電磁脈沖對電纜的耦合效應(yīng)實驗研究

1、第13卷第6期強(qiáng)激光與粒子束V o l . 13, N o . 62001年11月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S N ov . , 2001文章編號:100124322(2001 0620761205電磁脈沖對電纜的耦合效應(yīng)實驗研究祝敏, 劉順坤, 周輝, 孫培云, 謝彥召, 田吉波(西北核技術(shù)研究所, 陜西西安710024 摘要:介紹了利用水平極化輻射波電磁脈沖模擬器開展的電纜耦合效應(yīng)實驗研究, 具體介紹了實驗系統(tǒng)、測量方法。并對常用的同軸電纜分為架高和鋪于地面兩種狀態(tài), 芯線與外皮接508匹配電阻, 外皮分為兩端開路、一端接地和兩

2、端接地三種情況, 分別給出了實驗波形及實驗數(shù)據(jù)并用傳輸線理論進(jìn)行了分析, 實驗結(jié)果與理論分析基本一致。關(guān)鍵詞:電磁脈沖; 輻射波模擬器; 耦合; 電流傳感器; 轉(zhuǎn)移阻抗中圖分類號:O 44115文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A目前許多電子測量設(shè)備及控制設(shè)備大都采用同軸電纜進(jìn)行連接1, 2, 在考慮電磁脈沖對這些系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾問題時, 首先需要考慮的因素之一就是電纜上引入的干擾。當(dāng)電纜處于電磁脈沖環(huán)境場中, 由于外皮上產(chǎn)生感應(yīng)電流, 通過皮芯之間的轉(zhuǎn)移阻抗, 在芯線上必然產(chǎn)生電流、電壓干擾信號, 這樣必然影響電纜所連接的儀器設(shè)備的正常工作。在這方面的工作國內(nèi)外理論計算已有許多3, 4, 但在實驗上, 由于實驗條件

3、、實驗手段的限制, 尤其是長電纜的電磁脈沖耦合實驗一直未能給出確切的結(jié)果。我們經(jīng)過大量的實驗、分析, 完成了同軸長電纜的電磁脈沖耦合效應(yīng)實驗, 實驗數(shù)據(jù)可靠, 與理論分析相吻合。由于篇幅所限, 本文只給出一種長度電纜的實驗結(jié)果。1實驗系統(tǒng)本實驗是在水平極化輻射波電磁脈沖(E M P 模擬器中進(jìn)行的。該模擬器輻射天線為一個自由空間輻射的長線偶極振子(即籠形偶極天線, 如圖1所示 , 兩天線振子的中間部分做成尖錐狀, 其間隙形成過壓擊穿的氣隙開關(guān), 兩臺直流電源用作模擬器的充電電源, 當(dāng)兩天線振子分別被充到一定電壓時, 兩錐形導(dǎo)體間的空氣擊穿放電, 輻射出電磁脈沖場, 為了提高充電電壓, 可以在錐

4、形導(dǎo)體間, 充入N 2或SF 6氣體。實驗電纜采用通常所使用的的同軸電纜SYS 25027, 長度為40m 。由于大地對電場的反射,地面附近 F ig . 1T est configurati on fo r cable coup ling studies圖1實驗系統(tǒng)收稿日期:2001206219; 修訂日期:2001208214基金項目:國防預(yù)研基礎(chǔ)研究資助課題作者簡介:祝敏(19682 , 女, 江蘇徐州人, 高工, 本科, 從事電磁脈沖技術(shù)研究; 西安市69213信箱。電場與空中有明顯的差別, 會影響電纜上感應(yīng)電流的幅度, 另外電纜鋪于地面, 電纜與地之間的分布參數(shù)會發(fā)生變化, 按照傳輸

5、線理論, 這樣就會影響電纜上感應(yīng)電流的振鈴周期。所以實驗分兩種狀態(tài):一是電纜鋪于地面, 另一是電纜架高約3. 15m , 實驗系統(tǒng)如圖1所示。電纜芯線與外皮接508匹配電阻, 外皮與地之間又分為兩端開路、一端接地和兩端接地三種情況。分別對外皮中心點(diǎn)、兩端點(diǎn)上電流進(jìn)行測量, 電纜上的感生電流用寬帶高頻電流傳感器進(jìn)行測量, 測量的信號通過寬帶電-光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變成光信號, 用光纖進(jìn)行信號傳輸, 避免了電場對測試系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾, 光信號傳送至屏蔽車, 再經(jīng)過光接收機(jī)轉(zhuǎn)換成電信號送至示波器進(jìn)行記錄。2測量原理及標(biāo)定2. 1測量原理實驗所用的測量設(shè)備由兩部分組成, 一部分是高頻、寬帶電流傳感器; 另一部分是

6、寬帶電 光、光接收機(jī)傳輸系統(tǒng)。電流傳感器(即羅戈夫斯基線圈 用于測量電纜上感應(yīng)電流, 它實際是一個小面積的N 匝環(huán)形繞組, 在被測電流I (t 的磁場作用下, 在線圈中產(chǎn)生感生電流i (t , 根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律5, 線圈上的感生電動的勢為=-N d t =-N S d t (1式中:N 為線圈匝數(shù); <為磁通, <=B S ; B 為磁通密度; S 為線圈面積。由安培定律5得B =r 0I 2r (2式中:r 為相對磁導(dǎo)率; 0為真空中的磁導(dǎo)率; r 為電流到線圈中點(diǎn)圓半徑。所以=-2r d t =-N d t(3 式中:L 是線圈電感, L =r 0SN 2 2r 。選取適

7、當(dāng)?shù)膮?shù)(L µ(r +R , 使線圈成為脈沖電流互感器, 此時T (t =N i (t =N (V i R , 對于電光轉(zhuǎn)換和光接收機(jī)系統(tǒng), 設(shè)計頻帶很寬(100H z 100M H z , 在這一頻帶和一定輸入范圍內(nèi), 輸出與輸入成線性, 即V o =kV i , V i =N d t=R i , R 為線圈負(fù)載電阻。所以總的測量系統(tǒng)I (t =N k =R k (42. 2測量系統(tǒng)的標(biāo)定對測量系統(tǒng)的頻率特性和幅度特性進(jìn)行標(biāo)定。信號源輸出信號由分路器分兩路, 一路到示波器, 一路加于電流標(biāo)定筒, 在標(biāo)定筒上形成電流, 電流傳感器套于中軸之上, 信號經(jīng)電 光轉(zhuǎn)換、光接收機(jī)后送于示波

8、器。標(biāo)定結(jié)果如圖2所示。 F ig . 2Bandw idth and output vo ltage of m easurem ent system圖2測量系統(tǒng)的頻率特性和幅度特性從結(jié)果可以看出:該測量系統(tǒng)的頻帶范圍為8kH z 38M H z , 動態(tài)范圍為0. 042. 30A , 若被測電流較大, 可以在電流傳感器后加衰減器擴(kuò)大動態(tài)范圍。3電纜的實驗結(jié)果為了得到準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù), 在同條件下, 試驗炮數(shù)為5炮, 數(shù)據(jù)取5炮的平均值。當(dāng)電纜架高高度為3. 15m 時, 監(jiān)測中心點(diǎn)的場強(qiáng); 當(dāng)電纜平鋪于地面, 監(jiān)測中心點(diǎn)距地面0. 5m 處的場強(qiáng), 所有的狀態(tài)芯線與外皮均接508匹配電阻。3

9、. 1電纜架高實驗結(jié)果3. 1. 1兩端懸空試驗結(jié)果中心點(diǎn)的輻射電場波形如圖3(a 所示, 電場強(qiáng)度E =2. 26kV m , 中心點(diǎn)蒙皮電流, 波形如圖3(b 所示, 峰值電流為49. 7A , 約16個衰減周期, 周期時間約0. 35s ; 端點(diǎn)的蒙皮電流波形如圖3(c 所示, 峰值電流為26. 1A , 約15衰減周期, 周期時間約0. 33s , 衰落時間5s 左右。從圖可以看出蒙皮電流波形和芯線負(fù)載感應(yīng)電流是一個阻尼衰減振蕩波形。 F ig . 3Experi m ental results w here the cable is above ground and bo th te

10、rm inals are open圖3電纜架高、兩端懸空測試結(jié)果3. 1. 2單端接地實驗結(jié)果電纜架高、單端接地實驗結(jié)果與兩端懸空的實驗結(jié)果相似, 其波形也是一個阻尼衰減振蕩波形。中心點(diǎn)的輻射電場約為E =2. 3kV m ; 電纜中心點(diǎn)蒙皮電流:峰值電流為55. 5A , 78個衰減周期, 周期時間0. 67s 左右; 西端電纜的蒙皮感應(yīng):峰值電流46. 8A ; 東端電纜的蒙皮感應(yīng)電流:峰值電流29. 5A , 因西端接地, 東端懸空, 電流向西端泄露, 西端比東端蒙皮感應(yīng)電流高, 10衰減周期, 周期時間約0. 67s , 衰落時間6s 左右。3. 1. 3兩接地電纜的實驗結(jié)果中心點(diǎn)的輻

11、射電場為:E =1. 85kV m ; 中心點(diǎn)蒙皮電流波形如圖4(a :峰值電流是27. 7A , 持續(xù)時間2. 53. 0s ; 端點(diǎn)蒙皮電流波形如圖4(b 所示:蒙皮峰值電流在17. 9A , 持續(xù)時間2. 53. 0s ; 電纜芯線負(fù)載上的感應(yīng)電流波形如圖4(c 所示:峰值電流在35. 4mA 。持續(xù)時間約3s。 F ig . 4Experi m ental results w here the cable is above ground and bo th term inals are sho rt圖4電纜架高、兩接地電纜的實驗結(jié)果3. 2電纜地面鋪設(shè)的試驗結(jié)果3. 2. 1電纜兩端懸

12、空實驗結(jié)果中心點(diǎn)距地面0. 5m 高度輻射場強(qiáng)為E =714V m , 中心點(diǎn)蒙皮電流波形如圖5(a 1所示, 峰值電流為21. 4A , 兩個周期, 周期時間0. 8s , 持續(xù)時間1. 62s 。圖5(b 是西端蒙皮電流測量波形, 峰值電流為14. 1A 。兩個周期, 周期時間0. 8s , 持續(xù)時間2. 02. 5s 。F ig . 5Experi m ental results w here the cable is above ground and bo th term inals are open圖5電纜地面鋪設(shè)、兩端懸空的實驗結(jié)果3. 2. 2電纜單端接地實驗結(jié)果電纜單端接地時場

13、強(qiáng)為E =761V m , 電纜中心點(diǎn)的蒙皮感應(yīng)電流測量波形如圖6(a 所示, 蒙皮電流為33. 9A , 4個振蕩周期, 周期為1. 5s , 持續(xù)時間約6. 5s 。圖6(b 是西端接地點(diǎn)的蒙皮電流為17. 6A , 圖6(c 是東端接地點(diǎn)的蒙皮電流為13. 97A 。振蕩4個周期, 周期時間1. 5s , 持續(xù)時間約6. 5s 。F ig . 6Experi m ental results w here the cable is above ground and one term inal is open , the o ther is sho rt圖6電纜地面鋪設(shè)、單端接地的實驗結(jié)果3

14、. 2. 3電纜雙端接地實驗結(jié)果輻射場強(qiáng)E =714V m , 中心點(diǎn)蒙皮電流如圖7(a 所示, 電流峰值為18. 2A 。端點(diǎn)蒙皮電流波形如圖7(b 所示, 峰值電流為15. 5A 。F ig . 7Experi m ental results w here the cable is above ground and bo th term inals are open圖7電纜地面鋪設(shè)、雙端接地的實驗結(jié)果467強(qiáng)激光與粒子束第13卷4試驗結(jié)果分析討論置于電磁脈沖環(huán)境中的電纜, 電纜的外導(dǎo)體與大地構(gòu)成一回路, 稱之為外回路, 外皮導(dǎo)體與芯線又構(gòu)成一內(nèi)回路, 對于外回路, 可以用傳輸線理論進(jìn)行分析

15、, 在電纜架高、兩端懸空狀態(tài)下, 外導(dǎo)體與大地構(gòu)成的傳輸線之間的介質(zhì)為空氣, 所以電磁波在其間按光速傳播。在其上產(chǎn)生的蒙皮電流振蕩周期為:T =2L C , 對于40m 實驗中兩端與屏蔽盒連接, 電纜總長為45. 5m 理論計算振蕩周期T idael =0. 301s , 實驗測量得T exp =0. 33s , 基本一致。而電纜鋪于地面, 電纜的外導(dǎo)體與地之間有電纜外絕緣層這樣一種介質(zhì), 所以電磁波在其間的傳播速度V =C r r , 這樣蒙皮電流的振蕩周期T =2L V =2L r r C , 實驗測得T exp =0. 8s 大于架高狀態(tài)下振蕩周期。對于電纜單端接地, 電磁波在開路端反射

16、波倒相, 而在短路端反射波則與入射波同相, 所以對于單端接地, 在電纜兩周上才形成一個振蕩周期, 是電纜兩端懸空狀態(tài)下振蕩周期的2倍, 實驗也證實了這一點(diǎn)。電纜外導(dǎo)體兩端接地即傳輸線兩端短路, 感生電流在其間傳播, 不會出倒相, 只是衰減很快, 所以波形相當(dāng)于一個指數(shù)波, 而試驗測得的波形基本是這樣的波形。通過實驗與理論分析可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)果:電纜處于電磁脈沖環(huán)境場中, 中心點(diǎn)感應(yīng)電流最大, 向兩端電流幅值逐漸減小; 在輻射波模擬器中, 由于大地對電磁波的吸收與反射, 地面電場的強(qiáng)度衰減很快, 所以地面電場強(qiáng)度較空中電場強(qiáng)度要小, 對電纜的耦合效應(yīng)同樣也會減弱。實驗結(jié)果也表明, 同樣長度的電

17、纜架高后產(chǎn)生的感生電流幅度大于平鋪于地面產(chǎn)生的感生電流的幅度。電纜架高、兩端懸空狀態(tài)下, 感應(yīng)電流的振鈴周期是電流在導(dǎo)線上一周所用的時間, 電纜鋪于地面產(chǎn)生的感應(yīng)電流的振鈴周期是電纜架高后的r r 倍。電纜架高、單端接地狀態(tài)下, 感應(yīng)電流的振鈐周期是電流在導(dǎo)線上兩周所用的時間。參考文獻(xiàn):1黃志洵, 王曉金. 微波傳輸線理論與實用技術(shù)M . 北京:科學(xué)出版社, 1996. (H uang Z X , W ang X J . M icrow ave trans m issi online theo ry and app licati on techno logy . Beijing :Scienc

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19、cables M . Joh r W iley and sons , Inc , 1978.5馬文蔚, 柯景鳳. 物理學(xué)(中冊 M . 北京:高等教育出版社. 1981. (M a W W , Ke J F . Physics ( . Beijing :H igher Educati onP ress . 1981 Exper i m en ta l study of E M P coupl i ng to long sh ielded cableZHU M in , L I U Shun 2kun , ZHOU H u i , SUN Pei 2yun , X IE Yan 2zhao , T I AN J i 2bo(N orthw est Institu te of N uclea r T echnology , P . O . B ox 69213, X i an 710024, Ch ina Abstract :T he experi m en ts of E M P coup ling to sh ielded cab le have been done in the ho rizon tally po larized di po le radiato r . T