邻近雷击电场环境模拟装置的设计与实现

2019-10-24王可段艳涛石立华黄瑞涛陈海林

中国舰船研究 2019年5期

王可，段艳涛，石立华，黄瑞涛，陈海林

陆军工程大学电磁环境效应与光电工程重点实验室，江苏南京210007

0 引言

雷电是一种常见的自然放电现象，常常伴随着复杂变化的电磁环境。在气候复杂多变的空阔海域，长期在此环境下作业的舰船上高耸的桅杆和各类突出的天线极易在雷雨天气时吸引雷电，从而对舰载电子、电气设备造成极大的破坏［1-3］。Thomson［4］分析了71 起空阔海域上船舶遭遇雷击的事件，指出船舶本身的特点及其所处的特殊环境是其遭遇雷击的重要原因。近年来，媒体多次报道了我国东南沿海地区舰载雷达等装备遭遇雷击并造成重大损失的事故［5］。因此，对舰载电子、电气设备的雷电防护极具研究价值与现实意义。

雷电对舰船的危害主要包括雷电的直接和间接效应危害。雷电直接效应主要是指雷电通道直接附着或雷电流的传导造成的物理效应，表现为燃烧、爆炸、侵蚀、高压冲击波、结构变形、强电流形成的磁场等。雷电间接效应则来源于雷电产生的电磁场与舰载设备的相互作用，包括直接雷击和邻近雷击引起的间接效应［6］。

随着各种微电子、电气设备以及大规模集成电路等复杂电子、电气系统在装备上的广泛运用，舰载设备对电磁环境有着更加苛刻的要求，邻近雷击产生的电磁环境对这些电子、电气系统具有现实威胁性。在我国国军标GJB 1389A-2005《系统电磁兼容性要求》中明确指出了雷电间接效应的环境参数，要求系统在暴露状态下应能经受住雷电间接效应，且应通过系统、分系统、设备及部件级的试验、分析验证［7］。GJB 8848-2016《系统电磁环境效应试验方法》中针对GJB 1389A-2005 中的雷电环境要求，明确了系统的雷电试验方法、试验配置、试验步骤、试验结果评定准则等，这为开展系统的雷电试验提供了参考和依据，包括邻近雷击电场环境效应试验方法［8］。国外，美军标MIL-STD-464C 和北约AECTP-500［9-10］在其关于雷电防护要求的内容中也有相同的表述。同时美国L-3 公司为军方研制了近区雷电模拟器，对雷电通道近区电磁场进行模拟，分别建立了邻近雷击引起的电场和磁场环境，主要针对飞机、导弹等装备全尺寸的现场测试。国内，对于邻近雷击脉冲电磁场环境效应的研究起步较晚，目前尚无相关模拟设备研制的报道。

本文拟通过冲击高压的峰值截断建立邻近雷击电场环境模拟装置，为系统电子、电气设备等开展全尺寸的现场测试提供技术支持。

1 基本原理

脉冲电场模拟装置主要由冲击高压源、截断装置、试验平台以及测量控制系统组成，其设备搭建如图1 所示。其中，冲击高压源用于产生冲击高压；截断装置用于截断冲击高压以在放电回路中形成陡波；实验平台用于承载被测品和产生满足要求的均匀脉冲电场环境；测控系统主要用于监测工作状态以及采集实验数据。

图1 邻近雷击电场环境模拟装置示意图Fig.1 Schematic diagram of electric field environment simulator for nearby lightning strike

脉冲电场模拟装置的工作原理可简述为：试验过程中首先对冲击高压源进行充电，在高压极板上形成一定幅值的冲击高压。当截波球两端电压高于空气间隙的击穿电压时发生破坏性放电，冲击高压迅速衰减在跌落段形成陡波，造成高压极板上的电压迅速跌落，从而在试验平台中产生快速变化的电场。通过参数设计，使这个快速变化电场达到GJB 1389A-2005 关于电场时间变化率的要求值，即6.8×1011V/（m·s-1）。

2 脉冲电场模拟装置的设计

2.1 冲击高压源

由于受高压硅堆和储能电容额定电压的限制，单级冲击电压发生器很难满足脉冲电场幅值的要求。本文采用一种双边充电的高效8 级Marx发生器作为冲击高压源，如图2 所示［11］。图中，K为电源开关，D 为高压硅堆，T1为单相调压器，T2为试验变压器，R0为保护电阻，R 为充电电阻，rf为波前电阻，rt为波尾电阻，C 为各级充电电容，C2为试品电容，g1为点火球隙，g2～g8为中间球隙，g0为隔离球隙，C11和C12为电容分压器的高压臂电容，C20为电容分压器的低压臂电容。

其基本原理为：充电电容C 双边并联充电后串联放电，经击穿隔离球隙g0后，在放电回路上获得数倍幅值的冲击电压波。双边并联充电是通过2 个反接的整流硅堆实现，而串联放电的实现是通过一组同步良好的球隙击穿。

图2 双边充电高效Marx 发生器回路Fig.2 Bilaterally charged high efficiency Marx generator circuit

目前实验室现有的Marx 发生器每个充电电容器额定电压均为75 kV，共8 级，最大能输出1 200 kV 的正、负极性冲击电压。同时，通过调试波前电阻和波尾电阻，Marx 发生器能够得到标准的1.2/50 μs 雷电全波［12］。

2.2 截断装置

截断装置利用球隙的自放电，在放电回路中起到在冲击高压峰值附近截断的作用，如图3 所示。对于脉冲电场模拟装置，其截断特性必须满足以下要求：1）波形不受间隙的预放电过程的影响而产生前沿畸变；2）截断时刻尽量靠近波形峰值并具有可重复性，即保证峰值附近截断且分散性应尽可能小；3）电压跌落时间尽可能短，满足设计要求电压跌落的陡度大于6.8×102kV/μs。

图3 截断波球Fig.3 Chopping sphere

基于上述要求，截断装置采用一套可调单球球隙，单球球隙使跌落时间尽可能短，可调球隙使电场时间变化率连续可调，其球隙可以根据充电电压的大小进行匹配，并与Marx 发生器的点火球隙相适应，最终保证冲击高压截断特性满足要求［11］。但是，自由触发的截断装置对放电波形截断具有随机性，其分散性主要与球隙有关，而电压跌落时间主要与电压作用时间、冲击极性及间隙结构有关。二者均受到试验环境的温度、湿度、气体密度的影响［13］，故其参数设计应从多方面考量，以实测结果为准。经实测，设计的截断装置在正极性冲击电压为120～320 kV 时，其对1.2/50 μs 雷电全波的截断时间均在2 μs 以内，截断电压跌落时间小于0.09 μs，且具有较好的重复性。

2.3 试验平台

试验平台由高压极板与导电地平面组成，二者之间即为试验空间，可产生均匀电场环境，以及承载被试品，如图4 所示。当高压极板上的电压迅速跌落时，其下方产生快速变化的电场。高强度的电场会引起边缘、尖端电晕放电［14］，GJB 8848-2016标准附录G 给出了距离放电通道10 m 处的垂直电场强度和变化率，场强接近3×106V/m。

根据仿真结果，实验室室内建立这样的电场强度环境且受试系统不发生闪络是非常困难的，因此试验系统模拟的场环境主要考虑满足电场变化率要求，即要达到6.8×1011V/（m·s-1）。试验平台实物如图4 所示。

图4 高压极板（直径3 m）Fig.4 HV electrode（3 m in diameter）

此外，利用仿真软件CST 进行仿真，分析了高压极板的结构对下方电场分布的影响，由于尖端放电会使盘下电场部分畸变，局部场强增强影响场的均匀性，如图5 所示。因此，后期对高压电极的尖锐部分进行了适当改造。

图5 高压极板下方电场分布Fig.5 Electric field distribution under the high voltage electrode

本文提出了利用均匀性量化计算公式验证电场是否满足均匀性指标，如式（1）所示。当电场均匀性系数β小于3 dB 时即认为高压极板下的电场均匀性良好。同时，分析了高压极板吊高H 与导电地平面边长对场均匀性的影响。仿真结果显示，对于直径3 m 的高压极板，当高压极板的吊高H 为2 m，导电地平面边长为3.5 m 时，其下方的电场均匀性较好。

式中，Emax，Emin分别为距地面H/3 高度时的电场强度最大值和最小值。

2.4 测控系统

测控系统主要实现控制和测量两大功能。

控制系统主要负责状态监测和动作控制，通过实时监测充放电回路电压和电流信号，利用计算机判断并执行控制动作。其操作界面包含状态信息显示区和控制区。状态信息显示区实时显示当前设置参数、状态监测以及故障信息；控制区集成了充放电、触发、故障复位、急停等控制动作。

测量系统包括电容分压器和电场传感器，分别测量放电回路电压和试验空间电场。电容分压器通过对冲击高压进行分压测量，将信号输出到示波器，在后端的工作站完成采集和预处理。电场传感器由电场探头和光传输装置组成，电场探头为偶极子天线用于监测高压极板下方的电场信号，光传输装置将监测的电场信号转换成光信号，传输至屏蔽柜中的光电转换器，之后再转换为电信号输出至示波器进行测量，从而大幅度减少了电磁干扰对信号采集的影响。

控制和测量系统的详细功能描述如表1所示。

3 试验结果与分析

3.1 全波波形

邻近雷击电场环境模拟装置不经截断装置进行截波时，输出1.2/50 μs 全波波形。图6 所示为Marx 发生器单级充电30 kV 时电容分压器和电场传感器测得的归一化波形，由图可见，2 个波形的上升时间与半峰值宽度吻合较好。这表明邻近雷击电场环境模拟装置输出的全波波形是稳定可靠的，并且电场传感器满足电场信号测量要求。