电磁脉冲对电缆的耦合效应实验研究

1、第13卷第6期强激光与粒子束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文章编号:100124322(2001 0620761205电磁脉冲对电缆的耦合效应实验研究祝敏, 刘顺坤, 周辉, 孙培云, 谢彦召, 田吉波(西北核技术研究所, 陕西西安710024 摘要:介绍了利用水平极化辐射波电磁脉冲模拟器开展的电缆耦合效应实验研究, 具体介绍了实验系统、测量方法。并对常用的同轴电缆分为架高和铺于地面两种状态, 芯线与外皮接508匹配电阻, 外皮分为两端开路、一端接地和两

2、端接地三种情况, 分别给出了实验波形及实验数据并用传输线理论进行了分析, 实验结果与理论分析基本一致。关键词:电磁脉冲; 辐射波模拟器; 耦合; 电流传感器; 转移阻抗中图分类号:O 44115文献标识码:A目前许多电子测量设备及控制设备大都采用同轴电缆进行连接1, 2, 在考虑电磁脉冲对这些系统产生的干扰问题时, 首先需要考虑的因素之一就是电缆上引入的干扰。当电缆处于电磁脉冲环境场中, 由于外皮上产生感应电流, 通过皮芯之间的转移阻抗, 在芯线上必然产生电流、电压干扰信号, 这样必然影响电缆所连接的仪器设备的正常工作。在这方面的工作国内外理论计算已有许多3, 4, 但在实验上, 由于实验条件

3、、实验手段的限制, 尤其是长电缆的电磁脉冲耦合实验一直未能给出确切的结果。我们经过大量的实验、分析, 完成了同轴长电缆的电磁脉冲耦合效应实验, 实验数据可靠, 与理论分析相吻合。由于篇幅所限, 本文只给出一种长度电缆的实验结果。1实验系统本实验是在水平极化辐射波电磁脉冲(E M P 模拟器中进行的。该模拟器辐射天线为一个自由空间辐射的长线偶极振子(即笼形偶极天线, 如图1所示 , 两天线振子的中间部分做成尖锥状, 其间隙形成过压击穿的气隙开关, 两台直流电源用作模拟器的充电电源, 当两天线振子分别被充到一定电压时, 两锥形导体间的空气击穿放电, 辐射出电磁脉冲场, 为了提高充电电压, 可以在锥

4、形导体间, 充入N 2或SF 6气体。实验电缆采用通常所使用的的同轴电缆SYS 25027, 长度为40m 。由于大地对电场的反射,地面附近 F ig . 1T est configurati on fo r cable coup ling studies图1实验系统收稿日期:2001206219; 修订日期:2001208214基金项目:国防预研基础研究资助课题作者简介:祝敏(19682 , 女, 江苏徐州人, 高工, 本科, 从事电磁脉冲技术研究; 西安市69213信箱。电场与空中有明显的差别, 会影响电缆上感应电流的幅度, 另外电缆铺于地面, 电缆与地之间的分布参数会发生变化, 按照传输

5、线理论, 这样就会影响电缆上感应电流的振铃周期。所以实验分两种状态:一是电缆铺于地面, 另一是电缆架高约3. 15m , 实验系统如图1所示。电缆芯线与外皮接508匹配电阻, 外皮与地之间又分为两端开路、一端接地和两端接地三种情况。分别对外皮中心点、两端点上电流进行测量, 电缆上的感生电流用宽带高频电流传感器进行测量, 测量的信号通过宽带电-光转换系统变成光信号, 用光纤进行信号传输, 避免了电场对测试系统产生的干扰, 光信号传送至屏蔽车, 再经过光接收机转换成电信号送至示波器进行记录。2测量原理及标定2. 1测量原理实验所用的测量设备由两部分组成, 一部分是高频、宽带电流传感器; 另一部分是

6、宽带电 光、光接收机传输系统。电流传感器(即罗戈夫斯基线圈 用于测量电缆上感应电流, 它实际是一个小面积的N 匝环形绕组, 在被测电流I (t 的磁场作用下, 在线圈中产生感生电流i (t , 根据法拉弟电磁感应定律5, 线圈上的感生电动的势为=-N d t =-N S d t (1式中:N 为线圈匝数; <为磁通, <=B S ; B 为磁通密度; S 为线圈面积。由安培定律5得B =r 0I 2r (2式中:r 为相对磁导率; 0为真空中的磁导率; r 为电流到线圈中点圆半径。所以=-2r d t =-N d t(3 式中:L 是线圈电感, L =r 0SN 2 2r 。选取适

7、当的参数(L µ(r +R , 使线圈成为脉冲电流互感器, 此时T (t =N i (t =N (V i R , 对于电光转换和光接收机系统, 设计频带很宽(100H z 100M H z , 在这一频带和一定输入范围内, 输出与输入成线性, 即V o =kV i , V i =N d t=R i , R 为线圈负载电阻。所以总的测量系统I (t =N k =R k (42. 2测量系统的标定对测量系统的频率特性和幅度特性进行标定。信号源输出信号由分路器分两路, 一路到示波器, 一路加于电流标定筒, 在标定筒上形成电流, 电流传感器套于中轴之上, 信号经电 光转换、光接收机后送于示波

8、器。标定结果如图2所示。 F ig . 2Bandw idth and output vo ltage of m easurem ent system图2测量系统的频率特性和幅度特性从结果可以看出:该测量系统的频带范围为8kH z 38M H z , 动态范围为0. 042. 30A , 若被测电流较大, 可以在电流传感器后加衰减器扩大动态范围。3电缆的实验结果为了得到准确的实验数据, 在同条件下, 试验炮数为5炮, 数据取5炮的平均值。当电缆架高高度为3. 15m 时, 监测中心点的场强; 当电缆平铺于地面, 监测中心点距地面0. 5m 处的场强, 所有的状态芯线与外皮均接508匹配电阻。3

9、. 1电缆架高实验结果3. 1. 1两端悬空试验结果中心点的辐射电场波形如图3(a 所示, 电场强度E =2. 26kV m , 中心点蒙皮电流, 波形如图3(b 所示, 峰值电流为49. 7A , 约16个衰减周期, 周期时间约0. 35s ; 端点的蒙皮电流波形如图3(c 所示, 峰值电流为26. 1A , 约15衰减周期, 周期时间约0. 33s , 衰落时间5s 左右。从图可以看出蒙皮电流波形和芯线负载感应电流是一个阻尼衰减振荡波形。 F ig . 3Experi m ental results w here the cable is above ground and bo th te

10、rm inals are open图3电缆架高、两端悬空测试结果3. 1. 2单端接地实验结果电缆架高、单端接地实验结果与两端悬空的实验结果相似, 其波形也是一个阻尼衰减振荡波形。中心点的辐射电场约为E =2. 3kV m ; 电缆中心点蒙皮电流:峰值电流为55. 5A , 78个衰减周期, 周期时间0. 67s 左右; 西端电缆的蒙皮感应:峰值电流46. 8A ; 东端电缆的蒙皮感应电流:峰值电流29. 5A , 因西端接地, 东端悬空, 电流向西端泄露, 西端比东端蒙皮感应电流高, 10衰减周期, 周期时间约0. 67s , 衰落时间6s 左右。3. 1. 3两接地电缆的实验结果中心点的辐

11、射电场为:E =1. 85kV m ; 中心点蒙皮电流波形如图4(a :峰值电流是27. 7A , 持续时间2. 53. 0s ; 端点蒙皮电流波形如图4(b 所示:蒙皮峰值电流在17. 9A , 持续时间2. 53. 0s ; 电缆芯线负载上的感应电流波形如图4(c 所示:峰值电流在35. 4mA 。持续时间约3s。 F ig . 4Experi m ental results w here the cable is above ground and bo th term inals are sho rt图4电缆架高、两接地电缆的实验结果3. 2电缆地面铺设的试验结果3. 2. 1电缆两端悬

12、空实验结果中心点距地面0. 5m 高度辐射场强为E =714V m , 中心点蒙皮电流波形如图5(a 1所示, 峰值电流为21. 4A , 两个周期, 周期时间0. 8s , 持续时间1. 62s 。图5(b 是西端蒙皮电流测量波形, 峰值电流为14. 1A 。两个周期, 周期时间0. 8s , 持续时间2. 02. 5s 。F ig . 5Experi m ental results w here the cable is above ground and bo th term inals are open图5电缆地面铺设、两端悬空的实验结果3. 2. 2电缆单端接地实验结果电缆单端接地时场

13、强为E =761V m , 电缆中心点的蒙皮感应电流测量波形如图6(a 所示, 蒙皮电流为33. 9A , 4个振荡周期, 周期为1. 5s , 持续时间约6. 5s 。图6(b 是西端接地点的蒙皮电流为17. 6A , 图6(c 是东端接地点的蒙皮电流为13. 97A 。振荡4个周期, 周期时间1. 5s , 持续时间约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图6电缆地面铺设、单端接地的实验结果3

14、. 2. 3电缆双端接地实验结果辐射场强E =714V m , 中心点蒙皮电流如图7(a 所示, 电流峰值为18. 2A 。端点蒙皮电流波形如图7(b 所示, 峰值电流为15. 5A 。F ig . 7Experi m ental results w here the cable is above ground and bo th term inals are open图7电缆地面铺设、双端接地的实验结果467强激光与粒子束第13卷4试验结果分析讨论置于电磁脉冲环境中的电缆, 电缆的外导体与大地构成一回路, 称之为外回路, 外皮导体与芯线又构成一内回路, 对于外回路, 可以用传输线理论进行分析

15、, 在电缆架高、两端悬空状态下, 外导体与大地构成的传输线之间的介质为空气, 所以电磁波在其间按光速传播。在其上产生的蒙皮电流振荡周期为:T =2L C , 对于40m 实验中两端与屏蔽盒连接, 电缆总长为45. 5m 理论计算振荡周期T idael =0. 301s , 实验测量得T exp =0. 33s , 基本一致。而电缆铺于地面, 电缆的外导体与地之间有电缆外绝缘层这样一种介质, 所以电磁波在其间的传播速度V =C r r , 这样蒙皮电流的振荡周期T =2L V =2L r r C , 实验测得T exp =0. 8s 大于架高状态下振荡周期。对于电缆单端接地, 电磁波在开路端反射

16、波倒相, 而在短路端反射波则与入射波同相, 所以对于单端接地, 在电缆两周上才形成一个振荡周期, 是电缆两端悬空状态下振荡周期的2倍, 实验也证实了这一点。电缆外导体两端接地即传输线两端短路, 感生电流在其间传播, 不会出倒相, 只是衰减很快, 所以波形相当于一个指数波, 而试验测得的波形基本是这样的波形。通过实验与理论分析可以得出以下几点结果:电缆处于电磁脉冲环境场中, 中心点感应电流最大, 向两端电流幅值逐渐减小; 在辐射波模拟器中, 由于大地对电磁波的吸收与反射, 地面电场的强度衰减很快, 所以地面电场强度较空中电场强度要小, 对电缆的耦合效应同样也会减弱。实验结果也表明, 同样长度的电

17、缆架高后产生的感生电流幅度大于平铺于地面产生的感生电流的幅度。电缆架高、两端悬空状态下, 感应电流的振铃周期是电流在导线上一周所用的时间, 电缆铺于地面产生的感应电流的振铃周期是电缆架高后的r r 倍。电缆架高、单端接地状态下, 感应电流的振钤周期是电流在导线上两周所用的时间。参考文献:1黄志洵, 王晓金. 微波传输线理论与实用技术M . 北京:科学出版社, 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

18、e p ress house , 19962T esche F M , L anoz M V . E M C A nalysis M ethods and Computati onalM odels M . John W illey&Sons, Inc . 1997.3A gouridous D C . E M P coup ling to sh ield cable A . IEEE N uclear and Spoce R adi o ti on IEEE N SR EC Conference C . 1987.4V ance E F . Coup ling to sh ield

19、cables M . Joh r W iley and sons , Inc , 1978.5马文蔚, 柯景凤. 物理学(中册 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