雷电流缩比a波发生器电路设计与研究

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1、雷电流缩比A波发生器电路设计与研究段泽民孙晓峰司晓亮姚志成许清涛合肥工业大学电气与自动化工程学院安徽省飞机雷电防护省级实验室合肥航太电物理技术有限公司摘要：雷电间接效应是指当雷电放电时伴随产生强大的脉冲电磁场，在电磁耦合效应下，部分雷电能量传导或辐射到机载电气电子设备上，引起过电压或过电流，对飞机电气电子设备造成损坏或干扰。为了探究雷电间接效应及其防护[1],根据相关波形标准[2],设计了一种雷电流发牛器电路，该电路可以产牛用于雷电间接效应研究的缩比A波[3],使用Matlab仿真软件通过改变RLC冋路参数来研究影响波形参数的因素，设计出

2、满足要求的波形发生器电路，最后按照仿真电路搭建了一个实际电路，测试结果显示实测波形与仿真波形相吻合，说明该发生器电路达到设计要求。关键词：雷电间接效应;电流发生器;雷屯防护;屯磁耦合;Matlob仿真;RLC回路;作者简介：段泽民，教授收稿日期：2017-01-06Received：2017-01-060引言雷电是一种极其壮观的自然现彖，地球上平均每天发生约800万次雷电，因此航行中飞机不可避免地会遭遇雷电环境凹，而要使一架具有现代化大规模集成电路、数字化设备的飞机出现灾难性故障，仅仅需要百万分之一焦耳的能量，因此伴随雷电而产牛的巨大能量

3、使飞行事故时有发牛。通常雷电对飞机会产牛两种损伤效应:直接效应和间接效应。雷电间接效应是指当飞机遭遇雷击吋，伴随雷电流的瞬态过程会产生强大的脉冲电磁场固，雷电电磁脉冲对飞行器的安全飞行危害回极大，通过电磁耦合作用，会在机载电子电气设备连线上感应出电压或电流，并最终岀现在设备端口上，造成设备功能受到干扰或损坏。目前，飞机设计中为了减轻飞机重量和提高机动性等目的而普遍采用复合材料£2^1代替传统的铝合金材料，这就降低了机体对外部电磁环境的屏蔽效能，使得电子电气系统对电磁环境变得更加敏感和脆弱，遭遇雷击时损失更大回。基于飞机与机载系统的发展趋势

4、，提高飞机及机载设备的雷电间接效应防护能力的需求日益迫切。根据SAEARP5412-2013标准，即飞机雷电环境和相关试验波形规定，选取并设计一种用于雷电间接效应试验的雷电流缩比A波电路，该电路可以产生幅值为10kA、波前时间6.4us、半峰值时间64us的雷电流波形。1雷电流缩比A波波形冲击电流发生器的工作原理［10-11］:给电容长时间充电,把电能储存在电容器中，待电容器充电到目标电压，电容器在很短时间对负载放电使负载得到很大的瞬时功率。木文研究的雷电流缩比A波是一种非振荡的双指数波，其工作在过阻尼状态，大量试验以及观测表明，雷电流波

5、形随时间近似以指数规律上升至幅值，然后又近似以指数规律下降。Bruce和Godle1941年提出了雷电流波形的双指数波形，雷电流缩比A波是一种单极性非周期的脉冲波形，也可近似为双指数波形，其最大峰值为10kA;峰值时间1>6.4us;半峰值时间T2=69us,其数学表达式为式中，X为雷电流幅值;i为雷电流瞬时值；a为波前系数；B为波尾系数;k为波形校正系数［12］。通常对于单极性脉冲的雷电流波形，主要用三个参数来表示，即雷电流的幅值波前吋间A及半峰值吋间T2。波前吋间是指雷电流从零上升到幅值的吋间；半峰值时间是指从零上升到幅值，然后下降到

6、幅值1/2的时间。在实际屮由于雷电流在起始和峰值处常常叠加有振荡，因此，通常规定在上升沿取0.1L和0.9L两点A和B,连接AB两点并向两边延长，交时间轴于M,交过幅值的水平线于C,则该两点水平距离即为波前时间;再由0.51『的半幅值水平线交波尾于D点，则M、D两点间水平距离即为半峰值时间，雷电流波形图如图1所示。图1雷电流波形下载原图已知雷电流波形的A和T2,根据上式把A、B、C和D四点带入可得以下方程式中，t。为正值，因为峰值最高点C点的斜率为0,可得到方程联合以上儿个方程，可求得不同波形T/h的a、B和k值如表1所示。从表1中可以看

7、出，波前系数a远小于波尾系数B,波前时间A主要由波尾系数3决定的，而半峰值吋间T2主要由波前系数a决定。由L.k.a及B得出缩比A波的数学表达式为表1标准波形对应的参数值下载原表2电路参数计算与仿真2.1发生器回路参数设计由此可以计算出当电流峰值分别为10kA、7kA、5kA、3kA和1kA时回路的R、L和C,如表2所不。表2电流发生器冋路参数下载原表2.2回路的建模仿真选取表2中的第一组参数进行仿真[13-14],其电路原理图如图2所示。图2表2第一组参数仿真电路原理图下载原图仿真结果如图3所示。峰值、波前时间及半峰值时间等指标均达到标

8、准要求（误差±10%以内）O2.3充电电压对波形的影响其他参数保持不变，将电容充电电压U。分别设置为6.11kV、1&33kV、30.55kV、42.77kV和61.1kV,其他参数保持不变，