大电流作用下电缆转移阻抗非线性特性研究

石立华 张刘辉，2 张 祥 周颖慧

（1.解放军理工大学 电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室，江苏 南京210007；2.中国人民解放军73911部队，江苏 南京210012）

引 言

屏蔽电缆表面转移阻抗的测试通常在频域内开展［1］，属于小信号的注入测试方式；而利用时域测试方法能够进行大电流注入试验，该方法不仅能够直观地反映电缆对电磁脉冲的耦合效果，也能换算得到电缆的频域转移阻抗特性.因此在电磁脉冲防护中，采用时域法评价电缆在大电流冲击作用下的屏蔽响应显得尤为重要.时域法分为辐射试验法和电流注入法.模拟器中开展的辐射试验更能接近实际的电磁脉冲耦合情况，但受限于模拟器的空间和电磁脉冲入射角，辐射试验难以获得足够大的耦合电流.相比辐射试验法，电流注入法易于实施，方便对电缆开展电磁脉冲耦合试验.

采用电流注入法对电缆进行评价在国内外均受到广泛关注，Goldstein等［2］分析了屏蔽电缆转移阻抗时域和频域测试方法，采用间接注入的方式获得5kA的注入脉冲电流，观察到了某型屏蔽电缆的饱和现象.周启明等［3］利用脉冲电流注入法得到了多芯电缆的传递函数.张琦等［4］采用三同轴法验证了屏蔽电缆转移阻抗时域测量与建模方法的有效性.Orlandi等［5-7］提出了在大电流注入（Bulk Current Injection，BCI）下同轴电缆的集成电路仿真程序（simulation program with integrated circuit emphasis，SPICE）电路模型.Tang等［8］采用脉冲注入的方式研究了带有非线性电涌保护器（surge protection device，SPD）器件的同轴电缆的负载响应电压，结果表明在4kA脉冲电流作用下芯线所接负载上产生了明显的限幅效应.国内在时域评价电缆的屏蔽性能时还主要集中在小信号条件下，而对大电流注入非线性效应试验因开展难度较大，工作有待进一步开展.本文研究了一种采用大电流脉冲注入屏蔽电缆的转移阻抗时域测试方法，研究了电缆在不同幅度注入下的芯线耦合非线性效应.

1 转移阻抗的大电流注入测试方法

1.1 测试原理

大电流注入测试需要解决三个问题：一是大电流的产生，二是测试装置的脉冲耐压，三是时域测试结果的评价.本文提出了一种五平行线装置，用于测量大电流注入下的多芯屏蔽电缆响应，其原理如图1所示.高压脉冲源产生的信号注入受试电缆屏蔽层，信号源、电缆屏蔽层、终端负载和四根驱动线构成外回路；受测试电缆始端芯线与屏蔽层间接负载R1，并用卡钳式脉冲电流探头测电流；受试电缆本身构成内回路，电缆终端输出通过同轴式电压探头接数字存储示波器，可获得被测芯线与电缆屏蔽层之间的电压.五平行线装置具有结构简单、传输线特征阻抗可调的特点，可用于不同型号线缆的测试.

为了确保脉冲电流能够有效地注入电缆屏蔽层，信号源的内阻、五平行线测试装置特征阻抗和终端四个对称负载并联结果应相匹配.负载R1与多芯电缆的特征阻抗相等.

图1 屏蔽电缆的大电流时域注入测试装置示意图

1.2 脉冲注入源的实现

采用电阻电容（Resistance-Capacitance，RC）放电形式设计了用于测试系统的电流脉冲发生装置，结构设计如图2所示.在电流脉冲产生回路中，快速放电开关选用三电极液体火花开关［9］；为了减小回路电感，采用无感的脉冲电容器.

图2 高压脉冲发生装置的结构设计

初级能源选择幅值30kV的高压直流源，脉冲电容器为8 000pF，负载阻值5Ω.用电流探头测得脉冲发生装置的回路电流如图3所示.为获得较大的输出电流，装置的RC放电回路不再满足产生双指数脉冲的过阻尼条件，产生的电流脉冲波形存在一定的负脉冲，但输出的大电流脉冲能够满足屏蔽电缆开展大电流注入测试实验要求，可用来观测磁性材料饱和引起的非线性效应.

图3 典型电流I脉冲波形

1.3 五平行线测试装置

相比同轴电缆，多芯电缆结构复杂，不同电缆特征阻抗变化较大，阻抗匹配难于实现.五平行线测试装置最大优势是可以通过调整受试多芯电缆与驱动线的间距来确保外回路的特征阻抗为恒值；便于大电流和高电压的注入，回路耐压高.

图1中，测试装置的四根驱动线采用具有良好导电性的铜管，两端采用滑动圆盘固定，圆盘尺寸设计如图4所示.

图4 滑动圆盘尺寸

电缆屏蔽层与每根驱动线组成一对平行传输线，传输线对应不同的间距和线径有不同的阻抗，由于测试电缆的直径不同，对应的特征阻抗为［10］

式中：ε为电缆屏蔽层与驱动线组成的平行传输线介质的介电常数；d1为驱动线的直径；d2为电缆屏蔽层的外径；D为驱动线与电缆的中心间距.

不同类型受试电缆的直径各不相同，因此特征阻抗也是不同的.为了保持外回路特征阻抗为恒定值，驱动线与电缆屏蔽层的间距D设计在8～50mm范围内可调.若高压脉冲发生装置的输出阻抗为50Ω，为了与之相匹配，则五平行线测试装置的每对平行传输线特性阻抗为200Ω，外回路每对传输线终端接200Ω的负载电阻.内回路的始端负载R1等于多芯电缆的特征阻抗.若驱动线直径d1＝6mm，由式（1）得到受试电缆的外径d2范围为5～84 mm，从而达到对不同线径多芯屏蔽电缆测试的目的.

2 两类屏蔽电缆的测试结果

选取了两种软型多芯屏蔽电缆开展大电流脉冲注入下非线性效应实验.多芯电缆参数为：屏蔽层为两层编制屏蔽层，外屏蔽层直径为13mm，内部芯线数为6，每根芯线半径为0.5mm.两种多芯屏蔽电缆最大区别在于编制屏蔽层中间是否加入了铁磁性屏蔽层.加入了铁磁性屏蔽层的多芯屏蔽电缆结构如图5所示.实验中为了便于区别，将没有加入铁磁性屏蔽层的多芯电缆标记记为1＃，加入铁磁性屏蔽层的标记为2＃多芯电缆.

图5 含铁磁性屏蔽层多芯电缆结构

2.1 1＃多芯电缆测试结果

调整放电电压幅值，得到1＃多芯电缆在不同电流等级下的注入皮电流峰值和芯线耦合电压峰值如表1所示.从表可以看出，注入皮电流与耦合芯电压具有很好的线性关系.注入皮电流峰值为1 069 A时电缆响应曲线如图6所示.

表1 不同注入电流等级下1＃多芯电缆的响应

2.2 2＃多芯电缆测试结果

图6 1＃多芯电缆皮电流和耦合电压波形

表2 不同注入电流等级下2＃多芯电缆的响应

图7 2＃多芯电缆注入皮电流和耦合电压的关系曲线

对2＃多芯电缆，不同放电电压等级下的注入皮电流峰值和芯线耦合电压峰值如表2所示.为了观察加入磁性材料后电缆在大电流脉冲作用下的响应规律，绘制注入皮电流与耦合芯电压关系曲线如图7所示.从图可以看出，随着电缆的注入皮电流幅值增大，芯线耦合电压的增大幅度逐渐变缓，当注入电流峰值达到2kA时，芯线上的耦合电压增大不是很明显，在注入电流脉冲峰值大于2kA时，芯线耦合电压峰值保持在1.2V左右.注入皮电流峰值为1 140A时电缆响应曲线如图8所示.

图8 2＃多芯电缆皮电流Iin和耦合电压Uou波形

3 测试结果分析与讨论

3.1 从频域转移阻抗曲线观察两类电缆的不同

将时域结果进行FFT变换并计算线缆转移阻抗.对于1＃多芯电缆，当注入皮电流峰值为1 069 A和2 120A时，其转移阻抗与皮电流之间的关系如图9所示.从图可以看出，不同电流等级下电缆转移阻抗曲线重合较好，表明未加入磁性材料的屏蔽多芯电缆受不同幅度外电流作用，其转移阻抗未发生变化.

在注入皮电流脉冲峰值同样为1 100A时，1＃和2＃多芯电缆的转移阻抗曲线如图10所示.由图可以看出，加入磁性材料降低了2＃多芯电缆的转移阻抗值，提高了其屏蔽效能.

图9 1＃多芯电缆不同电流等级的转移阻抗II曲线

图10 Imax＝1.1kA时两种电缆转移阻抗曲线对比

3.2 非线性现象的分析

由上述实验可知，磁性材料屏蔽层引入了较强的非线性.磁性材料受外磁场的响应规律可以由磁化曲线来表征［11］.磁化曲线反映了磁感应强度B与磁场强度H之间的非线性关系.图11为磁性材料的典型B-H曲线.当磁场强度H由小变大时，磁感应强度B增加缓慢（oa段）；当H继续增大时，B急剧增大（ab段）；当H进一步增大时，B的增幅又开始变得缓慢；到达c点后，磁感应强度逐渐趋近于一个确定的饱和值.

国外学者对磁性材料屏蔽电缆采用大电流脉冲注入的实验研究［2］也反映了上述类似的现象.文献［2］通过间接注入的方法对超屏蔽电缆进行大电流测试.发现随着注入电缆屏蔽层电流幅值的增大，芯线耦合电压也在增大，但是耦合电压峰值与注入电流峰值的比值Umax／Ⅰmax在逐渐减小，文献［2］中并没有给出解释.对本文和文献［2］发现现象的合理解释是：在小电流注入下，外加磁场较小，磁性材料的初始磁导率μ较低（图11的oa段），导致屏蔽效能不高，电缆的芯线耦合电压幅值随皮电流线性增加.而随着注入电流的显著提高，外界磁场进一步增强，磁导率急剧增大（ab段），屏蔽层屏蔽效能提高，导致了芯线耦合电压幅值随皮电流增加不明显，呈非线性响应特征.进一步推论，若再加大注入到电缆屏蔽层的电流，磁性材料的磁导率会呈现下降，直至达到完全磁饱和并失去对屏蔽效能的贡献.

图11 磁性材料的B-H曲线

4 结 论

本文利用注入法对多芯电缆转移阻抗开展了大电流条件下的非线性效应实验.设计的五平行线测试装置外回路可调，便于对不同类型的电缆开展测试.对两种类型的多芯电缆时域测试表明：磁性材料不仅改进了电缆的屏蔽性能，且在注入电流峰值达到2kA时，磁导率可能进入一段急剧增大的区域，使得屏蔽效能增大，芯线耦合不再随皮电流线性增长.

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