電纜放電事件建模及其特性測(cè)試研究

韓宇南　李文濤　POMMERENKE David　戴琳　許世良

(1.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100029;

2.密蘇里科技大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系,羅拉，密蘇里州,美國(guó) 65401;

3.遼河石油勘探局通信公司,盤錦 124010)

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電纜放電事件建模及其特性測(cè)試研究

韓宇南1李文濤1POMMERENKE David2戴琳3許世良1

(1.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100029;

2.密蘇里科技大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系,羅拉，密蘇里州,美國(guó) 65401;

3.遼河石油勘探局通信公司,盤錦 124010)

摘要參考人體行走電壓的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEC 61340-4-5,搭建了電纜由線軸上繞下并在地板上拖拽積累的電壓的測(cè)試系統(tǒng),測(cè)量了六類非屏蔽網(wǎng)線的電壓波形.基于實(shí)測(cè)電纜電壓波形,提出了電纜電壓的RC等效電路模型,并分析了模型參數(shù)對(duì)電纜電壓時(shí)域波形的影響.進(jìn)行了電纜充電后對(duì)金屬靶的放電實(shí)驗(yàn),測(cè)量了電纜放電事件的電流波形、瞬態(tài)電場(chǎng)和瞬態(tài)磁場(chǎng)波形,分析了電纜放電事件對(duì)電子設(shè)備的影響.根據(jù)測(cè)量的電纜放電事件的電流波形,對(duì)比了GJB 151B中CS 115電纜束注入脈沖激勵(lì)傳導(dǎo)敏感度的電流波形,二者電流波形有一定的相似性,但是對(duì)于較長(zhǎng)電纜在電流的強(qiáng)度和寬度方面都會(huì)大于CS 115規(guī)定的限值.因此,提出了電纜放電事件的防護(hù)方法,并對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)方面提出了初步建議.

關(guān)鍵詞電纜放電事件;靜電放電;電纜電壓;時(shí)域波形

資助項(xiàng)目: 國(guó)家留學(xué)基金委公派留學(xué)基金(No.201208110396); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(ZY1113、YS1404)

聯(lián)系人： 韓宇南 E-mail: chark-han@126.com

引言

電纜放電事件(Charged Cable Discharge Events, CDE)是指電纜連接到電氣設(shè)備端口時(shí)產(chǎn)生的放電現(xiàn)象[1],其產(chǎn)生的原因是由于電纜和待連接設(shè)備端口之間存在的電位差引起的空氣放電.電纜從線軸上繞下、在地板上拖拽、放到線槽中等動(dòng)作,都會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣的外層護(hù)套積累凈電荷,護(hù)套內(nèi)的金屬芯線上感應(yīng)出極性相反的電荷.當(dāng)電纜靠近設(shè)備的接頭,電纜上的電荷將產(chǎn)生火花并向設(shè)備的接頭內(nèi)注入脈沖電流[2-3].電纜芯線積累的千伏的電位,以及電纜放電產(chǎn)生的納秒級(jí)上升沿,寬度為幾十至幾百納秒的脈沖電流,可能對(duì)電子信息設(shè)備的端口電路構(gòu)成很大威脅.目前的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)GJB 151B中測(cè)試項(xiàng)目CS115[4],規(guī)定了電纜脈沖注入敏感度試驗(yàn),其波形的幅度及脈寬與電纜放電事件的波形非常接近,部分適用于設(shè)備端口的線纜安裝情況下的電纜放電事件.

近年來,電纜放電事件的重要性越來越受到重視,相關(guān)研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為CDE可能導(dǎo)致電子設(shè)備(例如計(jì)算機(jī))平臺(tái)上的芯片出現(xiàn)故障,正在積極逐步研究.相關(guān)研究包括:Stadler等人對(duì)電纜向通信接口放電的情況進(jìn)行了研究[5-6],考慮不同類型的電纜,如通用串行總線(Universal Serial Bus,USB),同軸電纜連接器(Bayonet Nut Connector, BNC),網(wǎng)線,發(fā)生靜電放電時(shí)電流的波形,認(rèn)為不同類型電纜發(fā)生靜電放電時(shí),波形基本一致,均由初始電流尖峰,矩形脈沖,衰減振蕩波形三部分組成.研究了電纜放電的波形脈寬與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系,二者滿足線性正相關(guān).Poon等人對(duì)屏蔽電纜的放電事件進(jìn)行研究[7],當(dāng)屏蔽電纜在屏蔽層放電時(shí),電纜內(nèi)芯遠(yuǎn)端上的信號(hào)波形不同于傳輸線波形,而是W波形.美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)(ASHRAE)資助了相關(guān)課題,主要研究數(shù)據(jù)中心在不同溫濕度條件下,可能產(chǎn)生的靜電放電,及對(duì)信息設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)[8-10],以便制定合適的靜電放電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn).在該研究基礎(chǔ)上,參考IEC 61340-4-5[11]和ANSI/ESD STM97.2[12],討論了電纜拖拽情況下,芯線上的測(cè)量電壓,并分析電纜的靜電存儲(chǔ)模型,給出了芯線上積累電壓的模型.討論了電纜放電事件的電流波形,涉及到的放電參數(shù)包括上升時(shí)間、電弧長(zhǎng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度.電纜放電事件的研究,可以為相關(guān)電磁兼容性能評(píng)估提供參考.

1電纜電壓的測(cè)量與等效電路模型

由于拖拽和摩擦引起的電纜電壓,其測(cè)量參考IEC 61340-4-5[11]和ANSI/ESD STM97.2[12]中對(duì)人體行走電壓的測(cè)量方法[13],測(cè)試布置圖如圖1所示,六類非屏蔽網(wǎng)線繞在一定間距的線軸上,中間支撐起一塊地板,線纜在線軸上繞動(dòng),并與地板摩擦,能夠積累一定的電荷,通過測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)量電纜芯線上的電壓.被測(cè)電纜和測(cè)量系統(tǒng)的等效電路如圖2所示.被測(cè)電纜等效為電纜電阻RC和電纜電容CC的串聯(lián).電纜的待測(cè)芯線連接到電極(a)上.測(cè)量系統(tǒng)的等效電路是靜電電壓表(b)與儀器輸入電阻RM、儀器的輸入電容CM和測(cè)量系統(tǒng)連接電纜對(duì)地電容CL并連.

圖1　電纜沉積靜電的測(cè)量布置圖

圖2　電纜沉積靜電的測(cè)量等效電路

測(cè)量?jī)x器的輸入電阻RM大于1014Ω,一般線纜的電阻RC滿足

RC?RM.

(1)

并且測(cè)量?jī)x器電容CM和電纜對(duì)地電容CL之和小于30pF,電纜電容CC一般較大.有

CC?CM+CL.

(2)

因此,測(cè)量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)量線纜的電壓.

圖2中電極(a)的右側(cè)是電纜等效電路模型,電纜可以等效成電纜電容CC和電纜電阻RC的并聯(lián).根據(jù)該電路模型,

(3)

有電纜積累電荷包括兩個(gè)過程:充電過程和放電過程.在充電過程中,由于電纜的拖動(dòng)、彎曲、拖拽等,線纜的芯線逐漸積累電荷,芯線電壓呈指數(shù)升高.圖3為測(cè)量到的六類非屏蔽網(wǎng)線芯線上的電壓,可見電壓最大值為1 140 V.在電纜更長(zhǎng),地板面積更大情況下,由摩擦引起的電纜芯線上的電壓可以達(dá)到幾千伏,在接觸接插件瞬間,可以產(chǎn)生靜電放電.

圖3　與地板摩擦引起的六類非屏蔽網(wǎng)線芯線上的電壓

電纜長(zhǎng)時(shí)間靜止不動(dòng),存在自然放電延遲.在自然放電過程中,電纜靜止不動(dòng),電纜的電荷逐漸耗散,芯線電壓呈負(fù)指數(shù)降低.

可以得到如下推論:電纜拖拽等動(dòng)作,能夠讓電纜芯線上積累較高的電壓,電壓可超過幾千伏的量級(jí);芯線上的電壓能夠保持較長(zhǎng)的時(shí)間,往往電纜靜止放置較長(zhǎng)時(shí)間后,芯線上電壓還能有峰值電壓的20%以上.

電纜放電事件所釋放的能量,相對(duì)于人體對(duì)設(shè)備的靜電放電能量更高.因?yàn)槿梭w對(duì)地的電容,往往在200 pF量級(jí),而線纜對(duì)地的電容通常超過1 000 pF.電纜儲(chǔ)存的靜電能量更高,更容易導(dǎo)致設(shè)備的敏感.

2電纜放電事件的測(cè)量

為了測(cè)量在電纜插入接插件時(shí),測(cè)量由于電纜積累的靜電引起的電纜放電事件,可能帶來的電磁兼容風(fēng)險(xiǎn),采用如圖4所示的測(cè)量原理圖進(jìn)行放電電流、電弧長(zhǎng)度、瞬態(tài)電場(chǎng)、瞬態(tài)磁場(chǎng)的測(cè)量[14],測(cè)量系統(tǒng)的布置圖,如圖5所示.測(cè)量系統(tǒng)的接收端,安安裝在屏蔽體外部,如圖5(a)所示.屏蔽體外布置了電纜接插件、靶、電場(chǎng)探頭、磁場(chǎng)探頭、弧長(zhǎng)感應(yīng)頭.如圖5(b),屏蔽體內(nèi)布置了示波器、萬用表、電場(chǎng)探頭供電模塊、磁場(chǎng)探頭供電模塊、弧長(zhǎng)測(cè)試模塊、直流電源組等測(cè)量和供電設(shè)備.示波器通過通用接口總線(General-Purpose Interface Bus, GPIB)線,連接到控制計(jì)算機(jī)上,能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)獲取測(cè)量數(shù)據(jù).該測(cè)試系統(tǒng)的電流測(cè)試帶寬大于3 GHz,瞬態(tài)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的測(cè)試帶寬大于2 GHz,能夠準(zhǔn)確地獲取測(cè)試數(shù)據(jù).

圖4　電纜放電事件的測(cè)試原理圖

(a) 屏蔽體外部測(cè)量布置圖

(b) 屏蔽體內(nèi)部測(cè)量布置圖圖5　電纜放電事件的測(cè)量布置圖

在測(cè)試中,通過ESD槍,為線纜充電至規(guī)定的電壓,并保持一段時(shí)間,讓線纜芯線上電壓穩(wěn)定.然后,將線纜端口插入到接插件上,測(cè)量放電電流、輻射的瞬態(tài)電場(chǎng)和瞬態(tài)磁場(chǎng).

如圖6所示,給出了在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi),固定的溫濕度條件下(溫度23℃,相對(duì)濕度30%)情況下,測(cè)試了15.24 m(50英尺)長(zhǎng)的六類網(wǎng)線的電纜放電事件.充值電壓是3 kV,測(cè)量得到的電流峰值為12 A,電流的脈沖寬度為15 ns.芯線上的電流會(huì)直接作用到設(shè)備內(nèi)部,可能引起設(shè)備內(nèi)部芯片的敏感,并在設(shè)備內(nèi)部激勵(lì)起瞬態(tài)電磁場(chǎng).

(a) 電纜放電事件的沖擊電流

(b) 電纜放電事件的輻射電場(chǎng)

(c) 電纜放電事件的輻射磁場(chǎng)圖6　電纜放電事件的測(cè)量結(jié)果

3同現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)比較

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,典型的電纜放電事件能夠在線纜的芯線上產(chǎn)生電流峰值為12 A,電流的脈沖寬度約為15 ns的近似矩形脈沖.

現(xiàn)階段沒有專門針對(duì)電纜放電事件的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn),可以將電纜放電事件電流波形與現(xiàn)有的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)相比較,最接近的測(cè)試為GJB 151B中CS 115電纜束注入脈沖激勵(lì)傳導(dǎo)敏感度規(guī)定電流波形,電流強(qiáng)度為5 A,脈沖寬度為30 ns的矩形脈沖.該波形注入到線纜上,通過示波器監(jiān)測(cè)到的實(shí)際波形,不再是完整的矩形脈沖.

通過比較可以看出,電纜放電事件可能產(chǎn)生的電流強(qiáng)度更高,電流的持續(xù)時(shí)間可能會(huì)更長(zhǎng),電流波形更接近于矩形脈沖.現(xiàn)有的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)不能完全考察電纜放電事件的影響,可以考慮對(duì)于多次插拔的電纜,采用類似CS 115的測(cè)量方法,測(cè)量更強(qiáng)的電流和更寬的矩形脈沖.

針對(duì)多次插拔的電纜,特別是軍用電纜,應(yīng)采取一定的電磁兼容防護(hù)措施,防止設(shè)備端口被電纜放電事件損毀.具體的防護(hù)措施:電纜插入設(shè)備接插件前,對(duì)電纜的各個(gè)芯線進(jìn)行對(duì)地放電;發(fā)生電纜放電事件概率大的設(shè)備端口,進(jìn)行電磁兼容加固設(shè)計(jì),例如采用瞬變電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor, TVS)等器件進(jìn)行防護(hù);逐步建立電纜放電事件的考核標(biāo)準(zhǔn),或與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)融合,對(duì)發(fā)生電纜放電事件概率大的設(shè)備端口進(jìn)行考核驗(yàn)收.

4結(jié)論

測(cè)量了電纜放電事件的時(shí)域電壓波形,建立了線纜的RC等效電路模型.通過分析,電纜靜止放置較長(zhǎng)時(shí)間,芯線上電壓還能有峰值電壓的20%以上,因此電纜放電事件是高概率事件.通過測(cè)量電纜放電事件,15.24 m(50英尺)長(zhǎng)的屏蔽和非屏蔽六類網(wǎng)線,充值電壓是3 kV,測(cè)量得到的電流峰值為12 A,電流的脈沖寬度為15 ns.與現(xiàn)有的CS 115相比,電流強(qiáng)度更高.建議對(duì)發(fā)生電纜放電事件概率大的設(shè)備,特別是軍用設(shè)備,制定更有針對(duì)性的標(biāo)準(zhǔn).

致謝:感謝ASHRAE TC 9.9對(duì)本課題的支持,感謝Mahdi Moradian、David E. Swenson和Fayu Wan共同完成實(shí)驗(yàn),并做了大量有益的交流和討論.

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韓宇南(1980-), 男,遼寧人, 北京化工大學(xué)講師.2007年7月獲北京郵電大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)博士學(xué)位.2009年9月在中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部評(píng)為高級(jí)工程師.國(guó)家公派留學(xué)基金資助,2013年在美國(guó)密蘇里科技大學(xué)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室做訪問學(xué)者主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒?、?jì)算電磁學(xué)、抗核電磁脈沖加固、雷電防護(hù)、生物電磁學(xué)、天線設(shè)計(jì).

李文濤(1989-)，男,山東人,北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒?、電子信息工程、智能控?

POMMERENKE David(1966-),男,美國(guó)密蘇里科技大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系教授,電磁兼容專家.

戴琳(1988-),女,遼寧人,遼河石油勘探局通信公司助理工程師.2014年6月獲得東北石油大學(xué)通信與信息系統(tǒng)碩士學(xué)位.主要研究方向:無線通信理論與技術(shù),電磁兼容,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),數(shù)字信號(hào)處理.

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Charged cable discharge events model

and performance measurement

HAN Yunan1LI Wentao1POMMERENKE David2DAI Lin3XU Shiliang1

(1.CollegeofInformationTechnology,BeijingUniversityofChemicalTechnology,

Beijing100029,China;2.DepartmentofElectricalandComputerEngineering,

MissouriUniversityofScienceandTechnology,Rolla,MO65401,USA;

3.LiaohePetroleumExplorationBureauCommunicationCompany,

PanjinLiaoningProvince,Panjin124010,China)

AbstractFirstly, cable voltage charging by rotating and rubbing on floor was measured referred to standard of IEC 61340-4-5, and category 6 ethernet cable voltage was measured. Secondly, based on measurement of the cable voltage waveform, the cable voltage equivalent RC circuit model was deduced, and exponential function can be obtained to describe the cable voltage, the time constant τ is determined by the cable resistance R and capacity C to the ground. Thirdly, the current, transient electric field and magnetic field was measured while the charged cable discharging on the metal targ-et. At last, the current waveform was compared with MIL-STD-461F CS115 conducted susceptibility, bulk cable injection and impulse excitation. The results show that the CDE current waveform is similar, but current is higher. Therefore, the CDE protection method is required and the EMC testing standard needed to be improved to cover CDE measurement.

Key wordscharged cable discharge events (CDE); electro-static discharge (ESD); cable voltage; time domain waveform

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2014-11-16

中圖分類號(hào)O441.1; TM206

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2015)06-1064-06