高空核爆與雷電電磁脈沖特征及能量吸收技術(shù)

何量，高子欽，丘翊仙，羅小峰，黃昱，楊少杰

（1.廣東省風(fēng)力發(fā)電有限公司，廣東廣州 510630；2.廣東佛山順德倫教金盾防雷技術(shù)發(fā)展有限公司，廣東佛山 528308；3.廣東省氣象局，廣東廣州 510080）

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）系統(tǒng)通常沒有考慮HEMP電磁脈沖的影響。美國曾進(jìn)行了一系列SCADA常用組件的電磁脈沖敏感性試驗(yàn)，其中對以太網(wǎng)線纜的電磁脈沖耦合試驗(yàn)結(jié)果表明，耦合到60.96 m長以太網(wǎng)電纜的瞬態(tài)值大約是7.62 m長線的7倍、典型電子設(shè)備的以太網(wǎng)上可產(chǎn)生100～700 A的瞬態(tài)電流，所有暴露在電磁脈沖模擬環(huán)境下的被測系統(tǒng)都會出現(xiàn)故障［1］。我國電力、能源、交通、通信、金融等國家基礎(chǔ)設(shè)施已廣泛應(yīng)用SCADA系統(tǒng)，一旦發(fā)生高能電磁脈沖（LEMP或HEMP）事件，后果不堪設(shè)想。如高鐵，在遭到場強(qiáng)幾kV/m電磁脈沖的作用下，信號系統(tǒng)就會發(fā)生故障［1］。2011年“7.23甬溫線雷擊”導(dǎo)致SCADA局部紊亂，釀成特重大高鐵相撞事故，40人當(dāng)場死亡、172人受傷，列車中斷時(shí)間32 h 35 min，經(jīng)濟(jì)直接損失19 371.65萬元［2］。

導(dǎo)致SCADA系統(tǒng)崩潰的高能電磁脈沖主要有HEMP、LEMP和地磁暴。對高能電磁脈沖的預(yù)防，基本的措施有屏蔽、接地、搭接、濾波和電涌吸收［1］。屏蔽的目的是減小電磁脈沖耦合引起線路過電壓的幅值，接地和搭接可以防止閃絡(luò)，濾波和電涌吸收是把已經(jīng)發(fā)生的瞬態(tài)脈沖能量降低?？梢栽O(shè)想，假如擁有電涌吸收能力強(qiáng)大的技術(shù)，便可降低屏蔽和濾波的嚴(yán)酷要求而保障SCADA的安全。顯然，研究HEMP和LEMP的特征和高能吸收技術(shù)，研發(fā)能適用于HEMP和LEMP防護(hù)的電涌吸收裝置具有重要意義。

1 高空核爆電磁脈沖

美國先后進(jìn)行了5次高空核試驗(yàn)?！笆?E”（RANETS-E）大功率微波武器在距爆點(diǎn)30 km處測得輻射場強(qiáng)10 kV/m。2002年美國公布MIL-STD-464A《系統(tǒng)的電磁環(huán)境效應(yīng)要求》［3］，給出了HEMP的波形參數(shù)，見圖1。

圖1 高空核爆波形

從圖1可以看出，HEMP的波形分為3個(gè)部分：E1為早期部分，E≈109V/m，d E/d t陡峭，持續(xù)時(shí)間為10-10～10-4s。E2為中期部分，E≈106V/m，持續(xù)時(shí)間為10-4～100s。E3為后期部分，E≈102V/m，持續(xù)時(shí)間為100～102s。

2 雷電電磁脈沖

2.1 LEMP的波形與參數(shù)

對雷電放電波形的描述，主要根據(jù)《雷電》、《雷電參數(shù)的工程應(yīng)用》［4］、IEC61643-2011/2PFG《連接到低壓電力系統(tǒng)的多脈沖浪涌保護(hù)裝置附加要求和試驗(yàn)方法》［5］中關(guān)于雷電放電多脈沖和各種成分的觀測結(jié)果。從圖2可以看出，雷電一次放電包含多個(gè)脈沖，主要成分包括了首次回?fù)簟⒗^后回?fù)?、M分量、連續(xù)電流CC和末次回?fù)簟?/p>

圖2 雷電放電波形及主要成分

雷電一次放電主要參數(shù)包括［6］：

（1）平均間隔時(shí)間：t平均＝60 ms。

（2）最大間隔時(shí)間：t最大＝300～400 ms。

（3）放電脈沖數(shù)：P平均＝3～5個(gè)（瑞士記錄到26個(gè)）。

（4）總電荷量：20～30 C（脈沖與CC電流約各占50%，圣薩爾瓦托山測得平均電荷8 C）。

（5）能量：W＝109～1010J（相當(dāng)于5個(gè)100 W的電燈連續(xù)工作一個(gè)月）。

2.2 特點(diǎn)［7］

（1）電流變化率d i/d t劇烈。首次回?fù)綦娏鲝?到峰值的時(shí)間變化約為5μs，電流變化從0升到最大值，其10%～90%的電流變化率d i/d t＝10～20 kA/μs。

（2）電場幅值大，高達(dá)103MV/m。

（3）電流幅值大，全球平均峰值電流為30 kA。

（4）持續(xù)時(shí)間約1 s。

上述特點(diǎn)同樣決定了預(yù)防LEMP損害SCADA系統(tǒng)的困難，當(dāng)LEMP產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度達(dá)到2.4 GS時(shí)，集成電路將損壞。預(yù)防的方法是對SCADA進(jìn)行綜合保護(hù)，主要措施包括接閃、分流、共用接地、屏蔽、等電位、安全距離和電涌吸收［8-9］。

3 HEMP與LEMP的比較

把HEMP與LEMP比較的目的，旨在于二者之間的聯(lián)系與區(qū)別，以便找出其共同點(diǎn)進(jìn)行研究。

3.1 HEMP與LEMP的不同點(diǎn)

1）波形的包絡(luò)線不同。

從波形的包絡(luò)線看，HEMP的包絡(luò)線是一個(gè)類似雙指數(shù)波，與雷電放電的馬鞍形包絡(luò)線不同。在HEMP的E2和E3分量中分別有類同于雷電和地磁暴波形。用傅里葉變換可知不同包絡(luò)線的瞬態(tài)波的頻率分量、頻幅和能量不同。

2）波形的幅值和陡度不同。

從波形的幅值看，HEMP的電場幅值高達(dá)103MV/m，而LEMP的源電場為102MV/m，LEMP電場強(qiáng)度是HEMP的1/10。HEMP的核閃電流幅值高達(dá)（250±50）kA，而LEMP電流強(qiáng)度全球平均為30 kA，LEMP電流強(qiáng)度也相當(dāng)于HEMP的1/10。HEMP波形E1的陡度d E/d t≈104kV/ns，LEMP波形首次回?fù)舻亩付萪 i/d t≈10～20 kA/μs。

3）波形的持續(xù)時(shí)間不同。

從持續(xù)時(shí)間看，HEMP的持續(xù)時(shí)間10-10～102s，LEMP的持續(xù)時(shí)間約1 s。LEMP的持續(xù)時(shí)間只有HEMP持續(xù)時(shí)間的1/100。

3.2 HEMP與LEMP的相同點(diǎn)

1）引發(fā)放電的上行先導(dǎo)類同。

核爆使得負(fù)電荷在空中積累，從而引起放電現(xiàn)象。核閃電看起來與自然閃電或人工引雷由高建筑物觸發(fā)的上行先導(dǎo)類似［6］。

2）E2與LEMP類同。

HEMP可分為E1、E2和E3。E1是自由傳播的場，脈沖上升時(shí)間小于幾個(gè)納秒，會損壞電子設(shè)備，如SCADA、DCS、PLC和通信設(shè)備。E2是電磁脈沖的中間階段，在頻率上與閃電類似，雖然強(qiáng)度低于大多數(shù)自然閃電，但其地域廣泛，類似于幾千到幾萬個(gè)雷擊同時(shí)發(fā)生。E3是后期電磁脈沖，類似于太陽風(fēng)暴引起的地磁暴［1］。

3）預(yù)防方法相同。

對SCADA預(yù)防HEMP損壞的方法，美國電磁脈沖襲擊對美威脅評估委員會提出的典型保護(hù)技術(shù)包括屏蔽、接地、搭接、濾波和電涌保護(hù)器。我國預(yù)防雷電損壞SCADA系統(tǒng)的方法包括接閃、分流、共用接地、屏蔽、等電位、安全距離和電涌吸收。很顯然，預(yù)防的對象不同，防護(hù)的方法相同。

綜上所述，HEMP與LEMP的波形參數(shù)在電場變化率、幅值、時(shí)間上有著巨大的差別。但是，兩者都遵從麥克斯韋方程組的約束［10-11］，從而就有了幾乎完全相同的防護(hù)技術(shù)路線和方法。進(jìn)一步分析防護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，接地，搭接（等電位）與雷電防護(hù)沒有本質(zhì)的區(qū)別；屏蔽，濾波，電涌吸收與頻率有關(guān)。要對SCADA系統(tǒng)進(jìn)行有效的HEMP和LEMP防護(hù)，電涌吸收就成為關(guān)鍵技術(shù)。

4 HEMP與LEMP高能吸收技術(shù)

預(yù)防HEMP/LEMP損害，需要兼顧LEMP微秒級和HEMP納秒級的瞬態(tài)脈沖能量吸收。采用多元4端網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)較好的吸收效果。

4.1 不同波形陡度產(chǎn)生的電壓

設(shè)計(jì)高能吸收器應(yīng)了解瞬態(tài)脈沖不同波形參數(shù)在金屬線路上產(chǎn)生電壓的能力，見表1。

表1 5 kA不同波形參數(shù)的陡度和在1 m導(dǎo)線上產(chǎn)生的電壓值1）

從表1可以看出，納秒波產(chǎn)生的電壓是微秒波的103倍，對HEMP的吸收要比LEMP嚴(yán)酷得多。

4.2 高能吸收器的測試

1）工作參數(shù)。

HEMP/LEMP高能吸收器的外觀規(guī)格尺寸：長225 mm×寬228 mm×高72 mm。

①工作環(huán)境：U0＝220 V、U c＝385 V；輸出電壓：交流220 V、直流12和24 V。

②保護(hù)對象SCADA。

2）LEMP測試參數(shù)（加負(fù)載測試）

①注入波形：10/350μs。

②220 V輸入端注入電流：2 kA。

3）HEMP測試參數(shù)（加負(fù)載測試）。

①注入波形：20/550 ns

②220 V輸入端注入電流：2 kA。

4.3 測試結(jié)果

LEMP/HEMP高能吸收器測試結(jié)果見表2，測試輸出殘壓Up的波形和幅值見圖3和圖4。

表2 吸收器測試結(jié)果

圖3 LEMP 10/350μs，測試波形

圖4 HEMP注入電流波形（a）和U p測試波形（b）

5 結(jié)論

1）HEMP的波形參數(shù)決定了防護(hù)的嚴(yán)酷性，其不規(guī)則包絡(luò)線、大幅值、大陡度和長持續(xù)時(shí)間使得一次核爆產(chǎn)生的HEMP具有自由場、雷電電磁場、地磁暴電磁場的特征和破壞力，預(yù)防HEMP對SCADA的損害格外困難。特別是野外的SCADA系統(tǒng)，目前受到LEMP損害就十分嚴(yán)重［12-13］。LEMP僅相當(dāng)于HEMP的E2。

2）HEMP與LEMP對SCADA損壞的物理過程類同，預(yù)防方法基本一致。對SCADA系統(tǒng)進(jìn)行有效的HEMP和LEMP防護(hù)，電涌吸收是重要環(huán)節(jié)。