电磁脉冲（共10篇）
电磁脉冲 篇1
0 引 言
近年来,随着电子信息技术的发展,军用和民用电磁辐射源数量急剧增加,电磁环境日益复杂,电子信息系统在工作过程中面临着严重的有意和无意电磁干扰[1]。功率比较小的电磁脉冲可能会对系统的正常工作产生干扰,而高功率强电磁脉冲会对电子电气系统造成危害,其入射场能够通过孔缝、电源线、信号线等在系统内部的敏感器件上产生电压和电流,引起误码率上升、效能降低等一系列问题,或导致系统崩溃和烧毁。例如雷电、核电磁脉冲或定向能电磁脉冲可以从飞机、卫星、导弹等的金属表皮上的透波窗进入系统内部,直接耦合到或者通过半屏蔽、非屏蔽线缆间接耦合到高灵敏度接收机、光电转换设备等敏感器件上,造成故障甚至损毁[2]。
实际工作中,在对电尺寸比较大的目标和区域运用电磁场数值算法计算和分析时,通常遇到计算方面的困难,主要表现在巨大的剖分网格数量和运算量对计算机软、硬件的需求,这往往会导致计算时间以天计甚至超出当前计算机技术的水平[3]。
这就引发了一系列问题和思考:如何描述复杂电磁环境下的电子信息系统?如何描述电磁环境与电子系统的交互作用?如何在环境和系统仅局部发生改变时避免大量的重复计算?如何合理地组织各种分析和计算方法对实际问题进行分析?
针对这些问题,本文提出以EMT (Electromagnetic Topology,电磁拓扑)理论来指导整个电磁脉冲传播与耦合计算过程,对计算对象进行合理分层,每层分别选择合适的方法并进行针对性的设置,最后加以计算。
电磁拓扑的概念最早是20世纪70年代美国空军研究实验室的Carl E. Baum教授为了有效解决核电磁脉冲环境下的复杂系统受扰及电路效应首次提出的[4]。但其后相当长的时间内,限于计算机硬件及相关算法的水平,未能得到广泛应用[5]。
1 电磁拓扑的思想及实现步骤
电磁拓扑理论的基本思想是:利用拓扑学理论及其所提供的方法,将研究对象空间分解成不同大小的区域,各个区域之间通过系统的拓扑结构相联系,在分别研究的基础上加以综合,从而把复杂的电磁耦合问题分解成相对独立的简单问题来解决,实现对处于电磁环境中的电子设备的性能与状态的分析和评估[4,5,6]。
运用电磁拓扑方法解决问题的流程主要包括以下四个步骤。
1.1 对系统进行拓扑分解
找出系统中所有可能与外部电磁环境发生关系的点,确定分析范围,对系统进行分解。外界电磁能量要对电子系统内部某部件产生干扰,必须要通过系统的层层屏蔽。对每一屏蔽面定义一种或几种传输函数来描述能量的穿透过程,包括孔缝的透波、非理想屏蔽材料带来的透波、通过电缆的直接电磁能量注入等。为了描述系统的拓扑结构,对屏蔽表面可以根据能量的传播路径进行分层、编号。如图1所示。
简单系统可采用单下标编号方式。通常,目标空间可能含有不止一个子空间,这时采用单下标的表示方法已经不足以表示系统的复杂程度。实际系统(如飞机、舰船等)内部通常存在不同结构顺序和结构形式的屏蔽面。有些屏蔽面以蜂窝状的结构形式出现(如舰船的分隔舱);有些屏蔽面嵌套于系统屏蔽面内且相互分隔(如电子设备的机壳),因此,引入第二个下标,例如,Vi,k表示第i级别的第k个子空间。
1.2 构造交互作用序列图
系统外部电磁环境耦合到系统内的路径作为交互作用序列图的边,相互关联的各个体积作为交互作用序列图的节点,从而确定整个系统的交互作用序列图。
通过系统的拓扑分级,可以对能量的耦合进行分阶,以图1所示的系统为例,外部能量可能通过S1,S2,S3耦合到V3;也可能通过S1,然后经电缆直接耦合到V3。第一种可称为3阶耦合,第二种可称为2阶耦合,不同阶数的路径带来的耦合效果是不同的,阶数越高,表示屏蔽越多,能量就越难进入。而且,即使阶数相同,因实际耦合路径不同,屏蔽效果也不同。
回到图1所示情况。从Vi,k到Vi,k′的转移函数编号为Ti,k;i,k′。若转移函数不只一个,即路径不只一条,则可再加上标区分;若有直接电磁能量传输,转移函数也可跨屏蔽,如通过天线直接耦合。在分析实际系统时,其拓扑模型是相当复杂的,表示系统各区域电磁能量的相互作用关联图也十分复杂。应用电磁拓扑理论分析实际系统时,首先要确定完整的相互作用关系,在此基础上根据实际情况再做简化以便分析。
1.3 对子问题进行求解
拓扑分解后的问题,一般需结合激励和边界条件,采用传统的电磁场计算方法,求得子问题的解。此外,还可通过测试、解析或经验公式计算等非数值方法获得子问题的解。
求解的基础和方法包括:典型耦合路径的研究成果,如孔缝耦合、滤波器的幅频特性、不同传输线的传输特性、不同材料和不同结构形式的屏蔽特性;系统耦合路径传输函数的实验结果,如某飞机缩比模型的舱内场分布实验结果可以当作舱内某处安装设备的外部激励源;数值算法直接建模分析,在模型准确、基函数以及激励源设置正确的情况下能得到较精确的结果。
1.4 系统响应的综合
子问题的求解和系统响应的综合可同时进行,也可分别进行。综合各子问题的结果以获得系统响应,系统的响应最终会落到系统内部某设备或器件的响应上。
以图2所示系统中V3,1的响应为例,为方便说明,假设近似后的耦合路径只有T0,1;2,2+T2,2;3,1,即外部能量通过天线接收到V2,2,再通过电缆耦合到V3,1。可分为T0,1;2,2和T2,2;3,1两个子问题,前者采用电磁场的数值方法,对天线和系统外表面整体建模,考虑电缆的传输损耗,计算V2,2的响应;再将V2,2看作二端口网络,以实验或数值的方法得到其散射参数,作为传输线的终端之一,并以前者的计算结果为激励源,采用传输线方法,最终得到V3,1的响应。
2 时域积分方程及其加速方法
电磁拓扑理论提供了电磁脉冲传播特性分析的方法论;在建立拓扑模型和交互作用序列图之后,最重要的一步是能够进行子问题的求解。从图2来看,最终需要落脚到电磁场的计算上,而非实验的验证方面最为可靠的工具还是电磁场的数值方法。
选择TDIE (Time-Domain Integral Equation, 时域积分方程)方法作为研究的重点,是因为TDIE具有分析强电磁脉冲传播与耦合特性的与生俱来的优势[7]。
TDIE法是基于所求问题的Green函数和边界条件建立积分方程,然后把空间变量的积分区域和时间变量都离散化,通过在空间域和时间域上的匹配把积分方程化为线性方程组。由于空间中某点在某一时刻的响应仅仅受到此前存在、并满足时间延迟关系的源的影响,因此这个线性方程组的求解可从已知初始值开始计算,按时间步进的方式递推,逐步求出各时间取样点的响应值,这就是时间递推法(Marching-on in-Time,MOT),其优点是不需人为设置边界条件。
TDIE有三种形式:TDEFIE(Time Domain Electronic Field Integral Equation,时域电场积分方程), TDMFIE(Time Domain Magnetic Field Integral Equation,时域磁场积分方程)和TDCFIE(Time Domain Compound Field Integral Equation,时域混合场积分方程)。TDEFIE是基于电场边界条件推导出来的,TDMFIE是基于磁场边界条件推导出来的,TDCFIE是前两种积分方程的结合。
利用TDEFIE或者TDMFIE求解闭合金属目标电磁散射问题时,会受到目标内谐振频率的影响,导致时域数值解出现后期震荡现象。这是因为在目标的谐振频率处,TDEFIE或TDMFIE变换到线性方程组时会产生病态矩阵。解决这一问题的方法是采用时域混合场积分方程。
理论上,电场积分方程和磁场积分方程是等价的,但它们的数值性能却有很大的不同。电场积分方程属于第一类Fredholm积分方程,而磁场积分方程是第二类。第一类Fredholm方程通常是病态的,而第二类的病态性要低得多[8]。因此从MFIE出发得到的离散矩阵的条件数要比EFIE好得多,若采用迭代法求解最终离散的线性方程组,磁场积分方程求解的收敛速度要快得多。时域电场和磁场积分方程的数值性能差异则表现在离散磁场积分方程要比电场方程稳定。由惟一性定理知,对于无耗区域,电磁场不能由边界的切向电场或切向磁场惟一确定。而电场或磁场积分方程正是分别根据边界的切向电场、磁场确定的。这便产生了内谐振问题。混合积分方程由电场和磁场共同采用,可克服这一问题。
TDEFIE既可应用于闭合结构,也可应用于开放结构,同时也能精确处理细线问题;TDMFIE和TDCFIE只能处理闭合结构。原因在于,对于非常薄或者厚度可以忽略的散射体,物体上表面未知等效电流的方程和对应的下表面电流方程是一样的,总方程具有奇异性。但由积分方程的数值计算可以发现,在离散EFIE中,上表面未知数前的系数与下表面对应的系数一样,因此可将上、下表面未知数相加作为新的未知数,进而解出新引入的未知数。而离散MFIE则不具有上述性质。
无论是频域的矩量法还是时域的MOT,其计算量的主要来源均为广义阻抗矩阵与广义电流向量的乘积运算。其计算量需要大量内存和CPU时间,使得计算电大目标问题难以实现,需寻求加速算法。
(1) 最常用的加速方法是时域平面波,其思想是将矢量势展开为平面波形式,将邻近的电流单元组成一组,把单元之间的直接相互作用转化为组与组之间的相互作用,从而降低矩阵向量相乘的复杂度。设组与组之间都构成远场对,其中每个组内的源将通过聚集、转移、投射三个过程建立起对其他组内空间单元的作用。这就避免了传统MOT对每个基函数之间的相互历史作用都要考虑的繁琐计算。如图3所示。
(2) 时域自适应积分方法。该方法基于这样一种设想:与源点相距很远的区域的场可以通过简化源点分布信息的方法近似计算。频域自适应积分加速MOM的具体实现过程是:在满足设定远场标准的基础上,将场、源基函数之间的相互作用转换为规则网格点电流之间的相互作用,并采用FFT/IFFT快速计算,达到提高计算效率的目的。
(3) PO-TDIE混合方法。分区时,PO(Physical Optics, 物理光学)算法仅用于面目标,线目标均划为TDIE区;变化剧烈的地方划为TDIE区,光滑表面划分到PO区;在PO区和TDIE区交界处的三角面元被PO基函数和TDIE基函数所共用,为了保证计算精度,交界处的内边统一划分到TDIE区。计算量的缩减体现在忽略了PO区内源的互阻抗。PO区基函数一般会占很大比例,这种忽略可极大地节省阻抗矩阵计算量。
(4) 一致性几何绕射加速的TDIE。MOT方法的主要计算量集中在求和项,即历史时刻各个等效源对当前场点的作用,称为迟滞积分。该求和计算后将形成一个向量,其中第m个向量元素的物理意义是以前所有时刻目标表面的电流源对第m个空间基函数的辐射贡献。当前时刻的表面场与所有先前时刻的表面源有关。第n个源点对第m个场点的作用大小取决于阻抗元素和电流系数的大小,阻抗元素的大小与源点和场点的距离有关,电流系数的大小与目标形体、激励形式和时间分布有关。忽略那些作用十分小的源,就可以减少迟滞积分的计算时间,达到加速目的。
在几何绕射理论中,对场点的贡献由源点的直接作用和源点通过反射点以及绕射点的间接作用组成,因为高频时这些关键点的贡献占总贡献的绝大部分。基于此,在电大情况下,迟滞积分的主要贡献是各源的近邻作用和关键点的作用之和。那么,积分中需要计算的项为近邻区+活区+反射区+绕射区,其他项则可以忽略。
前面的几种算法主要针对金属材质,在金属/介质混合体方面,可采用时域C-PMCHW (Poggio-Miller-Chang-Harrington-Wu)耦合积分方程。计算集总电路与任意三维几何体间的电磁耦合时,不再假设金属为理想导体,而设为有耗金属,有限电导率。对于含有集成电路模块和基片系统这类场-路混合问题的仿真,时域方法是非常有用的,不但可以精确模拟电路中的非线性元件,而且还可以获得宽带信息。
针对复杂电磁结构体与电路互连的混合问题,将电磁场分析中的TDIE法与电路分析中的节点分析法相结合,实现一种可同时模拟复杂电磁结构与线性、非线性集总电路间耦合的方法。如图4所示,这种方法的基础是在电路和电磁结构体间引入“耦合电流”的思想,并将完善的电流连续性方程和广义基尔霍夫定律应用于电磁结构与电路的耦合分析中。
3 电磁拓扑与积分方程的结合
基于以上分析,复杂电子系统受扰分析的步骤如图5所示。
具体求解时,首先根据所求问题的物理结构,将问题拓扑分解为若干个相对独立的子问题;然后,基于Maxwell方程组,对每个子问题进行电磁建模;根据各子问题的特点,选择最恰当的电磁计算方法进行求解,最终得到系统的响应。可见,电磁拓扑理论作为一种预先分析的方法论,不同于传统电磁计算方法,是对电磁计算方法进行统筹、安排的,处于指导地位。而对于强电磁脉冲对电子系统的耦合问题,时域积分方程不失为一种优选的方法,可实现与电磁拓扑的良好结合[9]。
4 结 语
对电磁脉冲信号的传播特性开展研究,以及对电磁脉冲信号耦合进入敏感系统的途径进行分析,是掌握电磁干扰特性并进而提出电磁兼容设计方案的基础,以及掌握电磁毁伤机理进而提出电磁防护方法的基础,有助于准确评估电磁环境的复杂程度,提出应对复杂电磁环境的策略。
本文研究的问题为复杂电子系统与电波传播提供了一种方法论,预先对问题进行分析和分解,使得复杂电磁计算问题由难变易,对于解决实际问题具有技术指导作用。
参考文献
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电磁脉冲 篇2
电磁脉冲对电缆的耦合效应实验研究
介绍了利用水平极化辐射波电磁脉冲模拟器开展的电缆耦合效应实验研究,具体介绍了实验系统、测量方法.并对常用的.同轴电缆分为架高和铺于地面两种状态,芯线与外皮接50Ω匹配电阻,外皮分为两端开路、一端接地和两端接地三种情况,分别给出了实验波形及实验数据并用传输线理论进行了分析,实验结果与理论分析基本一致.
作 者：祝敏 刘顺坤 周辉 孙培云 谢彦召 田吉波 作者单位：西北核技术研究所,刊 名：强激光与粒子束 ISTIC EI PKU英文刊名：HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS年，卷(期)：13(6)分类号：O441.5关键词：电磁脉冲 辐射波模拟器 耦合 电流传感器 转移阻抗
电磁脉冲 篇3
实际上，电磁脉冲武器早在上世纪就已诞生。在电子装备逐步主宰战场的当下，它凭借着“不损一砖一瓦，不伤一兵一卒，能制敌于无形”的神奇威力，逐渐成为改变战争规则的新武器之一。但这恰是倚重电子技术的美国人所担心的，因为他们最怕这种优势被别国打破。
神奇的威力
这篇题为《中国对美军亮出“撒手锏”》的文章渲染称，“中国大陆军方想利用电磁脉冲，作为连环出击的武器之一，在数秒内摧毁台湾军方和驰援的美国战舰上所有防卫性电子装备”。文章还臆测，中国大陆军方对台湾的电子设备进行摧毁后，可能会将美军吸引到有效范围内，把电磁脉冲武器作为出其不意的手段使用，或进行威吓，让美国放弃航母战斗群协防台湾。
报道称，据美国2007年解密的一份文件显示，美国国家地面情报中心曾于2005年提交机密研究报告，说中国大陆发展的高能电磁脉冲武器，是其“撒手锏”武器库中的一部分，这些武器可以让中国大陆，甚至朝鲜等技术落后的国家打败美军。该报告猜测，中国大陆的“东风—21”中程弹道导弹可以成为发动电磁脉冲攻击的平台。
美国人如此关注中国的电磁脉冲武器，显然是缘于它的“神奇威力”。这还要从电磁脉冲的概念说起。电磁脉冲是一种短暂瞬变的电磁现象，它形成的辐射会在电器的电路之间以及半导体中产生感应电流，轻则对电子设备造成严重干扰，重则导致电子元器件、集成电路烧毁，这点就像遭雷击可能烧毁电子产品一样。用这种原理制成的武器可分为核电磁脉冲武器和非核电磁脉冲武器。如今，任何一种大型武器几乎都离不开电子设备，如重武器上发动机采用电子控制方式，轻武器上装备的夜视仪等等。因此，电磁脉冲武器对一支现代化部队的破坏力就可想而知了。曾任美国众议员的电磁脉冲专家莱德斯基指出，如果针对敌军舰艇或飞机使用电磁脉冲弹，敌军舰艇及飞机将立刻失去控制，要么坠毁，要么丧失战斗力。
不仅如此，电磁脉冲武器还能使整个城市功能瞬间瘫痪。美国《流行机械》杂志曾刊文称，新一代（核）电磁脉冲弹爆炸后，世界将变成这般模样：看不到蘑菇云，只是一声巨响和一道闪电，便可使计算机所有芯片烧毁，除柴油机外，所有电气化发动机都无法发动，世界将倒退200年……当然，也有专家解释，这种情况只可能在遭遇大当量的核电磁脉冲弹攻击时才会发生，常规的电磁脉冲弹不会造成大面积的瘫痪，但确实是良好的点穴战武器。
美国人是“始作俑者”
尽管美国人把中国的电磁脉冲武器说得神乎其神，但实际上电磁脉冲武器的“始作俑者”和领跑者一直是美国人，而且美国在电磁脉冲武器的发展和使用方面也是劣迹斑斑。
1963年7月9日，美国在太平洋的约翰斯顿岛上空40公里处进行空爆核试验后，距离千公里外的檀香山岛上数百个警报器全部失灵，瓦胡岛的照明变压器被烧坏，檀香山与威克岛的远距离短波通信中断。与此同时，距爆心投影点1300公里的夏威夷群岛上，美军的电子通信监视指挥系统也失灵了。后来，美国人通过研究发现，氢弹爆炸时，早期核辐射中的α射线会与周围物质中的分子、原子相互作用，激发并产生高速运动的电子，大量高速运动的电子形成很强的电场。爆心范围内的电场强度可达到几千伏/米到几万伏/米，并以光速向四周传播，进而影响远处的电子、电气设备。据测算，一枚当量为1000吨的氢弹在40公里高空爆炸，其电磁脉冲辐射可影响整个欧洲。
美国一家专业网站的文章称，约翰斯顿岛上的试验让美国军方产生了研发一种对付敌方雷达等武器的想法。上世纪80年代，美国和苏联等国开始研制高功率微波武器和常规电磁脉冲弹。
1985年，美国在制定“战略防御倡议”计划（即“星球大战”计划）时，把高功率微波武器列为其空间武器的主攻项目，重点研究其杀伤机理；1987年，美国国防部提出发展常规高技术计划（即“平衡技术倡议”计划），高功率微波武器就是其五大关键技术之一； 1993年，美国进行了代号为“竖琴”的电磁脉冲武器试验，其天线群向电离层发射电磁脉冲，能阻断通信和摧毁来袭导弹。
美国不仅在该领域的研发居于世界先进水平，也是世界上最早使用这种武器的国家。1991年，美军在海湾战争中向伊拉克发射了一枚配备非核爆电磁脉冲弹头的战斧巡航导弹，以攻击伊拉克防空指挥中心的电子系统。1999年3月，美国在对南联盟的轰炸中，使用了尚在试验中的电磁微波武器，使南联盟部分地区通信设施瘫痪3个多小时。2003年3月26日，美军又用电磁脉冲弹空袭了伊拉克国家电视台，造成其转播信号中断。
中美在电磁脉冲武器上差距明显
尽管美国媒体大肆炒作中国的电磁脉冲武器，却没有说清中国到底研制了哪些电磁脉冲武器，进展如何，而美媒的依据也许仅仅是中国国内个别媒体发表的一些设想性的文章。因为关于解放军的电磁脉冲武器，目前公开报道极少。
2011年7月，台湾“国防部”在其公布的《民国100年国防报告书》中，“披露”了解放军持续开发电磁脉冲等新概念武器的情况，认为解放军已有能力开发低当量核爆电磁脉冲弹，非核爆电磁脉冲弹实用化的问题也正在解决之中。
如果按照这个标准来评价，中美在这方面显然存在较大差距。美国不仅在实战中使用过电磁脉冲弹，而且开发的技术非常先进，已研制出一种高能微波武器。据美国媒体报道，这种新概念武器被称为CHAMP（反电子设备高功率微波先进导弹），由美国波音公司负责研发，于2012年10月16日在犹他州测试和训练靶场进行试验。一枚导弹在目标建筑物上发射高功率微波，并射向内部的计算机和电子系统。据称，建筑物内部布置了成排的用来测量大功率微波功效的个人计算机和电子系统。微波武器没有对建筑物本身的结构造成破坏，但仅几秒钟后，个人计算机的显示器就出现黑屏并彻底瘫痪。最终，CHAMP成功破坏了建筑物中的计算机和电气系统，甚至用来记录这次测试的电视摄像机都失灵了。
分析人士认为，和美国炒作的所谓“中国电磁脉冲弹”相比，CHAMP更具优势。首先，它是一种巡航导弹，能够在防区外发射，远程打击。其次，电磁脉冲弹是一次性使用，而CHAMP则能够事先进行预编程对航路进行规划，一次可选择攻击多个特定目标。在首次实验中，CHAMP在一个小时内连续命中了7个目标。这不仅让其灵活性大增，而且极大地降低了攻击单个目标的成本。制造商波音公司更是吹嘘这种导弹“将科学幻想变成科学现实”，并且将“开创现代战争的新纪元”。
然而，有“矛”就会有“盾”。美国和苏联一直非常重视相关防御技术的开发，美国前总统卡特曾发布命令，要求加强电磁脉冲防护能力的建设并进行了一系列的实验。台湾“国防部”曾制定“脉护计划”，并投入大量资金研发，以防止来自对方的电磁脉冲武器“硬杀伤”。分析人士认为，随着相关技术的发展，为保护电子系统和信息中心而研制的“安全罩”和“防护帽”将会相继问世。
近地面线缆电磁脉冲效应分析 篇4
关键词：近地面,线缆,电磁脉冲,效应
0 引言
核武器或非核电磁脉冲武器, 能通过其产生的高能电磁脉冲对敌方设备造成性能降级或损伤程度以上的杀伤效果来发挥战斗功效[1]。电磁脉冲对电子系统的作用方式可分为辐射耦合和传导耦合2类。辐射耦合是指, 通过空间传播的强电磁波以辐射传播的形式, 穿透设备装载车厢和设备机箱等金属壳体和金属壳体上的孔、缝进入系统;传导耦合是指, 外接长线缆、天线等成为电磁波的传导耦合途径, 以电耦合、磁耦合和电磁耦合的形式将电磁脉冲能量耦合进系统。对电子系统而言, 电磁脉冲无论是以哪种途径进入, 其最终都将作用到搭载的内部电子设备上, 这是电磁脉冲对系统进行伤害的最终目标。
在现代信息化战争中, 应用广泛的线缆承载着连接电子设备、传递信号及传输电力等重要任务, 不加电磁防护的线缆会成为电磁脉冲的收集器, 感应出具有破坏效应的耦合电流作用到系统终端设备中, 使设备出现故障甚至毁坏。因此, 研究近地面线缆电磁脉冲效应规律, 是进行线缆电磁防护的必要步骤。目前, 电磁脉冲和设备、线缆的电磁防护是相关领域的研究热点[2,3,4,5,6]。各种计算方法中, 传输线方程是求解线缆电磁脉冲效应的常用方法[7,8,9], 该方法将电磁脉冲效应问题等效为传输线问题, 是一种解析方法, 能够得到理想问题的精确解, 计算效率高。然而, 实际情况中, 电磁环境可能是复杂的, 为描述处于有损地面附近线缆的电磁脉冲效应, 本文基于适合瞬态分析的数值计算方法———时域有限差分方法 (FDTD) [10,11]来建立计算模型。
1 HEMP 表述和线缆的 FDTD 方法
HEMP在地面附近可作平面波处理, 描述HEMP较有影响的有1976年出版物标准、Bell试验室标准和IEC制定标准等。HEMP表达式以双指数函数来描述[12]:
式中, E0为峰值场强;k为修正系数; α为表征脉冲前沿的参数; β为表征脉冲后沿的参数。电场强度E (t) 和磁场强度H (t) 之间的换算关系按平面波有:
式中, η =377Ω。3种主要波形标准的表达式参数如表1所示。
为使用时域有限差分方法计算近地面线缆的HEMP电流响应, 负载使用集总元件的FDTD方程, 由于设备线缆的半径一般都比较小, 为节省运算资源和提高效率, 使用Noda等人[13,14]提出的基于等效介质参数法的细线模型。Noda方法的场更新方程与一般三维FDTD方程相同, 不同的是细导线邻近的电场、磁场计算要使用修正后的介电常数ε' 、磁导率μ' 、电导率σε'和磁阻率σm':
ε' = mε , μ' = μ/m,
FDTD的电流采样方法如图1所示。
如果在结点 (is, js, ks) 和 (ie, je, ke) 之间采样电流I , 可以使用积分形式的安培定律, 即
选择采样区域中垂直电流方向的某个横截面, 使磁场分量环绕该面, 则积分符号转变为求和符号为:
需要注意的是, 式中符号符合右手螺旋方向。并且由于电流采样使用磁场计算, 电压采样使用电场计算, 所以电流和电压的采样相差半个时间步。
2 近地面线缆电磁脉冲效应计算分析
2. 1 接地线缆 HEMP 耦合模型
近地面线缆HEMP耦合计算模型如图2所示。
接地线缆的半径为2.5 mm, 长度10 m, 两端不接负载或通过负载接地, 并与埋入地下的接地体相连接。HEMP平面波采用IEC标准, 地表电导率为σε= 0. 01 S /m, 相对介电常数εr= 10。
2. 2 与自由空间中线缆响应电流的比较
为与自由空间情形相比较, 假设线缆A、B两端开路。位于地面附近时, 线缆架高0.5 m。HEMP平面波的电场E沿y方向, 水平极化, 参数为θ =180°, φ = 0°, α = 90°。自由空间和地面附近2种情况下线缆中点的响应电流如图3所示。
由图3可见, 由于受到地面反射场的影响, 地面附近的总场激励小于自由空间, 所以地面附近线缆响应电流的幅值相对较小。同时可以看到, 在自由空间中的线缆其响应电流信号以固定频率振荡, 而地面附近的线缆其响应电流的振荡频率在逐渐减小, 这是因为大地的存在使线缆单位长度的电容增大, 从而降低了线缆上的波速, 并且因为地面的损耗和色散, 线缆上感应电磁波中不同频率分量对应的波速不同, 导致振荡频率的改变。
2种情形中线缆不同位置上响应电流的分布情况如图4所示。
由图4可以看出, 在自由空间和地面附近线缆不同位置上的响应电流皆以相应的振荡频率变化, 并以线缆中点为轴左右对称。其中, 以线缆中点的响应电流峰值最大, 越靠近线缆边缘其响应电流越小, 端点处电流趋近于零。这是因为不仅线缆开路端点的传导电流为零, 而且HEMP的低频分量较丰富, 开路时线缆端点和大地之间的分布电容产生的阻抗较大, 因此线缆端点引起的位移电流也较小。
2. 3 带负载线缆响应电流与负载阻抗的关系
设地表电气参数不变。线缆A、B端分别通过负载Z1、Z2接地, Z1= 100Ω, 架高为h = 0. 5 m。HEMP平面波垂直线缆AB段入射, 电场E沿y方向, 水平极化, 参数为θ =180°, φ =0°, α =90°。当Z2分别为电阻负载、容性负载和感性负载时, 计算B端负载响应电流, 如图5所示。
由图5 (a) 和图5 (b) 可以看出, 对于电阻负载, 负载响应电流峰值随负载阻值的增大而减小, 当负载接近开路 (Z2= 1 MΩ) 时, 负载端几乎没有电流通过。对于容性负载, 负载响应电流峰值随负载电容值的增大而增大。由图5 (c) 可以看出, 对于感性负载, 随负载电感值的增大, 负载响应电流峰值整体上减小, 振荡周期变长, 尤其是对一定范围 (1μH ~1 mH) 内的负载电感值的变化敏感, 此范围之外变化不大, 可认为是2个极限值。由图5 (d) 可以看出, 对于感性负载, 减小负载电阻的阻值, 将会在保持原来整体响应电流变化趋势的同时, 略微增大负载的响应电流。
3 结束语
电磁脉冲 篇5
有耗介质高频脉冲电磁波传播衰减理论与应用的实践研究
从电磁波传播的麦克斯韦方程出发,介绍和分析了地质雷达高频脉冲电磁波在地下有耗介质传播过程中的衰减特性理论,并将其应用于弱地基工程的勘察实践中,取得了良好的应用效果.通过引进Cole-Cole公式表征复介电常数和品质因子衰减特性, 可以从理论上描述高频脉冲电磁波在地下有耗介质中的衰减行为和特性.工程应用实践证明:利用地质雷达高频脉冲电磁波的.衰减特性研究断裂破碎带、地下裂缝及地下空洞化弱地基等对地质雷达反射波的衰减特性和行为,进而对弱地基进行解释,评价方法可行,且具有投资少、见效快、精度高及非破坏性等一系列优点.
作 者：孙洪星 作者单位：煤炭科学研究总院北京开采研究所, 刊 名：煤炭学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY 年，卷(期)：2001 26(6) 分类号：P631.325 关键词：高频脉冲电磁波 衰减特性 地质雷达探测 弱地基 应用效果电磁脉冲 篇6
钻机是石油与天然气钻井作业的重要设备,在使用过程中存在着极大风险,一旦发生事故会造成非常严重的后果[1]。由于油气钻井井场多在山区、沿江、沿海地区,属雷暴多发地区,且钻机井架高度达40-70m、电气自动化程度高等特点,极易遭受直击雷、雷电感应危害,从而引起仪表损坏、钻机卡钻、控制设备误动作等现象,严重威胁企业的安全生产及工作人员的生命安全。为了分析雷击井架产生的电磁辐射危害,基于工程模型[2,3,4,5]中的传输线类MTLL[6]雷电回击模型,采用时域有限差分法(FDTD)对雷击井架产生的雷电电磁脉冲(LEMP)的分布规律进行研究。
1 雷击钻井井架雷电通道模型
雷击钻机井架电磁辐射的计算,首先建立雷电通道模型,采用了工程模型中的传输线类MTLL模型进行理论计算研究。钻机井架可以简化为图1,钻机井架作为雷电流放电通道的一部分,会引起雷电流的反射,雷电流在井架顶部和井架底部都会存在反射,反射系数与井架顶部以上部分、井架、大地的特征阻抗有关。设井架顶部以上部分雷电通道特征阻抗为Zch,井架特征阻抗为Zob,大地特征阻抗为Zgr。则井架顶部的反射系数为:undefined (1)
undefined (2)
引入井架顶部和井架底部的特征阻抗后,可采用如下式计算得到雷电通道的电流分布,当0≤z′≤h,即沿井架的雷电流分布为:
undefined
当z′≥h,即沿井架顶部以上的雷电通道电流分布为:
undefined
式中,h为井架高度;I(z′,t)为t时刻,通道内z′位置上的电流值,z′的起始位置为井架顶部,即井架顶部z′= 0;Isc(h,,t)为雷击短路电流,即当雷电击中可忽略高度的理想接地体时的电流;c为光速;v为沿雷电通道的雷电流传播速度,当在井架顶部以上范围,设v=c/3,在井架高度范围内,设v=c;n为在井架顶部和井架底部反射波多次反射的次数。
2 雷击钻井井架电磁辐射计算方法
本文在计算中采用时域有限差分法(FDTD)[7,8]对地闪回击通道附近LEMP的分布规律进行研究。雷电放电通道采用MTLL回击模型进行模拟,假设雷电放电通道垂直于地面,则雷电放电通道周围的场具有对称性,场分量的大小与方位角无关,因此可看成一个二维问题在柱坐标下求解。雷电放电通道附近LEMP的网格划分如图2所示。
二维柱坐标系下的差分方程如下[9]:
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undefined
undefined
考虑到所计算问题的轴对称性,为减少计算量,可以只计算包含回击通道在内的半个剖面内的场,为此需要对轴线上的Ez作特殊处理。根据安培环路定理,在雷电放电通道高度范围外,不存在雷电流,采用如下差分格式:
undefined
在雷电放电通道高度范围内,有雷电流存在,采用如下差分格式:
undefined
式中,I(0,j)为距地面高度为jΔz处的电流元,可选择某种回击模型和通道基电流进行计算;ε和σ分别表示自由空间或大地的介电常数和电导率,地面分界面处的电导率和电容率参数设置为大地与空气的平均值。
边界的截断采用改进的Mur一阶吸收边界条件[10]:
undefined
undefined
undefined
式中,Jmax和Jmin分别为计算域上边界和下边界处纵坐标值;Imax为右边界处横坐标值。
undefined
Δr,Δz分别为沿r方向和z方向的空间步长,c为真空中的光速。
程序设计流程如图3所示,整个计算过程通过迭代计算得到域内的电场和磁场,雷电通道的引入通过式(9)垂直电场的计算引入,式(9)中电流I通过式(3)、(4)及MTLL雷电通道模型计算得到。
3 雷击钻井井架电磁辐射仿真结果
计算中采用的雷电通道基电流采用双指数模型,表达式为:
Isc=1.1×I0×(e-9.2×103t-e-0.8×107t) (13)
其中,I0 为强雷电情况的雷电流峰值,取100 kA。通道基电流波形如图4所示。图5给出了55m高度井架顶部的雷电流波形,可以看到雷电流出现了明显的反射。
计算中井架高度为55m,根据现场考察钻井井架的环境,取大地电导率为0.02s/m,大地相对电容率εr设为10,雷电通道高度设为1000m。
图6雷击井架在不同高度、不同距离处的水平电场分布情况。可以看出,水平电场在贴近地面时,地面上下的波形差别不大,幅度也比较接近,随着高度和深度的增大,波形差别逐渐变大。地面以上的水平电场受地面反射的影响波形变化很大,地面以下的水平电场在波形上变换不大,主要变化为大地对水平场的衰减引起的值大小变化。
图7为雷击井架在不同高度、不同距离处的垂直电场分布情况。从图中可以看出,垂直电场地面上下的差别很大,地面以上距通道10 m处的垂直电场峰值达到在200kV/m以上,而相同距离处地下的场仅有几千伏每米。从波形看,地面上下差别也很大,地面以上的波形随高度的增大差别不大,地下的波形随深度的增大变化较大,主要表现在第一个峰值随深度的增大而减小,由于反射的影响,第二个峰值随深度的增大反而有所增大。
图8 雷击井架在不同高度、不同距离处的水平磁场的分布情况。可以看出,水平磁场的变化比较规则,在地面以上,水平磁场随高度的增大几乎没有变化,仅随到通道距离的增大而减小,地下的水平磁场随深度的增大,幅度有所衰减,波形趋向平滑,说明对高频成分的衰减作用相对明显。
4 建议
通过以上计算结果可知,在100kA强雷电情况下,距离雷电通道10 m处,地上10m的水平电场峰值达到了150 kV/m以上,垂直电场峰值达到了200kV/m以上,水平磁场峰值达到了2000A/m以上。如果钻井井场的防雷工程不完善,如此强大的雷电电磁脉冲很容易对钻机的动力、井控、仪表等系统造成破坏,严重威胁着企业安全生产和人员生命安全。为了确保钻机的安全运行,针对钻机的实际运行情况,提出了以下防雷措施:
(1)完善防雷接地装置,确保井架、机房、设备接地良好,各个系统的接地宜采用共用接地系统。
(2)钻井井场屏蔽线缆的屏蔽层两端应做可靠接地、等电位连接;其余线缆应穿金属管或金属线槽敷设,并将金属管或跨接后线槽的两端做可靠接地。
(3)钻井平台、动力系统等设备金属外壳都应以最短的路径做等电位连接,有可能的情况下都做额外的多重互连。
(4)低压供电系统中应安装多级浪涌保护器,将残压控制在最低水平。信息系统信号部分应在信号线两端的接口处安装相应的信号浪涌保护器,以确保信号系统安全。
参考文献
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长线缆核电磁脉冲效应计算研究 篇7
目前,国内学者多采用FDTD法对线缆的场线耦合效应进行研究[1,2],但由于涉及网格剖分问题,此法难以用于距离地面较高的长线缆响应的计算。本文基于传输线场线耦合效应计算的频域方法[3],推导了适于长线缆HEMP效应编程计算的数学模型,编写了Matlab计算程序,利用该程序深入研究了较长线缆的HEMP效应问题。
1 数学计算模型的推导
如图1所示,一根线缆位于有耗地平面之上一定高度且平行于地面,其受到均匀平面波EMP的辐照(幅度为E0)。依据线缆电磁脉冲效应的频域模型,可导出外界平面波EMP辐照激励的线上感应电流为:
式中K1,K2,P(z),Q(z)等各参量的计算如式(2)所示:
式(2)中Ez表示在地面上方高度h,线缆方向横坐标z处,叠加有耗地面对EMP反射的电场强度,如式(3)所示(其余各参量的意义及计算参见相关文献[4-5]):
Ez(z,0,h)=Eincz+Erefz=E0éëùûcosαsinφcosϕ(e)jkh sinφ-Rve-jkh sinφ+sinαsinϕ(e)jkh sinφ+Rhe-jkh sinφe-jkz cosφcosϕ(3)
式中:α为辐照平面电磁波极化角;E0为辐照EMP的幅值;k=ωc;Rv和Rh是有耗地面反射系数[6,7,8]:
将式(4)代入式(3),并将式(3)代入式(2)可得式(5):
对上式积分可得(6)式:
上述式(6)、式(2)和式(1)即是本文用于HEMP效应计算研究的数学计算模型。
2 Matlab程序中HEMP抽样频率和计算长度的设置
本文采用双指数函数作为入射HEMP波形的数学描述[9]:
文中设置表达式中的各参数如下:A=50 k V/m,为辐照电场的场强幅值;α=1.5×106,β=2.6×108,它们是表征HEMP前、后沿的参数;k=1.04,为修正系数。经频域仿真分析可知入射电磁脉冲频率分布在200 MHz(即fc)以下。本文选用快速傅里叶变换法进行计算程序设计,该方法中的计算长度N往往取为2的整数幂。依据信号分析的抽样定理,可设置抽样频率为:fs=0.819 2 GHz>2fc。由于HEMP及其响应均为高频信号,这里设定分辨率Δf=100 k Hz,由N=fs/Δf,得N=8 192。
3 线缆HEMP效应的计算研究
为突出对效应的特点和规律性的认识,简化计算,这里假定辐照HEMP是均匀水平极化平面波,且在图1中的入射角ψ=90°,Φ=0°,即电磁脉冲为垂直入射。此时,式(6)将得到简化。计算结果如图2所示。
在图2(a)中,HEMP幅度A分别设定为10 k V/m,50 k V/m和100 k V/m等进行计算。由计算结果可知,随入射场强的增大,感应电流几乎成正比例增加;在图(b)中,仰角φ分别设定为0°,10°,30°,45°,60°和90°等,由计算得,响应电流随入射HEMP仰角的增大而增加,在角度较小时,入射角的小幅改变会引起电流脉冲在数量级上的跃变;在图(c)中,线缆L分别设置1 m,10 m,50 m和100 m等进行计算,响应电流脉冲的峰值随线缆长度增长而增加;在图(d)中,线缆距地面的高度设定为0.01 m,0.1 m和1 m等进行计算,结果表明,效应随距地面高度增加而增大;在图(e)中,设置线缆的电阻率ρ为0.1×10-8Ω·m,0.5×10-8Ω·m和1×10-8Ω·m等,计算显示,电阻率的变化对感应电流影响很小;在图(f)中,地面电导率σρ设定为0.01,0.1和1等进行计算,结果表明,电流响应峰值随电导率的增大而降低。而且从图中可见,HEMP在长线缆上激励的电流脉冲峰值可达数百安培,其响应电流的上升沿为数十ns,脉宽为μs量级,效应频谱主要集中在100 MHz以下。值得指出的是,用本文方法对10 m长的线缆进行计算,所得的结果与FDTD法一致[10]。
4 结语
本文利用推导的实用数学模型详细研究了HEMP作用于长线缆引发的场线耦合效应问题,得出了HEMP效应的特点和规律,其结果、结论对于HEMP防护加固技术研究具有指导意义。同时,从计算过程来看,本文的方法也可用于其他类型强电磁脉冲场线耦合效应问题的研究。
摘要：为深入研究高空核电磁脉冲(HEMP)作用于长线缆引发的场线耦合效应问题,该文基于场线耦合效应计算的频域方法,推导了适于较长线缆HEMP效应编程计算的数学模型,利用编写的Matlab计算程序详细研究了具有不同参数线缆系统的HEMP效应问题,得出了HEMP效应特点和规律。结果表明,线缆暴露于HEMP电磁环境中,其上可被激励高幅值的电流干扰脉冲,其端部可被激励峰值高达上万伏的电压干扰脉冲。
关键词：核电磁脉冲,场线耦合效应,Matlab,电流干扰脉冲
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电磁脉冲实验数据共享平台的研究 篇8
电磁脉冲EMP (Electromagnetic Pulse) 是短暂瞬变的电磁现象, 透过电磁波, 可对电子、信息、电力、光电、微波等设施造成破坏。电磁脉冲实验研究是指导电子系统正确设计和检验电磁脉冲防护理论正确与否的关键, 许多军方单位在这方面开展了工作, 并且积累了很多相关数据, 但是这些数据还处于分散状态, 储存格式和方法也大不相同, 因此利用率很低。为了满足国防事业发展的需要, 必须采用先进、可靠的技术对它们进行收集、存储、加工、分类和统计等, 把这些数据整理到一起, 建立相应的电磁脉冲实验数据共享平台, 来用于指导电子系统的正确设计。
在电磁脉冲实验数据共享平台的开发过程中, 课题立项的根本在于希望能充分利用军内、军外网络资源, 在安全要求之下最大化实现信息共享, 以达到电磁脉冲实验数据信息化管理的目的。
2 分析电磁脉冲实验数据共享平台
2.1 功能分析:
电磁脉冲实验数据共享平台是用来在军队的各个单位之间进行实验数据资源的共享和交换的。作为共享平台, 应该具备实验数据的查询、增加、修改、删除等功能, 而作为交换平台, 它应该具备实验数据的导入、导出、上传、下载等功能。
2.2 需求分析:对实验数据交换的需求, 对数据信息目录的需求, 对实验数据共享的需求, 对资源管理的需求, 对数据信息整合的需求。
2.3 共享平台用户分析:平台参建部门操作员, 基层部队使用人员, 平台管理员。
3 电磁脉冲实验数据共享平台功能
3.1 实验数据传输:数据的接收与发送, 交换共享平台的合法性验证等。
3.2 实验数据转换:
数据交换双方的数据可能是异型异构, 要使交换双方能够识别彼此的信息, 必须依据相关的标准和协议对数据的格式进行转换, 以实现信息的透明传输。
3.3 实验数据检查:
包括逻辑关系、完整性和错误信息检查, 认证数据来源的合法性、检查数据包的格式是否符合标准、检查数据的时效性、延续性、检查数据项是否符合标准, 将错误数据返回数据交换部门进行校正后重新进行传输。
3.4 实验数据加载:加载检查合格的数据、过滤并记录重复记录、记录重号数据、记录重号信息处理结果。
3.5 实验数据反馈:将数据维护过程中发现的错误信息进行反馈。
3.6 异常处理:
对数据接收、数据加载、导入、导出过程中, 出现的异常情况, 例如在数据接收的过程中出现网络中断、在数据加载或导入导出的过程中出现数据库异常等情况时, 应采取报警、重做、异常日志记录等处理工作。
3.7 业务协同:
通过设置相应规则, 系统可以将共享平台中信息的变化自动地通知相关单位, 帮助各业务单位之间建立业务协同关系, 进行相关数据信息传递。业务协同的流程可以定制。业务协同采用Web Services技术, 通过自定义请求服务方式生成系统间服务。具体业务办理时依据定义的服务格式进行服务。
3.8 信息发布:可将信息发布给信息总线上的所有接入节点。
3.9 信息订阅:用户可以在接入节点上订阅自己需要的信息, 电磁脉冲实验数据共享平台将其订阅的信息推送给该节点。
3.1 0 接口调用:
建设电磁脉冲实验数据信息管理系统同参与共享系统建设的军队各单位部门, 进行数据交换的接口, 实现对各单位部门数据的抽取, 以及各单位对数据的接受和加载。
4 实验数据传输、交换业务流程分析
4.1 参与数据交换的各单位从各自的业务系统中提取数据, 按照
各自的接口xml规范文档要求, 生成xml文件格式数据, 存储到数据交换前置机上。
4.2 电磁脉冲实验数据共享平台军队内网利用电磁脉冲实验数据
共享平台把数据加载到周转库中, 然后通过身份核查程序把加载到周转库中的数据进行身份核查, 把通过身份核查的数据维护到正式库 (电磁脉冲实验数据信息库) 中, 没有通过身份核查的数据存储到不匹配库中。把经过身份核查程序处理过的数据从周转库中删除。对于产生的异常库中的数据信息, 进行数据交换的单位可以通过浏览器方式来查询这些信息。同时, 数据信息交换中心的交换平台会自动将正式库中各部门匹配和不匹配的数据信息发送到数据交换与共享平台上, 再由单位门的数据交换前置机系统上的交换系统将反馈数据信息接收下来, 保存到交换前置机上, 再由进行数据交换单位的操作员重新对这些反馈的数据进行处理。
4.3 平台同时会向各单位提供查询服务, 主要是把电磁脉冲实验
数据库中的数据通过查询平台向军械工程学院、科研单位2, 科研单位3, 科研单位4提供信息查询服务。
5 共享平台的设计
基于Struts架构的共享平台的工作流程:客户点击菜单请求一个JSP页面, 在JSP页面上填写业务数据后提交请求到Action对象, Action对象将用户的数据及其它数据作为参数调用业务代理对象, 业务代理对象负责执行业务逻辑, 将数据保存到数据库或者从数据库查询数据, 并将执行结果反馈给Action对象, Action对象根据其返回值决定下一步向用户返回哪个JSP页面。至此一次用户交互流程结束。
6 基于S truts框架的共享平台的实现
6.1 表示层。
表示层主要是用来显示共享平台与用户交流的界面, 收集用户和系统的交互信息, 接收用户的请求, 并将业务逻辑层处理的结果显示给用户。JSP页面用于数据的显示和录入。Action Form类用于存储JSP页面的数据, 从而实现了程序和界面的分离, 简化了JSP的页面设计, 使页面设计人员和程序开发人员能各司其职, 达到表示层与业务层分离的目的。
6.2 控制层。
控制层的作用是实现对业务逻辑层的控制, 接收表示层的请求, 将数据转入相应的业务模块, 再将业务模块处理的数据结果传回表示层。
7 结论
7.1 基于Struts框架技术开发设计和实现, 实现了业务逻辑和业务
数据的分离, 提高了系统的稳定性和可扩展性, 应用程序具有层次结构清晰, 易于分工协作, 代码重用率高, 维护扩展性好等优点。
7.2 研究XML技术。
并根据它们的特性提出基于XML的异构数据共享模型;研究J2EE架构及其相关技术, 并在此基础上设计了异构数据共享和集成环境;
7.3 在共享平台实现的方法上, 把Internet技术和Web服务理念
电磁脉冲 篇9
在现代高科技条件下的信息化战争中，以摧毁电子、电气设备及指挥通信系统等为目标的核与非核电磁脉冲武器将被大量使用。因此，人防工程只具备防护核武器及常规武器爆炸所产生的冲击能力是远远不够的，如何保证人防工程中的电子、电气设备及其系统能够在高功率的电磁环境中安全运行就显得非常重要。除了需提高电子、电气设备自身的电磁防护性能，还必须解决人防工程整体的电磁脉冲防护能力。电磁脉冲防护目前已成为人防工程建设中不可缺少的一项重要内容。
1 电磁脉冲的产生及其特点
所谓电磁脉冲是一种短暂的瞬变电磁现象，具有陡峭的上升沿或下降沿，持续时间很短且频带较宽，通过合适的方式即可向外辐射电磁脉冲能量。电磁脉冲武器分核与非核电磁脉冲武器，其爆炸均产生场强及能量极大的电磁脉冲，故对暴露在电磁脉冲环境中的电子、电气系统造成干扰甚至损伤。
核武器经特殊设计，使其在爆炸时更多的能量转化为电磁脉冲，则称作为核电磁脉冲武器。这种武器通常采用高空爆炸方式，其作用范围宽且覆盖面广，但不适用于固定目标范围内的使用。非核电磁脉冲武器也会产生与核电磁脉冲武器类似的作战效能，但不是靠爆炸，而是利用磁通压缩、高功率微波辐射等非核手段产生电磁脉冲效应，可以实现定向辐射。电磁脉冲武器能产生幅度高、频谱宽的强电磁波，电磁波的能量作用在目标的金属结构、电线电缆、天线、电子和电气系统的电路和器件上，轻则干扰系统的正常运行，重则造成系统的瘫痪。
2 电磁脉冲能量进入人防工程内部的途径
核电磁脉冲和其他高功率电磁能量可经各种耦合途径进入人防工程内部，使敏感的电子、电气设备及系统受到干扰和损伤。电磁脉冲能量的主要耦合渠道有，对工事自然防护层和钢筋混凝土层的直接穿透、孔口耦合、工事外露天线的接收、电线电缆和金属管道的耦合等。
虽然工事自然防护层和钢筋混凝土层对电磁能量都有一定的衰减作用，但由于电磁脉冲武器所产生的电磁能量非常大，因此透入工程内部的电磁能量仍具有较强的破坏和干扰作用。电磁能量也可通过工事的门、通风井以及多种孔口进入工程内部。而电磁能量更易通过各种天线、电线电缆、金属管道的耦合和传导引入工程内部。在电磁脉冲的作用下，工事的外露天线以及进出工事的电力、通信线路、金属水管、风管等金属材料上会产生很强的感应电压和感应电流，这些管线相当于巨大电磁能量的接收器与收集器，被收集起来的电磁能量沿金属管线传输，最终引入工程内部，并作用在系统的各种电子、电气设备上，轻则产生严重的电磁干扰，严重时将烧毁设备的电子器件。
3 电磁脉冲防护的具体技术措施
屏蔽和接地是电磁脉冲防护的重要手段和措施。以导电率较高的材料作为屏蔽体并做良好的接地，可将电场终止在屏蔽体表面并通过接地泄放屏蔽体表面上的感应电荷，从而阻止静电场的耦合。因此，完整的屏蔽体和良好的接地措施是电磁脉冲防护的两个必备条件。
电磁脉冲防护级别分为三级，根据工程内部设备对电磁脉冲的敏感程度，人防工程一般采用分区、分级的局部防护方案，该方案有利于充分利用各种等级防护设施的不同防护效能，从而大大降低工程的造价，但这需要将敏感度相当的设备、系统做相对的集中以便分区、分级。
3.1 电磁脉冲防护工程整体屏蔽措施
工程总体结构的防护措施为三级防护。对于直接穿透人防工程自然防护层和通过口部进入人防工程内部的电磁脉冲辐射能量，最有效的防护手段就是整体屏蔽。所谓整体屏蔽就是用导电或导磁材料制成能整体包围人防工程的屏蔽体。将电磁能量限制在一定的空间范围内，电磁场的能量从屏蔽体的一侧传到另一侧将受到很大的削弱。
对于掘开式人防工程主要利用其结构层进行防护。工程主体一般为双层钢筋网的混凝土结构，人防防护墙构成了一个较为完整的六面体笼形结构。若对口部、孔洞及引入工程的金属管线作相应的防护处理，围护结构层能够满足电磁脉冲防护三级屏蔽的要求。具体措施为，整个工程的底板、顶板和四周侧墙内外两层的纵横钢筋必须通长焊接，所有钢筋的端部与其搭接的水平或垂直棱筋也必须焊接，以构成一个个扁长的横向和纵向封闭导电环路，即构成一个法拉第笼;整个工程的结构钢筋网应形成一个完整的双层六面体焊接结构，每一条钢筋都形成了封闭的电气环路，钢筋网通过接地引上扁钢与接地加强钢板焊接，起到良好的接地及屏蔽效果;每根柱子的两对角钢筋分别需与外层搭接的钢筋进行焊接;两层钢筋网之间的箍筋与钢筋网之间不要焊接，只能绑扎，以形成两层钢筋屏蔽层，同时应避免与结构钢筋网无电气连接的钢筋、钢管或其他金属导体贯穿结构钢筋网;整个工程的结构钢筋网的纵横钢筋交叉点，内、外侧钢筋网均每隔约1 m焊一个点，各焊点呈梅花状交错布置，形成一个封闭的六面体结构。
坑道式人防工程一般建于山区或丘陵地带，采用暗挖法建造，其周围覆盖一定厚度的自然被覆层，对电磁脉冲有一定的消减作用，但其内部除工程口部外一般为素混凝土结构，若不采用必要的措施，无法满足三级屏蔽防护的要求。对于坑道式人防工程整体做三级屏蔽有一定的困难，因此可以针对设备抗干扰的要求，采用大面积局部防护，其主要是充分发挥工事自然被覆防护层对电磁脉冲的衰减阻止作用，再施以必要的防护措施，也能在不大幅度增加造价的情况下实现三级屏蔽防护。具体防护措施为:1)将口部设置成穿廊式结构，这样对进入口部的电磁脉冲起到衰减作用。实验结果表明，与直通式口部相比，可将电磁脉冲场强衰减5倍左右。一般口部的岩土自然防护层比工程主体的自然防护层要薄一些，口部的钢筋网结构也应像掘开式工程那样进行焊接，可进一步衰减从口部进入的电磁脉冲能量。自然防护层对电磁脉冲的衰减量主要取决于防护层岩土介质的电参数和防护层厚度，因此工程主体尽量选在自然防护层较厚和较潮湿的地方;2)将打毛洞时做的喷锚支护钢筋网和锚杆的钢筋进行焊接，这不仅可以减小接地电阻值，还可以对电磁脉冲起到一定的屏蔽效能。另外，根据工程构造形式的实际，使用若干根通长钢筋或镀锌扁钢把各段的钢筋混凝土结构中的钢筋网连接起来，也能起到对电磁脉冲的衰减作用。
三级防护一般为整体防护或大面积局部防护，需要土建、通风空调、给排水、电气及信息系统等专业配合进行，由现场工程施工人员协调施工，以提高工程的整体防护效果。
3.2 电磁脉冲防护工程局部屏蔽措施
对于人防工程中的重要电子设备与器材需采用局部屏蔽措施。一、二级电磁脉冲防护措施就是采用电磁屏蔽室的局部屏蔽方法，该措施防护区域较小，防护的技术措施复杂，一般由专业单位的技术人员施工，造价也相对较高。
一级屏蔽室，采用制式镀锌钢板焊接，壁和顶采用2 mm厚镀锌钢板、底板为3 mm厚镀锌钢板，地面铺设防静电地板，房门采用屏蔽门。所有进出屏蔽室的强、弱电线路须经限幅及滤波处理，通风窗口则需采用截止波导窗。
二级屏蔽室，采用内贴镀锌钢板铆接，接缝处密焊，壁和顶采用0.75 mm厚镀锌钢板，其余部位与一级屏蔽室相同。
上述屏蔽室的构造可使门洞和窗口处的屏蔽效能与整个屏蔽体一致，从而确保屏蔽室内的设备和器件能安全、可靠的工作。根据设备和器件的重要程度以及对电磁脉冲敏感程度的不同相应选用一级或二级屏蔽室。
3.3 电磁脉冲防护的接地措施
接地是电磁脉冲防护的重要措施，屏蔽需要接地，限幅、滤波需引电流入地更需接地。屏蔽室屏蔽效果如何，一个重要因素就是取决于接地系统。人防工程一般都采用联合接地，而电磁脉冲防护需要尽可能小的冲击接地电阻。因此，人防工程大多采用一个共用的水平放射状人工接地系统，接地体一般埋设在水库基础下、建筑排水沟下、大跨度机房或库房的地坪下等处，接地体采用辐射状水平接地体和垂直接地体综合接地装置，并采取挖换土槽、回填田园土以及灌长效降阻剂等方法降低接地电阻，综合接地电阻值要求不大于1Ω。
4 结语
电磁脉冲防护是人防工程建设和改造的一项重要内容，充分利用工程的自然防护层和被覆层来提高工程的屏蔽效能具有重要的实际意义。人防工程电磁脉冲防护施工时，需要土建结构、通风空调、给排水、电气及信息系统等专业结合进行，这不仅节省造价，而且能满足工程整体的防护效果。要提高工程整体的电磁脉冲防护能力，人防工程的选址也很重要，尽量选在具有一定厚度的防护层和潮湿的岩土介质中。通过工程总体结构的三级防护措施，并加以可靠的接地，从而增强人防工程整体防护能力和综合防护能力。随着电磁脉冲武器在现代高科技信息化条件下战争中的大规模使用，以及高精度电子、电器设备在人防工程中的不断应用，电磁脉冲防护技术将得到越来越广泛的关注。
摘要：根据战时电磁脉冲的特点以及电磁脉冲进入人防工程内部的途径,介绍了人防工程中整体系统及各环节所采取电磁脉冲防护的具体技术措施,以增强人防工程整体防护能力和综合防护能力。
关键词：人防工程,电磁脉冲,防护,屏蔽,接地
参考文献
[1]周璧华.人防工程电磁脉冲防护设计[M].北京:国防工业出版社,2006:59-80.
电磁脉冲 篇10
到目前为止还没有任何一种装置或方法能阻止雷电的产生, 也没有能阻止雷击到建筑物上的器具和方法。因此在电力信息系统设计之初就应该充分估计到防雷的必要性。
2、现代雷灾新特点
我国大部分地区于2、3月份就进入了雷电期。城市高楼的增加使雷电击穿空气的距离缩短, 因为雷击概率与建筑高度成正比, 所以雷击概率加大。同时, 由于全球气候变暖, 城市热岛现象增多, 使城市的大气环流出现了新特点, 夏季雷暴期延长。而更重要的是, 随着科技的进步, 微电设备被广泛应用, 城市通信电源大幅增多, 电磁场发生变化, 特别是微电子产品普遍绝缘强度低, 过电压耐受力差, 容易遭受雷电侵袭, 其中电脑网络、通讯指挥系统和公用天线都是重灾区。据统计, 在各种灾害造成的损害中, 感应雷击造成的损害高居榜首, 占全部灾害损失的33.8%。当人类社会进入电子信息时代后, 雷电灾害出现的特点与以往将有极大的不同, 可以概括为: (1) 受灾面扩大。从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业, 尤其是与高新技术关系最密切的领域, 如航天航空、国防、邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等。 (2) 从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场, 从三维空间入侵到任何角落, 无孔不入地造成灾害。防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲 (Lightning Electro-magnetic Pulse Protection, LEMP) , 即雷电灾害的空间范围扩大了。 (3) 雷电灾害的经济损失和危害程度显著增加。被袭击对象本身的直接经济损失有时并不太大, 而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。例如1999年8月27日00:02左右, 某寻呼台遭受雷击, 导致该台中断寻呼数小时, 其直接损失是有限的, 但间接损失远远超过直接损失。 (4) 雷电灾害的主要对象已集中在微电子器件设备上。这是产生上述特点的根本原因, 也是关键特点。雷电本身并没有变, 而是科学技术的发展, 使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域, 微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用, 造成微电子设备的失控或者损坏。 当今时代防雷工作的重要性、迫切性、复杂性增加了, 雷电的防御已从直击雷防护到系统防护, 所以必须站到历史时代的新高度来认识和研究电力信息系统的现代防雷技术, 提高防御雷电灾害的综合能力。
3、雷电冲击波的入侵途径
雷击可分为直击雷和感应雷。随着经济的发展, 感应雷和雷电波侵入造成的危害越来越大。一般建筑物上的避雷针只能预防直击雷, 而强大电磁场产生的感应雷和脉冲电压却能潜入室内危及各种弱电设备。对于电力信息系统来说, 通常情况下, 重点考虑感应雷的防护。常见雷电冲击波的入侵途径有:①雷电击在外部建筑物的防雷系统上;②浪涌在接地电阻上引起电压降;③环路感应过电压;④雷电击在远处架空电力线上;⑤雷云之间放电在电力线上引起感应雷电波及过电压;⑥雷击通信线、电力线附近地面或地面上其他设施在线路上引起感应雷电波及过电压;⑦电磁脉冲场穿透建筑物, 直接作用于电力信息系统。
4、电力信息系统对雷电电磁脉冲的防护措施
电力信息系统是指电力系统内各种形式的电子系统, 包括计算机、通信设备、控制系统等。因为从EMC观点看, 电子设备、信息设备和信息系统是同一类型的设备和系统, 故本文中未严格区别。雷电电磁脉冲防护LEMP将直击雷之外的雷击灾害的防护也包括在内。电力信息系统雷电电磁脉冲的防护所涉及的防雷范围、技术措施等要比直击雷的防护更复杂, 两者具有不可分割的内在联系, 但又有分工, 只是考虑的角度和方法不同。 电力系统建筑物本身的防雷装置是建筑物内信息设备及系统防雷的第一道屏障, 建筑物本身的防雷性能直接影响其内在信息系统的防雷, 因此要搞好信息系统防雷, 首先应重视建筑物本身的防雷。因此在建筑物设计和施工时就要考虑到作为网状接闪器、引下线和接地体的钢筋网络之间的电器联结, 使之成为较理想的“法拉第笼”式避雷体。建筑物防雷设计、施工和管理必须严格执行国家标准《建筑物防雷设计规范 (GB 50057-94) 》。电力信息系统微电子设备对雷电电磁脉冲的防护是一项较复杂的系统工程, 它与建筑物结构、屏蔽、接地、等电位联结 (或通过浪涌保护器做等电位联结) 、供电、设备与线路布置及外部电磁环境都有密切关系。我国还未出台完整的电子设备防雷国家标准, 故可参照IEC-1312一1 (雷电电磁脉冲的防护) 和有关行业标准进行工作。根据IEC-1312-1雷电电磁脉冲防护 (LEMP) 的防雷保护区LPZ (Lightning Protection Zones) 原则 (即根据不同信息系统对电磁场环境的不同要求, 设置分层次、分级保护区或保护空间的措施) , 对电力信息系统的防雷保护必须实行可靠的多层分级 (类) 保护的避雷装置。所谓多层分级 (类) 保护原则就是根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定防护要点作分类保护;电器设备对外联系的所有通道 (从电源线到数据通信线路) 都应做多级 (层) 保护。
(1) 外部无源保护——在0级保护区即外部作无源保护, 主要有避雷针 (网、线、带) 和接地装置 (接地线、地极) 。 建筑物内金属门窗、玻璃幕墙、吊顶龙骨架、灯线、管线等, 通常予以忽视, 未作接地。
二次回路使用的直流蓄电池作浮点运行 (特别是旧式电池体积庞大) , 这些都是雷电二次效应的推波助澜者, 是电子设备潜在杀手。建筑物的所有外露金属构件 (管道) 都应与防雷网 (带、线) 有良好的连接。
(2) 内部防护——电源部分防护雷电侵害主要是防护通过供电线路侵入。高压部分电力局有专用高压避雷装置, 而低压线路部分则无法控制。所以对380V低压线路应进行过电压保护, 按国家规范应分三部分: ①建议在高压变压器后端到楼宇总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器, 作一级保护;②在楼宇总配电盘至楼层配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器, 作二级保护;③在所有重要、精密设备以及UPS的前端应对地加装避雷器, 作为三级保护。其目的是用分流 (限幅) 技术即采用高吸收能量的分流设备 (避雷器) 将雷电过电压 (脉冲) 能量分流泄入大地, 达到保护目的, 所以分流 (限幅) 技术中采用的防护器的品质、性能好坏是直接关系网络防护的关键, 因此选择优良的避雷器至关重要。 信号部分保护对于信息系统, 应分为粗保护和精保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定, 精保护要根据电子设备的敏感度进行确定, 主要考虑卫星接收系统、电话系统、网络专线系统、监控系统等。建议在所有信息系统进入楼宇的电缆内芯线端, 对地加装避雷器, 电缆中的空线对应接地, 并做好屏蔽接地, 其中应注意系统设备的在线电压、传输速率、接口类型等, 以确保系统正常工作。
多重屏蔽、多重防护。微电子设备工作电压低, 击穿功率小, 靠单一屏蔽难以达到预期效果, 必须采取多重屏蔽。利用建筑物钢筋网组成的法拉第笼及设备屏柜金属外壳、装置金属外壳等逐级屏蔽, 有条件的话, 在重要进出设备的同一条信号线上应安装多个防雷保安单元。等电位连接为彻底消除雷电引起损坏的电位差, 需实行等电位连接。电源线、信号线、金属管道等都要通过过压保护器进行连接, 各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接, 各个局部等电位互相连接, 最后与主等电位连接棒相连。
做好等电位联结比追求小接地电阻更实用, 如果真正做到处处电位相等或电位差很小, 就不会损坏任何微电子设备。
(3) 接地处理——在电力信息系统的建设中, 一定要有一个良好的接地系统, 因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电导入大地, 从而保护设备和人身安全。如果接地系统做得不好, 不但会引起设备故障, 烧坏元器件, 严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰的屏蔽问题和防静电问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。 一般整个建筑物的接地系统有建筑物地网 (与法拉第网相接) 、电源地 (要求地阻小于10Ω) 、逻辑地 (也称信号地) 、防雷地等, 有的公司 (如IBM) 要求另设专用独立地, 要求地阻小于4Ω (根据实际情况可能也会要求小于1Ω) 。然而, 当各地必须独立时, 如果相互之间距离达不到规范的要求, 则容易出现地电位反击事故。因此当各接地系统之间的距离达不到规范的要求时, 应尽可能连接在一起, 如实际情况不允许直接连接, 可通过地电位均衡器实现等电位连接。为增加接地装置的可靠性, 建议使用专业公司生产的专用接地棒, 并使用无公害降阻剂。接地装置的选材和施工应由专业人员执行。
5、结束语