GJB 151C-2024 标准 CS117 测试要求 及实测方法介绍

一、CS117 标准简介

1.1 项目定位

CS117 的全称是“电缆和电源线雷电感应瞬态传导敏感度”。拆解这一定义有四个关键词：

· 电缆/电源线——考核对象是“电缆和电源线”，即瞬态应力是沿导线进入 EUT 端口的，属于传导路径；

· 雷电感应——应力来源是“雷电感应”，模拟的是平台遭雷击后在内部线缆上感应出的瞬态，而非直接雷击本体；

· 瞬态（时域）——信号是“瞬态”，属于时域波形（双指数脉冲、阻尼正弦振荡以及多重回击/多重脉冲组时序），而非常见的连续波/扫频敏感度；

· 传导敏感度——性质是“敏感度”，即向 EUT 施加规定干扰、考核其功能是否正常。

1.2 适用范围

本要求适用于：

· 所有安全性关键设备的互连电缆、完整的输入主电源电缆及其所有高电位电源线；

· 与安全性关键设备相连的非安全性关键设备的互连电缆及电气接口；

· 当设备订购方有要求时，也可用于执行非安全性关键功能的设备；

· 还适用于电缆敷设在舰船甲板上的设备。

1.3 限值要求与合格判据

标准 5.19.2 规定：当按表17所示雷电瞬态电平、按图64~图66所示时域波形施加信号时，EUT 不得出现任何故障、性能降低或偏离规定指标值，也不得超出单个设备或分系统规范中给出的指标允差。

1.4 六类波形与两组脉冲时序

CS117 用六类基础波形描述不同物理特征的雷电感应瞬态，其形态、时间参数与量纲如表1，波形示意如图2。

图1 CS117 六类雷电感应瞬态波形（参数为标准规定值，曲线为示意）

在单次波形之上，CS117 还规定了两种更接近真实雷击过程的“成组”施加方式，这是本项目区别于普通脉冲抗扰的重要特征：

· 多重回击——由“1 个回击 + 13 个后续回击”构成，后续回击间隔 10 ms~200 ms，整组分布在不大于 1.5 s 的时间内，如图3；

· 多重脉冲组——每个脉冲组包含 20 个瞬态，组内瞬态间隔 50 μs~1000 μs；每次施加 3 组，组间间隔 30 ms~300 ms（以波形3为例），如图4。

图2 CS117 多重回击时序

图3 CS117 多重脉冲组时序

1.5 测试电平与限值电平

标准表17 按“内部设备/外部设备”两档、按“多重回击/多重脉冲组”两类，分别给出电平。为便于查阅，这里重排为表2、表3。表中符号先统一：VT 为测试电压电平、IT 为测试电流电平；VL、IL 是为防止对 EUT 过度测试而设置的限值电压、限值电流。

· 注 a（允差）——所有波形幅值允差为 +20%、−0%，但后续回击允差放宽为 +50%、−0%；

· 注 b（阻抗决定波形）——“波形2/波形1”是两个相关波形，对被测电缆束究竟施加哪一个，取决于被测电缆束阻抗：低阻时电流波形1可能先达到，高阻时电压波形2先达到，谁先达到就用谁，以避免对 EUT 过压测试；“波形4/波形5A”情形类似；

· 注 c（多线折算）——上述电平适用于单根电源线或导线数量较少的线束；当多根导线一起测试时，电流应增加到“全束电平”或“导线数×相应单根电流值”，并取两者中的较小者。

1.6 内部/外部安装与电平裁剪逻辑

附录 A.15 给出了选档逻辑：设备位于金属封闭机舱内部、且不与外部线束连接时按内部设备电平；设备位于机舱内但与外部线束相连的端口、位于复合材料（非导电）尾翼/整流罩内的设备或线束、以及轮舱/弹舱/机翼前缘等在某些飞行阶段暴露于外部威胁的区域，应按外部设备电平。若能确定更具体的飞行器雷电威胁电平，可对设备级电平进行调整以匹配威胁并保留适当裕量；当 EUT 满足 HB 6167.24-2014 对应要求且限值可比时，可考虑对本项目剪裁。

二、间接雷与电缆束耦合原理

2.1 雷电间接效应的物理过程

飞机或平台在强对流天气飞行时，可能遭受直接雷击或邻近雷击。雷电流流经平台结构时，并不会直接“打”进舱内设备，而是通过三类耦合机理在内部线缆上产生感应瞬态，如图5：

阻性耦合——雷电流流过有阻结构，在结构阻抗上产生 IR 电位升高，使不同接地点之间出现瞬态电位差；

孔径耦合——磁场经舱门、窗、孔缝、舱口等“孔径”穿入金属屏蔽舱，在内部线缆环路上感应电动势；

磁场（场—线）耦合——外部时变电磁场直接与线缆—结构构成的环路交链，按法拉第电磁感应在线缆上产生感应电压/电流。

图4 雷电间接效应的场—线耦合原理示意

2.2 从系统级威胁到设备级波形

CS117 针对 GJB 1389B-2022 所规定的系统级雷电环境（特别是其图2、表7所指环境），把平台级威胁分解、折算为设备端口可执行的波形与电平。波形的上升时间、持续时间、振荡频率和组合时序，都是对真实雷击电流频谱与平台结构响应的工程抽象：快前沿（波形2、波形6）对应高频成分和快上升沿威胁，慢双指数（波形5A）对应阻性耦合造成的较宽脉冲，阻尼振荡（波形3）对应结构谐振与线缆谐振。

2.3 波形组与耦合路径一一对应

2.4 电压波形与电流波形为何成对出现

波形2（电压）与波形1（电流）、波形4（电压）与波形5A（电流）总是成对出现，根源是“信号源输出阻抗”与“受试电缆束等效阻抗”的分压/分流关系。可以用一个简化模型理解：发生器经注入回路对电缆束施加瞬态，当电缆束回路等效阻抗低时，回路电流先达到规定电流值（电流波形先达标）；当回路阻抗高时，端口电压先建立到规定电压值（电压波形先达标）。标准用 VL/IL 作为“不得超过”的限值，正是为了在另一物理量被阻抗抬高时及时停止、防止过应力。

2.5 电缆束上的共模感应与束内再分配

真实雷击产生的时变场，主要在“整束电缆相对参考地”这一回路上感应出共模（CM）电流；共模能量进入线束后，并不会在每根导线上平均分配，而是按各导线对地、对回线的阻抗关系再分配，并在 EUT 端口处由共模转化为各引脚实际承受的差模/共模应力。

· 整束看共模——在整束层面，外场感应的是方向一致的共模电流，这是“束”这一级的真实物理量；

· 束内再分配——束内各导线因端接阻抗不同，分到的电流并不相同，且会在端口发生共模—差模转换；

· 工程等效——既然真实威胁以共模方式作用于整束，工程上就用注入变压器（耦合钳）整体卡在束上、以互感非接触地把共模瞬态“感应”进去，等效复现这一过程，这正是电缆束感应注入的思想。

图5 电缆束共模感应与束内电流再分配原理

三、电缆束 CS117 测试方法与实测链路

3.1 测试系统组成

标准 5.19.3.1 列出的测试设备如表5。工程实现上，这些设备可由一台雷电瞬态信号发生器主机配合可插拔波形模块、注入/耦合器件与测量探头组成。以国产 LSS 160SM8 + ETS 160MB/160ML/160W3 一类雷电防护测试系统为例，其波形模块支持波形1~6，通过电流耦合变压器（耦合钳，如 LCT-L5 系列）以电缆束感应方式整体卡束注入，并配套监测环/检查环、电流探头与差分电压探头、LISN 及规定电容，可同时满足 GJB 151C、GJB 8848、MIL-STD-461G CS117、DO-160G S22 等标准要求。

苏州泰思特电子科技有限公司研发的LSS 160SM8、ETS 160MB/ETS 160ML和ETS 160W3是符合RTCA/DO-160G 第22部分关于间接雷电感应瞬态敏感度要求的测试系统。其中，LSS 160SM8可满足波形1，波形4和波形5A/5B的试验，ETS 160MB可满足波形2, 波形3（1 MHz和10 MHz）和波形6的试验，均可进行标准要求的等级5及以下的引脚注入试验和电缆束试验。ETS 160W3可满足波形3（1 MHz和10 MHz）的试验，均可进行标准要求的等级5的电缆束试验，另外满足带载时等级5的电压要求。此外，系统不仅满足GJB 8848-2016中定义的ABCD类EUT 脉冲注入等级，也满足MIL-STD-461G CS 117 雷电感应瞬态传导敏感度试验等多类相关标准。

本测试系统配置了各类试验所必需的辅助装置，如高频耦合器，电源阻断器件，瞬态阻断器件，插脚注入探头等。另外，可使用本公司的Corelab软件进行远程控制，极大地方便用户进行试验操作。

3.2 标准测试布置

测试基本布置遵循标准 4.3.9 及图68~图70。要点如下：EUT 置于参考接地平板之上的台式布置时，距平板前沿 10 cm±2 cm；与 EUT 相连的每根互连电缆 2 m 平行于配置边界前沿敷设，其余部分架高于接地平板 5 cm（即 50 mm，由非导电支撑物支撑）并按“Z”形折叠；多根电缆外表皮间距 2 cm；输入主电源线同样架高 50 mm、经 LISN 最短连接；直流时在 LISN 输入侧高电位线与回线之间接不小于 28000 μF 电容，交流时在高电位线—地、回线—地之间各接 10 μF 电容。完整互连电缆束的测试配置原理如图8（对应标准图68），电源线的两种配置见图69、图70。

图6 CS117 完整互连电缆束雷电瞬态测试配置（依据标准图68重绘）

3.3 探头与注入器件的相对位置

· 电流探头卡在与 EUT 连接器相连的电缆束上，距连接器 5 cm~15 cm；若连接器与后壳总长超过 15 cm，则电流探头应尽量靠近连接器后壳；

· 注入变压器（耦合钳）置于距电流探头 5 cm~50 cm 处；

· 监测环置于注入变压器中并与电压探头相连。

图7 电流探头与注入变压器的相对位置（依据标准5.19.3.2）

3.4 测量系统检查（校准）

正式试验前必须先做测量系统检查，且此阶段不接 EUT。按标准图70/图67 配置：将发生器接注入变压器初级，用检查环模拟负载回路，检查环“开路”时用电压探头测开路电压波形、“短路”时用电流探头测短路电流波形，如图7。

图8 CS117 雷电波形测量系统检查配置

对每一个波形，在指定测试电平（VT 或 IT）下分别确认开路电压、短路电流是否符合图64的波形参数；不要求发生器一定能产生限值电平（VL/IL）对应的波形，但若其能力可达，则应一并验证并记录该设置下的波形。对多重回击、多重脉冲组，还要按图65、图66核对脉冲个数与时间参数，最后改变发生器极性重复上述检查。校准阶段不接 EUT、也不需要外部供电设备参与：开路电压由差分（高阻）探头经监测环读取，短路电流由电流监测钳在检查环上读取。

3.5 电缆束感应注入的实测接线

校准完成后进入正式试验。电缆束感应注入不直接电气接触单根导线，而是把电流耦合变压器（电流耦合钳，如 LCT-L5）整体卡在被测电缆束上，利用钳体与整束线束之间的互感，把瞬态以共模方式“感应”进整束——这与图6所示真实外场在束上感应共模电流的机理一致。现场接线要点如下：

束布置——被测电缆束用非导电支撑物架高于接地平板 50 mm， 2 m 平行配置边界前沿、其余按“Z”形折叠，多束外皮间距 2 cm；

卡具次序——电流监测探头先卡（距 EUT 连接器 5~15 cm），注入变压器/耦合钳卡在其下游 5~50 cm，监测环置于注入变压器中；

初级连接——发生器经多股测试线（如 4 红 4 黑并联）与耦合变压器初级相连，以减小引线电感、保证注入能力；

测量链路——监测环接差分电压探头、电流探头接示波器，同步监测注入电压与束上净电流；

供电与监测——电源线经 LISN 连接并按交/直流并接规定电容，EUT 处于典型、最敏感工作状态并全程性能监测。

图9 电缆束感应注入（CI，波形1/波形5A 等）现场实物连接示例

3.6 逐级施加、时序与合格判定

接线完成后接入 EUT，自低向高增加发生器输出，直到在受试电缆束上得到所需测试电平（VT/IT），除非相应限值电平（VL/IL）首先达到。标准对“测试电平达到前先撞到限值电平”给出了三条判定原则：

· 测量系统检查期间，若发生器产生的限值波形（幅值与波形）符合要求，则测试可接受；

· 测试期间，若获得的限定限值波形处于图64波形允差范围内，则测试可接受；

· 若上述两条都不满足，应更换能产生满足限值波形要求的发生器重新测试；此时原限值电平变为测试电平、原测试电平变为限值电平，并重新做测量系统检查。

测量电压/电流波形电平时，应剔除由仪器噪声、开关瞬态或负载效应导致的短时尖峰或高频噪声（脉冲测量参见标准附录F）。在施加次数与时序上：多重回击最少施加 10 次并同步监测 EUT，相邻两次多重回击瞬态的最大时间间隔不大于 5 min；多重脉冲组在系统检查设置基础上连续施加，每 3 s（每 3 个脉冲一组的起点间隔为 3 s）施加一个多重脉冲组，最少持续 5 min；随后改变极性重复；并对 EUT 每个电连接器的电缆束逐一测试，未使用连接器的电缆束也要参照测试。

3.7 测试流程总览

图10 CS117 电缆束测试流程总览

3.8 测试结果与记录要求

标准 5.19.3.4 要求试验完成后提供：各电缆和电源线的波形与幅度清单；测量系统检查波形图；各受试电缆及电源线的测试波形图（每个极性对应一个图例）；以及每个接口连接器是否满足敏感度评估要求的结论。建议同步记录 EUT 工作状态、软件版本、临时整改措施（如外加滤波、铜箔、磁环）、卡具位置与线束布置，保证结果可复现、可追溯。

四、电缆束测试结果为什么会有差异

4.1 差异

对同一 EUT、采用同一波形与同一规定电平时，电缆束测试在不同环节、不同布置、不同监测口径下得到的波形/应力/判读可能不同。它既不是设备故障，也不是“谁测错了”，而是有明确物理来源、可以被认识和控制的影响因素。

4.2 差异环节总览

沿“校准—接线—施加—判读”的链路，差异主要出现在六个环节，汇总为表6。

4.3 五个典型差异现象

现象1：源设置与束上应力不一致——要在束上达到同一规定电平，发生器开路电压/短路电流的“设置读数”，与电流探头在束上实测到的净电流并不是一回事；束上净电流是全束电流的矢量和，不等于任一单根导线实际承受的应力，两者不能直接画等号。

现象2：电压/电流波形谁先达到随束阻抗而变——表17 注 b 指出低阻束电流波形（1/5A）先达标、高阻束电压波形（2/4）先达标。整束等效阻抗随导线数量、回线与端接而变，因此同一根束在不同端接状态下，可能在“电流波先达标”和“电压波先达标”之间切换。

现象3：整束与单根的电流折算不同——表17 注 c 的多线折算专门针对多线整束：共模能量耦合到整束后，在各导线间按阻抗再分配，容易出现“全束电流达标、但个别导线偏多或偏少”，整束电平须按“全束电平”与“导线数×单根”取小。

现象4：结果对布置/卡具位置敏感——束注入靠互感耦合，注入变压器与监测钳的间距（5~50 cm）、离连接器距离（5~15 cm）、束径大小、束离地 50 mm 与走线几何，都会改变互感与分布参数；因此重复布置时结果离散度相对更大，对操作规范性要求更高。

现象5：校准态与带载态波形不同——测量系统检查用的检查环是标准低阻环路，而接入 EUT 后是真实负载，二者阻抗不同；可能出现“校准波形很规范、一接 EUT 波形就畸变或幅值偏移”，因此正式试验必须以束上实测波形为准、必要时回头微调源输出，而不能只按校准时的设置“一设到底”。

五、差异成因分析与工程建议

5.1 六类成因

上述差异并非设备误差，而是有明确物理与方法学来源，可归为六类，如图12、表7。

图11 电缆束测试结果差异的成因分类

5.2 电缆束测试操作建议

· 先校准后试验——严格执行“测量系统检查（开路电压+短路电流）→ 耦合钳卡束接 EUT 逐级升压 → 双极性 → 多重时序 → 逐连接器/逐束支持”的顺序，不跳步。

· 固化布置——用尺固定电流探头（距连接器5~15 cm）、注入变压器（距探头5~50 cm）、线束离地50 mm，多次试验保持同一布置并拍照/记录。

· 正确折算——多线整束按表17注c折算（全束电平 与 导线数×单根 取小），同时记录束净电流与关键导线波形，避免以束电流代替单根应力。

· 端接与回流——屏蔽层两端 360°低阻端接、不用长尾辫，回流搭接路径与设备实际安装状态保持一致。

· 录可追溯——外加滤波器、铜箔、磁环等任何临时措施都要记入报告，整改后重新做系统检查与相关测试。

5.3 常见误区提醒

· 把电流钳在整束上读到的净电流，直接等同于某一根导线的实际应力；

· 只做单一极性，或漏掉多重回击（≥10次、间隔≤5 min）与多重脉冲组（每3 s一组、≥5 min）的时序要求；

· 直流侧 28000 μF、交流侧 10 μF 电容取值或接法错误，导致回流路径与标准不符；

· 束离地高度、卡具位置、走线几何每次随意，屏蔽层用长尾辫搭接，使结果无法复现；

· 认为“校准波形合格就够了”，接入 EUT 后不再核对束上实测波形，直接用发生器设置代替束上电流判读。