一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管HEMP防护性能表征方法及系统与流程

一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征方法及系统
技术领域
1.本发明涉及一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征方法及系统。


背景技术：

2.高空电磁脉冲具有场强高、频谱宽、作用范围广等特点，可通过天线、线缆等耦合途径在电力电子设备端口形成强电磁干扰，影响设备的正常运行甚至造成损伤。在设备输入端和地之间安装气体放电管(gas discharge tube,gdt)，在hemp(高空电磁脉冲)冲击时会形成输入端对地的短路通道，泄放脉冲干扰电流，保护设备不受损伤。由于gdt具有通流能力强、寄生电容小等特点，是hemp防护中最为常用的防护器件。
3.气体放电管通常用动作电压表征其防护性能。如epcos公司的gdt产品手册中，给出了直流、100v/μs、1kv/μs三种不同波形前沿上升率下gdt的动作电压，这一电压值也就是气体放电管动作后的残余电压值。但是，电子设备的hemp效应不仅和残余电压幅度相关，也与残余电压波形前沿上升率、残余能量等其他电磁范数相关。如《susceptibility of some electronic equipment to hpem threats》等文献总结了电子设备和强电磁脉冲干扰幅度、能量间的关系。
4.采用电磁范数可以更为全面评价gdt的hemp防护能力，然而，在hemp的易损性分析中，设备端口耦合的干扰通常以脉冲波形给出，采用电磁范数来评价gdt的hemp防护能力时，无法给出脉冲波形，不便于进行易损分析。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决采用电磁范数来评价gdt的hemp防护能力时，无法给出脉冲波形，不便于易损分析的问题，本发明通过研究待测气体放电管在hemp作用下的动作特性，将gdt在不同幅度方波激励下的动作时间作为表征其hemp响应的主要参数，建立了一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征方法及系统。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
8.步骤1：在气体放电管后端连接负载，定义气体放电管放电后，后端负载两端的电压为气体放电管放电后的残余电压；
9.步骤2：以输出脉冲电压为气体放电管最低动作电压向气体放电管输出脉冲，测量10次气体放电管放电结束后对应的残余电压，计算并记录10次残余电压幅值的平均值以及半高宽的平均值，定义残余电压幅值的平均值为待测气体放电管的动作电压幅度，半高宽的平均值为动作时间；
10.步骤3：调整输出脉冲电压逐渐升高，直到脉冲电压等于达到脉冲源的最大输出电
压，并在每个电压等级下，采用与步骤2相同的方式计算并记录对应电压等级下的动作电压幅度和动作时间，其中，至少取10个不同等级的脉冲电压；
11.步骤4：基于步骤2与步骤3中的动作电压幅度和动作时间，以动作电压幅度为纵坐标，动作时间为横坐标，绘制气体放电管动作的“时间-幅度”曲线，并获得气体放电管的hemp防护性能表征。
12.进一步地，所述步骤2还包括测量气体放电管的输入电流。
13.进一步地，步骤1中，所述脉冲发生器输出方波脉冲，所述方波脉冲的前沿《1ns、脉宽》500ns、最大输出电压≥4kv。
14.进一步地，步骤1中，所述负载的阻值为50ω。
15.本发明还提出一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征系统，其特殊之处在于：包括脉冲发生器、处理单元以及示波器，所述示波器内设置有负载；
16.所述脉冲发生器的输出端与待测气体放电管的输入端电连接，待测气体放电管的输出端与负载一端电连接，示波器用于测量负载两端的电压值，所述示波器与处理单元电连接，用于将采集的电压值发送给处理单元，所述处理单元对接收的电压值进行处理，获得动作电压幅度及动作时间，并绘制气体放电管动作的“时间-幅度”曲线。
17.进一步地，所述电流传感器一端与气体放电管的输入端电连接，一端与示波器电连接；
18.所述电流传感器用于测量待测气体放电管的输入电流，并将其发送给示波器进行显示。
19.进一步地，所述脉冲发生器输出方波脉冲，所述方波脉冲的前沿《1ns、脉宽》500ns、最大输出电压≥4kv。
20.进一步地，所述负载的阻值为50ω。
21.本发明的有益效果是：
22.1、本发明中，通过脉冲激励实验，获取了待测气体放电管动作的“时间-幅度”曲线，反映了待测气体放电管在不同电压幅度下的动作时间，或者说不同动作时间对应的动作电压，该曲线可以用于预测不同hemp传导环境激励下气体放电管的残余电压波形，直观反映气体放电管对hemp脉冲干扰的防护能力，同时也可根据预测得出的残余电压波形得出气体放电管的动作电压、残余能量等指标。
23.2、本发明中，本发明采用单路输出，可以有效提高加载于gdt两端的激励电压，获得gdt在高幅值电压下的响应特性。
24.3、本发明中，使用信号脉宽大于500ns，从而可以得到不同幅度下gdt动作时间的差别。
25.4、本发明中，还监测了气体放电管的输入电流，可以根据输入的电流判断气体放电管是否启动。
附图说明
26.图1是本发明一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征系统的原理示意图；
27.图2是本发明实施例中，gdt未动作时测量波形；
28.图3是本发明实施例中，gdt动作后，后端残余电压波形；
29.图4是本发明实施例中，gdt动作时间统计图；
30.图5(a)是本发明实施例中，不同脉冲源设置电压下gdt动作时间统计(加压0.4～4kv)；
31.图5(b)是图5(a)的局部数据(加压0.4～0.6kv)；
32.图6是gdt后端残余电流能量；
33.图7(a)是本发明实施例中，gdt动作的“时间-幅度”曲线；
34.图7(b)是本发明实施例中，利用“时间-幅度”曲线进行ec90气体放电管防护性能预测对比图；
35.图7(c)是本发明实施例中，不同幅度残余电压波形与“时间-幅度”曲线的比对图；
36.图8(a)是本发明实施例中，指数波激励下gdt动作前的典型测试波形；
37.图8(b)是本发明实施例中，指数波激励下gdt动作时的典型测试波形；
38.图9(a)是本发明实施例中，ec90型gdt“时间-幅度”曲线图(2ns前沿指数波)；
39.图9(b)是本发明实施例中，ec90型gdt“时间-幅度”曲线图(20ns前沿指数波)；
40.图10是本发明实施例中，ec230型gdt的“时间-幅度”曲线及验证(20ns前沿指数波激励)；
41.图11是本发明实施例中，ef470型gdt的“时间-幅度”曲线及验证(2ns前沿指数波激励)；
42.图中，1、脉冲发生器；2、电流传感器；3、气体放电管；4、示波器；5、负载。
具体实施方式
43.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
44.(1)gdt在hemp传导环境作用下的动作特性
45.iec61000-2-10《hemp环境描述——传导干扰》、mil-188-125《执行关键紧急任务地基c4i设施的hemp防护》等标准规定了hemp传导环境波形，包括了早期、中期、晚期三种hemp环境，早期hemp环境效应最为显著，是利用气体放电管3对电子设备进行防护时的主要考虑因素。根据耦合通道不同，hemp传导波形的特征参数也有所区别，其中线缆上(含架空和埋地两种状态)的响应电流为指数波，前沿为10ns～25ns，半高宽为100ns～500ns；通信天线端口响应电流为阻尼正弦波，频率与天线主频相关，周期约10ns～330ns(这里主要考虑对hemp敏感的通信天线，主频约3mhz～100mhz)。
46.综上，电子设备端口的hemp传导干扰波形前沿为十纳秒量级，半宽为百纳秒量级。
47.基于以上分析，拟采用前沿小于1ns、脉宽大于500ns、最大输出幅值4kv的方波源作为激励信号，通过实验研究gdt在hemp传导环境激励下的动作特性。实验设置如图1所示：
48.具体的：本发明提出一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征系统，如图1所示，包括脉冲发生器1、电流传感器2以及示波器4，示波器4内设置有负载5，本实施例中，负载5的阻值为50ω；
49.脉冲发生器1的输出端通过第一电缆与待测气体放电管3的输入端连接，待测气体放电管3的输出端通过第二电缆与示波器4中的50ω的负载5串联，电流传感器2一端设置在第一电缆上，一端与示波器4电连接；示波器4中的50ω的负载5两端的电压值作为气体放电
管3的残余电压值。
50.气体放电管3通过测试夹具夹持固定。
51.其中，脉冲发生器1用于输出脉冲源，在本实施例中，脉冲发生器1采用方波脉冲发生器1，方波脉冲发生器1的前沿《1ns、脉宽》500ns、最大输出电压≥4kv；电流传感器2用于采集输入待测气体放电管3的电流信号，并将采集的电流信号转化为符合示波器4要求的电信号后，发送给示波器4，示波器4用于测量待测气体放电管3的电流信号以及待测气体放电管3放电后，气体放电管3的残余电压值。
52.基于上述系统，本发明还提出其使用方法，包括以下步骤：
53.步骤1：设定方波脉冲发生器1的初始电压值a为待测气体放电管3最低动作电压；
54.步骤2：打开方波脉冲发生器1，调整方波脉冲发生器1的输出电压为初始电压a，方波脉冲发生器1输出方波脉冲源，在方波脉冲源的高电平时，气体放电管3工作放电，在方波脉冲源的低电平时，气体放电管3不工作，气体放电管3放电结束后，示波器4在负载5两端采集气体放电管3放电后的残余电压的波形；
55.步骤3：采用与步骤2相同的输出电压值，重复测量9次气体放电管3放电后的残余电压，获得在方波脉冲发生器1的电压值为a时，10次实验气体放电管3放电后残余电压的波形；
56.步骤4：调整方波脉冲发生器1的输出电压为b，其中b》a，方波脉冲发生器1输出方波脉冲源，在方波脉冲源的高电平时，气体放电管3工作放电，在方波脉冲源的低电平时，气体放电管3不工作，气体放电管3放电结束后，示波器4在负载5两端采集气体放电管3放电后的残余电压的波形；
57.步骤5：采用与步骤4相同的输出电压值，重复测量9次气体放电管3放电后的残余电压，获得在方波脉冲发生器1的电压值为b时，10次实验气体放电管3放电后残余电压的波形；
58.步骤6：调整方波脉冲发生器1的电压为c，其中c》b，方波脉冲发生器1输出方波脉冲源，在方波脉冲源的高电平时，气体放电管3工作放电，在方波脉冲源的低电平时，气体放电管3不工作，气体放电管3放电结束后，示波器4在负载5两端采集气体放电管3放电后的残余电压的波形；
59.步骤7：采用与步骤6相同的输出电压值，重复测量9次气体放电管3放电后的残余电压，获得在方波脉冲发生器1的输出电压值为c时，10次实验气体放电管3放电后残余电压的波形；
60.步骤8：采用与步骤6-7相同的方法，测量不同电压下，气体放电管3放电后残余电压波形，直到方波脉冲发生器1的电压等于达到方波脉冲发生器1的最大输出电压，执行步骤9；
61.步骤9：调整方波脉冲发生器1的输出电压为n，其中n的值等于方波脉冲发生器1的最大输出电压，方波脉冲发生器1输出方波脉冲源，在方波脉冲源的高电平时，气体放电管3工作放电，在方波脉冲源的低电平时，气体放电管3不工作，气体放电管3放电结束后，示波器4在负载5两端采集气体放电管3放电后的残余电压的波形；
62.步骤10：采用与步骤9相同的电压值，重复测量9次气体放电管3放电后的残余电压，获得在方波脉冲发生器1的电压值为n时，10次实验气体放电管3放电后残余电压的波
形；
63.步骤11：对每个电压等级下，10次实验气体放电管3放电后残余电压波形的幅值取平均值，作为气体放电管3的动作电压幅度，10次实验气体放电管3放电后残余电压波形的半高宽的平均值为动作时间；
64.步骤12：以动作电压幅度为纵坐标，动作时间为横坐标，绘制气体放电管3动作的“时间-幅度”曲线；
65.步骤13：基于气体放电管3动作的“时间-幅度”曲线，获得该脉冲下gdt的动作电压、后端残余电流能量(残余电流幅度乘以动作时间)等指标，即获得气体放电管3的emp防护性能表征。
66.其中，b-a的值c-b值可以相等也可以不等，最优为两者相等，便于测量与计算。
67.在本实施例中，电压等级的总数量不少于10个，并且在动作电压范围的前半部分电压等级可以取的稍密一些，后半部分可以取的稍疏一些。
68.gdt未动作时前端电流及根据后端残余电流如波形图2所示(其中，injectedcurrent表示注入电流，leakage current表示残余电流)，这一指标的激励信号，在前沿上升率和脉宽上可有效覆盖hemp传导环境波形，能够充分反映gdt在hemp激励下的动作特性，另外，本发明使用信号脉宽大于500ns，从而可以得到不同幅度下gdt动作时间的差别；二是本发明采用单路输出，可以有效提高加载于gdt两端的激励电压，获得gdt在高幅值电压下的响应特性。
69.以epcos公司生产的ec90型气体放电管为实验对象，逐步增加方波源输出电压，每个电压等级重复10次实验，gdt后端残余电压典型波形如图3所示(4个不同电压等级)。
70.可以发现，随着电压的增加，气体放电管3后动作时间逐渐变短，这一规律与翟爱斌等在《气体放电管电磁脉冲响应特性实验研究》—(电波科学学报-2011年6月第26卷增刊)一文中的结论相一致。
71.但经过进一步的实验数据分析，除上述基本的、定性化的规律外，还以得出gdt的其他动作特性：
72.(1)在gdt开始动作的初始阶段，伴随着电压的小幅增加，动作时间会显著下降，如图4所示，ec90从开始动作的0.4kv到0.5kv，幅值增加约20％，但动作时间从约500ns迅速下降到了50ns。(2)以脉冲源输出设置电压为横坐标，统计不同加压幅度下动作时间的分散性，结果如图5(a)和图5(b)所示，可以看到，在gdt动作初期阶段，动作时间上具有较大的分散性；在脉冲源输出电压大于0.5kv后，动作时间分散性很小。(3)不同电压幅度下gdt后端残余电流能量如图6所示，其最大值出现在gdt动作初期，之后随着电压的增大而逐渐减小。
73.(2)gdt在hemp激励下的动作“时间-幅度”曲线
74.基于上述gdt动作特性，取同一加压等级下10发次动作时间的均值为横坐标值x，残余电压均值为纵坐标y，可以建立gdt动作的“时间-幅度”曲线。如图7(a)所示。
75.图7(b)为幅值1kv方波激励信号加载于gdt两端，当该信号与gdt动作的“时间-幅度”曲线相交时，gdt开始动作，残余电压下降至零，预测波形与实测波形具有较高的一致性；图7(c)为不同幅值方波激励下gdt的残余电压与“时间-幅度”曲线。总之，gdt动作的“时间-幅度”曲线可以用于预测和表征gdt残余电压波形。
76.另外，根据gdt后端残余电流能量特性，可取gdt动作“时间-幅度”曲线中动作时间
最大值，乘以对应的残余电流值(残余电压/负载5阻抗)，得到gdt的残余电流能量最大值。
77.(3)gdt动作“时间-幅度”曲线表征方法验证
78.首先采用指数波对前述表征方法进行验证。采用图1所示实验设置，其中将方波脉冲源更换为指数波脉冲源，gdt未动作时脉冲源输出电流如图8(a)所示(其中，injected current表示注入电流，leakage current表示残余电流)，波形前沿约2ns，半宽约400ns。gdt动作时的典型测量波形如8(b)所示(其中，injected current表示注入电流，leakage current表示残余电流)。
79.图9(a)展示了4组不同幅值指数波激励下gdt的残余电压波形，通过与“时间-幅度”曲线比对，可以发现，该曲线能够用于预测指数波激励下gdt的残余电压波形。调整脉冲源内部电感，将波形前沿调整为20ns，半宽不变，4组不同幅值指数波激励下gdt的残余电压波形及其“时间-幅度”曲线的比对如图9(b)所示。
80.选用epcos公司生产的另外两种型号的气体放电管3，ec230和ef470型。首先利用前述方波激励源和实验方法，获得其动作的“时间-幅度”曲线，然后分别利用上述两种指数波(2ns前沿及20ns前沿)进行表征及预测方法验证，如图10、图11所示，其中不同线条属于不同幅度等级。可见该方法可用于不同型号气体放电管3的hemp防护性能表征及预测。
81.在其他实施例中，也可以采用其他hemp传导激励波形。

技术特征：
1.一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在气体放电管(3)后端连接负载，定义气体放电管(3)放电后，后端负载(5)两端的电压为气体放电管(3)放电后的残余电压；步骤2：以输出脉冲电压为气体放电管(3)最低动作电压向气体放电管(3)输出脉冲，测量10次气体放电管(3)放电结束后对应的残余电压，计算并记录10次残余电压幅值的平均值以及半高宽的平均值，定义残余电压幅值的平均值为待测气体放电管(3)的动作电压幅度，半高宽的平均值为动作时间；步骤3：调整输出脉冲电压逐渐升高，直到脉冲电压达到脉冲源的最大输出电压，并在每个电压等级下，采用与步骤2相同的方式计算并记录对应电压等级下的动作电压幅度和动作时间，其中，至少取10个不同等级的脉冲电压；步骤4：基于步骤2与步骤3中的动作电压幅度和动作时间，以动作电压幅度为纵坐标，动作时间为横坐标，绘制气体放电管(3)动作的“时间-幅度”曲线，并获得气体放电管(3)的hemp防护性能表征。2.根据权利要求1所述的一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征方法，其特征在于：所述步骤2还包括测量气体放电管(3)的输入电流。3.根据权利要求1或2所述的一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征方法，其特征在于：步骤1中，所述脉冲发生器(1)输出方波脉冲，所述方波脉冲的前沿<1ns、脉宽>500ns、最大输出电压≥4kv。4.根据权利要求3所述的一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征方法，其特征在于：步骤1中，所述负载(5)的阻值为50ω。5.一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征系统，其特征在于：包括脉冲发生器(1)、处理单元以及示波器(4)，所述示波器(4)内设置有负载(5)；所述脉冲发生器(1)的输出端与待测气体放电管(3)的输入端电连接，待测气体放电管(3)的输出端与负载(5)一端电连接，示波器(4)用于测量负载(5)两端的电压值，所述示波器(4)与处理单元电连接，用于将采集的电压值发送给处理单元，所述处理单元对接收的电压值进行处理，获得动作电压幅度及动作时间，并绘制气体放电管(3)动作的“时间-幅度”曲线。6.根据权利要求5所述的一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征系统，其特征在于：还包括电流传感器(2)；所述电流传感器(2)一端与气体放电管(3)的输入端电连接，一端与示波器(4)电连接；所述电流传感器(2)用于测量待测气体放电管(3)的输入电流，并将其发送给示波器(4)进行显示。7.根据权利要求6所述的一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征系统，其特征在于：所述脉冲发生器(1)输出方波脉冲，所述方波脉冲的前沿<1ns、脉宽>500ns、最大输出
电压≥4kv。8.根据权利要求5-7任一所述的一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管hemp防护性能表征系统，其特征在于：所述负载(5)的阻值为50ω。

技术总结
本发明涉及一种基于动作时间-幅度曲线的气体放电管HEMP防护性能表征方法及系统；解决采用电磁范数来评价GDT的HEMP防护能力时，无法给出脉冲波形，不便于易损分析的问题；方法包括1在气体放电管后端连接负载，负载两端的电压为气体放电管的残余电压；2以最低动作电压输出脉冲，测量10次气体放电管的残余电压，计算并记录对应电压等级下的动作电压幅度和动作时间；3调整输出脉冲电压逐渐升高，直到等于脉冲源的最大输出电压，在每个电压等级下，计算并记录对应电压等级下的动作电压幅度和动作时间；4基于上述动作电压幅度和动作时间，绘制气体放电管动作的“时间-幅度”曲线，获得气体放电管的HEMP防护性能表征；本发明还提出完成上述方法的系统。完成上述方法的系统。完成上述方法的系统。


技术研发人员：崔志同 王锦锦 董亚运 秦锋 杜传报 聂鑫 吴伟 刘政
受保护的技术使用者：西北核技术研究所
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/21