800kV雷电电磁脉冲场模拟器的研制

800kV雷电电磁脉冲场模拟器的研制 ??36?? 第33卷第12期2007年????12月 高??电??压??技??术 HighVoltageEngineeringVol.33No.12 ???? Dec.??2007 范丽思,张希军,魏光辉 (军械学院静电与电磁防护研究所,石家庄050003) 摘??要:为了模拟雷电放电过程中产生的电磁脉冲场,建立了雷电模拟系统的等效电路模型,分析了各种电路参数对模拟器输出波形的影响;根据等效电路各参数,利用Marx发生器作为雷电电磁脉冲源,使用有界波模拟器作为场传输装置,研制了雷电电磁脉冲模拟系统,在有界波传输线内产生上升时间和半波宽度可变的双指数电场波,用来模拟雷雷击过程中产生的雷电电磁脉冲辐射场。测量结果表明,合理选择参数可以在有界波传输线内模拟1??2/50??s的雷电电磁脉冲远场电磁波;输出波形的峰值场强、波前时间和半峰值时间的变异系数表明该模拟器具有良好的重复性;并且传输线内峰值场强和Marx发生器充电电压有比较好的线性关系。关键词:雷电电磁脉冲;Marx发生器;有界波模拟器;上升时间;半波宽度;冲击波中图分类号:TM836文献标志码:A文章编号:1003-6520(2007)12-0036-03 ——————————————————————————————————————————————— Designofan800kVLEMPSimulator FANL-isi,ZHANGX-ijun,WEIGuang-hui (ElectrostaticandElectromagneticProtectionResearchInstitute,MechanicalEngineeringCollege, Shijiazhuang050003,China) Abstract:Inordertosimulatetheelectromagneticfieldgeneratedintheprocessoflightningsurge,theequivalentcircuitoftheLEMPsimulatorisestablished,andtheinfluencetotheoutputwaveformofeachcircuitparameterisanalyzed.Accordingtothecircuitparameters,usingMarxgeneratoraslightningpowersourceandbounded-wavesimulatorasatransmissionline,aLEMPsimulatorisconstructedandtheelectromagneticfieldwaveformwithchangeablerisetimeandhalftimeiscreatedinthebounded-wavetransmissionlinewhichisusedtosimulatethera-diationelectricfieldduringthelightningprocess.Theexperimentalresultsshowthat:aLEMPfieldwaveformwith1??2??srisetimeand50??shalftimeisformedundertheboundedwavetransmissionline,ifchangingthecircuitpa-rametersmorewaveformsarecreated;thecoefficientofvariationofoutputwaveparameterssuchaspeakingfiledstrength,risetimeandhalftimeshowthattherepeatabilityoftheLEMPsimulatorisveryhigh;thereislinearrela-tionbetweenthepeakingfieldstrengthandthechargingvoltageoftheMarxgenerator.Keywords:LEMP;Marxgenerator;bounded-wavesimulator;risetime;——————————————————————————————————————————————— half-wavetime;lightningsurge 0??引??言 雷电(闪电)是一种自然现象,发生频率高,破坏威力大。信息时代,雷电产生的电磁脉冲对计算机、雷达等电器和电子信息设备的毁坏迅猛增加,雷电电磁脉冲防护问题日趋重要。同时,雷电现象是一个非常复杂的物理过程,雷电流的随机性、多变性和不确定性,给雷电电磁脉冲研究带来诸多困难。因此用实验方法模拟雷电的电磁辐射场,对深入研究电子设备的雷电电磁脉冲效应和防护技术,从根本上提高电子设备在雷电电磁环境中的储运安全性和工作可靠性具有重要意义和实用价值。 国内外对雷电防护问题的研究,主要集中在雷击方面,而对雷电过程中所产生的雷电电磁脉冲研究很少,所以目前有关标准中只规定了雷电开路电压波形和短路电流波形[7,8],而对雷电电磁脉冲的电场和磁场波形尚无明确规定。根据理论计算,雷[4-6] [1-3] 道电流波形相似[9-12],为此,参考电流波形,利用Marx发生器作为雷电电磁脉冲源,在有界波模拟器内产生上升时间和半波宽度可变的双指数波,来 模拟雷雷击过程中产生的雷电电磁脉冲场。1??雷电电磁脉冲场模拟器原理 雷电电磁脉冲场模拟系统的物理实现涉及两方面的问题:??采用哪种放电电路;??选择哪种场传输装置。研制的雷电电磁脉冲场模拟——————————————————————————————————————————————— 系统原理见图1,系统采用Marx发生器提供脉冲能量,使用有界波模拟器作为场传输装置,在有界波传输线内产生上升时间和半波宽度可变的双指数电磁脉冲,来模拟雷雷击过程中产生的雷电电场环境模拟系统[13,14],电场和磁场方向见图2。2??雷电电磁脉冲源的参数计算 采用6级双边充电的Marx发生器发生器,见, ??2007年12月高??电??压??技??术第33卷第12期 ??37?? 图1??雷电电磁脉冲场模拟系统 Fig.1??PrincipleofLEMPenvironment simulator 图3??雷电电磁脉冲发生器电路图Fig.3??Circuitofthesimulator 图2??有界波传输线内电磁环境 Fig.2??Electromagneticenvironmentintransmissionline 毕后触发火花间隙开关S,Marx发生器通过波头电阻R1向电容C2充电,形成波前时间t1;然后Marx发生器等效储能电容C1和波前C2通过接在传输线终端的电阻R2放电,形成半波时间t2。在高压脉冲电容器C2与高压电阻R2之间连接场传输装置(两极板之间的距离为d),则电场强度E=U2/d。d=6m,Marx发生器最大输出电压为800kV,产生的垂直电场大约为100kV/m。 根据对放电过程的分析可以得到雷电脉冲源的等效电路见图4,根据基尔霍夫定律,得出传输线的输出端,即C2上的电压波形U2为一双指数波[15,16]: ——————————————————————————————————————————————— U2=A(e -t/??1 图4??放电等效电路Fig.4??Equivalentcircuit -e -t/??2 ),(1) 1、2是与电路有关的时间常数,??1决定波????式中,???? 形的衰落时间,为C1和C2通过R1和R2放电的时间 常数,因为波前电容C2??C1,所以??1主要由C1的放电时间决定,??1=(R1+R2)C1;??2决定波形的上升时间,为Marx发生器对波前电容C2充电的时间常数,根据对Marx发生器放电过程的分析可以知道,??2=R1C2。 根据C2充电时间常数??2和C1放电时间常数??1 可以求得波前t1和半波时间t2[16]: t1=3.24R1C2, (2) t2=0.693(R1+R2)C1。(3)从式(2)、(3)式可见,只要调节R1、C2的值,即可调节波前时间t1;调节C1、R2则可以调整半波宽度t2。在实际使用过程中,一般保持C1、C2取值不变,通过调整波头电阻R1和波尾电阻R2的取值。调波时,要根据实测波形调节电路参数,以得到期望的雷电电场波形,如加大Rl可增加上升时间,加大R2可增加半波宽度。在确定电路参数时,应首先确定所模 ——————————————————————————————————————————————— ,,图5??1.2/50??s全波波形Fig.5??Fullwaveformofthe1.2/50??s 后得出电阻值。考虑到Marx发生器的内阻以及火花间隙的电阻,对于小上升沿的波形,式(2)计算的上升时间偏小,应根据实测数据调整。3??调试结果 3.1??波前和半波时间 在有界波传输线内模拟1??2/50??s波形,根据式(2)、(3)选定参数如下:Marx发生器等效电容C1=0??03??F,波前电容 C2=600pF,R1=600??,R2=2000??。利用光纤场强计测量了传输线内的垂直方向电场Ex,测量结果见图5(a);利用霍姆赫兹线圈测量了水平方向磁场Hy测量结果见图5(b)。从所测得的磁场波形存在振荡,可能由于电磁干扰在测试电缆形成的传导干扰所致。 ??38?? Dec.2007High??Voltage??EngineeringVol.33No.12?? 数很小,说明本系统具有良好的重复性。 c)峰值场强和充电电压之间有良好的线性关系,有界波模拟器内场强可以方便控制。 参 考 文 献 [1]WigginsCM,ThomasDE,NickelFS,etal.Transientelec-tromagneticinterfer ——————————————————————————————————————————————— enceinsubstations[J].IEEETranson 图6??7次测量结果叠加图Fig.6??Overlaydraftingof7 strokes PowerDelivery,1994,9(4):1869-1884. [2]段泽民,曹凯风,程振革,等.飞机雷电防护试验与波形[J]. 高电压技术,2000,26(4):61-64. DUANZe-min,CAOKa-ifeng,CHENGZhen-ge,etal.Light-ningprotectiontestsandwaveformsforaircraft[J].HighVolt-ageEngineering,2000,26(4):61-64. [3]RahimianMS,SadeghiSHH,MoiniR.LEMPcouplingwith mediumvoltageoverheadlinesanditseffectsonlowvoltagenet-workswithpowerelectronicsdevices[C].3rdInternationalSymposiumonElectromagneticCompatibilityAmirkabirUnivofTechnol.Iran,2002:115-118. [4]TescheFM.Determinationoftheelectromagneticfieldsradia-tedfromtheARESsimulator[J].IEEETransonElectromag-neticCompatibility,1994,34(4):331-340. [5]樊灵孟,何宏明,钟定珠,等.人工引雷试验中雷电流测量分析 [J].高电压技术,2000,26(4):50-52. 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Dec.2007High??Voltage??EngineeringVol.33No.12?? c)U形水电阻等效电感30nH,等效电容0??05nF,优点是电感电容 较小,缺点是容积较小、散热稍差,故该电阻适合作为折叠型平板 Blumlein线的匹配负载。 参 考 文 献 [9]储金宇,许小红,张??波.介质阻挡型臭氧发生器电极负载特 性的分析[J].高电压技术,2004,30(9):53-54. CHUJin-yu,XUXiao-hong,ZHANGBo.Analysisoftheloadcharacteristicoftheo zonegeneratorelectrode[J].HighVoltageEngineering,2004,30(9):53-54. [10]刘锡三.高功率脉冲技术[M].北京:国防工业出版社,2005. LIUX-isan.Highpowerpulsetechnology[M].Beijing:Na-tionalDefenseIndust ——————————————————————————————————————————————— ryPress,2005. [11]沈龙根.脉冲功率技术基础[M].长沙:国防科技大学出版 社,1989. SHENLong-gen.Pulsedpowertechnologybase[M].Chang-sha:PressofNationalUniversityofDefenseTechnology,1989. [12]朱??峰.大学物理[M].北京:清华大学出版社,2004. ZHUFeng.Collegephysics[M].Beijing:TsinghuaUniversityPress,2004. [13]梁灿彬,秦光戎,梁竹健.电磁学[M].北京:高等教育出版社, 1980. LIANGCan-bin,QINGuang-rong,LIANGZhu-jian.Eletro-magnetism[M].Beijing:HigherEducationPress,1980.[14]阎照文.ANSYS10.0工程电磁分析技 术与实例详解[M].北 京:中国水利水电出版社,2006. 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