大電流作用下電纜轉(zhuǎn)移阻抗非線性特性研究

石立華 張劉輝，2 張 祥 周穎慧

（1.解放軍理工大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)與光電工程國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210007；2.中國(guó)人民解放軍73911部隊(duì)，江蘇 南京210012）

引 言

屏蔽電纜表面轉(zhuǎn)移阻抗的測(cè)試通常在頻域內(nèi)開(kāi)展［1］，屬于小信號(hào)的注入測(cè)試方式；而利用時(shí)域測(cè)試方法能夠進(jìn)行大電流注入試驗(yàn)，該方法不僅能夠直觀地反映電纜對(duì)電磁脈沖的耦合效果，也能換算得到電纜的頻域轉(zhuǎn)移阻抗特性.因此在電磁脈沖防護(hù)中，采用時(shí)域法評(píng)價(jià)電纜在大電流沖擊作用下的屏蔽響應(yīng)顯得尤為重要.時(shí)域法分為輻射試驗(yàn)法和電流注入法.模擬器中開(kāi)展的輻射試驗(yàn)更能接近實(shí)際的電磁脈沖耦合情況，但受限于模擬器的空間和電磁脈沖入射角，輻射試驗(yàn)難以獲得足夠大的耦合電流.相比輻射試驗(yàn)法，電流注入法易于實(shí)施，方便對(duì)電纜開(kāi)展電磁脈沖耦合試驗(yàn).

采用電流注入法對(duì)電纜進(jìn)行評(píng)價(jià)在國(guó)內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注，Goldstein等［2］分析了屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗時(shí)域和頻域測(cè)試方法，采用間接注入的方式獲得5kA的注入脈沖電流，觀察到了某型屏蔽電纜的飽和現(xiàn)象.周啟明等［3］利用脈沖電流注入法得到了多芯電纜的傳遞函數(shù).張琦等［4］采用三同軸法驗(yàn)證了屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗時(shí)域測(cè)量與建模方法的有效性.Orlandi等［5-7］提出了在大電流注入（Bulk Current Injection，BCI）下同軸電纜的集成電路仿真程序（simulation program with integrated circuit emphasis，SPICE）電路模型.Tang等［8］采用脈沖注入的方式研究了帶有非線性電涌保護(hù)器（surge protection device，SPD）器件的同軸電纜的負(fù)載響應(yīng)電壓，結(jié)果表明在4kA脈沖電流作用下芯線所接負(fù)載上產(chǎn)生了明顯的限幅效應(yīng).國(guó)內(nèi)在時(shí)域評(píng)價(jià)電纜的屏蔽性能時(shí)還主要集中在小信號(hào)條件下，而對(duì)大電流注入非線性效應(yīng)試驗(yàn)因開(kāi)展難度較大，工作有待進(jìn)一步開(kāi)展.本文研究了一種采用大電流脈沖注入屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗時(shí)域測(cè)試方法，研究了電纜在不同幅度注入下的芯線耦合非線性效應(yīng).

1 轉(zhuǎn)移阻抗的大電流注入測(cè)試方法

1.1 測(cè)試原理

大電流注入測(cè)試需要解決三個(gè)問(wèn)題：一是大電流的產(chǎn)生，二是測(cè)試裝置的脈沖耐壓，三是時(shí)域測(cè)試結(jié)果的評(píng)價(jià).本文提出了一種五平行線裝置，用于測(cè)量大電流注入下的多芯屏蔽電纜響應(yīng)，其原理如圖1所示.高壓脈沖源產(chǎn)生的信號(hào)注入受試電纜屏蔽層，信號(hào)源、電纜屏蔽層、終端負(fù)載和四根驅(qū)動(dòng)線構(gòu)成外回路；受測(cè)試電纜始端芯線與屏蔽層間接負(fù)載R1，并用卡鉗式脈沖電流探頭測(cè)電流；受試電纜本身構(gòu)成內(nèi)回路，電纜終端輸出通過(guò)同軸式電壓探頭接數(shù)字存儲(chǔ)示波器，可獲得被測(cè)芯線與電纜屏蔽層之間的電壓.五平行線裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸線特征阻抗可調(diào)的特點(diǎn)，可用于不同型號(hào)線纜的測(cè)試.

為了確保脈沖電流能夠有效地注入電纜屏蔽層，信號(hào)源的內(nèi)阻、五平行線測(cè)試裝置特征阻抗和終端四個(gè)對(duì)稱(chēng)負(fù)載并聯(lián)結(jié)果應(yīng)相匹配.負(fù)載R1與多芯電纜的特征阻抗相等.

圖1 屏蔽電纜的大電流時(shí)域注入測(cè)試裝置示意圖

1.2 脈沖注入源的實(shí)現(xiàn)

采用電阻電容（Resistance-Capacitance，RC）放電形式設(shè)計(jì)了用于測(cè)試系統(tǒng)的電流脈沖發(fā)生裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示.在電流脈沖產(chǎn)生回路中，快速放電開(kāi)關(guān)選用三電極液體火花開(kāi)關(guān)［9］；為了減小回路電感，采用無(wú)感的脈沖電容器.

圖2 高壓脈沖發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

初級(jí)能源選擇幅值30kV的高壓直流源，脈沖電容器為8 000pF，負(fù)載阻值5Ω.用電流探頭測(cè)得脈沖發(fā)生裝置的回路電流如圖3所示.為獲得較大的輸出電流，裝置的RC放電回路不再滿足產(chǎn)生雙指數(shù)脈沖的過(guò)阻尼條件，產(chǎn)生的電流脈沖波形存在一定的負(fù)脈沖，但輸出的大電流脈沖能夠滿足屏蔽電纜開(kāi)展大電流注入測(cè)試實(shí)驗(yàn)要求，可用來(lái)觀測(cè)磁性材料飽和引起的非線性效應(yīng).

圖3 典型電流I脈沖波形

1.3 五平行線測(cè)試裝置

相比同軸電纜，多芯電纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同電纜特征阻抗變化較大，阻抗匹配難于實(shí)現(xiàn).五平行線測(cè)試裝置最大優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)調(diào)整受試多芯電纜與驅(qū)動(dòng)線的間距來(lái)確保外回路的特征阻抗為恒值；便于大電流和高電壓的注入，回路耐壓高.

圖1中，測(cè)試裝置的四根驅(qū)動(dòng)線采用具有良好導(dǎo)電性的銅管，兩端采用滑動(dòng)圓盤(pán)固定，圓盤(pán)尺寸設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 滑動(dòng)圓盤(pán)尺寸

電纜屏蔽層與每根驅(qū)動(dòng)線組成一對(duì)平行傳輸線，傳輸線對(duì)應(yīng)不同的間距和線徑有不同的阻抗，由于測(cè)試電纜的直徑不同，對(duì)應(yīng)的特征阻抗為［10］

式中：ε為電纜屏蔽層與驅(qū)動(dòng)線組成的平行傳輸線介質(zhì)的介電常數(shù)；d1為驅(qū)動(dòng)線的直徑；d2為電纜屏蔽層的外徑；D為驅(qū)動(dòng)線與電纜的中心間距.

不同類(lèi)型受試電纜的直徑各不相同，因此特征阻抗也是不同的.為了保持外回路特征阻抗為恒定值，驅(qū)動(dòng)線與電纜屏蔽層的間距D設(shè)計(jì)在8～50mm范圍內(nèi)可調(diào).若高壓脈沖發(fā)生裝置的輸出阻抗為50Ω，為了與之相匹配，則五平行線測(cè)試裝置的每對(duì)平行傳輸線特性阻抗為200Ω，外回路每對(duì)傳輸線終端接200Ω的負(fù)載電阻.內(nèi)回路的始端負(fù)載R1等于多芯電纜的特征阻抗.若驅(qū)動(dòng)線直徑d1＝6mm，由式（1）得到受試電纜的外徑d2范圍為5～84 mm，從而達(dá)到對(duì)不同線徑多芯屏蔽電纜測(cè)試的目的.

2 兩類(lèi)屏蔽電纜的測(cè)試結(jié)果

選取了兩種軟型多芯屏蔽電纜開(kāi)展大電流脈沖注入下非線性效應(yīng)實(shí)驗(yàn).多芯電纜參數(shù)為：屏蔽層為兩層編制屏蔽層，外屏蔽層直徑為13mm，內(nèi)部芯線數(shù)為6，每根芯線半徑為0.5mm.兩種多芯屏蔽電纜最大區(qū)別在于編制屏蔽層中間是否加入了鐵磁性屏蔽層.加入了鐵磁性屏蔽層的多芯屏蔽電纜結(jié)構(gòu)如圖5所示.實(shí)驗(yàn)中為了便于區(qū)別，將沒(méi)有加入鐵磁性屏蔽層的多芯電纜標(biāo)記記為1＃，加入鐵磁性屏蔽層的標(biāo)記為2＃多芯電纜.

圖5 含鐵磁性屏蔽層多芯電纜結(jié)構(gòu)

2.1 1＃多芯電纜測(cè)試結(jié)果

調(diào)整放電電壓幅值，得到1＃多芯電纜在不同電流等級(jí)下的注入皮電流峰值和芯線耦合電壓峰值如表1所示.從表可以看出，注入皮電流與耦合芯電壓具有很好的線性關(guān)系.注入皮電流峰值為1 069 A時(shí)電纜響應(yīng)曲線如圖6所示.

表1 不同注入電流等級(jí)下1＃多芯電纜的響應(yīng)

2.2 2＃多芯電纜測(cè)試結(jié)果

圖6 1＃多芯電纜皮電流和耦合電壓波形

表2 不同注入電流等級(jí)下2＃多芯電纜的響應(yīng)

圖7 2＃多芯電纜注入皮電流和耦合電壓的關(guān)系曲線

對(duì)2＃多芯電纜，不同放電電壓等級(jí)下的注入皮電流峰值和芯線耦合電壓峰值如表2所示.為了觀察加入磁性材料后電纜在大電流脈沖作用下的響應(yīng)規(guī)律，繪制注入皮電流與耦合芯電壓關(guān)系曲線如圖7所示.從圖可以看出，隨著電纜的注入皮電流幅值增大，芯線耦合電壓的增大幅度逐漸變緩，當(dāng)注入電流峰值達(dá)到2kA時(shí)，芯線上的耦合電壓增大不是很明顯，在注入電流脈沖峰值大于2kA時(shí)，芯線耦合電壓峰值保持在1.2V左右.注入皮電流峰值為1 140A時(shí)電纜響應(yīng)曲線如圖8所示.

圖8 2＃多芯電纜皮電流Iin和耦合電壓Uou波形

3 測(cè)試結(jié)果分析與討論

3.1 從頻域轉(zhuǎn)移阻抗曲線觀察兩類(lèi)電纜的不同

將時(shí)域結(jié)果進(jìn)行FFT變換并計(jì)算線纜轉(zhuǎn)移阻抗.對(duì)于1＃多芯電纜，當(dāng)注入皮電流峰值為1 069 A和2 120A時(shí)，其轉(zhuǎn)移阻抗與皮電流之間的關(guān)系如圖9所示.從圖可以看出，不同電流等級(jí)下電纜轉(zhuǎn)移阻抗曲線重合較好，表明未加入磁性材料的屏蔽多芯電纜受不同幅度外電流作用，其轉(zhuǎn)移阻抗未發(fā)生變化.

在注入皮電流脈沖峰值同樣為1 100A時(shí)，1＃和2＃多芯電纜的轉(zhuǎn)移阻抗曲線如圖10所示.由圖可以看出，加入磁性材料降低了2＃多芯電纜的轉(zhuǎn)移阻抗值，提高了其屏蔽效能.

圖9 1＃多芯電纜不同電流等級(jí)的轉(zhuǎn)移阻抗II曲線

圖10 Imax＝1.1kA時(shí)兩種電纜轉(zhuǎn)移阻抗曲線對(duì)比

3.2 非線性現(xiàn)象的分析

由上述實(shí)驗(yàn)可知，磁性材料屏蔽層引入了較強(qiáng)的非線性.磁性材料受外磁場(chǎng)的響應(yīng)規(guī)律可以由磁化曲線來(lái)表征［11］.磁化曲線反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的非線性關(guān)系.圖11為磁性材料的典型B-H曲線.當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H由小變大時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B增加緩慢（oa段）；當(dāng)H繼續(xù)增大時(shí)，B急劇增大（ab段）；當(dāng)H進(jìn)一步增大時(shí)，B的增幅又開(kāi)始變得緩慢；到達(dá)c點(diǎn)后，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸趨近于一個(gè)確定的飽和值.

國(guó)外學(xué)者對(duì)磁性材料屏蔽電纜采用大電流脈沖注入的實(shí)驗(yàn)研究［2］也反映了上述類(lèi)似的現(xiàn)象.文獻(xiàn)［2］通過(guò)間接注入的方法對(duì)超屏蔽電纜進(jìn)行大電流測(cè)試.發(fā)現(xiàn)隨著注入電纜屏蔽層電流幅值的增大，芯線耦合電壓也在增大，但是耦合電壓峰值與注入電流峰值的比值Umax／Ⅰmax在逐漸減小，文獻(xiàn)［2］中并沒(méi)有給出解釋.對(duì)本文和文獻(xiàn)［2］發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象的合理解釋是：在小電流注入下，外加磁場(chǎng)較小，磁性材料的初始磁導(dǎo)率μ較低（圖11的oa段），導(dǎo)致屏蔽效能不高，電纜的芯線耦合電壓幅值隨皮電流線性增加.而隨著注入電流的顯著提高，外界磁場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)，磁導(dǎo)率急劇增大（ab段），屏蔽層屏蔽效能提高，導(dǎo)致了芯線耦合電壓幅值隨皮電流增加不明顯，呈非線性響應(yīng)特征.進(jìn)一步推論，若再加大注入到電纜屏蔽層的電流，磁性材料的磁導(dǎo)率會(huì)呈現(xiàn)下降，直至達(dá)到完全磁飽和并失去對(duì)屏蔽效能的貢獻(xiàn).

圖11 磁性材料的B-H曲線

4 結(jié) 論

本文利用注入法對(duì)多芯電纜轉(zhuǎn)移阻抗開(kāi)展了大電流條件下的非線性效應(yīng)實(shí)驗(yàn).設(shè)計(jì)的五平行線測(cè)試裝置外回路可調(diào)，便于對(duì)不同類(lèi)型的電纜開(kāi)展測(cè)試.對(duì)兩種類(lèi)型的多芯電纜時(shí)域測(cè)試表明：磁性材料不僅改進(jìn)了電纜的屏蔽性能，且在注入電流峰值達(dá)到2kA時(shí)，磁導(dǎo)率可能進(jìn)入一段急劇增大的區(qū)域，使得屏蔽效能增大，芯線耦合不再隨皮電流線性增長(zhǎng).

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