明中，提出了一种采用前沿10ns、内阻50Ω、加压80kV的指数波脉冲源，可获取HEMP天馈防护器在2kV/ns、4kV/ns电压变化率下动作电压的测试方法及系统，可实施性强，能有效的获取天馈防护器在HEMP激励下的动作电压，有助于天馈防护器的选型、研制以及对防护效果的评估。
附图说明
图1是本发明一种HEMP天馈防护器动作电压测试系统实施例的电路示意图；
图2是典型偶极子天线长度与HEMP响应电压下耦合电压波形前沿上升率变化曲线图，其中，横坐标为偶极子天线长度(m)，纵坐标为耦合电压波形前沿上升率(kV/ns)；
图3(a)是本发明实施例的脉冲源输出波形与天线耦合电压波形比对图，其中，G表示脉冲源输出波形，其余波形表示1～50m不同长度通信天线耦合电压波形；
图3(b)是图3(a)的局部放大图；
图4是同一防护器在采用本发明实施例与现有技术两种不同测试方法下的动作电压波形比对图；
图5是本发明实施例使用EM1000型气体放电管构成的防护器动作电压测试波形；
图中，1、天馈防护器；2、衰减器；3、示波器。
具体实施方式
本发明中提出的天馈防护器1应用于通信天线的端口。
具体的：采用数值仿真的方法，计算典型通信天线在HEMP环境下的耦合电压波形，并获取其前沿上升率的统计特性。数值仿真主要参数设置：天线模型为偶极子天线，负载阻抗取50Ω，取1m～50m内9个不同长度(基本覆盖了对HEMP环境较为敏感的天线范围)；激励场为HEMP平面波，波形参考IEC 61000-2-9标准，波形前沿2.5ns，半宽23ns，电场强度50kV/m，电场极化方向与天线方向水平，保证最大耦合。统计仿真得到的负载耦合电压波形前沿上升率如图2所示，可知其前沿上升率范围为2.2kV/ns～3.9kV/ns。因此，针对天馈防护器1这一细分领域，其动作电压所应选取的激励波形前沿上升率应大于上述范围；
基于脉冲功率技术，分析满足2.2kV/ns～3.9kV/ns前沿上升率的脉冲源在工程实现上的可行性，同时结合待测天馈防护器1动作电压幅度特性，进一步明确HEMP待测天馈防护器1测试系统输出波形指标。
以最大前沿上升率4kV/ns为标准，脉冲源波形参数如表1所示，其中负载电压幅度为待测天馈防护器1未动作时两端电压幅度，负载阻抗通常取50Ω，脉冲源内阻通常取50Ω，因此脉冲源加压幅度为负载阻抗电压幅度的2倍。
下面通过对不同参数的脉冲源进行分析：第一步，HEMP待测天馈防护器1使用的气体放电管，其直流击穿电压可达1kV，在1kV/us电压变化率的雷电波形冲击下动作电压约2kV，而在2kV/ns电压变化率的HEMP波形冲击下，该类待测天馈防护器1动作电压通常远超过其雷电冲击下动作电压，可达其5倍以上，即大于10kV，因此需排除编号1～5组的脉冲源；第二步，脉冲源的直流电压源，在100kV以下有较为成熟的商用产品可使用，稳定性、可靠性较高，而100kV以上，需专门研制，实现难度较大，在系统稳定性和可靠性方面相对于成熟产品也有所欠缺，同时脉冲源的加压幅度(直流电压源的最大输出电压)应尽量低于其最大标称指标的80％，避免最大负荷工作状态对使用寿命的影响，因此需排除编号11～15组的脉冲源；第三步，对于前沿6ns～10ns脉冲源，由于加压幅度在48kV以上，需使用脉冲功率专业的电解电容，其尺寸大于10cm(包括输出连线)；脉冲源所使用电阻受耐压幅度和功率限制，尺寸约10cm，同时脉冲源开关尺寸包括输出连线也将大于10cm，包括考虑测试连接线等在内的测试回路总尺寸将大于40cm，估算电感大于400nH，按照“脉冲波形前沿≈2.2×回路电感/回路电阻”的经验公式，在回路电阻为100Ω的情况下，波形前沿将大于8.8ns，因此需排除编号6～8组的脉冲源。综合以上三步，可知只有第9、10组参数的脉冲源符合条件，为保证一定的裕度，确定第10组即前沿10ns、脉冲源最大加压幅度80kV的脉冲源，作为HEMP天馈待测天馈防护器1动作电压测试用脉冲源。由于加压幅度设定为80kV，可选成熟的商用模块化直流高压电源作为充电电源，不需单独研制；由于前沿设定为10ns、内阻为50Ω，脉冲源杂散电感小于500nH即可，对脉冲源尺寸限制不大(长度小于0.5m)，绝缘压力较小，开关、电阻等功率器件选择余地大。总体而言，脉冲源研制难度较小，可实施性高。
表1最大前沿变化率可达4kV/ns的脉冲源参数组合
最后，基于气体放电管动作特性分析，明确了HEMP待测天馈防护器1动作电压测试时的实验发次数。
不同于us级脉冲作用下气体放电管动作电压的幅度分布特性，在ns级快前沿脉冲作用下，特别前沿变化率达到kV/ns时，气体放电管动作电压相对稳定。这主要是因为前者的动作机理是以气体放电为主，动作电压与放电管内随机电子状况、电子崩形成时间等相关，动作电压幅度分散性较大；而后者的动作机理是强电场作用下的场致发射，主要与放电管的极间电压相关，因此动作电压分散性很小。比如EPCOS公司生产的EC90型气体放电管在2kV/ns下10发次实验的动作电压依次为2.41、2.45、2.44、2.36、2.40、2.44、2.44、2.43、2.43、2.38kV，平均值为2.42kV，单次测试结果与平均值最大偏差约1.2％，10发次中有7发次试验结果在±1％内。因此，单次试验结果可以作为HEMP天馈待测天馈防护器1动作电压测试结果，但为降低其他测试误差，规定为3发次实验取平均值。
在以上研究工作的基础上，本发明提出了采用前沿10ns、内阻50Ω、加压80kV的指数波脉冲源，进行天馈HEMP待测天馈防护器1动作电压测试的方法，并构建了相应的试验系统。
本发明提出一种HEMP天馈防护器动作电压测试系统，如图1所示，包括充电模块、脉冲源和防护器测试电路。
其中，充电模块用于向脉冲源加压，且最大加压为80kV，脉冲源用于在充电模块的加压下，输出前沿为10ns的指数波，充电模块包括直流电源VDC、充电电阻RC、直流开关S1，脉冲源包括脉冲开关S2、充电电容C0、电感L0、电阻R0；防护器测试电路包括衰减器2、数字示波器3。
直流电源VDC负极接地，正极与充电电阻RC的一端连接，充电电阻RC的另一端与直流开关S1的其中一个触点连接，直流开关S1的另一个触点与充电电容C0的一端连接，充电电容C0的另一端接地(直流电源VDC、充电电阻RC、直流开关S1与充电电容C0组成充电模块)，充电电容C0的一端依次串联脉冲开关S2、电感L0、电阻R0，电阻R0的另一端通过测试连线连接待测天馈防护器1的输入端，待测天馈防护器1的输出端通过同轴电缆与衰减器2的输入端连接，衰减器2的输出端通过同轴电缆与数字示波器3的输入端(通道CH1)连接，待测天馈防护器1的接地端通过测试连线接地，在本实施例中，电阻R0为50Ω，待测天馈防护器1的负载阻抗为50Ω。
HEMP天馈防护器动作电压测试系统工作原理如下：
首先设置直流开关S1闭合、脉冲开关S2断开，高压直流电源VDC通过充电电阻RC给充电电容C0充电，达到预设电压后，断开直流开关S1、闭合脉冲开关S2，充电电容C0对电阻R0及脉冲源电路外接额防护器测试电路放电，形成指数波脉冲，电感L0为回路等效杂散电感，数字示波器3测量待测天馈防护器1的动作电压。
基于上述系统，本发明提出一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法，包括以下步骤：
步骤1：通过数值仿真的方法获得通信天线在HEMP环境下的耦合电压波形的电压前沿上升率范围2.2kV/ns-3.9kV/ns；
步骤2：基于步骤1中的电压前沿上升率范围2.2kV/ns-3.9kV/ns，选取电压前沿上升率范围可覆盖通信天线在HEMP环境下的耦合电压波形的电压前沿上升率范围2kV/ns-4kV/ns的指数波脉冲源；
步骤3：基于步骤2中，指数波脉冲源的电压前沿上升率范围、指数波脉冲源的内阻50Ω以及待测天馈防护器1的负载阻抗50Ω，选择指数波脉冲源的前沿为10ns以及最大输出电压为80kV；
步骤4：分别设置脉冲源加压40kV，获取三次2kV/ns电压变化率下防护器动作电压，并求取三次动作电压的平均值，将平均值作为2kV/ns电压变化率下防护器的动作电压；设置脉冲源加压80kV，获取三次4kV/ns电压变化率下防护器动作电压，并求取三次动作电压的平均值，将平均值作为4kV/ns电压变化率下防护器的动作电压，完成HEMP天馈防护器动作电压的测试。
下面结合实施实例进一步说明本发明优势。
如图3(a)和图3(b)所示，对脉冲源输出波形和1～50m不同长度通信天线耦合电压波形进行比对，可以直观看出，两种波形前沿部分较为近似，该脉冲源适用于测试天馈防护器1的动作电压。
以某采用EPCOS公司EC90型气体放电管的防护器为例，采用现有测试方法，使用2ns前沿指数波,测得的最高动作电压为1.8kV，此时实测电压波形变化率约0.7kV/ns，动作电压波形如图4所示。采用本发明所提出的方法及系统，在脉冲源加压40kV时，防护器动作电压为3.3kV，此时实测电压波形变化率约2kV/ns，动作电压波形如图4所示。由于天馈系统中，2kV/ns更接近通信天线实际耦合电压波形的前沿变化率，因此利用本发明提出的方法及系统能够得到更为准确的测试结果，更能够评价防护器对HEMP的防护效果。
以某采用EPCOS公司EM1000型气体放电管的防护器为例，采用本发明方法在2kV/ns等级下，测得的动作电压为6.4kV，波形如图5所示。该幅值高于1ns前沿方波发生器所能提供的4kV电压。同时根据这一实例，也可以得到，即使是高动作电压的防护器(天馈防护器1动作电压通常小于该型防护器)，在1kV/ns脉冲(脉冲源加压20kV)作用下，其动作主要发生在激励波形的前沿(如图5所示)，动作电压仅与波形前沿参数相关，与波形是阻尼正弦波还是指数波没有关联，因此可以采用同一波形进行测试，而不是GJB 8848所提出的不同频率的阻尼正弦波，从而简化了测试系统，提高了测试效率。
Claims (9)
1.一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获得通信天线在HEMP环境下，耦合电压波形的电压前沿上升率范围A～B，其中，A＞0；
步骤2：基于步骤1中的耦合电压波形电压前沿上升率范围A～B，选取电压前沿上升率范围可覆盖A～B的指数波脉冲源，定义，指数波脉冲源的电压前沿上升率范围为C～D，其中，C＜A，D＞B；
步骤3：基于步骤2中，指数波脉冲源的电压前沿上升率范围C～D、指数波脉冲源的内阻以及待测天馈防护器(1)的负载阻抗，选择指数波脉冲源的前沿E以及最大输出电压G；
步骤4：在步骤3的基础上，分别设置指数波脉冲源的前沿上升率为C，测量待测天馈防护器(1)的动作电压；设置指数波脉冲源的前沿上升率为D，测量待测天馈防护器(1)的动作电压，完成HEMP天馈防护器动作电压的测试。
2.根据权利要求1所述的一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法，其特征在于：
所述步骤4中，分别设置指数波脉冲源的前沿上升率为C，测量三次待测天馈防护器(1)的动作电压，并求取平均值作为天馈防护器(1)在前沿上升率为C时的动作电压；设置指数波脉冲源的前沿上升率为D，测量三次待测天馈防护器(1)的动作电压，并求取平均值作为天馈防护器(1)在前沿上升率为D时的动作电压。
3.根据权利要求2所述的一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法，其特征在于：所述步骤1中，A＝2.2kV/ns，B＝3.9kV/ns。
4.根据权利要求3所述的一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法，其特征在于：所述步骤2中，C＝2kV/ns，D＝4kV/ns；
所述步骤3中，E＝10ns，G＝80kV。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法，其特征在于：所述步骤1中，采用数值仿真的方式，获得通信天线在HEMP环境下的耦合电压波形前沿上升率的范围。
6.根据权利要求5所述的一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法，其特征在于：所述步骤3中，指数波脉冲源的内阻以及待测天馈防护器(1)的负载阻抗相等，均为50Ω。
7.一种HEMP天馈防护器动作电压测试系统，为了实现权利要求1-6任一所述的一种HEMP天馈防护器动作电压测试方法，其特征在于：
包括充电模块、脉冲源以及防护器测试电路；
所述充电模块与脉冲源连接，用于向脉冲源加压充电；
所述防护器测试电路包括衰减器(2)和示波器(3)，所述脉冲源通过测试连线与待测天馈防护器(1)的输入端连接，待测天馈防护器(1)的输出端通过同轴电缆与衰减器(2)的输入端连接，衰减器(2)的输出端通过同轴电缆与示波器(3)连接，待测天馈防护器(1)的接地端接地；脉冲源用于输出指数波，示波器(3)用于测量待测天馈防护器(1)的动作电压。
8.根据权利要求7所述的一种HEMP天馈防护器动作电压测试系统，其特征在于：
所述充电模块包括直流电源VDC、充电电阻RC以及直流开关S1；
所述脉冲源包括脉冲开关S2、充电电容C0、电感L0以及电阻R0；
所述直流电源VDC的负极接地，正极与充电电阻RC的一端连接，充电电阻RC的另一端与直流开关S1的其中一个触点连接，直流开关S1的另一个触点与充电电容C0的一端连接，充电电容C0的另一端接地，充电电容C0的一端依次串联脉冲开关S2、电感L0、电阻R0，电阻R0的另一端通过测试连线与待测天馈防护器(1)的输入端连接。
9.根据权利要求7或8所述的一种HEMP天馈防护器动作电压测试系统，其特征在于：
脉冲源输出指数波的前沿为10ns，充电模块的最大加压为80kV，电阻R0为50Ω。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311098213.8A CN117129783A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 一种hemp天馈防护器动作电压测试方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311098213.8A CN117129783A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 一种hemp天馈防护器动作电压测试方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117129783A true CN117129783A (zh) | 2023-11-28 |
Family
ID=88852320
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311098213.8A Pending CN117129783A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 一种hemp天馈防护器动作电压测试方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117129783A (zh) |
-
2023
- 2023-08-29 CN CN202311098213.8A patent/CN117129783A/zh active Pending
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