梁 濤 王 凱 劉 焱 袁震宇

(1.海軍裝備部裝備項目管理中心 北京 100071；2.北京航空航天大學 北京 100191；3.北京長鷹恒容電磁科技有限公司 北京 100083 )

0 引言

CE101 25Hz～10kHz電源線傳導發(fā)射是GJB 151B-2013 《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》中針對用電設備電源線低頻傳導發(fā)射的一項要求，其目的是控制設備在電源線上的低頻發(fā)射，以免對其他共用電源設備造成影響。對各類飛機平臺，CE101的超標可能會造成低頻磁敏感設備工作異常。近期，某型飛機平臺的大功率用電設備(每相電流超過了10A)在進行CE101項目的電磁兼容性試驗時，始終無法通過GJB 151B標準中的相關要求，主要超標點為400Hz的5、7、11、13次諧波。上述諧波的產生主要是因為用電設備電源輸入的整流濾波電路由非線性器件+儲能元件構成，導致輸入波形成為脈沖方波波形，該波形的奇次諧波較大，偶次諧波較小，其中，因電源采用三相供電及六脈波整流原理，3次及其倍數諧波相互抵消而相對較小，5、7、11、13次諧波最為突出。研制單位針對上述頻率進行了多輪整改，型號電磁兼容性技術組也組織了專家研討，對整改措施的可實施性和性價比進行了分析，認為如此大功率的設備(每相電流超過10A)滿足GJB 151B的要求是非常困難的，因此標準的極限值要求是否過于嚴苛，需要進行分析探討。

1 GJB 151B CE101限值要求

在GJB 151B中第5.4章節(jié)中，對飛機配套設備的CE101極限值要求如下[1]：

該極限值的要求為絕對值，與用電設備的工作電流大小沒有關系。對于大功率用電設備，只能采用開關電源供電方式，因此必然會產生400Hz的諧波等無用發(fā)射，且功率越大，諧波發(fā)射的絕對值越大，滿足要求的難度越大。

在另一個標準GJB 181B-2012 《飛機供電特性》中，對諧波發(fā)射也提出了要求，即“交流用電設備的電流畸變系數應不大于10%”[2]。該極限值要求為相對值，即除基波以外的所有諧波均方根值與基波電流相比，不大于10%，實際現有技術水平可達到不大于3%。GJB 181并未給出單次諧波電流的極限值要求。假設除基波外，只有5、7、11、13次諧波。根據測試結果，5、7次諧波幅值基本相同，11、13次諧波幅值基本相同且約為5、7次諧波的1/3，則根據式(1)可以計算出分配給四個諧波的極限值(按要求10%/實際3%兩個數計算)。

(1)

其中，I5=I7=xI1，I11=I13=xI1/3，x為5次諧波電流系數。根據公式可得x=13.4%(按總諧波電流10%計算)和x=40%(按總諧波電流3%計算)，則5、7、11、13次諧波要求與實際水平見表1所示。

根據圖1曲線，可計算出GJB151B規(guī)定的上述4個頻率的極限值要求。我們可以與GJB181B-2012標準中單次諧波(假設設備工作電流分別為1A、10A、100A)近似的極限值要求及當前技術水平的諧波電流對應，見表1所示。

圖1 適用于海軍ASW飛機、陸軍飛機(包括機場維護工作區(qū))和空間系統(tǒng)的CE101限值(GJB151B圖11)

表1 GJB151B與GJB181B在不同工作電流情況下的極限值比較

由表1可見，當被試品工作電流超過0.84A時，滿足GJB181B的設備，GJB151B中CE101項目在2.8kHz已經超差，即兩個標準的結論會產生不一致。即使按現有電源技術水平，將總諧波電流降低至3%，當設備工作電流超過2.85A時，7次諧波點也已經無法滿足GJB151B。標準中對CE101項目按照額定工作電壓劃分極限值的方法，與設備實際特性不符，給工程應用帶來了困難。

2 GJB 151B附錄B對CE101的極限值要求分析

GJB 151B實施指南指出，對于CE101項目，訂購方可以剪裁，具體剪裁的情況有以下三種：

1)根據飛機上是否安裝本頻率范圍內的靈敏接收機，如磁探或聲吶，對整個CE101項目剪裁。

2)基于平臺電源系統(tǒng)的專門特性修改CE101限值。

3)存在大電流負載，為滿足本項目要求所需的濾波器體積太大，電源線分布較短或者沿高位線有專門回線時，使用5μH的LISN進行測試，極限值如圖2所示[1]。

圖2 適用于5μH LISN的CE101限值(GJB151B圖B.1)

圖2曲線為工作電流1A時的極限值曲線，如電流超過1A，其極限值為平坦部分向上移動20lgI，在150kHz處限值不變(115V/400Hz電源此頻率點處限值為62dBμA)，既能保持GJB181的電源品質，又能盡量減小濾波器尺寸。該測試方法在GJB151B的附錄B中明確提出，且在實施指南中指出，當EUT工作電流大于100A時適用。

但經分析可以看出，如按圖2所示限值要求，EUT工作電流為1A時，2kHz(5次諧波點)以下的極限值為110dBμA，即0.316A，即使不計算其他次諧波量值，5次電流畸變已經達到了31.6%，遠遠超出了GJB181的要求。當電流繼續(xù)增大時，因為有20lgI的限值放松，5次電流畸變總是31.6%。這與GJB151B實施指南中所說的“可保持GJB181的電源品質”相矛盾。

3 GJB 151B對大功率用電設備的CE101極限值要求的局限性

通過以上分析可以看出，對于大功率用電設備，按GJB151B的測試方法與極限值要求，存在以下局限性：

1)如按標準第5.4章節(jié)方法測試，被試設備在工作電流超過1.8A以后，很難滿足CE101的限值要求。當然目前實際的開關電源的電源品質可以做到很好，在精心設計和調試后，總電流畸變可達3%以下，有助于通過CE101的測試，但在電流增大到一定程度時(由于CE101是一個絕對限值的要求)，仍然不能滿足CE101的要求。

2)如按附錄B的測試方法和極限值要求，則存在限值過松的問題。假如沒有GJB181的限制，工作電流10A的設備，單次諧波電流可達3.16A，工作電流100A的設備，單次諧波電流可達31.6A，這個量值已經嚴重影響到了電氣系統(tǒng)的正常工作，因為不管采用機械式還是固態(tài)斷路器，3次及以上的諧波會急劇增加斷路器損耗，造成斷路器發(fā)熱跳閘，嚴重時可能燒毀。為平衡上述矛盾，對于飛機來說，總體一般都會考慮GJB181的要求，但GJB181僅針對400Hz的諧波點提出要求，并非連續(xù)頻譜的限值要求，仍然會造成CE101對其他非400Hz諧波的頻率點限值要求過松的問題。

4 其他相關要求的分析

GJB 151B中對于水面艦艇和潛艇的CE101限值如下[1]：

在基波電流≤1A時，用電≥0.2kVA的設備基礎限值為90dBμA，用電>1A時，限值放寬20lgI(dB)。功率的大小只影響基礎曲線采用哪一個，這是因為艦艇和潛艇平臺的電源品質要求來源于MIL-STD-1399-300B Electric Power, Alternating Current。在該標準中，對于≥0.2kVA的用電設備，400Hz的2～32次的單次諧波電流不大于基波電流滿載時的3%，超過32次諧波至20kHz時的諧波電流不大于基波電流的1/n(n為諧波次數)，總諧波含量不大于5%[3]。通過圖3計算可知，基波電流1A時，單次諧波電流限值為0.0316A，與MIL-STD-1399-300吻合。

圖3 適用于水面艦船和潛艇的CE101限值(400Hz)(GJB151B圖10)

對于GJB181B的要求，假設基波電流為1A，單次電流諧波按5%要求計算，絕對值為94dBμA；單次電流諧波按3%要求計算，絕對值為90dBμA。

我們注意到，在同時考慮電源品質和電磁兼容性時，以1A工作電流為基礎的極限值約為90dBμA，與海軍飛機或陸軍飛機的限值(110dBμA)相差為20dB。

在MIL-STD-461F原文中表述，陸軍限值相對于MIL-STD-704有20dB的余量，主要是考慮到可能會有多個發(fā)射源的貢獻[4]。可以理解為這個限值是針對于同一個電源節(jié)點，可能會有多個獨立的被試品的諧波發(fā)射造成CE101的疊加，對單個被試品要求限值為90dBμA，多個被試品的諧波發(fā)射對電源母線均有貢獻，因此要對母線節(jié)點的限值要求放松20dB。

5 對大功率用電設備的CE101極限值要求的建議思路

根據GJB 151B中對CE101的剪裁原則，該試驗項目的要求是必須要提出的，但訂購方可以對限值進行修改。限值修改方案可選以下之一：

1)400Hz諧波單獨判別方法。在進行CE101測試時，對400Hz的諧波頻率及其±5%頻率范圍內不做合格性判別，而采用GJB181的要求進行考核，其余頻率按照GJB151B圖11的極限值執(zhí)行，試驗方法按GJB151B的CE101常規(guī)試驗方法。

2)采用GJB151B附錄B的測試方法。需參考MIL-STD-1399-300標準要求，按單次諧波不超過基波電流的3%取值，可得基波電流1A時，單次諧波電流為89.54dBμA。因此可將GJB151B圖B.1的曲線一平坦部分下移20dB，即平坦部分基礎限值為90dBμA，150kHz處極限值保持62dBμA不變，以此曲線作為工作電流為1A的設備極限值曲線；當I>1A時，平坦部分以20lgI上移，150kHz處極限值保持不變，將該曲線設定為400Hz大電流用電設備的極限值曲線。

圖4所示工作電流分別為1A、10A、20A、30A、100A時的CE101極限值建議值。

圖4 適用于400Hz大電流用電設備CE101限值建議

表2 400Hz大電流用電設備不同基波電流的CE101極限值對照表(至20次諧波)

上述兩種方案均考慮了標準間的協(xié)調，也符合實際情況。對設備級試驗來說，可以通過一定的電磁兼容性設計達到要求，同時在系統(tǒng)級試驗中，再針對原試驗方法超標的頻率對低頻敏感設備的兼容性重點考察，確保全機可兼容工作。

6 結束語

根據以上分析，GJB 151B中兩種測試方法和限值對大功率交流用電設備的CE101項目考核均有一定的局限性，考慮到特種飛機大功率用電設備較多，急需根據實際情況對該項目提出具有可操作性的限值和測試方法。本文基于大功率用電設備的電流畸變產生機理，綜合提出了CE101項目限值調整的方法和建議，協(xié)調了現行電磁兼容和電源適應性標準的矛盾，能夠為該類設備的鑒定提供參考。