电磁脉冲防护器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种电磁脉冲防护器，其包括低频防护单元和连接于低频防护单元输出端的中高频防护单元；低频防护单元包括避雷器、延时电感和压敏电阻，延时电感延长电磁脉冲作用时间，避雷器和压敏电阻吸收电磁脉冲低频能量；中高频防护单元包括LC谐振电路、滤波电感和馈通滤波器，LC谐振电路吸收电磁脉冲中频能量，滤波电感吸收电磁脉冲中频和高频能量，馈通滤波器吸收电磁脉冲高频能量。与现有技术相比，本发明采用延时、滤波吸收、谐振旁路、射频屏蔽等方式，使电磁脉冲电流衰减到被保护设备的正常工作范围。此外，本发明同时集成防雷和电磁兼容滤波器的功能，实现了设备的小型化和集成化。
【专利说明】
电磁脉冲防护器
技术领域
[0001]本发明属于电子技术领域，更具体地说，本发明涉及一种电磁脉冲防护器。
【背景技术】
[0002]电磁脉冲辐射是一种由自然(如太阳黑子剧烈活动)或者人为(如引爆电磁炸弹或者核弹)产生的剧烈电磁脉冲信号。电磁脉冲辐射具有强度高、作用时间快、覆盖频率宽等特点。
[0003]对电磁脉冲波形的研究发现，其波形上升沿非常短、通常只有几ns，且强度大、峰值超过5kA。当这种波形的电磁脉冲冲击作用到用电线路或设备上时，即使设备安装了避雷器，由于电磁脉冲的速度远远高于避雷器的反应速度(雷击脉冲速度为us等级，电磁脉冲速度是雷击脉冲速度的1000倍)，避雷器也无法及时反应并作出防护动作，这使得后端的用电线路和设备直接面对高强度电磁脉冲的冲击，系统过载受损的风险极高。
[0004]此外，电磁脉冲的频率覆盖范围远远大于雷击脉冲，雷击脉冲的半衰点频率500Hz，而电磁脉冲的半衰点频率为IMHz。因此，电磁脉冲产生的不仅是瞬态高能量冲击的问题，而且还同时产生高频、高强度的电磁干扰问题，在这种冲击下，系统不仅面对过流风险，还要解决系统敏感设备的电磁干扰防护问题。
[0005]对于起爆点高于地面40km以上的高海拔电磁脉冲辐射，其覆盖面极广，当起爆高度为500km时，甚至可以覆盖整个美国。电磁场源通过辐射向地面传播高频、高强度的电磁脉冲，未经保护的电力、通信、控制、侦测系统受到辐射后，将可能发生失效甚至无法恢复。国外，尤其是美国最近几年对电磁脉冲防护尤其重视，制订了相关防护标准，以确保军用设施、通信系统、电力系统等国家安全和民生领域的设备在面对电磁脉冲攻击下的可靠性。
[0006]我国对于电磁脉冲防护的重视和认识程度相对比较落后，目前国内还没有针对电磁脉冲防护的有效解决方案和产品设计，且没有相关的防护标准。一般的设备仅安装避雷器以达到抑制雷击的目的，只有一些特殊的敏感设备，才配置电磁兼容滤波器以增加防止高频干扰的功能。但面对电磁脉冲，避雷器会有反应速度过慢的问题，而电磁兼容滤波器无法承载瞬态高能量，更无法解决全频段高能量滤波的问题。
[0007]有鉴于此，有必要提供一种能够解决上述问题的电磁脉冲防护器。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于:克服现有技术的不足，提供一种能够有效防止电源和通信线路受到电磁脉冲冲击影响的电磁脉冲防护器。
[0009]为了实现上述目的，本发明提供一种电磁脉冲防护器，其包括低频防护单元和连接于低频防护单元输出端的中高频防护单元;低频防护单元包括避雷器、延时电感和压敏电阻，延时电感延长电磁脉冲作用时间，避雷器和压敏电阻吸收电磁脉冲低频能量；中高频防护单元包括LC谐振电路、滤波电感和馈通滤波器，LC谐振电路吸收电磁脉冲中频能量，滤波电感吸收电磁脉冲中频和高频能量，馈通滤波器吸收电磁脉冲高频能量。
[0010]作为本发明电磁脉冲防护器的一种改进，所述电磁脉冲防护器还包括射频屏蔽层，射频屏蔽层用于密封中高频防护单元辐射的射频电磁波。
[0011]作为本发明电磁脉冲防护器的一种改进，所述馈通滤波器包括第一馈通滤波器和第二馈通滤波器，第一馈通滤波器和第二馈通滤波器设于射频屏蔽层上，中高频防护单元的其他部分设于射频屏蔽层内，电磁脉冲从第一馈通滤波器进入中高频防护单元，再由第二馈通滤波器输出。
[0012]作为本发明电磁脉冲防护器的一种改进，所述延时电感、第一馈通滤波器、滤波电感、第二馈通滤波器依次串联。
[0013]作为本发明电磁脉冲防护器的一种改进，所述避雷器一端连接于延时电感前端，另一端接地;所述压敏电阻一端连接于延时电感和第一馈通滤波器之间，压敏电阻另一端接地。
[0014]作为本发明电磁脉冲防护器的一种改进，所述LC谐振电路为LC串联谐振电路，其一端连接于馈通滤波器和滤波电感之间，另一端接地。
[0015]作为本发明电磁脉冲防护器的一种改进，所述中高频防护单元还包括并联的滤波电容和电阻，所述滤波电感包括至少两个串联的滤波电感，滤波电容和电阻的一端连接于任意两个串联的滤波电感之间，滤波电容和电阻的另一端接地。
[0016]作为本发明电磁脉冲防护器的一种改进，所述延时电感配置有第一耦合电感，第一親合电感用于分担延时电感的磁通量。
[0017]作为本发明电磁脉冲防护器的一种改进，所述串联的滤波电感中，至少一个滤波电感配置有第二耦合电感，第二耦合电感用于分担磁通量。
[0018]作为本发明电磁脉冲防护器的一种改进，所述馈通滤波器包括第一馈通滤波器，第一馈通滤波器设于射频屏蔽层上，中高频防护单元的其他部分设于射频屏蔽层内，电磁脉冲通过第一馈通滤波器进入射频屏蔽层和中高频防护单元。
[0019]与现有技术相比，本发明电磁脉冲防护器具有以下有益的技术效果:通过在低频阶段采用延时使压敏电阻充分吸收脉冲的低频能量，在中高频阶段配合采用滤波吸收、谐振旁路、电容旁路等方式过滤脉冲中高频能量，并设置射频屏蔽区抑制射频辐射干扰，将脉冲电流衰减到被保护设备的正常工作范围，且可防护的电磁脉冲强度高，可防护脉冲的瞬态作用时间短，能够适应脉冲的覆盖频率宽。此外，本发明同时兼有防雷和电磁兼容滤波器的功能，能够替代防雷设备和电磁兼容设备，实现了设备的小型化和集成化。
【附图说明】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明电磁脉冲防护器及其有益技术效果进行详细说明。
[0021]图1为本发明电磁脉冲防护器的电路的示意图。
【具体实施方式】
[0022]为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清晰明白，以下结合附图和【具体实施方式】，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的【具体实施方式】仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
[0023]本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、
“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的表述是基于附图所示的方位或位置关系，并不是指示或暗示所描述的装置或元件必须具有的特定安装和操作方位，因此不能理解为对本发明的限制。
[0024]本发明的描述中，高低电平是基于电路图中上拉或下拉电压实现的，并不是指示或暗示所描述的电平具有特定的电位，因此不能理解为对本发明的限制。
[0025]请参照图1所示，本发明电磁脉冲防护器包括低频防护单元100和连接于低频防护单元100输出端的中高频防护单元200;低频防护单元100包括避雷器10、延时电感20和压敏电阻30，延时电感20延长电磁脉冲作用时间，避雷器10和压敏电阻30吸收电磁脉冲低频能量；中高频防护单元200包括LC谐振电路、滤波电感和馈通滤波器，LC谐振电路吸收电磁脉冲中频能量，滤波电感吸收电磁脉冲中频和高频能量，馈通滤波器吸收电磁脉冲高频能量。
[0026]低频防护单元100主要针对电磁脉冲1kHz以下的低频部分进行防护。低频防护单元100包括避雷器10、延时电感20和压敏电阻30。
[0027]延时电感20的前端为电磁脉冲防护器和低频防护单元100的输入端，延时电感20的后端为低频防护单元100的输出端、与中高频防护单元200的输入端相连。延时电感20采用具有高饱和特性的磁性材料和工艺设计，以适应过大饱和电流的情况。为了保证延时电感20在不同的应用场合中，特别是超高电流的情况下稳定工作，同时能兼顾设备小型化的要求，可以根据具体的防护要求，在磁通路上设置与延时电感20并联的耦合电感。耦合电感连接电阻以分担延时电感20的磁通量，降低延时电感20工作时的磁通密度。耦合电感的参数特性可以根据不同的应用场合进行选择和配置，以最大化饱和性能，例如可以配置合适的耦合电感以满足5kA峰值的冲击电流、ns级的脉冲速度的需求。
[0028]避雷器10由气体放电管或瞬态二极管构成，避雷器10的一端连接延时电感20的前端，另一端接地。避雷器10将电磁脉冲的一部分低频能量旁路并引入大地。
[0029]压敏电阻30的一端连接延时电感20的后端，另一端接地。压敏电阻30能够吸收电磁脉冲中大部分的低频能量。
[0030]中高频防护单元200包括依次串联的第一馈通滤波器40、第一滤波电感60、第二滤波电感90、第二馈通滤波器42，以及旁路的LC串联谐振电路50、滤波电容70和电阻80。
[0031]第一馈通滤波器40的输入端为中高频防护单元200的输入端，与低频防护单元100的输出端相连。第二馈通滤波器42的输出端为电磁脉冲防护器和中高频防护单元200的输出端。第一馈通滤波器40和第二馈通滤波器42可以吸收电磁脉冲的一部分高频和射频能量，降低电磁脉冲防护器输入输出的親合风险。
[0032]LC串联谐振电路50的一端连接于第一馈通滤波器40和第一滤波电感60之间，另一端接地。LC串联谐振电路50主要将电磁脉冲中I OkHZ-1 OOkHz的中频能量旁路并弓I入大地。
[0033]第一滤波电感60和第二滤波电感90采用具有高饱和特性的磁性材料和工艺设计，能够满足瞬态过载300%电流冲击的要求。同时，第一滤波电感60和第二滤波电感90还具有很好的高频特性，能够稳定工作在IMHz，有效实现衰减冲击电流的目的。第一滤波电感60和第二滤波电感90主要吸收电磁脉冲一部分中频和高频(至5MHz)能量。根据具体的防护要求，第二滤波电感90可以配置耦合电感，第二滤波电感90的耦合电感的作用与延时电感20的耦合电感相同，此处不赘述。需要说明的是，根据具体的防护要求，第二滤波电感90后还可以串联若干滤波电感，以扩大滤波范围、增强滤波效果。
[0034]滤波电容70和电阻80的一端连接于第一滤波电感60和第二滤波电感90之间，另一端接地。滤波电容70将电磁脉冲的部分中频能量旁路并弓I入大地。
[0035]中高频防护单元200位于射频屏蔽区300中，射频屏蔽区300通过封闭的射频屏蔽壳实现。射频屏蔽壳将中高频防护单元200向外辐射的射频能量屏蔽并密封吸收于其壳体中，以防止射频电磁波对外界敏感设备造成干扰。第一馈通滤波器40和第二馈通滤波器42设于射频屏蔽壳上，中高频防护单元200的其他部分设于射频屏蔽壳内部。需要说明的是，根据具体的防护要求，也可以在射频屏蔽壳上仅设置第一馈通滤波器40，而不设置第二馈通滤波器42。
[0036]电磁脉冲防护器连接于被保护设备线路的前端。
[0037]当电磁脉冲冲击未发生时，低频防护单元100处于待机状态，中高频防护单元200处于工作状态。此时中高频防护单元200提供常规电磁兼容滤波器的功能，并且射频屏蔽区300发挥屏蔽作用、抑制外来射频干扰。
[0038]当电磁脉冲冲击发生时，电磁脉冲防护器中涌入瞬态的高强度脉冲电流，电磁脉冲防护器的电磁脉冲防护功能被激活，低频防护单元100和中高频防护单元200均进入工作状态。避雷器10将脉冲的一部分低频能量旁路。延时电感20延长剩余脉冲波形的上升沿，使得压敏电阻30有足够的时间将脉冲的大部分低频能量(1kHz以下)吸收掉。脉冲中剩余的中频和高频能量进入中高频防护单元200，第一馈通滤波器40将一部分高频和射频能量吸收，LC串联谐振电路50和滤波电容70将1kHz-1OOkHz的中频能量旁路，第一滤波电感60和第二滤波电感90将另一部分中频和高频(至5MHz)能量吸收，第二馈通滤波器42将脉冲中最后的高频和射频分量吸收(未设置第二馈通滤波器42时，脉冲剩余能量直接输出)。最后，从电磁脉冲防护器输出而进入被保护设备的残余电流达到小于目标值(例如10A)的目的。
[0039]本发明电磁脉冲防护器具有较强的灵活性，可以通过调整耦合电感、滤波电感、滤波电容70、馈通滤波器的数量和参数，满足不同应用场合下对高插入损耗和低输出残余电流的要求。高插入损耗，例如频率大于I OkHz时，插入损耗大于I OOdB。低输出残余电流，例如输出残余电流小于1A。电磁脉冲防护器可防护的脉冲电流最大达到20kA，可防护脉冲电流的瞬态作用时间达到ns等级。
[0040]结合以上对本发明的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明至少具有以下有益的技术效果:通过在低频阶段采用延时使压敏电阻30充分吸收脉冲的低频能量，在中高频阶段配合采用滤波吸收、谐振旁路、电容旁路等方式过滤脉冲中高频能量，并设置射频屏蔽区300抑制射频辐射干扰，将脉冲电流衰减到被保护设备的正常工作范围，且可防护的电磁脉冲强度高(达到20kA)，可防护脉冲的瞬态作用时间短(达到ns等级)，能够适应脉冲的覆盖频率宽(达到射频等级)。此外，本发明同时兼有防雷和电磁兼容滤波器的功能，能够替代防雷设备和电磁兼容设备，实现了设备的小型化和集成化。
[0041]根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的【具体实施方式】，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
【主权项】
1.一种电磁脉冲防护器，包括低频防护单元和连接于低频防护单元输出端的中高频防护单元；低频防护单元包括避雷器、延时电感和压敏电阻，延时电感延长电磁脉冲作用时间，避雷器和压敏电阻吸收电磁脉冲低频能量；中高频防护单元包括LC谐振电路、滤波电感和馈通滤波器，LC谐振电路吸收电磁脉冲中频能量，滤波电感吸收电磁脉冲中频和高频能量，馈通滤波器吸收电磁脉冲高频能量。2.如权利要求1所述的电磁脉冲防护器，其特征在于:所述电磁脉冲防护器还包括射频屏蔽层，射频屏蔽层用于密封中高频防护单元辐射的射频电磁波。3.如权利要求2所述的电磁脉冲防护器，其特征在于:所述馈通滤波器包括第一馈通滤波器和第二馈通滤波器，第一馈通滤波器和第二馈通滤波器设于射频屏蔽层上，中高频防护单元的其他部分设于射频屏蔽层内，电磁脉冲从第一馈通滤波器进入中高频防护单元，再由第二馈通滤波器输出。4.如权利要求3所述的电磁脉冲防护器，其特征在于:所述延时电感、第一馈通滤波器、滤波电感、第二馈通滤波器依次串联。5.如权利要求4所述的电磁脉冲防护器，其特征在于:所述避雷器一端连接于延时电感前端，另一端接地;所述压敏电阻一端连接于延时电感和第一馈通滤波器之间，压敏电阻另一端接地。6.如权利要求4所述的电磁脉冲防护器，其特征在于:所述LC谐振电路为LC串联谐振电路，其一端连接于馈通滤波器和滤波电感之间，另一端接地。7.如权利要求4所述的电磁脉冲防护器，其特征在于:所述中高频防护单元还包括并联的滤波电容和电阻，所述滤波电感包括至少两个串联的滤波电感，滤波电容和电阻的一端连接于任意两个串联的滤波电感之间，滤波电容和电阻的另一端接地。8.如权利要求4所述的电磁脉冲防护器，其特征在于:所述延时电感配置有第一耦合电感，第一耦合电感用于分担延时电感的磁通量。9.如权利要求7所述的电磁脉冲防护器，其特征在于:所述串联的滤波电感中，至少一个滤波电感配置有第二耦合电感，第二耦合电感用于分担磁通量。10.如权利要求2所述的电磁脉冲防护器，其特征在于:所述馈通滤波器包括第一馈通滤波器，第一馈通滤波器设于射频屏蔽层上，中高频防护单元的其他部分设于射频屏蔽层内，电磁脉冲通过第一馈通滤波器进入射频屏蔽层和中高频防护单元。
【文档编号】H02H9/04GK106099885SQ201610652501
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月10日 公开号201610652501.7, CN 106099885 A, CN 106099885A, CN 201610652501, CN-A-106099885, CN106099885 A, CN106099885A, CN201610652501, CN201610652501.7
【发明人】徐晖
【申请人】徐晖