电涌保护器对核电磁脉冲的响应性能测试与分析俞阳石立华万浩江周颖慧（理工大学全军电磁脉冲防护研究测试中心，南京２１０００７）摘要：本文以某新型电涌保护器的测试为例，开展了该类器件对核电磁脉冲响应能力的测试和分析。建立了基于核电磁脉冲信号源和专用测试夹具的测试系统，测定了该电涌保护器件对不同上升时间注入脉冲的响应特性，获得了器件响应电压与脉冲上升时间的关系。结合以上实验数据，采用基于传输线方程的线缆耦合时域分析方法，进一步建立了该器件在线路中使用时的预测分析模型，计算结果与实验数据的吻合。为评估电涌防护器件对核电磁脉冲防护的适用性提供了一套较为系统的研究途径。关键词：电磁兼容，电涌保护器，核电磁脉冲，响应特性，建模分析１引言电涌保护器（ｓｕ曙ｅｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｄｅｖｉｃｅ，ＳＰＤ）是一种通过抑制瞬态过电压以及旁路电涌电流来保护设备的装置，具有非线性响应特性，其最基本的使用方法就是直接与被保护的用电设备并联，以便对超过被保护设备预定电压值的情况进行能量转移【１】。以往这类装置主要用于雷击在线路上产生的电涌的防护【２Ｊ，而对于上升时间极快（通常为纳秒级）的核电磁脉冲（ｎｕｃｌｅａｒ数值建模分析。ｐｕｌｓｅ，ＮＥＭＰ）在线路上产生的骚扰脉冲的防护，是否也具有类似的有效性，目前尚无确定的结论。针对这一课题，本文开展了相关的试验研究和ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ２ＳＰＤ测试系统的建立ＳＰＤ的实际防护性能与其在整个装置中的使用位置以及相关电磁环境（例如未防护区与防护区的屏蔽质量）有很大关系【３Ｊ。因此，对ＳＰＤ的测试时应当采取必要措施减少干扰信号对测试结果的影响，使测试结果最大程度地体现出受试器件本身的特性。围绕这一问题设计制作了专门的测试夹具，其作用主要有以下三点：（１）固定被测器件；（２）保证传输线匹配；（３）隔离瞬态脉冲的辐射。这一装置分为未防护端和防护端两个部分，如图１（ａ）所示，通过同轴接头与其他测试设备连接。图１（ｂ）给出了测试夹具的实物图。根据上述测试夹具建立了ＳＰＤ响应特性测试系统，如图２所示。这套装置由核电磁脉冲发生器、屏蔽线缆、ＳＰＤ测试夹具、５０Ｑ负载以及数字示波器组成。所有连接线缆均采用５０Ｑ屏蔽电缆，从而满足阻抗匹配的条件，保证整个测试回路内波形的一致。·２４９·（ａ）结构原理图（ｂ）实物照片图１ＳＰＤ测试夹具图２ＳＰＤ响应特性测试系统３ＳＰＤ对核电磁脉冲的晌应能力测试采用图２所示的测试系统，对型号为ａ盯乙５０同轴型复合式电涌保护器进行了测试。图３和图４分别给出了３／２５ｎｓ（前沿上升时间是３ｎＳ，半峰值时间是２５ｎｓ）和１０／１００ｎｓ两种电磁脉冲注入时的测试波形。从图３可以看出：在注入脉冲电压达到一定程度∞１＝１０４０Ⅵ时，该同轴气体放电管开始响应，其作用是使脉冲波形变窄，而且注入脉冲电压峰值越高Ⅳ１＝１４３０），波形变得越窄，这说明它是通过对脉冲能量的吸收来达到抑制效果的，其中图（ａ）、（ｂ）和（ｃ）分别是器件对３／２５ｎｓ电磁脉冲未响应、起始响应和良好响应时的波形，从中可以看出该器件随着注入脉冲电压峰值增大而进行响应的过程。未响应是指器件残压波形（半峰值宽度：ｔｓｈｗ＝１９．８７ｎｓ，下同）与注入脉冲波形以ｈｗ＝２１．１４ｎｓ）相差不大；起始响应是指器件残压波形（ｔｓｂ。＝１５．３４ｎｓ）与注入脉冲波形（１ｓｈ。＝２３．７２ｎｓ）相比有明显变化，这是由于器件开始动作所引起·２５０·的；良好响应是指器件残压波形（Ｉｓｂ。＝９．８７ｎｓ）与注入脉冲波形（ｔ。ｈｗ＝２４．８９ｎｓ）相比变化很大，这说明注入电压峰值越高，器件的动作效果越明显。图４（ａ）、（ｂ）也显示了相似的结果，对１０／１００ｎｓ电磁脉冲器件是在注入电压Ｕ１＝６４０Ｖ时开始响应的。１１埘‘Ｆ’ｌＩｌ证２蕺帮●■ｒ划｝璃．＾：：■＼。；！．。‘：弦＼¨．．弘卜－｝！：＼■州拶＋ｆ＝、沁≯？：…５Ｌ、、。ｏ一…一一：一：……．…：：＿．Ⅳ一；≥警鹭磐≯＝－ｊ｜∑兰（ａ）Ｕ１＝９２８（ｂ）Ｕ１＝１０４０Ｖ（ｃ）Ｕｌ＝１４３０Ｖ图３ＣＭＴＺ．５０对３／２５ｎｓ电磁脉冲的响应波形图４ＣＭＴＺ．５０对１０／１００ｎｓ电磁脉冲的响应波形通过对比两种电磁脉冲的测试数据和波形，可以发现：ＣＭＴＺ．５０对电磁脉冲的起始响应电压是与注入电磁脉冲的前沿上升时间密切相关的，脉冲上升时间越快，其起始响应电压越高。为了确定器件起始响应电压与脉冲上升时间的规律，进行了下列一组测试试验。通过增加负载和电感的方法调整脉冲发生装置的输出，改变输出脉冲波形的上升时间，然后通过试验得到了器件在不同上升时间脉冲作用下的起始响应电压值（数据见表１）。表１起始响应电压值与脉冲上升时间的对应数据关系序号ｌ２３４５６７８９上升时间３．６９４２６３８２３７．９７１２９．２３６２１１．７６７８１９．６２２５２２．７３７５２４．“７５２７．４６６７ｔ，（ｍ）起始响应电压值１０４０６５６６４０６２４６１２４８４４４６４０２３６１Ｕ，（Ｖ）·２５１·图５实线表示的是实验得到的器件起始响应电压值与脉冲上升时间的关系曲线，对其进行了一阶指数数值拟合得到虚线所示的曲线。式（１）给出了数值拟合曲线公式，通过这一公式可以估计ａ旧巴乙．５０在不同注入脉冲下的响应特性，并根据相应抑制指标确定该器件的适用性。ｕ，＝１１２７．６ｅ－０’１９１坼＋４１５（３ｎｓ≤ｔ，≤３０ｎＳ）（１）１＇∞１０∞咖啪枷７∞咖５∞４∞３∞１０１Ｓ∞筠∞ｔ』·．）图．５不同脉冲上升时间对应的ＣＭＴＺ．５０起始响应电压曲线４ＳＰＤ响应特·Ｉ生建模分析在建立ＳＰＤ器件响应特性模型的基础上，可采用非线性负载与传输线方程相结合的方法，进一步研究这类器件连接于传输线终端时、在辐射场作用下整个系统的响应情况。以往对ＳＰＤ器件响应特性分析主要考虑其非线性电阻特性，对电涌电压上升时间的影响考虑不多。在分析预测手段方面，一般采用传输线和电子电路仿真软件Ｐｓｐｉｃｅ来建立仿真模型１４Ｊ－１６Ｊ。本文已建立的用于分析核爆炸源区地下电磁脉冲传导耦合分析程序【７】，考虑了ＣＭｒｚ．５０的Ｕ，．ｔ，特性，建立了其对ＮＥ＾伸响应特性的预测分析模型。该程序的分析过程是针对ＮＥＭＰ形成的辐射干扰环境，计算线缆的感应电流和感应电压，同时结合（１）式得到的Ｕ，．ｔｒ关系式，计算终端响应电压的波形。图６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）分别给出了不同上升时间电磁脉冲作用下线缆终端开路（虚线）和接ＣＭＴ乙５０（实线）的耦合电压波形对比。从图中可以看出，终端接ＣＭＴＺ．５０后耦合电压峰值是根据脉冲上升时间变化的，（ａ）、（ｂ）、（ｃ）的耦合电压峰值分别为８６４．７３Ｖ、５２８．２８Ｖ、４３１．６９Ｖ，与实验数据（见表１）所反映的规律是一致的。（ａ）ｔｒ＝４．８璐（ｂ）ｔｒ－１２璐（ｃ）ｔｒ＝２２惦图６终端开路和接Ｃ＾厦Ｔｚ－５０时不同上升时间耦合电压波形对比·２５２·５结束语本文通过某型ＳＰＤ对ＮＥ＾佃响应特性的测试，研究了ＳＰＤ用于核电磁脉冲防护的有效性。根据实验数据进行了ＳＰＤ响应特性的建模分析，计算结果与实验数据的吻合，表明这种建模方法可以作为ＳＰＤ响应能力预测分析的一种有效手段，从而实现在各种复杂核电磁脉冲场环境中对ＳＰＤ的响应特性进行分析预测。参考文献陈淑风，马蔚宇，马晓庆．电磁兼容试验技术．北京：北京邮电大学出版社，２００１，２２０～２２１周志敏，周纪海．电子信息系统防雷接地技术【Ｍ】．北京：人民邮电出版社，２００４Ⅲ嘲嘲ｍＣ６１０００４２４—１９９７，Ｔｅｓｔｉｎｇ姐ｄＭｅ弱ｕ崩ｎｅｎｔ枷ｑｕｃｓ·Ｔｃｓｔｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｐｆｏｔｅｃｔｉｖｅｄｅ、ｒｉｃｅｓｆｏｒ卸三ＭＰｃｏｎｄｕｃｔｅｄｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ李晓颖，曲杰琳．非线性电阻Ｐｓｐｉｃｃ模型的建立【Ｊ】．佳木斯大学学报，２０００，１８（１）：５０一５２Ⅲ同ＭｎｔｏｎＢｌｅｙＪｕｎｊｏｒ，Ｍ粕ｒｏＦａｃｃｉｏｎｊＦｉｍｏａｎｄＡｄｒｏａｌｄｏｌｈｉｚｅＬＭｏｄｅｌｉｎｇｔｒａｎｓｉｃｎｔｄｉｓｃｈａ玛ｅ辄ｐｐｒｅｓｓｏｒｓ．ＩＥＥＥＰｏｔｃｎｔｉａｌｓ，２００４，２２（６）：４３４５同Ｍ孤丘蜘Ｈｏｌｚｅｒ，砌ＺａｐｓｂＭｏｄｅｌｉｎｇｖａｒｉｓｔｏｒｓ埘ｔｌＩＰｓｐｉ∞：ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＢｅａｔＳ商ａ１龃ｄＥ玎０ｒ【Ｊ】．Ｃｏｍｐｎ观ｃｅＥｎｇｉｎｅｅｆｉｎｇ，２００６，２２（３）：１２０－１２４川周颖慧．触地核爆炸电磁脉冲对埋地导体耦合的时域分析方法研究【Ｄ】．南京：理工大学，２００６·２５３·电涌保护器对核电磁脉冲的响应性能测试与分析
作者：作者单位：
俞阳， 石立华， 万浩江， 周颖慧
理工大学全军电磁脉冲防护研究测试中心,南京,210007
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