《電源濾波器在模擬實際工作狀態下的性能測試方法》論文發表期刊：《防護工程》；發表周期：2021年03期

《電源濾波器在模擬實際工作狀態下的性能測試方法》論文作者信息：劉鋒( 1974—) ，男，博士，高級工程師，主要從事電磁毀傷效應與防護技術研究。

　　摘 要 濾波技術是實施電磁防護的一項重要技術手段，電源濾波器已在各類電磁屏蔽室中得到廣泛應用，但是針對電源濾波器在實際工作狀態下的性能測試還缺乏具體的方法，嚴重制約了對電源濾波器性能和電磁防護效果的評估。分析了目前電源濾波器性能測試方法的局限性，針對其應用環境，構建了可以模擬實際工作狀態的測試系統，提出了加電加載條件下的實際性能試驗方法，能夠對大功率寬頻帶范圍內電源濾波器的實際插入損耗、屏蔽效能等多項重要指標進行現場測試，能夠判定電源濾波器的性能優劣和使用范圍，有效解決了各類電磁屏蔽室中對電源濾波器的應用需求。

　　關鍵詞 電源濾波器; 實際工作狀態; 性能測試方法; 插入損耗; 屏蔽效能

　　Abstract Filtering technology is an important technical means to implement electromagnetic (EM) protection. Power filters have been extensively used in various EM-shielded rooms, but lack of power filter perfomnance test method in actual working condition seriously restricts the evaluation of the filter performance and effect of EM protection. For this reason, the limitations in the curent power filter performance test methods were analyzed, a test system that simulates the actual working condition was constructed for its application environment, and a practical perfomance test method under the power-on and loaded conditions was proposed. It has been proved that the simulated test system can cany out on-site tests for several important indexes of power filter within a large range of high power and wide band, such as insertion loss and shielding effectiveness, and can determine the performance and application range of the power filter, which provides an effective solution for the application requirement of power filters in various EM-hielded rooms

　　Keywords power filter; actual working condition; performance test method; insertion loss; shielding effectiveness

　　濾波技術是實施電磁防護的一項重要技術手段，它借助各種濾波器抑制系統要求的信息頻率之外的電磁能量，使其不能進入系統內部。濾波器是由電阻、電容和電感構成的一種網絡，多采用無源結構，它可以允許特定的頻率通過，而衰減掉無用的頻率成分。實踐表明，即使對一個采取了正確的屏蔽和接地措施的對象，也仍然會出現電磁泄漏現象或受到電磁干擾的情況，這是因為任何對象都必須和外部進行通信并需要外部供電，無形中為電磁耦合提供了途徑，即使所有數據傳輸電纜可以由光纜代替完成，但是其電源的供電路徑將始終是個弱點。這時在電源線或信號線上加裝合適的濾波器可以阻斷傳導耦合的通路，在濾波器的通帶內，濾波器對傳輸能量的衰減很小，使能量很容易通過; 而在通帶之外，傳輸能量則受到很大的衰減，從而抑制了能量的傳輸[1]。因此，濾波技術是抑制傳導泄漏或干擾的一種主要措施，具有其他防護技術難以起到的作用。

　　通過構造電磁屏蔽室對重要目標進行電磁防護是目前普遍采用的做法，由于電磁屏蔽室性能優良，構造簡單，可靠實用，應用成熟，確實在很大程度上保護了目標的信息安全。電源濾波器作為電磁屏蔽室供電系統的關鍵防護設備，在各類屏蔽室中得到了廣泛應用，所有引入或引出電磁屏蔽室的強電線路均需要在設備進線端安裝電源濾波器。電源濾波器是通過濾波技術來達到抑制電磁脈沖沿線纜傳導耦合的目的，一般采用的是低通無源濾波器，它允許低于截止頻率的有效信號通過，將高于截止頻率的干擾信號濾除，它能否發揮作用將直接影響到電磁屏蔽室內的正常供電，也間接影響到電磁屏蔽室的屏蔽性能和使用功能。

　　受到技術條件、測試規程、應用理念、工程實際、成本經費等多種因素制約，目前工程中使用的電源濾波器鮮有經過第三方實際檢測再應用的，基本是采購后直接使用，技術參數只是參考生產廠家的出廠報告。但是各廠家在對電源濾波器的性能進行自檢測試時，均存在重大漏洞，其產品的技術指標不夠準確，尤其是針對電源濾波器在實際工作狀態下的性能指標無法衡量，也沒有具體的測試方法可以采用，嚴重制約了對電源濾波器性能和電磁防護效果的評估。筆者構建了一套可以模擬電源濾波器實際工作狀態的測試系統，提出了加電加載條件下的實際性能試驗方法，能夠對大功率寬頻帶范圍內電源濾波器的實際插入損耗、屏蔽效能等多項重要指標進行現場測試。

　　1電源濾波器的傳統性能測試方法

　　電源濾波器的性能指標包括額定工作電壓、額定工作電流、耐受電壓、泄漏電流、絕緣電阻、抑制頻率范圍、插入損耗以及屏蔽效能等，其中衡量電源濾波器性能的最重要指標就是抑制頻率范圍內的插入損耗和屏蔽效能。在《無源EMC濾波器件抑制特性的測量方法：GB/T 7343-2017》等相關標準中對電源濾波器的指標測試進行了一些規定，尤其關于插入損耗和屏蔽效能的測試，雖然進行了較大改進，但是仍然主要采用的是在實驗室內不加電無負載條件下開展的檢測，這些測試條件與實際工作狀態嚴重不符合，測試結果也只能作為參考。此外，生產廠家在指標的測試方面也存在缺陷。例如：有的標準中要求在電源濾波器的終端阻抗為50 2條件下進行測試，這在實際應用中很難滿足，那么測試結果也就失去了意義;有的單位只是將電源濾波器安裝在電磁屏蔽室上，在不加電空載時進行屏蔽效能的檢測，這實際上只是測試了電源濾波器的安裝效果，并不是電源濾波器的性能指標，也不符合電源濾波器的實際應用情況;有的單位用屏蔽效能測試方法所獲得的指標去替代插入損耗指標，由于這不是基于傳導注入方式所得到的結果，這種替代是不合理的;有的單位僅僅利用矢量網絡分析儀直接測試電源濾波器的插入損耗，這種方法引入了信號源輻射耦合效應、電纜傳導耦合效應等不確定因素，得到的指標較低，且誤差較大[4。

　　1.1 電源濾波器插入損耗的測試及存在問題相比舊版本標準中的測試規定，新版《無源EMC濾波器件抑制特性的測量方法：GB/T 7343-

　　2017》中對插入損耗的測試進行了改進，增加了屏蔽金屬箱，但是仍屬于在實驗室內理想條件下的測試，具體測試框圖見圖1。其測試系統主要由信號發生器、屏蔽金屬箱、測量接收機等設備組成，通過測量接入電源濾波器前后不同頻率信號的電壓，計算得到濾波器的插入損耗。

　　該測試方法存在的問題有：(1)對電源濾波器的連接線長度要求較高，要求與同軸接口連接段不宜超過5cm。這種情況使用設備類或電路板類的小型濾波器容易做到，但是使用屏蔽室類大型濾波器則不容易實現。(2)對屏蔽金屬箱的尺寸要求較高，要求四壁與濾波器的距離空間宜在5cm左右。這種情況對各類濾波器都需要定制屏蔽金屬箱，不易實現。(3)該測試條件與實際工作狀態不一致。實際應用中終端阻抗不一定是50 2，電源濾波器也不是圖中的安裝連接方法，不同工作狀態下的測試結果誤差會較大。因此，由于在實測過程中受測試條件的限制，幾乎無法完全按標準規定的環境條件進行插入損耗的測試，要求測試人員根據具體情況對相關測試方法進行改進和調整。

　　1.2 電源濾波器屏蔽效能的測試及存在問題用防電磁信息泄漏濾波器等級劃分和限值要求：GJB 8041-2013》中對屏蔽效能的測試進行了規定，該方法是借鑒《電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法：GB/T 12190-2006》而來的，屬于在不加電不加載條件下的測試，其具體測試框圖見圖2[00。其測試系統主要由模擬信號源、功率放大器、發射天線、測試用電磁屏蔽室、接收天線、頻譜分析儀等設備組成，通過測量接入電源濾波器前后不同頻率信號的電壓，計算得到電磁屏蔽室的屏蔽效能，最終得到濾波器的屏蔽效能。

　　該測試方法存在的問題有：(1)測量得到的是濾波器的安裝效果，并不是濾波器的實際屏蔽效能。(2)該測試條件與實際I作狀態不一致，電源濾波器在加電加載條件下的性能未得到評定。目前所有生產廠家給出的指標也是用該方法測試得到的，與實際應用指標不符。因此，要想較準確地獲得電源濾波器的屏蔽效能值，除了在設計中需考慮不同影響因素外，更需要通過實際應用性測試來衡量。

　　1.3 電源濾波器的可靠性考核測試

　　在任何標準中均沒有針對電源濾波器在加電加載和滿載情況下的可靠性進行測試的要求，所有生產單位也沒有對其可靠性進行過考核測試，便認為設計的產品是穩定可靠的，但是在工程現場實際加載對比測試中發現，大部分濾波器出現屏蔽效能急劇降低、溫度升高的現象，其原因可能是設計有缺陷或元器件選取不當，電感出現了飽和，導致設備性能下降、發熱發燙。因此，對電源濾波器進行可靠性考核測試非常必要。

　　2電源濾波器在模擬實際工作狀態下的性能測試方法

　　盡管不同標準中對電源濾波器的插入損耗和屏蔽效能的測試有一些規定，但是總的來看，這些方法存在局限性，難以滿足實際應用需求，電源濾波器究竟能否滿足防電磁毀傷和防電磁信息泄漏的要求，仍然無法獲得準確的數據，供電系統的安全仍然難以得到有效保障。電源濾波器在實際工作狀態下的性能測試結果才是衡量電源濾波器優劣的最好依據，需要模擬電源濾波器的實際工作狀態，并研究如何在實際工作狀態條件下測試電源濾波器的性能。

　　2.1 構建模擬實際工作狀態的測試系統電源濾波器通常采用螺栓安裝或焊接固定在電磁屏蔽室殼體上，在工作時是始終處于加電和帶載狀態的，但是不一定滿載。模擬電源濾波器的實際工作狀態需要考慮其安裝方式和工作條件，構建模擬實際工作狀態的測試系統還要考慮所測試指標的特點和所應用的測試方法。從應用的角度看，主要關心的是電源濾波器在抑制頻率范圍內的插入損耗和屏蔽效能，而測試插入損耗的核心是傳導注入法，測試屏蔽效能的核心是空間輻射法，綜合考慮現有技術水平和測試手段，筆者在文中主要討論電源濾波器在實際工作狀態下的抑制頻率范圍、插入損耗、屏蔽效能和可靠性等重要指標的測試，包括電源濾波器在不加電不加載時的屏蔽效能測試、電源濾波器在加電加載時的屏蔽效能測試、電源濾波器在不加電不加載時的插入損耗測試、電源濾波器在加電加載時的插入損耗測試、電源濾波器在加電加載和滿載情況下的可靠性考核測試，以有效解決在加電加載條件下電源濾波器的實際性能測評難題1

　　構建的模擬實際工作狀態的測試系統框圖見圖3，經過實際運行，狀態穩定，測試效果好。測試系統主要包括變壓器、大功率配電柜、測試用電磁屏蔽室、大功率負載、模擬信號源、功率放大器、頻譜分析儀、發射天線、接收天線、被測電源濾波器、木質平臺等設備，在進行不同指標的測試時，由這些設備相互組合進行測試。其中模擬信號源可提供0Hz

　　40 GH2寬頻帶范圍的正弦波信號，頻譜分析儀可測量頻率范圍1 kHz-40 GHz，測試用電磁屏蔽室的屏蔽效能大于100 dB，整套系統可對500 kW功率以下的電源濾波器進行測評。此外應注意正確恰當地安裝電源濾波器，并確保電磁屏蔽室和電源濾波器良好接地。因為電源濾波器的安裝質量將直接影響濾波的效果，不僅在性能檢測時會影響測試結果，在使用時還會影響電磁屏蔽室的整體屏蔽效果[22.

　　2.2 電源濾波器在不加電不加載時的屏蔽效能測試

　　基于空間輻射法，將圖3中的變壓器、配電柜和負載去除，可配置獲得電源濾波器在不加電不加載時的屏蔽效能測試方法，即圖2中的方法，其中輔助測試用的電磁屏蔽室的屏蔽效能(SEO)應大于被測電源濾波器的屏蔽效能(SEI)10 dB以上，因為受到屏蔽室的性能影響，結果必然是SEl

　　2.4 電源濾波器在不加電不加載時的插入損耗測試

　　當沒有電磁屏蔽室等測試條件時，可采用矢量網絡分析儀直接測量電源濾波器的插入損耗，但是其結果僅供參考，只有借助于電磁屏蔽室進行的測試才是最真實、最好和最有效的方法。基于傳導注入法，將圖3中的變壓器、配電柜、負載、發射天線和接收天線等去除，可配置獲得電源濾波器在不加電不加載時的插入損耗測試方法，模擬信號源連接電源濾波器的輸入端，頻譜分析儀連接輸出端，即為圖4中的改進方法。該測量方法是將電源濾波器安裝在測試用屏蔽室側面，采用模擬信號源和頻譜分析儀的組合方式，通過點頻加載方法逐點進行測試。先將模擬信號源與頻譜分析儀直連進行傳輸校準，在測試頻段范圍內得到一條電平曲線;然后讓信號通過濾波器再到達頻譜分析儀，得到另一條電平曲線：2條電平曲線的差值即為該濾波器的插入損耗值。該方法中使用模擬信號源發送信號，選取頻點相對靈活，可在每個頻率量級范圍內選擇10個頻點進行測試。

　　2.5 電源濾波器在加電加載時的插入損耗測試

　　測試電源濾波器的插入損耗主要依據傳導注入法，因此在加電加載時，無法同時在輸入端注入正弦波信號，也無法同時在輸出端連接接收設備，無法直接實現在加電加載時的插入損耗測試。為了實現信號的輸入和接收，考慮采用鉗式互感器耦合的方式，首先在不加電時進行耦合試驗，實際測試表明，一方面耦合輸入的信號不能夠精確測定，另一方面耦合輸出的信號低頻分量減少，測試結果難以應用。最終，對電源濾波器在加電加載時的插入損耗測試未能提出科學的方法，建議插入損耗指標暫時按照不加電不加載時的測試結果為準。

　　2.6 電源濾波器在加電加載和滿載情況下的可靠性考核測試

　　加電加載條件下的可靠性測試方法，是考核電源濾波器在實際工作時的穩定性和可靠性狀況，尤其是在大功率甚至滿載時的性能表現。將圖3中的模擬信號源、頻譜分析儀、功率放大器、發射天線和接收天線等去除，可配置獲得電源濾波器在加電加載時的可靠性考核測試方法，即為圖5中的方法。同樣將被測電源濾波器安裝在測試用電磁屏蔽室側面：在電源濾波器的輸入接線端，連接大功率配電柜：在電源濾波器的輸出接線端，連接大功率負載;按照電源濾波器的額定功率，以10%的步進功率逐步加載，直至滿載; 在每個測試功率點上，保持加電加載狀態，連續工作不小于 5 h，滿載時連續工作不小于 1 d; 注意實時監測濾波器的電流、電壓和溫度變化，判斷工作狀態，外殼溫度超過 85 ℃可能損壞，須防止出現事故; 完成大電流滿載考核后，重新測試濾波器的插入損耗，對比變化情況，確認電源濾波器工作是否正常。經過可靠性試驗，可以判定電源濾波器的優劣和性能。

　　3結論

　　提出的電源濾波器在模擬實際工作狀態下的性能測試方法，綜合運用了測試技術、電磁屏蔽技術、隔離技術、接地技術等，解決了常規測試中的信號源輻射耦合效應、電纜傳導耦合效應、電感磁飽和效應、溫度效應等對性能測試的影響，具有 500 kW 大功率負荷、0 Hz-40 GHz寬頻帶范圍、100 dB高插入損耗、100 dB高屏蔽效能等多種測試能力，能夠在大功率寬頻帶范圍內檢測電源濾波器的實際性能，能夠判定電源濾波器的性能優劣和使用范圍，適用于各種防電磁脈沖電源濾波器的檢測、標定和選型，有效解決了各類電磁屏蔽室中對電源濾波器的應用需求，提高了供電系統的電磁防護能力，保證了設備運行的安全可靠。

　　(1)構建了電源濾波器在模擬實際工作狀態下的性能測試系統，能夠真實模擬電源濾波器在實際工作時的狀態，解決了防護設備與實際應用脫節的現實問題，使得性能測試與實際應用完美結合：提出了在加電加載條件下進行電源濾波器的抑制頻率范圍、插入損耗、屏蔽效能、實際功率和可靠性等性能測試方法，能夠真實獲得電源濾波器在實際工作狀態下的多項重要性能指標。對其他常規指標的測試可依據相關標準進行。

　　(2)確定了電源濾波器在加電加載條件下的屏蔽效能測試方法，采用點頻加載方法逐點測試電源濾波器在不同功率下的屏蔽效能值，真實反映了電源濾波器在實際工作狀態下的性能。

　　( 3) 借助電磁屏蔽室進行插入損耗的測試，避免了電源濾波器輸入端和輸出端之間的電纜耦合干擾、信號源輻射耦合干擾，且與濾波器的應用環境一致，測試結果真實可信。但是在加電加載條件下如何測試插入損耗仍是一個難題，需要進一步研究。

　　( 4) 電源濾波器在帶載尤其在滿載條件下的工作性能非常重要，通過考核多個功率水平下的運行可靠性，確認電源濾波器的額定指標和穩定性，保證電磁屏蔽室的正常供電。盡管如此，應盡量避免將電源濾波器用于負載為滿載的情況。

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