雷電電磁脈沖場對多芯線的耦合效應(yīng)研究

王 浩，陳亞洲，萬浩江，王曉嘉

(軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北石家莊 050003)

雷電是自然界中發(fā)生頻率較高的一種大規(guī)模靜電放電現(xiàn)象，同時是一種典型的天然強電磁危害源，發(fā)生閃擊時，閃電回擊通道中的電壓可高達幾百萬伏，電流可高達幾十萬安培，會在閃電通道周圍產(chǎn)生強大的電磁輻射效應(yīng)，對電子電氣設(shè)備構(gòu)成了嚴重的威脅［1-3］。1941年，BRUCE和GOLDE提出閃電電流的雙指數(shù)模型，后人在此基礎(chǔ)上進行了更加深入的研究，先后提出了TL(transmission line)，MTLE(modified transmission line exponential)，MTLL(modified transmission line linear)，TCS(travelling current source)以及 DU(Diendorfer-Uman)等雷電回擊電流模型。與此同時，國內(nèi)外研究者對雷電回擊速度、回擊通道高度以及傳播環(huán)境對雷電電磁脈沖的分布影響進行了大量的實際測試工作，得到了許多寶貴的數(shù)據(jù)。根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)，研究者對雷電回擊以及雷電電磁脈沖場的傳播進行了廣泛的理論研究［4-6］。

而雷電造成的災(zāi)害可以分為兩大類，一類是由于雷電的直接效應(yīng)造成的，另一類是由于二次雷擊效應(yīng)或者說感應(yīng)雷造成的，也叫雷電的間接效應(yīng)。而線纜是電子設(shè)備LEMP耦合的主要途徑之一，目前對雷電電磁場與線纜的耦合研究主要集中于架空輸電線和通信線纜以及埋地線纜的長距離耦合或者是雷擊近點線纜的感應(yīng)過電壓［7-11］，而對于短線纜的雷電電磁脈沖遠場耦合效應(yīng)的研究還比較少。

在信息時代，多芯線在工程上具有廣泛應(yīng)用，具有很高的研究價值［12-14］。本文利用室外雷電電磁脈沖場有界波模擬器，對多芯線短線纜進行輻照，模擬雷電電磁脈沖遠場對線纜的耦合效應(yīng)，得到雷電電磁脈沖波形的改變以及多芯線的線纜長度、極化角度及終端負載改變對線纜終端響應(yīng)的影響規(guī)律，對雷電電磁脈沖防護工作的研究具有一定參考意義。

1 試驗平臺

1.1 試驗設(shè)備介紹

試驗裝置選用大型有界波模擬器來產(chǎn)生雷電電磁脈沖場。有界波模擬器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括脈沖源、前過渡段、傳輸線、后過渡段和終端負載等幾部分。試驗中選取WU-800型MARX源和雷電電磁脈沖源作為脈沖源，脈沖源輸出電壓最高可達800 kV，且通過調(diào)節(jié)脈沖源前端負載及終端負載可輸出不同雷電脈沖波形。輸出波形的脈沖前沿時間為 0.5，1.2，1.5，2，3，8，10，20 μs可調(diào)，脈沖半波寬度為 20，50，100，200，250，500μs可調(diào)。對于有界波模擬器，在工作區(qū)間內(nèi)，可視為均勻場，且當脈沖源頻率f≤1 MHz時，有界波模擬器不按傳輸線理論分析，其場強可以按E=K·U/d計算，當所加激勵源的脈沖上升時間大于1μs時，傳輸系數(shù)K=1，即認為有界波模擬器可以對雷電電磁脈沖進行無損耗的傳輸［15-18］。

1.2 試驗方法

試驗過程中將選用5.4 m五芯線纜垂直放入有界波模擬器工作區(qū)，選擇其中2根作為試驗對象，一端接50 Ω屏蔽式負載，另一端連接50Ω通過式負載，其余3根芯線兩端懸空，等效于連接大電阻。通過式負載之后通過30 dB衰減器連接光電設(shè)備與示波器連接，其中光電轉(zhuǎn)化的特性阻抗為50Ω。為方便表示，定義連接光電設(shè)備的一端負載為受測端負載，另一端負載為非受測端負載。然后通過改變雷電電磁脈沖場波形、線纜長度、擺放角度以及負載等條件，分別觸發(fā)5次取平均值，得到多芯線受測端負載感應(yīng)電壓對雷電電磁脈沖的響應(yīng)。

圖1 電纜耦合試驗系統(tǒng)Fig.1 Test configuration for cable coupling studies

2 雷電電磁脈沖場波形對線纜感應(yīng)電壓的影響

由于雷電電磁脈沖函數(shù)并不是完全確定的，標準雷電電磁脈沖只是對雷電的一種近似描述，所以國際電工委員會規(guī)定:雷電波的上升時間可有30%的誤差，半峰值時間可有20%的誤差［19］。在試驗中調(diào)節(jié)MARX源的前端負載和終端負載，可以得到1.5/20，8/50，8/20，2/100，3/200，20/250，10/200，20/200μs 8種雷電電磁脈沖模型。設(shè)定觸發(fā)電壓為25 kV，圖2所示分壓比為4170/1的分壓器分壓經(jīng)20 dB衰減后得到的輸出波形。輸出波形通過有界波模擬器的無損耗傳輸，可在工作區(qū)間得到場強E=K·U/d=25 kV/6 m=4.2 kV/m的平面波均勻場。

圖3所示為5.4 m多芯線在10/200μs模型雷電電磁脈沖場場強為4.2 kV/m輻照條件下，經(jīng)30 dB衰減后，線纜終端負載的感應(yīng)電壓波形。觸發(fā)電平不變，改變MARX源輸出波形可發(fā)現(xiàn)線纜終端負載的響應(yīng)波形并未發(fā)生明顯改變，但感應(yīng)電壓(峰-峰值)產(chǎn)生變化，如表1所示。

圖2 MARX源可調(diào)雷電電磁脈沖波形Fig.2 Waveform of lightning electromagnetic pulse regulated by MARX generator

圖3 線纜感應(yīng)電壓波形Fig.3 Induced voltage waveform of unshielded multi-core cable

由表1可得，輸出場波形的上升沿對線纜的感應(yīng)電壓影響較大，上升沿越快，線纜感應(yīng)電壓越大，而脈寬對線纜感應(yīng)電壓影響較小。這是因為雷電電磁脈沖的高頻成分主要由上升沿決定，而脈寬或下降沿決定低頻成分。脈沖上升沿越快，高頻成分就越多，與線纜的諧振點越接近，耦合進線纜的能量就越大，導(dǎo)致線纜的感應(yīng)電壓越大。

圖4所示為10/200μs雷電電磁脈沖近似輸出波形，在本次試驗中選定以該波形為主要試驗波形。下文如不特別指出，則默認有界波模擬器工作區(qū)間的場為10/200 μs雷電電磁脈沖波形所產(chǎn)生的輻射場。

圖4 10/200μs雷電電磁脈沖波形Fig.4 Lightning electromagnetic pulse waveform of 10/200μsmodel

3 電場入射方向?qū)Ω袘?yīng)電壓的影響

極化方向是影響線纜感應(yīng)電壓的重要因素，在試驗中設(shè)線纜與電場方向平行時夾角γ為0°，電場方向與線纜方向垂直時夾角γ為90°，改變線纜與電場方向的夾角，其余試驗條件不變，分別取 γ 為 0°，22°，34°，48°，68°及90°時線纜終端負載處感應(yīng)電壓，如圖5所示。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，當線纜方向與電場方向夾角γ為0°即平行時，線纜終端負載處感應(yīng)電壓最大，而隨著線纜方向與電場方向角度γ的增大，線纜終端負載處感應(yīng)電壓(峰-峰值)也隨之降低，直至夾角γ為90°時，感應(yīng)電壓最小。線纜在電場中的感應(yīng)電壓大小為U=E·l·cosγ，隨著夾角的增大，電場在線纜方向的分量逐漸縮小，從而耦合到線纜上的能量降低，驅(qū)動電壓變小，導(dǎo)致感應(yīng)電壓逐步降低。當線纜方向與場方向垂直時，理論上線纜的感應(yīng)電壓為0，但有界波模擬器內(nèi)的電場方向并不是完全垂直，也存在一定的水平分量，同時由于試驗噪聲的存在，導(dǎo)致線纜與電場方向垂直時負載處依然存在感應(yīng)電壓。同時發(fā)現(xiàn)隨著感應(yīng)電壓的減小，線纜衰減振蕩的波形及脈寬并沒有變化，即線纜極化方向?qū)K端負載電壓只影響幅值大小，并不影響頻域變化。

圖5 不同角度時線纜受測端負載感應(yīng)電壓Fig.5 Induced voltage of the terminating load ofmulti-core cable at different angles

4 線纜長度對終端負載感應(yīng)電壓的影響

互聯(lián)系統(tǒng)中受試線纜的長度決定了電磁輻照效應(yīng)的選頻特性，是決定終端負載響應(yīng)的重要因素之一。在試驗中，分別取 1.2，2.4，5.4，10.8 及 21.6 m 多芯線進行測試，由于試驗場地的限制，10.8 m 多芯線及21.6 m多芯線與電場的夾角分別呈45°及30°，其余條件不變，得到不同長度多芯線在10/200μs模型雷電電磁脈沖場輻照下的感應(yīng)電壓，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同長度線纜受測端負載感應(yīng)電壓Fig.6 Induced voltage of the terminating load ofmulti-core cable with different length

由圖6可知，隨著線纜長度的變大，終端負載處的感應(yīng)電壓的脈寬及幅值也隨之增大，對終端負載處感應(yīng)電壓做傅里葉變換，發(fā)現(xiàn)感應(yīng)的主頻降低，但幅值變大。這是因為對于線纜的頻域峰值響應(yīng)頻點為f=n·c/2L，式中c為真空光速，L為線纜長度，n為自然數(shù)。當n=1 時，6.79，12.5，22.5，41 及 49 MHz所對應(yīng)的線纜長度分別為22，12，6.6，3.7及3 m，與受試線纜長度基本一致。而產(chǎn)生偏差的原因是由于試驗條件與理想試驗條件存在一定差距，同時傅里葉變換過程是離散的，導(dǎo)致提取感應(yīng)理想峰值頻點時存在一定誤差。對于試驗選取的10/200μs雷電電磁脈沖的主頻在30 kHz之內(nèi)，其波長為λ=c/f≥10 km?21.6 m，此時的場線耦合可以視為閉合回路耦合［20］，隨著線纜長度的增加，閉合回路的面積不斷變大，導(dǎo)致耦合能量不斷增強，從而導(dǎo)致終端負載處的感應(yīng)電壓逐漸變大。10/200μs雷電電磁脈沖頻譜如圖7所示。

5 負載變化對耦合電壓的影響

不同的終端負載對線纜終端處負載上的耦合電壓也會有影響。實際運用中，一般更關(guān)心的就是終端設(shè)備上的耦合電壓，因此研究負載變化對于研究雷電電磁脈沖對線纜的輻照感應(yīng)電壓的影響具有重要意義。

圖7 10/200μs雷電電磁脈沖頻譜Fig.7 Frequency spectrum of lightning electromagnetic pulse with 10/200μs waveform

5.1 受測端負載對耦合電壓的影響

為得到線纜不同終端負載情況下的感應(yīng)電壓，分別在受測端連接 10，25，50，80，100，220，300，470，680，1 200Ω通過式負載，由于光電的特性阻抗為50Ω，因此，線纜的受測端連接負載阻值分別為8，17，25，31，33，41，43，45，47，48 Ω，然后連接輸入內(nèi)阻為1 MΩ的示波器。線纜終端負載處的感應(yīng)電壓如圖8所示。

圖8 不同阻值時線纜受測端負載感應(yīng)電壓Fig.8 Induced voltage of the terminating load of the cable with different value of resistance

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，線纜終端負載處的感應(yīng)電壓隨著受測端負載阻值的增加而增大，且增大的趨勢并未出現(xiàn)明顯變化。同時，隨著感應(yīng)電壓幅值的增大，感應(yīng)電壓的波形并沒有發(fā)生變化，說明終端負載的變化并沒有改變線纜感應(yīng)電壓的頻譜分布。

5.2 非受測端負載對耦合電壓的影響

試驗條件不變，在線纜受測端連接50Ω通過式負載，通過30 dB衰減器連接光電設(shè)備與示波器。在非受測端，分別連接50，80，100，200，300，1 000Ω屏蔽式負載，觀察示波器，得到非受測端負載變化時線纜受測端負載感應(yīng)電壓，如圖9所示，表2所示為感應(yīng)電壓(峰-峰值)。

表2 非受測端負載改變時線纜受測端感應(yīng)電壓(峰-峰值)Tab.2 Peak-peak induced voltage change of cable terminal load under testwith different value of terminal load not under test

圖9 非受測端負載改變時線纜受測端負載感應(yīng)電壓Fig.9 Induced voltage change of terminals load under testwith different value of terminal load not under test

從圖9及表2可以發(fā)現(xiàn)當非受測端負載發(fā)生改變時，受測端負載的感應(yīng)電壓波形未發(fā)生變化，與受測端負載改變時測得的波形基本一致，說明非受測端負載變化并未改變受測端感應(yīng)電壓的頻譜分布。但通過改變非受測端負載，受測端感應(yīng)電壓的幅值產(chǎn)生了不規(guī)律變化。

圖10 輻照條件下多芯線終端負載響應(yīng)等效電路Fig.10 Equivalent circuit of terminal load response for unshielded multi-core cable under irradiation test

前文提到試驗選取的10/200μs雷電電磁脈沖的主頻在30 kHz之內(nèi)，其波長為 λ=c/f≥10 km?21.6 m，此時的場線耦合可以視為閉合回路耦合。此時線纜與大地構(gòu)成回路，當線纜受到電磁脈沖輻照時，平行于線纜的電場與通過回路的磁場能量將耦合到線纜，耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電流在線纜兩端來回振蕩。同時等效形成沿線分布的電壓源，對于多芯線端口處負載，線纜可以等效為帶有一定內(nèi)阻r的電壓源U，如圖10所示，其中R1為受測端負載，R2為非受測端負載。根據(jù)分壓原理，受測端負載R1電壓U1=R1U/(R1+r)。在試驗數(shù)據(jù)中任取2組進行計算，得到U=9.3 V，r=256Ω。將試驗數(shù)據(jù)與計算值進行對比，如表3所示，發(fā)現(xiàn)試驗值與計算值之間存在一定的差異，考慮到試驗誤差，結(jié)果在誤差接受范圍之內(nèi)。因此，受測端負載處電壓隨著負載阻值的增加而增大，而由圖10可得非受測端負載的變化對受測端負載的感應(yīng)電壓變化無影響，而試驗過程中由于非受測端負載阻值的改變而造成受測端負載感應(yīng)電壓的小幅度變化可視為試驗誤差。

表3 終端負載感應(yīng)電壓計算值及差值Tab.3 Induced voltage calculation values and differential values ofmulti-core cable terminal load under test

6 結(jié)語

利用以WU-800型MARX源和雷電電磁脈沖源作為脈沖源的有界波模擬器，進行了雷電電磁脈沖場對多芯線短線纜的輻照試驗，嘗試模擬了雷電電磁脈沖遠場部分對線纜的耦合效應(yīng)。試驗中通過改變雷電電磁脈沖場波形、線纜長度、線纜與電場夾角及線纜終端負載等條件得到了在不同條件下受測端負載處的感應(yīng)電壓，為下一步研究雷電電磁脈沖遠場對多芯線纜的耦合作用奠定了一定的試驗基礎(chǔ)。經(jīng)過分析，得到了以下結(jié)論。

1)雷電電磁脈沖場波形上升沿越快，高頻分量越多，多芯線終端負載的感應(yīng)電壓越大，而場波形的脈寬對終端負載的感應(yīng)電壓基本無影響。

2)多芯線終端負載感應(yīng)電壓幅值隨著線纜與電場方向夾角的增大而變小，但感應(yīng)電壓的頻譜分布并不發(fā)生變化。

3)當線長L?波長λ時，輻射場對多芯線的耦合可以看作閉合回路耦合，線纜終端負載的感應(yīng)電壓隨著線纜長度的增加而變大，且線纜長度具有選頻特性，隨著線纜的增大其感應(yīng)的主頻點也隨之降低，為f=c/2L。

4)當多芯線兩端連接線性負載時，線纜對受測端負載可等效為一含內(nèi)阻的電壓源，受測端負載電壓隨R的增加而增大，與內(nèi)阻進行分壓;而非受測端負載的改變對受測端負載感應(yīng)電壓無影響;且當多芯線兩端負載線性變化時并沒有影響受測端負載感應(yīng)電壓的頻譜分布。

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