梁 涛 王 凯 刘 焱 袁震宇
(1.海军装备部装备项目管理中心 北京 100071；
2.北京航空航天大学 北京 100191；
3.北京长鹰恒容电磁科技有限公司 北京 100083 )
CE101 25Hz～10kHz电源线传导发射是GJB 151B-2013 《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》中针对用电设备电源线低频传导发射的一项要求，其目的是控制设备在电源线上的低频发射，以免对其他共用电源设备造成影响。对各类飞机平台，CE101的超标可能会造成低频磁敏感设备工作异常。近期，某型飞机平台的大功率用电设备(每相电流超过了10A)在进行CE101项目的电磁兼容性试验时，始终无法通过GJB 151B标准中的相关要求，主要超标点为400Hz的5、7、11、13次谐波。上述谐波的产生主要是因为用电设备电源输入的整流滤波电路由非线性器件+储能元件构成，导致输入波形成为脉冲方波波形，该波形的奇次谐波较大，偶次谐波较小，其中，因电源采用三相供电及六脉波整流原理，3次及其倍数谐波相互抵消而相对较小，5、7、11、13次谐波最为突出。研制单位针对上述频率进行了多轮整改，型号电磁兼容性技术组也组织了专家研讨，对整改措施的可实施性和性价比进行了分析，认为如此大功率的设备(每相电流超过10A)满足GJB 151B的要求是非常困难的，因此标准的极限值要求是否过于严苛，需要进行分析探讨。
在GJB 151B中第5.4章节中，对飞机配套设备的CE101极限值要求如下[1]：
该极限值的要求为绝对值，与用电设备的工作电流大小没有关系。对于大功率用电设备，只能采用开关电源供电方式，因此必然会产生400Hz的谐波等无用发射，且功率越大，谐波发射的绝对值越大，满足要求的难度越大。
在另一个标准GJB 181B-2012 《飞机供电特性》中，对谐波发射也提出了要求，即“交流用电设备的电流畸变系数应不大于10%”[2]。该极限值要求为相对值，即除基波以外的所有谐波均方根值与基波电流相比，不大于10%，实际现有技术水平可达到不大于3%。GJB 181并未给出单次谐波电流的极限值要求。假设除基波外，只有5、7、11、13次谐波。根据测试结果，5、7次谐波幅值基本相同，11、13次谐波幅值基本相同且约为5、7次谐波的1/3，则根据式(1)可以计算出分配给四个谐波的极限值(按要求10%/实际3%两个数计算)。
(1)
其中，I5=I7=xI1，I11=I13=xI1/3，x为5次谐波电流系数。根据公式可得x=13.4%(按总谐波电流10%计算)和x=40%(按总谐波电流3%计算)，则5、7、11、13次谐波要求与实际水平见表1所示。
根据图1曲线，可计算出GJB151B规定的上述4个频率的极限值要求。我们可以与GJB181B-2012标准中单次谐波(假设设备工作电流分别为1A、10A、100A)近似的极限值要求及当前技术水平的谐波电流对应，见表1所示。
图1 适用于海军ASW飞机、陆军飞机(包括机场维护工作区)和空间系统的CE101限值(GJB151B图11)
表1 GJB151B与GJB181B在不同工作电流情况下的极限值比较
由表1可见，当被试品工作电流超过0.84A时，满足GJB181B的设备，GJB151B中CE101项目在2.8kHz已经超差，即两个标准的结论会产生不一致。即使按现有电源技术水平，将总谐波电流降低至3%，当设备工作电流超过2.85A时，7次谐波点也已经无法满足GJB151B。标准中对CE101项目按照额定工作电压划分极限值的方法，与设备实际特性不符，给工程应用带来了困难。
GJB 151B实施指南指出，对于CE101项目，订购方可以剪裁，具体剪裁的情况有以下三种：
1)根据飞机上是否安装本频率范围内的灵敏接收机，如磁探或声呐，对整个CE101项目剪裁。
2)基于平台电源系统的专门特性修改CE101限值。
3)存在大电流负载，为满足本项目要求所需的滤波器体积太大，电源线分布较短或者沿高位线有专门回线时，使用5μH的LISN进行测试，极限值如图2所示[1]。
图2 适用于5μH LISN的CE101限值(GJB151B图B.1)
图2曲线为工作电流1A时的极限值曲线，如电流超过1A，其极限值为平坦部分向上移动20lgI，在150kHz处限值不变(115V/400Hz电源此频率点处限值为62dBμA)，既能保持GJB181的电源品质，又能尽量减小滤波器尺寸。该测试方法在GJB151B的附录B中明确提出，且在实施指南中指出，当EUT工作电流大于100A时适用。
但经分析可以看出，如按图2所示限值要求，EUT工作电流为1A时，2kHz(5次谐波点)以下的极限值为110dBμA，即0.316A，即使不计算其他次谐波量值，5次电流畸变已经达到了31.6%，远远超出了GJB181的要求。当电流继续增大时，因为有20lgI的限值放松，5次电流畸变总是31.6%。这与GJB151B实施指南中所说的“可保持GJB181的电源品质”相矛盾。
通过以上分析可以看出，对于大功率用电设备，按GJB151B的测试方法与极限值要求，存在以下局限性：
1)如按标准第5.4章节方法测试，被试设备在工作电流超过1.8A以后，很难满足CE101的限值要求。当然目前实际的开关电源的电源品质可以做到很好，在精心设计和调试后，总电流畸变可达3%以下，有助于通过CE101的测试，但在电流增大到一定程度时(由于CE101是一个绝对限值的要求)，仍然不能满足CE101的要求。
2)如按附录B的测试方法和极限值要求，则存在限值过松的问题。假如没有GJB181的限制，工作电流10A的设备，单次谐波电流可达3.16A，工作电流100A的设备，单次谐波电流可达31.6A，这个量值已经严重影响到了电气系统的正常工作，因为不管采用机械式还是固态断路器，3次及以上的谐波会急剧增加断路器损耗，造成断路器发热跳闸，严重时可能烧毁。为平衡上述矛盾，对于飞机来说，总体一般都会考虑GJB181的要求，但GJB181仅针对400Hz的谐波点提出要求，并非连续频谱的限值要求，仍然会造成CE101对其他非400Hz谐波的频率点限值要求过松的问题。
GJB 151B中对于水面舰艇和潜艇的CE101限值如下[1]：
在基波电流≤1A时，用电≥0.2kVA的设备基础限值为90dBμA，用电>1A时，限值放宽20lgI(dB)。功率的大小只影响基础曲线采用哪一个，这是因为舰艇和潜艇平台的电源品质要求来源于MIL-STD-1399-300B Electric Power, Alternating Current。在该标准中，对于≥0.2kVA的用电设备，400Hz的2～32次的单次谐波电流不大于基波电流满载时的3%，超过32次谐波至20kHz时的谐波电流不大于基波电流的1/n(n为谐波次数)，总谐波含量不大于5%[3]。通过图3计算可知，基波电流1A时，单次谐波电流限值为0.0316A，与MIL-STD-1399-300吻合。
图3 适用于水面舰船和潜艇的CE101限值(400Hz)(GJB151B图10)
对于GJB181B的要求，假设基波电流为1A，单次电流谐波按5%要求计算，绝对值为94dBμA；
单次电流谐波按3%要求计算，绝对值为90dBμA。
我们注意到，在同时考虑电源品质和电磁兼容性时，以1A工作电流为基础的极限值约为90dBμA，与海军飞机或陆军飞机的限值(110dBμA)相差为20dB。
在MIL-STD-461F原文中表述，陆军限值相对于MIL-STD-704有20dB的余量，主要是考虑到可能会有多个发射源的贡献[4]。可以理解为这个限值是针对于同一个电源节点，可能会有多个独立的被试品的谐波发射造成CE101的叠加，对单个被试品要求限值为90dBμA，多个被试品的谐波发射对电源母线均有贡献，因此要对母线节点的限值要求放松20dB。
根据GJB 151B中对CE101的剪裁原则，该试验项目的要求是必须要提出的，但订购方可以对限值进行修改。限值修改方案可选以下之一：
1)400Hz谐波单独判别方法。在进行CE101测试时，对400Hz的谐波频率及其±5%频率范围内不做合格性判别，而采用GJB181的要求进行考核，其余频率按照GJB151B图11的极限值执行，试验方法按GJB151B的CE101常规试验方法。
2)采用GJB151B附录B的测试方法。需参考MIL-STD-1399-300标准要求，按单次谐波不超过基波电流的3%取值，可得基波电流1A时，单次谐波电流为89.54dBμA。因此可将GJB151B图B.1的曲线一平坦部分下移20dB，即平坦部分基础限值为90dBμA，150kHz处极限值保持62dBμA不变，以此曲线作为工作电流为1A的设备极限值曲线；
当I>1A时，平坦部分以20lgI上移，150kHz处极限值保持不变，将该曲线设定为400Hz大电流用电设备的极限值曲线。
图4所示工作电流分别为1A、10A、20A、30A、100A时的CE101极限值建议值。
图4 适用于400Hz大电流用电设备CE101限值建议
表2 400Hz大电流用电设备不同基波电流的CE101极限值对照表(至20次谐波)
上述两种方案均考虑了标准间的协调，也符合实际情况。对设备级试验来说，可以通过一定的电磁兼容性设计达到要求，同时在系统级试验中，再针对原试验方法超标的频率对低频敏感设备的兼容性重点考察，确保全机可兼容工作。
根据以上分析，GJB 151B中两种测试方法和限值对大功率交流用电设备的CE101项目考核均有一定的局限性，考虑到特种飞机大功率用电设备较多，急需根据实际情况对该项目提出具有可操作性的限值和测试方法。本文基于大功率用电设备的电流畸变产生机理，综合提出了CE101项目限值调整的方法和建议，协调了现行电磁兼容和电源适应性标准的矛盾，能够为该类设备的鉴定提供参考。
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