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嘉峪检测网 2020-05-09 19:50
摘要
雷电是自古以来就有的自然电磁现象，但在信息技术高度发达、微电子技术广泛应用的今天，雷电防护的需求日益迫切。雷电防护涉及的范围十分广泛，近年来国际范围内对雷电防护技术的研究也高度重视。本文主要根据掌握的资料，对国外一些典型的整机雷电试验系统进行综述介绍。
整机试验验证是从系统整体角度发现潜在问题，验证产品雷电防护性能的必要手段。虽然高压和大电流产生技术已十分成熟，但实验室的雷电参数模拟能力实际是与受试件大小和阻抗密切相关的。
1、美国Sandia国家实验室雷电实验系统
SLS（Sandia Lightning Simulator）实验系统是美国Sandia国家实验室的一套大型雷电实验系统，能够产生峰值20~200 kA、上升时间0.5-2.1 μs的单次模拟回击电流脉冲，也可产生包含两个幅度可调、间隔时间可调的二次模拟回击电流脉冲。系统由高压源、两组Marx发生器、持续电流源、测试笼型支架和测量室构成，见图1。四个独立的Marx发生器分成两组装在浸满变压器油的两个独立机箱内，两组高压脉冲发生器可以组合操作，每个都通过油浸的传输线连接到输出端。根据需要，还可在输出电流端附加额外的持续电流，幅度为百安培量级，持续时间小于等于1 s。高压源通过激光触发crowbar开关控制，电流波形为单极性。输出电流由1 mΩ同轴分流器测量，检测的信号通过特殊屏蔽的同轴电缆传至仪器屏蔽室，由Tektronix7612D数字转换器记录。
图1 SLS试验系统
图1的测试装置中受试装备位于笼型装置轴线上，该装置半径1.5 m、长5.5 m，电流由轴线上注入，通过周围等排列的16根铜质导体返回。这种均匀排布有助于减小受试装备表面电流分布的不均匀性。
2、美国红石技术试验中心LTF雷电试验设施
该设施隶属于美国红石技术试验中心（RTTC），建成于1988年。主要服务于美国陆军的武器装备试验与评估，最早用于导弹实弹测试，后来拓展至军用车辆和航空设备，其规模可以保证对带有数千磅燃料的大型导弹进行实弹试验。该设施有三组独立电容器来产生高达200 kA的雷击电流，产生波形包括了雷击直接效应试验标准要求的A、C、D三类。为防止受试系统以外点火引起的灾害，设置了固定的钢质大型安全罩，安全罩内还设置有小型的安全室，用于对不同大小的受试系统开展试验（见图2）。系统设有充电/放电间安装充放电配电系统，远处有混凝土掩体和控制室供操作人员控制试验。
图2 LTF试验系统
LTF的高压、大电流产生系统共使用了480只60 kV、1.875 μF的电容器。分为4级，每级120只并联，用于获得大的放电电流。雷电流测试系统采用了Pearson1080电流探头和OP-300型光纤传输系统，该系统特点是自带有方波校准信号。波形记录系统有HP的54111D和Tektronix的7612D等多种示波器。
3、法国格拉玛研究中心全尺寸雷电试验模拟器
飞行雷电试验表明，雷电导致的电磁脉冲前沿可远远小于微秒量级，因此法国格拉玛研究中心（CEG）针对快前沿雷电电磁脉冲对飞机耦合研究的需要，建立了PARSIFAL雷电模拟器。该模拟器采用图3所示的50 Ω阻抗同轴结构，由三只绝缘支撑环支撑半径渐变的传输线，保证阻抗的一致。在文献报道的试验阶段，注入电流为500 A，未来发展目标是5 kA至15 kA的峰值可变电流注入，同时对于波形宽度也可调整。在第一研究阶段通过低电流试验了解不同飞机部位的传递函数并与FDTD数值仿真的结果进行比较。试验和分析的测点包括了机身表面和机舱内部电缆的不同位置，两者吻合程度较好。
图3 PARSIFAL雷电模拟器：(上)实验系统，(下)测量和仿真结果的比较（磁场）
4、英国BAE公司LSS雷电试验模拟器
2008年，英国BAE公司在欧洲电磁学年会上介绍了其研制成功的一款全威胁等级(Full threat level)LSS（Lightning Simulation System）模拟器。图4为该模拟器外形以及对台风战机进行注入试验的情况。LSS主要模拟雷电流A波，采用电感储能工作方式。高压源为750kV的Marx发生器，峰值电流50-200 kA。脉冲源系统长6 m、宽2 m、高5 m，使用变压器油和SF 6绝缘，变压器油用量为5500 gal，系统总重41 t。系统设计成可移动方式，便于托送至飞机试验现场。
图4 LSS雷电模拟器：(左)脉冲源，(右)全尺寸飞机试验设置
该系统已用于以复合材料为主要结构的欧洲台风战机和金属机身的Nimrod MRA4侦察机雷电测试，前者测试峰值电流达到200 kA，后者注入电流范围为15-50 kA。通过全尺寸、高威胁量级的注入试验为飞机整机雷电实验方法和机身内部系统雷电防护措施的制定提供了重要依据。
5、俄罗斯VNIIEF的雷电试验系统
全俄罗斯实验物理研究院（VNIIEF）下属的高电压研究中心和俄罗斯联邦核中心均开展有高压和大电流的雷电模拟实验。与一般采用电容或电感储能的雷电流产生方法不同，VNIIEF针对可移动的雷电流注入试验需求，采用了爆炸磁累积发生器（MCG）技术产生大电流，前沿为微秒量级、峰值可达到90-160 kA。MCG实质上就是我国以及美国常称为磁通量压缩发生器（MFCG）的一种大电流产生装置，它利用爆炸化学能压缩磁通量、放大电流，在俄罗斯被称为爆炸磁累积发生器。VNIIEF先后研制了MCG-80（0.2MJ）、MCG-160（2MJ）和MCG-320（10MJ）等发生器作为产生电流和电磁场的能源发生装置。利用这些装置在野外完成了磁场和冲击电流注入试验，图5为MCG-160对接地系统模拟雷电流注入时的试验场景。
图5 MCG-160对接地系统进行强电流注入试验
VNIIEF开展的另一类有特色的实验是高压静电场中周围带有不同极性电荷云的飞行器的闪电附着点实验。其中，飞机模型附近静电场场强高达1 MV/m，根据实验需要可充满中型电荷、负电荷或正电荷的离子云。尽管试验设施高度和跨度已经非常之大，但是也还仅能满足缩比模型实验的需求。通过实验研究，获得了飞机模型在不同条件下表面雷击分区的异同。
6、基于人工引雷的实验验证技术
出于对弹药库进行现场雷电模拟试验的需求，美国陆军和Sandia国家实验室在上世纪90年代开展了基于可移动人工引雷设备的试验技术研究，研发了SATTLIF（Sandia Transportable Triggered Lightning Instrumentation Facility）。该系统安装在20 m×8 m×8 m的集装箱内，可由一辆货运卡车搭载，也可由飞机运输，送至试验现场。系统试验设置见图6。每组引雷装置由12只带有地面系留金属丝的小火箭构成，金属丝通过被测系统接地。系统自带25 kW柴油发电机，对外界依赖性低。人工诱发雷电的电流、电场等参数由SATTLIF的监测系统获得，通过光纤传输系统送至集装箱内的记录系统。引雷时机根据地面大气电场仪读数判定，引雷火箭同样通过光纤传输系统加以控制。该系统于1990年夏季在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心（KSC）完成了一系列引雷试验。获得的5组雷电流数据与KSC测量系统获得结果进行了比对，误差在7 %以内。数据表明，人工引雷获得的雷电流幅度在3-24kA之间。
图6 人工引雷现场试验设置
近些年来，国际范围内开展人工引雷试验最为著名的研究机构是美国佛罗里达大学国际雷电研究与试验中心（ICLT, International Center for Lightning Research and Testing），有关人工引雷试验技术进展可参见文献。
总结与展望
本文主要关注大型设备的雷电试验技术，具体围绕整机雷电流直接注入试验，总结了国外一些大型雷电实验系统的情况。相对于部件级及缩比模型的试验来说，整机雷电防护性能的验证对试验设备技术需求高、试验风险大、成本高，实施难度大，国内实验能力在这一方面还存在严重不足。
综合分析国内外发展动态和技术需求，整机雷电实验技术今后的发展动向主要包括：
（1）同时满足全尺寸和威胁等级要求的大型试验系统的建设；
（2）满足装备和设施现场试验的要求的可移动实验设备的建设；
（3）高效、高可靠性雷电耦合效应测量技术研究；
（4）具有重复脉冲产生功能的实验系统；
（5）雷击近区电场、磁场效应的模拟；
（6）从连续波测试结果估计脉冲波测试结果的等价评估技术；
（7）数值分析与试验模拟的相互验证。
作者：王春雷，石立华，段艳涛2， 付尚琛2 ，苏丽媛
来源：环境技术
