瞬态电场时域测试技术的研究现状与展望

随着电磁环境效应与防护技术研究的不断深入,瞬态电场时域测试技术已成为电磁脉冲攻防领域急需解决的关键性科学问题之一。文章从"硬件"和"软件"两个方面,对不同类型电场传感器的特点以及瞬态电场时域测试系统的动态补偿技术等进行了对比总结,指出瞬态电场时域测试技术在测试系统动态性能提高、测量误差评定、动态性能补偿等方面均有待进一步研究和完善,并对其发展趋势进行了展望。     

高功率瞬态电场传感器的设计与分析

高功率瞬态电场的测试是电磁环境效应评估与防护研究领域的难点。笔者基于有源电光调制法,设计了一种高功率瞬态电场传感器。通过建立简化的等效电路模型,并借助CST微波工作室对该传感器的结构建模仿真,分别从频域和时域分析了接收天线负载对传感器接收特性的影响,并得到了一致的结果。结果表明:接收天线采用单极子天线,负载采用低阻时响应信号为被测电场的微分信号,采用高阻时响应电压与被测电场场强成正比,通过改变负载电容取值可以控制传感器量程。     

金属屏蔽盒强瞬态电场屏蔽效能实验

基于实验室的强电磁脉冲(EMP)模拟器、强瞬态三维电场测量系统和弱瞬态电场测量系统,本文对带孔金属屏蔽盒强电磁脉冲屏蔽特性进行了系统的研究,提出应用时域电场强度最大值评估金属屏蔽盒的强瞬态电场屏蔽效能.基于快速傅里叶变换(FFT)本文还对带孔金属盒的强瞬态电场频域屏蔽效能进行了分析.     

超声波电动机瞬态特性测试系统

瞬态响应特性是超声波电动机的一项重要性能指标.设计了一种通过主要由ARM、光电编码器和数字示波器组成的超声波电动机瞬态响应特性测试系统,介绍了系统的设计思路、整体结构和实现过程,并对测试结果进行分析,验证了测试系统的有效性.     

电磁脉冲模拟器仿真与实验研究

为了获得电磁脉冲模拟器工作区间内瞬态电磁场的分布情况并用时域有限差分法对自建的电磁脉冲模拟器进行了建模和数值仿真,并用三维瞬态电场测量系统和瞬态磁场测量系统实际测量了模拟器工作区间内的瞬态电磁场。仿真和测量结果表明,该电磁脉冲模拟器可产生上升沿为20~30ns的强电磁脉冲,且二者吻合较好。基于建立的模型得到了有界波电磁脉冲模拟器工作区间内瞬态电磁场的分布规律:电磁脉冲强度由工作区间中心向两侧逐渐减小,随高度的增加,电磁脉冲强度逐渐增大。基于上述模型通过数值仿真可检验电磁干扰和电磁防护实验结果的准确性。     

变电站开关操作瞬态电磁环境研究

针对变电站开关动作时产生的瞬态电磁环境改变对线路及电气设备的影响,采用通过实验室试验,电磁脉冲模拟器(EMP)模拟开关操作时的瞬态电磁环境,分析传输线及电气设备受到电磁干扰的情况,提出对变电站的电气设备的抗扰度实验应增加瞬态电场测试,以及二次电缆屏蔽层应双端接地并进一步采取相应防护措施等建议.     

用于高功率电磁脉冲防护的SiC-TVS器件设计研制

高功率电磁脉冲可在电子信息设备电缆上耦合产生浪涌骚扰,瞬态电压抑制器(transient voltage suppressor,TVS)是抑制浪涌骚扰的重要防护器件。现有TVS器件多为Si基材料,受限于材料特性,在响应速度和通流能力上存在不足。因此,选择Si C材料设计新型Si C-TVS器件,新型器件采用NPN结构,通过动态响应仿真确定了基本参数,对器件在高功率电磁脉冲下的热失效进行了仿真研究。采用深度刻蚀槽工艺加工了该批器件,选取结面积和工作电压相近的Si-TVS进行对比测试;测试结果表明:新研制的Si C-TVS器件在快前沿脉冲下的响应速度显著优于Si-TVS;在10/1 000μs浪涌脉冲注入下,Si C-TVS的通流能力为Si-TVS的6倍。     

基于空间电场效应的高电压测量装置的研究

本文在对一种基于空间电场效应的电容分压器的电场进行计算分析的基础上,讨论了这种新型电容分压器的安装位置与高压探头对地分布电容间的关系,椭球形和圆球形高压探头的电场分布情况以及测量不同电压等级时高压探头球体的最小半径等问题,设计了电容分压器的结构及参数。作为该新型电容分压器的一种应用,设计了一套完整的高电压测量装置。试验表明,该装置具有较好的测量精度和响应特性,信号波形的再现能力较为理想,适用于电力系统中高压输电线路等设备的暂态高电压信号的现场试验测量。     

适应高湿度环境的输变电工程电场强度测量与试验

电磁环境监测是输变电工程环保工作的重要课题,针对目前广泛应用的电场监测仪器无法实现在环境湿度大于80%条件下的工频电场测量问题,首先对工频电场测量的两种基本原理即光学测量法和电学测量法进行了详细阐述,对悬浮式电场探头和地参考型电场探头的基本原理和测量方法进行了理论对比分析。在此基础上,通过分析湿度对电场监测仪器的影响,构建基于地参考型探头的高湿度条件下工频电磁场测量系统。在不同环境湿度条件下,对选取的试验线路进行对比测试与数据分析。试验结果表明,空气湿度对工频电场的分布基本没有影响,本文构建的测量系统可以实现高湿度条件下电场强度监测,可以为雨天或湿度较大天气下电磁环境测量提供有力的技术支撑。     

压接型IGBT子模组在关断过程中的电场瞬态特性分析与调控

封装绝缘问题是压接型IGBT器件研制过程中面临的关键挑战之一,解决绝缘问题的关键是准确分析器件内部复合绝缘结构在运行工况下的电场分布特性。现有研究多在静电场或恒定电场下分析其静态电场特性,忽略了其在实际工况下的电场瞬态特性。针对刚性压接型IGBT器件,考虑到直流断路器用压接型IGBT面临的单次关断的实际工况,在电准静态场条件下,该文采用瞬态边界电场约束方程,准确计算压接型IGBT子模组复合绝缘结构中的瞬态电场,获得器件内部不同介质交界面上的界面电荷密度,详细分析瞬态电场的时空分布特性。在此基础上,该文从子模组的绝缘结构和封装绝缘材料参数两方面对子模组的瞬态电场进行调控,结果表明,该文所提控制方法能显著降低绝缘薄弱环节处的电场强度。     

换流变压器极性反转三维瞬态电场计算

换流变压器是高压直流输电系统中的重要设备之一,运行过程中不仅要承受交流电压、直流电压和交直流电压叠加,还要承受极性反转电压的作用。为了考量换流变压器油纸等绝缘媒质的绝缘特性,首先,建立了瞬态电场的理论计算模型;其次,利用Ansys软件建立了换流变压器的三维瞬态电场计算模型;然后,考察了换流变压器油纸等绝缘结构在极性反转电压下的瞬态电场变化特性;最后,仿真分析了极性反转试验电压类型的不同对瞬态电场的影响。结果表明:油纸等绝缘结构在第一次极性反转过程中承受的瞬态电场值最大,且极性反转试验电压类型的不同对油纸等绝缘结构所承受的瞬态电场影响很大,为准确的进行换流变压器绝缘结构设计提供参考。     

500kV变电站开关操作瞬态电场测量与研究

变电站断路器和隔离开关操作会产生瞬态电场。该文对国内正在调试的两座500kV变电站开关操作产生的瞬态电场进行了测量。这是国内首次进行现场测量。本次测量使用三维球形有源瞬态电场探头，该探头最大可测48kV/m。测量项目包括隔离开关分合空载母线和短线、断路器合长线和投空载变压器等。对测量的数据进行分析获得关于断路器和隔离开关操作产生瞬态电场的一些重要特征。这些结果对变电站电磁干扰分析和保护与控制设备抗扰度研究具有重要的理论意义和实用价值。     

便携式工频电场测量装置的设计

为了了解设备表面和内部的工频电场,从而更好地研究设备运行的状态及优化改进设备,笔者介绍了一维球型电场传感器的测量原理,设计了一种基于C8051F410单片机的便携式工频电场测量装置,讨论了不同形状及规格电场探头对测量结果的影响并完成了电场探头的选型。在500 kV交流输电线下方和实验室简化同心圆球电极内使用该装置与国外标准仪器进行了对比测量,现场测试结果表明该装置测量数据与国外仪器相比具有较大的相关度,能准确地测量电力系统工频电场,具有很好的实用性。     

同轴电极下非线性绝缘介质阶跃响应仿真分析

为了验证非线性绝缘材料在非均匀电极结构下均化电场分布的内在机理,以典型非均匀电极结构(同轴电极)下填充电导率为非线性的绝缘介质所构成的绝缘结构为研究对象,采用有限元软件ElecNet仿真分析了不同幅值阶跃电压作用下非线性绝缘介质中瞬态响应的空间分布,得到的非线性绝缘介质内部空间电荷的分布揭露了非线性绝缘介质能自行均化电场的根本原因是空间电荷效应。稳态电场的计算结果表明:阶跃电压幅值越高,绝缘介质非线性程度越高,电场改善的程度越好。     

瞬态电压抑制器在快上升沿电磁脉冲作用下的瞬态响应

为了研究瞬态电压抑制器(TVS)对快上升沿电磁脉冲的响应,基于传输线脉冲(TLP)测试理论,建立了由高频脉冲发生器、同轴电缆、专用测试夹具、30dB脉冲衰减器和高性能的数字存储示波器等组成的测试系统。参考时域传输(TDT)TLP测试方法,利用该测试系统,对典型双极TVS器件在快上升沿电磁脉冲作用下的电流特性和电压特性进行了研究,并对试验数据进行了拟合分析。结果表明,TVS器件的箝位电压、峰值电流等参数均随着测试电压的增大而增大,且与测试电压呈线性关系;而由箝位电压决定的箝位响应时间受测试电压的影响较小。经对比分析实验结果得出,对快沿电磁脉冲,采用固定响应时间下的箝位电压来衡量TVS器件的防护性能是较为合理的。     

ns级脉冲磁场传感器的研制

变电站内存在具有ns级上升沿且幅值较高、频带较宽的快速瞬态电磁脉冲,以辐射和传导的方式干扰保护与控制等二次设备。为了评估变电站内电磁干扰及防护措施对干扰抑制效果的问题,基于法拉第电磁感应定律,研制了一套可用于测量高幅值、宽频带磁脉冲的ns级脉冲磁场传感器,并分析了其基本原理、幅频特性、灵敏度、方波磁场的幅值响应和测量干扰,阐述了其设计原则及应注意的问题。通过模拟电磁脉冲对其标定与测试,结果表明,此传感器的灵敏度为703.42V/T,频带为400kHz～100MHz,满足变电站内瞬态脉冲磁场测量的要求。     

级联MOSFET均压测试方法研究

文章分析了传统均压测试方法中,隔离高压探头寄生参数对级联MOSFET均压效果的影响。通过改变同一高边MOSFET的DS电压测试探头数量,分析了测试方法引入寄生参数的变化对瞬态均压的干扰程度。基于此提出了一种减法均压测试方法,并对所提出的减法均压测试方法的优化进行了分析与实验验证。实验结果表明该测试方式能精确评估级联MOSFET在稳态以及开通、关断瞬态的均压效果,且不受测试线缆寄生参数的影响。     

球形偶极子电场传感器的仿真建模与分析

针对常用瞬态电磁脉冲测试手段的缺点,笔者给出了一种新型的球形偶板子电场传感器,并对其进行了仿真建模和分析.文中分别在时、频域研究了负载阻抗变化和传感器尺寸变化对其测试特性的影响,并直观地给出了传感器输出电压的波形失真情况及其频率特性.结果显示:传感器低频特性受其负载阻抗影响显著,而其高频特性受传感器尺寸影响显著.分析结...     

基于BLT方程的传输线网络时域响应仿真方法

电磁脉冲(EMP)会对电子设备、器件以及系统的信号线路造成干扰、潜在性失效或永久性损伤,而传输线及其网络正是其主要的能量耦合通道,为研究注入式电磁脉冲对传输线网络的耦合规律,以环形网络和树形网络两种常见网络为研究对象,运用电磁拓扑理论与BLT方程,研究电磁脉冲在传输线网络中的时域响应。首先推导了传输线网络BLT方程并进行求解,建立了树形结构和环形结构传输线网络的电磁拓扑模型,在运用BLT方程求解网络结点响应的过程中,提出了先求解网络传递函数而后结合时域卷积的计算方法,对网络结点的时域响应进行了仿真计算。通过树形网络和环形网络的电磁脉冲瞬态响应的实验研究,验证了所采用的理论和仿真分析方法的有效性,这些结果对进一步研究传输线网络对电磁脉冲的响应规律和防护技术具有指导意义。     

小型脉冲电场屏蔽效能测试设备

为准确测量电磁脉冲电场对电气、微电子设备的危害,设计了一种由发射设备和接收设备两部分组成的小型电场屏蔽效能测试设备。其作用是用电气设备在有限范围内近似模拟电磁脉冲。在叙述了测试设备的原理和结构并估算出发射设备的一些参数后讨论了主要部件的设计,并选取了各个部件的材料。为减少脉冲上升时间采用了一种结构紧凑由高压气体开关和无感电容组成的脉冲形成装置。模拟器接受设备包括数据采集和系统标定。经多次调试,测得该设备产生的电场波形为双指数波形,上升时间<5ns,衰落时间>1μs,完全满足工程应用要求。