[发明专利]一种抗核电磁脉冲的电源线滤波器设计方法

摘要

本发明涉及一种抗核电磁脉冲的电源线滤波器设计方法，该方法通过确定核电磁脉冲干扰的数学模型，依据数学模型计算干扰源在电源线缆上的最大耦合量级；依据最大耦合量级确定防护指标；然后选择滤波电路，确定滤波电路所需滤波器元件；通过滤波器插入损耗反复调试，确定滤波电路所需滤波器元件；直至满足要求。在选择滤波电路中，电源线滤波器的设计分为两部分：瞬态抑制部分和稳态抑制部分。瞬态抑制部分主要抑制脉冲幅度大、上升时间短的核电磁脉冲，依靠瞬态抑制器件完成；稳态部分主要抑制进入电网的幅度小、上升时间缓慢的普通电磁干扰，可通过传统电源滤波器件实现。

主权项

一种抗核电磁脉冲的电源线滤波器设计方法，其特征是：至少包括如下步骤：(1)核电磁脉冲干扰以双指数函数作为模型进行模拟，其场强表达式如下：E(t)＝E₀·k·(e^‑αt‑e^‑βt)   (1)式中，E₀＝5×10⁴V/m，k＝1.3，α＝4×10⁷/s，β＝6×10⁸/s；(2)依据步骤(1)计算干扰源在电源线缆上的最大耦合量级；核电磁脉冲对长导体耦合取传输线模型，即利用Agrawal数学模型，其二阶微分方程为：$\left\{\begin{array}{c}\frac{d^{2}V}{dz}-{\mathrm{\γ}}^{2}V=\frac{{\mathrm{dE}}_z}{dz}\\ \frac{dI}{dz}-{\mathrm{\γ}}^{2}I=-{\mathrm{YE}}_z\end{array}\right.---\left(2\right)$其中，V为散射电压，E_z为到达线缆的场强，z为沿线缆方向坐标，I为沿传输线电流，γ²＝ZY，Z、Y分别为传输线对地的单位长度阻抗和导纳；线上耦合电流的二阶微分方程，其解的形式包括通解和特解两部分；通解为I(z)＝K₁e^‑γz+K₂e^γz   (3)特解为$I^{*}\left(z\right)=\frac{1}{2Z_0}{\∫}_{z_1}^z{E}_z{e}^{\mathrm{\γ}v}dv\·e^{-\mathrm{\γ}z}+\frac{1}{2Z_0}{\∫}_z^{z_2}{E}_z{e}^{-\mathrm{\γ}v}dv\·e^{\mathrm{\γ}z}---\left(4\right)$令$P\left(z\right)=\frac{1}{2Z_0}{\∫}_{z_1}^z{e}^{\mathrm{\γ}\mathrm{\υ}}{E}_{z}d\mathrm{\υ},Q\left(z\right)=\frac{1}{2Z_0}{\∫}_z^{z_2}{e}^{-\mathrm{\γ}\mathrm{\υ}}{E}_{z}d\mathrm{\υ},$得到线上电流为$I_z\left(\mathrm{\ω}\right)=\[K_1+P\left(z\right)\]e^{-\mathrm{\γ}z}+\[K_2+Q\left(z\right)\]e^{\mathrm{\γ}z}---\left(5\right)$其中$K_1={\mathrm{\Γ}}_1{e}^{{\mathrm{\γz}}_1}\frac{{\mathrm{\Γ}}_{2}P\left(z_2\right)e^{-{\mathrm{\γz}}_2}-Q\left(z_1\right)e^{{\mathrm{\γz}}_2}}{e^{\mathrm{\γ}(z_2-z_1)}-{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2{e}^{-\mathrm{\γ}(z_2-z_1)}}---\left(6\right)$$K_2={\mathrm{\Γ}}_2{e}^{{\mathrm{\γz}}_2}\frac{{\mathrm{\Γ}}_{1}P\left(z_1\right)e^{-{\mathrm{\γz}}_1}-Q\left(z_2\right)e^{{\mathrm{\γz}}_1}}{e^{\mathrm{\γ}(z_2-z_1)}-{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2{e}^{-\mathrm{\γ}(z_2-z_1)}}---\left(7\right)$Γ₁、Γ₂是终端的反射系数，${\mathrm{\Γ}}_1=\frac{Z_1-Z_0}{Z_1+Z_0}---\left(8\right)$${\mathrm{\Γ}}_2=\frac{Z_2-Z_0}{Z_2+Z_0}---\left(9\right)$式中，Z₁为源端阻抗，Z₂为负载端阻抗，Z₀为传输线的特性阻抗；对于单线电缆，其单位长度的电感、电容计算如下：$L_0=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}ln\frac{2h}{a}---\left(10\right)$$C_0=\frac{2{\mathrm{\π\ϵ}}_0}{ln(2h/a)}---\left(11\right)$其中，h为线缆距地面高度，a为线缆半径，μ₀为真空磁导率，ε₀为真空电容率，特性阻抗Z₀计算式为：$Z_0=\sqrt{\frac{L_0}{C_0}};---\left(12\right)$(3)依据步骤(2)的结果，确定防护指标；(4)选择滤波电路，确定滤波电路所需滤波器元件；(5)滤波器插入损耗是否满足设计指标；满足设计指标，可以进行电路输出；否则，返回步骤(4)重新确定滤波电路所需滤波器元件；直至满足要求。