电磁兼容浪涌脉冲校准问题的研究

　　1　引　言

　　在电磁兼容(EMC)检测领域,我国检测浪涌高压脉冲的关键设备是进口的高压脉冲分压器或高压差分探头,由于目前缺少在冲击电压作用下分压器的精确理论模型,量值溯源问题一直没有得到解决。在具有微秒级上升沿、电压从几千到上万伏的浪涌脉冲作用下,分压器的组成材料和器件特性容易发生不确定的变化;同时由于缺乏极限状态下的检测仪表,针对这些高压探头,只能进行直流和工频电压校准。当脉冲前沿较陡时,这种校准引起的误差会很大。

　　目前建立浪涌冲击电压校准系统的难点是:

　　(1)对浪涌高压脉冲分压器分压比值的稳定控制和定标; (2)浪涌脉冲上升时间的稳定控制和准确计量。

　　随着现代电磁场数值计算技术的发展和材料科学的进步,可以首先从材料特性和器件结构入手,通过分析在浪涌脉冲作用下分压器内部电磁场的分布特征,来定性分析传感器的传递特性,进而从理论上论证并通过多量值的评定,使建立EMC浪涌脉冲的量值溯源体系和EMC浪涌高压脉冲校准系统成为可能。

　　2　EMC标准电阻分压器仿真分析

　　2·1　仿真模型的建立

　　EMC浪涌高压脉冲校准系统主要由传感单元、传输单元、脉冲数字采集和系统数据处理单元构成,如图1所示。其中的传感单元———电阻分压器(含高压传输线)是校准系统的瓶颈和核心。

　　在高压脉冲作用下,分压器的使用限制条件和杂散参数影响是系统设计的关键。目前国内外的相关研究都只考虑杂散电路中电容(对地电容)参数的影响[1],而实际上电阻分压器的杂散参数不仅要考虑缠绕串对地和相邻匝间的杂散电容,还要考虑缠绕串不相邻匝间的杂散电容。此外,缠绕串的杂散电感也可能会对传感器冲击电位的分布产生影响。

　　本文对电阻性EMC浪涌冲击高压脉冲分压器的特性进行了深入的研究,利用电磁场数值仿真技术,采用场路结合法,计算得到了分压器的等效模型,见图2。图中节点编号1、2、3、…是衰减器电阻自上而下所缠绕的圈数;Ri、Lii分别是第i圈的电阻及电感;Mij、Cij分别是第i圈和第j圈的互感与互容。为了简化电路网络规模降低运算量,在实际电路分析中,必须根据截断误差的控制要求,考虑如何选取每一匝与其上下匝的匝间互容和互感的阶数,以达到在满足计算精度要求的前提下简化计算的目的。

　　2·2　限制条件

　　用电阻分压器来测量浪涌高压脉冲时,电场强度和温升是两个主要的限制条件。电场强度从两方面影响电阻分压器测量高压脉冲的准确性:一是发生击穿;二是引起绝缘轴的电介质特性随电场强度的变化而改变,进而造成分压器的杂散参数随高压脉冲波形的变化而变化。