电源滤波器在模拟实际工作状态下的性能测试方法

《电源滤波器在模拟实际工作状态下的性能测试方法》论文发表期刊：《防护工程》；发表周期：2021年03期

《电源滤波器在模拟实际工作状态下的性能测试方法》论文作者信息：刘锋( 1974—) ，男，博士，高级工程师，主要从事电磁毁伤效应与防护技术研究。

　　摘 要 滤波技术是实施电磁防护的一项重要技术手段，电源滤波器已在各类电磁屏蔽室中得到广泛应用，但是针对电源滤波器在实际工作状态下的性能测试还缺乏具体的方法，严重制约了对电源滤波器性能和电磁防护效果的评估。分析了目前电源滤波器性能测试方法的局限性，针对其应用环境，构建了可以模拟实际工作状态的测试系统，提出了加电加载条件下的实际性能试验方法，能够对大功率宽频带范围内电源滤波器的实际插入损耗、屏蔽效能等多项重要指标进行现场测试，能够判定电源滤波器的性能优劣和使用范围，有效解决了各类电磁屏蔽室中对电源滤波器的应用需求。

　　关键词 电源滤波器; 实际工作状态; 性能测试方法; 插入损耗; 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

　　滤波技术是实施电磁防护的一项重要技术手段，它借助各种滤波器抑制系统要求的信息频率之外的电磁能量，使其不能进入系统内部。滤波器是由电阻、电容和电感构成的一种网络，多采用无源结构，它可以允许特定的频率通过，而衰减掉无用的频率成分。实践表明，即使对一个采取了正确的屏蔽和接地措施的对象，也仍然会出现电磁泄漏现象或受到电磁干扰的情况，这是因为任何对象都必须和外部进行通信并需要外部供电，无形中为电磁耦合提供了途径，即使所有数据传输电缆可以由光缆代替完成，但是其电源的供电路径将始终是个弱点。这时在电源线或信号线上加装合适的滤波器可以阻断传导耦合的通路，在滤波器的通带内，滤波器对传输能量的衰减很小，使能量很容易通过; 而在通带之外，传输能量则受到很大的衰减，从而抑制了能量的传输[1]。因此，滤波技术是抑制传导泄漏或干扰的一种主要措施，具有其他防护技术难以起到的作用。

　　通过构造电磁屏蔽室对重要目标进行电磁防护是目前普遍采用的做法，由于电磁屏蔽室性能优良，构造简单，可靠实用，应用成熟，确实在很大程度上保护了目标的信息安全。电源滤波器作为电磁屏蔽室供电系统的关键防护设备，在各类屏蔽室中得到了广泛应用，所有引入或引出电磁屏蔽室的强电线路均需要在设备进线端安装电源滤波器。电源滤波器是通过滤波技术来达到抑制电磁脉冲沿线缆传导耦合的目的，一般采用的是低通无源滤波器，它允许低于截止频率的有效信号通过，将高于截止频率的干扰信号滤除，它能否发挥作用将直接影响到电磁屏蔽室内的正常供电，也间接影响到电磁屏蔽室的屏蔽性能和使用功能。

　　受到技术条件、测试规程、应用理念、工程实际、成本经费等多种因素制约，目前工程中使用的电源滤波器鲜有经过第三方实际检测再应用的，基本是采购后直接使用，技术参数只是参考生产厂家的出厂报告。但是各厂家在对电源滤波器的性能进行自检测试时，均存在重大漏洞，其产品的技术指标不够准确，尤其是针对电源滤波器在实际工作状态下的性能指标无法衡量，也没有具体的测试方法可以采用，严重制约了对电源滤波器性能和电磁防护效果的评估。笔者构建了一套可以模拟电源滤波器实际工作状态的测试系统，提出了加电加载条件下的实际性能试验方法，能够对大功率宽频带范围内电源滤波器的实际插入损耗、屏蔽效能等多项重要指标进行现场测试。

　　1电源滤波器的传统性能测试方法

　　电源滤波器的性能指标包括额定工作电压、额定工作电流、耐受电压、泄漏电流、绝缘电阻、抑制频率范围、插入损耗以及屏蔽效能等，其中衡量电源滤波器性能的最重要指标就是抑制频率范围内的插入损耗和屏蔽效能。在《无源EMC滤波器件抑制特性的测量方法：GB/T 7343-2017》等相关标准中对电源滤波器的指标测试进行了一些规定，尤其关于插入损耗和屏蔽效能的测试，虽然进行了较大改进，但是仍然主要采用的是在实验室内不加电无负载条件下开展的检测，这些测试条件与实际工作状态严重不符合，测试结果也只能作为参考。此外，生产厂家在指标的测试方面也存在缺陷。例如：有的标准中要求在电源滤波器的终端阻抗为50 2条件下进行测试，这在实际应用中很难满足，那么测试结果也就失去了意义;有的单位只是将电源滤波器安装在电磁屏蔽室上，在不加电空载时进行屏蔽效能的检测，这实际上只是测试了电源滤波器的安装效果，并不是电源滤波器的性能指标，也不符合电源滤波器的实际应用情况;有的单位用屏蔽效能测试方法所获得的指标去替代插入损耗指标，由于这不是基于传导注入方式所得到的结果，这种替代是不合理的;有的单位仅仅利用矢量网络分析仪直接测试电源滤波器的插入损耗，这种方法引入了信号源辐射耦合效应、电缆传导耦合效应等不确定因素，得到的指标较低，且误差较大[4。

　　1.1 电源滤波器插入损耗的测试及存在问题相比旧版本标准中的测试规定，新版《无源EMC滤波器件抑制特性的测量方法：GB/T 7343-

　　2017》中对插入损耗的测试进行了改进，增加了屏蔽金属箱，但是仍属于在实验室内理想条件下的测试，具体测试框图见图1。其测试系统主要由信号发生器、屏蔽金属箱、测量接收机等设备组成，通过测量接入电源滤波器前后不同频率信号的电压，计算得到滤波器的插入损耗。

　　该测试方法存在的问题有：(1)对电源滤波器的连接线长度要求较高，要求与同轴接口连接段不宜超过5cm。这种情况使用设备类或电路板类的小型滤波器容易做到，但是使用屏蔽室类大型滤波器则不容易实现。(2)对屏蔽金属箱的尺寸要求较高，要求四壁与滤波器的距离空间宜在5cm左右。这种情况对各类滤波器都需要定制屏蔽金属箱，不易实现。(3)该测试条件与实际工作状态不一致。实际应用中终端阻抗不一定是50 2，电源滤波器也不是图中的安装连接方法，不同工作状态下的测试结果误差会较大。因此，由于在实测过程中受测试条件的限制，几乎无法完全按标准规定的环境条件进行插入损耗的测试，要求测试人员根据具体情况对相关测试方法进行改进和调整。

　　1.2 电源滤波器屏蔽效能的测试及存在问题用防电磁信息泄漏滤波器等级划分和限值要求：GJB 8041-2013》中对屏蔽效能的测试进行了规定，该方法是借鉴《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法：GB/T 12190-2006》而来的，属于在不加电不加载条件下的测试，其具体测试框图见图2[00。其测试系统主要由模拟信号源、功率放大器、发射天线、测试用电磁屏蔽室、接收天线、频谱分析仪等设备组成，通过测量接入电源滤波器前后不同频率信号的电压，计算得到电磁屏蔽室的屏蔽效能，最终得到滤波器的屏蔽效能。

　　该测试方法存在的问题有：(1)测量得到的是滤波器的安装效果，并不是滤波器的实际屏蔽效能。(2)该测试条件与实际I作状态不一致，电源滤波器在加电加载条件下的性能未得到评定。目前所有生产厂家给出的指标也是用该方法测试得到的，与实际应用指标不符。因此，要想较准确地获得电源滤波器的屏蔽效能值，除了在设计中需考虑不同影响因素外，更需要通过实际应用性测试来衡量。

　　1.3 电源滤波器的可靠性考核测试

　　在任何标准中均没有针对电源滤波器在加电加载和满载情况下的可靠性进行测试的要求，所有生产单位也没有对其可靠性进行过考核测试，便认为设计的产品是稳定可靠的，但是在工程现场实际加载对比测试中发现，大部分滤波器出现屏蔽效能急剧降低、温度升高的现象，其原因可能是设计有缺陷或元器件选取不当，电感出现了饱和，导致设备性能下降、发热发烫。因此，对电源滤波器进行可靠性考核测试非常必要。

　　2电源滤波器在模拟实际工作状态下的性能测试方法

　　尽管不同标准中对电源滤波器的插入损耗和屏蔽效能的测试有一些规定，但是总的来看，这些方法存在局限性，难以满足实际应用需求，电源滤波器究竟能否满足防电磁毁伤和防电磁信息泄漏的要求，仍然无法获得准确的数据，供电系统的安全仍然难以得到有效保障。电源滤波器在实际工作状态下的性能测试结果才是衡量电源滤波器优劣的最好依据，需要模拟电源滤波器的实际工作状态，并研究如何在实际工作状态条件下测试电源滤波器的性能。

　　2.1 构建模拟实际工作状态的测试系统电源滤波器通常采用螺栓安装或焊接固定在电磁屏蔽室壳体上，在工作时是始终处于加电和带载状态的，但是不一定满载。模拟电源滤波器的实际工作状态需要考虑其安装方式和工作条件，构建模拟实际工作状态的测试系统还要考虑所测试指标的特点和所应用的测试方法。从应用的角度看，主要关心的是电源滤波器在抑制频率范围内的插入损耗和屏蔽效能，而测试插入损耗的核心是传导注入法，测试屏蔽效能的核心是空间辐射法，综合考虑现有技术水平和测试手段，笔者在文中主要讨论电源滤波器在实际工作状态下的抑制频率范围、插入损耗、屏蔽效能和可靠性等重要指标的测试，包括电源滤波器在不加电不加载时的屏蔽效能测试、电源滤波器在加电加载时的屏蔽效能测试、电源滤波器在不加电不加载时的插入损耗测试、电源滤波器在加电加载时的插入损耗测试、电源滤波器在加电加载和满载情况下的可靠性考核测试，以有效解决在加电加载条件下电源滤波器的实际性能测评难题1

　　构建的模拟实际工作状态的测试系统框图见图3，经过实际运行，状态稳定，测试效果好。测试系统主要包括变压器、大功率配电柜、测试用电磁屏蔽室、大功率负载、模拟信号源、功率放大器、频谱分析仪、发射天线、接收天线、被测电源滤波器、木质平台等设备，在进行不同指标的测试时，由这些设备相互组合进行测试。其中模拟信号源可提供0Hz

　　40 GH2宽频带范围的正弦波信号，频谱分析仪可测量频率范围1 kHz-40 GHz，测试用电磁屏蔽室的屏蔽效能大于100 dB，整套系统可对500 kW功率以下的电源滤波器进行测评。此外应注意正确恰当地安装电源滤波器，并确保电磁屏蔽室和电源滤波器良好接地。因为电源滤波器的安装质量将直接影响滤波的效果，不仅在性能检测时会影响测试结果，在使用时还会影响电磁屏蔽室的整体屏蔽效果[22.

　　2.2 电源滤波器在不加电不加载时的屏蔽效能测试

　　基于空间辐射法，将图3中的变压器、配电柜和负载去除，可配置获得电源滤波器在不加电不加载时的屏蔽效能测试方法，即图2中的方法，其中辅助测试用的电磁屏蔽室的屏蔽效能(SEO)应大于被测电源滤波器的屏蔽效能(SEI)10 dB以上，因为受到屏蔽室的性能影响，结果必然是SEl

　　2.4 电源滤波器在不加电不加载时的插入损耗测试

　　当没有电磁屏蔽室等测试条件时，可采用矢量网络分析仪直接测量电源滤波器的插入损耗，但是其结果仅供参考，只有借助于电磁屏蔽室进行的测试才是最真实、最好和最有效的方法。基于传导注入法，将图3中的变压器、配电柜、负载、发射天线和接收天线等去除，可配置获得电源滤波器在不加电不加载时的插入损耗测试方法，模拟信号源连接电源滤波器的输入端，频谱分析仪连接输出端，即为图4中的改进方法。该测量方法是将电源滤波器安装在测试用屏蔽室侧面，采用模拟信号源和频谱分析仪的组合方式，通过点频加载方法逐点进行测试。先将模拟信号源与频谱分析仪直连进行传输校准，在测试频段范围内得到一条电平曲线;然后让信号通过滤波器再到达频谱分析仪，得到另一条电平曲线：2条电平曲线的差值即为该滤波器的插入损耗值。该方法中使用模拟信号源发送信号，选取频点相对灵活，可在每个频率量级范围内选择10个频点进行测试。

　　2.5 电源滤波器在加电加载时的插入损耗测试

　　测试电源滤波器的插入损耗主要依据传导注入法，因此在加电加载时，无法同时在输入端注入正弦波信号，也无法同时在输出端连接接收设备，无法直接实现在加电加载时的插入损耗测试。为了实现信号的输入和接收，考虑采用钳式互感器耦合的方式，首先在不加电时进行耦合试验，实际测试表明，一方面耦合輸入的信号不能够精确測定，另一方面耦合输出的信号低频分量减少，测试结果难以应用。最终，对电源滤波器在加电加载时的插入损耗测试未能提出科学的方法，建议插入损耗指标暂时按照不加电不加载时的测试结果为准。

　　2.6 电源滤波器在加电加载和满载情况下的可靠性考核测试

　　加电加载条件下的可靠性测试方法，是考核电源滤波器在实际工作时的稳定性和可靠性状况，尤其是在大功率甚至满载时的性能表现。将图3中的模拟信号源、频谱分析仪、功率放大器、发射天线和接收天线等去除，可配置获得电源滤波器在加电加载时的可靠性考核测试方法，即为图5中的方法。同样将被测电源滤波器安装在测试用电磁屏蔽室侧面：在电源滤波器的输入接线端，连接大功率配电柜：在电源滤波器的输出接线端，连接大功率负载;按照电源滤波器的额定功率，以10%的步进功率逐步加载，直至满载; 在每个测试功率点上，保持加电加载状态，连续工作不小于 5 h，满载时连续工作不小于 1 d; 注意实时监测滤波器的电流、电压和温度变化，判断工作状态，外壳温度超过 85 ℃可能损坏，须防止出现事故; 完成大电流满载考核后，重新测试滤波器的插入损耗，对比变化情况，确认电源滤波器工作是否正常。经过可靠性试验，可以判定电源滤波器的优劣和性能。

　　3结论

　　提出的电源滤波器在模拟实际工作状态下的性能测试方法，综合运用了测试技术、电磁屏蔽技术、隔离技术、接地技术等，解决了常规测试中的信号源辐射耦合效应、电缆传导耦合效应、电感磁饱和效应、温度效应等对性能测试的影响，具有 500 kW 大功率负荷、0 Hz-40 GHz宽频带范围、100 dB高插入损耗、100 dB高屏蔽效能等多种测试能力，能够在大功率宽频带范围内检测电源滤波器的实际性能，能够判定电源滤波器的性能优劣和使用范围，适用于各种防电磁脉冲电源滤波器的检测、标定和选型，有效解决了各类电磁屏蔽室中对电源滤波器的应用需求，提高了供电系统的电磁防护能力，保证了设备运行的安全可靠。

　　(1)构建了电源滤波器在模拟实际工作状态下的性能测试系统，能够真实模拟电源滤波器在实际工作时的状态，解决了防护设备与实际应用脱节的现实问题，使得性能测试与实际应用完美结合：提出了在加电加载条件下进行电源滤波器的抑制频率范围、插入损耗、屏蔽效能、实际功率和可靠性等性能测试方法，能够真实获得电源滤波器在实际工作状态下的多项重要性能指标。对其他常规指标的测试可依据相关标准进行。

　　(2)确定了电源滤波器在加电加载条件下的屏蔽效能测试方法，采用点频加载方法逐点测试电源滤波器在不同功率下的屏蔽效能值，真实反映了电源滤波器在实际工作状态下的性能。

　　( 3) 借助电磁屏蔽室进行插入损耗的测试，避免了电源滤波器输入端和输出端之间的电缆耦合干扰、信号源辐射耦合干扰，且与滤波器的应用环境一致，测试结果真实可信。但是在加电加载条件下如何测试插入损耗仍是一个难题，需要进一步研究。

　　( 4) 电源滤波器在带载尤其在满载条件下的工作性能非常重要，通过考核多个功率水平下的运行可靠性，确认电源滤波器的额定指标和稳定性，保证电磁屏蔽室的正常供电。尽管如此，应尽量避免将电源滤波器用于负载为满载的情况。

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