电磁脉冲效应（共9篇）
电磁脉冲效应 篇1
摘要：分析线缆的电磁脉冲效应机理是采取措施、加强线缆电磁防护的必要步骤。以高空核爆电磁脉冲 (HEMP) 作为入射源, 基于时域有限差分 (FDTD) 方法和Noda细线模型, 分析计算了不同状态下近地面线缆的电磁脉冲效应。结果表明, 由于受到地面环境场的影响, 地面附近开路线缆的响应电流其幅值比在自由空间中的小, 振荡频率亦在逐渐降低;带负载线缆在电磁脉冲的作用下, 负载的响应电流随阻抗的不同亦呈现出明显不同的特征。所得结论有利于指导线缆的电磁防护。
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
线缆作为一种重要的信号和能量载体, 广泛分布于电子系统的各个角落, 研究线缆的电磁脉冲效应对加强武器系统的电磁防护具有重要意义。本文通过比较线缆在不同连接条件下的多种情形, 分析计算了近地面线缆的HEMP效应, 得到一些有利于线缆电磁防护的结论。值得注意的是, 相比自由空间, 虽然近地面环境影响了线缆对电磁脉冲的响应, 但其耦合量仍在可观的范围, 会对终端电子设备构成严重威胁, 因此线缆的电磁防护亟待加强。?
电磁脉冲效应 篇2
雷电电磁脉冲分析及研究
雷电是一种危险现象,雷电过程所产生的强大闪电电流,将产生电磁场变化和丰富的电磁辐射,不仅干扰无线电通讯,严重时甚至使通讯中断.雷电电磁脉冲屏蔽及电磁防护问题是现在航空航天所面对的一个重要问题.本文介绍了闪电的成因,分析了雷电电磁脉冲对金属板的作用.先是分析了雷电电磁脉冲通过薄金属板的.场,并依据Bruce和Golde给出的双指数经验公式计算了雷电电磁脉冲通过金属薄板的场的分布.
作 者：唐远瞩 温浩 作者单位：五邑大学,信息学院,江门,529020刊 名：仪器仪表用户英文刊名：ELECTRONIC INSTRUMENTATION CUSTOMER年，卷(期)：16(4)分类号：V244关键词：雷电电磁脉冲 闪电 金属板
长线缆核电磁脉冲效应计算研究 篇3
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
参考文献
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电磁脉冲效应 篇4
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 应用效果电磁脉冲效应 篇5
近年来,计算机技术正以令人难以置信的速度飞快发展,它已应用到各行业、各领域。随着电子系统的广泛应用,电磁环境日趋复杂、恶劣,特别是HEMP(核电磁脉冲)、HPM(高功率微波)、LEMP(雷电电磁脉冲)和ESD EMP(静电放电电磁脉冲)等强EMP(电磁脉冲),对计算机等电子系统构成了严重的威胁[1]。因此,计算机系统抗电磁脉冲干扰问题成了人们关注的热点。近年来,人们利用各种电磁脉冲源对不同的计算机系统进行了大量的效应实验,由于这些计算机没有故障诊断功能,因此只能观察到很少的故障现象。为了有效地进行计算机系统的电磁脉冲效应实验,设计了一种特殊的计算机系统,该系统专门用于电磁脉冲效应实验。本文介绍了它的组成和原理,并给出了将该系统用于电磁脉冲效应实验的结果。
1 系统功能特点
用普通的计算机系统进行电磁脉冲效应实验,只能产生很少的几个故障现象,由于这些计算机没有自动检测功能,有的故障即使是发生了,也观察不到。为此,我们研制了一套专门用于电磁脉冲效应实验的计算机系统,该系统具有以下功能特点:
a) 自动检测并显示系统本身出现的故障;
b) 干扰时使故障很容易出现;
c) 干扰时使出现故障的种类最多;
d) 具有故障重现功能。
“故障重现”是指采取一定的技术手段,使故障可以反复、多次出现。该系统与一般电路尽量采取有效的抗干扰措施有着完全相反的设计思想,是研究电磁脉冲对计算机的干扰机理及防护方法的有力工具。
2 系统组成及工作原理
2.1 系统组成
为了简化系统设计,本系统采用51系列单片机。为便于研究程序存储器的效应情况,选用内部不含EPROM的8031作为中央处理器,程序固化在外部程序存储器中,这里采用的是擦、写方便的E2PROM(2864或28C64)。由于8031内含CTC(计数器定时器)和SIO(串行输入输出)电路,不再另设外CTC和SIO电路。为使系统能够重现尽可能多的故障现象,采用的外设芯片还有外部数据存储器(6264)和A/D转换电路(A/D0809)。另外,增加4位数码管用于信息显示,显示数据由4个锁存器74LS373保存。上述硬件电路既完成一定的功能又是被试验对象。系统组成框图如图1所示。
系统软件共由8个程序模块组成:
a) 指示单片机重启动的程序模块;
b) 检查CTC运行情况的程序模块;
c) 串口通信功能检查程序模块;
d) 判断外RAM内容是否改变及读写是否出错的程序模块;
e) 判断内RAM内容是否改变程序模块;
f) 检查A/D转换电路转换误差是否增大的程序模块;
g) 判断外中断是否被误触发的程序模块;
h) 显示E2PROM内容是否被改写的程序模块。
系统的工作过程是在“执行”开关K的控制下上述8个程序模块的运行过程。图2给出了流程图。几乎每一种效应实验对应一个程序模块。由于硬件损坏故障与软件运行关系不大,而且故障现象明显,不需专门设置程序模块。重启动效应实验可以工作在除指示单片机重启动的程序模块的任一程序模块。“死机”效应实验可以工作在任一程序模块,由于故障现象一目了然,不需检测程序。
2.2 故障重现技术
故障重现并不是用计算机软件进行故障仿真,而是故障的真实再现。要使故障容易重现,除了辐射场的幅度要足够强外,被试系统还要具备必需的硬件电路和软件环境。软件环境是指干扰出现时控制功能电路工作的程序正在运行,即时间对准。
故障重现的实现方法是采取程序模块化和循环等待技术。程序模块化是使每一种故障(效应)对应一个程序模块。循环等待技术是让计算机始终运行某一段或某一句程序,可大大提高干扰成功的概率,使故障最容易出现。图2所示的每一个程序模块都是循环运行的。
2.3 故障重现及检测的具体实现
不同的故障现象有不同的重现和检测方法。这里只给出3种故障重现及检测的实现方法。
2.3.1 外部数据存储器的EMP效应
这部分实验包括3部分:一是不进行读写操作时,检查外RAM内容是否被改写;二是检查读操作是否出错;三是检查写操作是否出错。
第一部分实验中,RAM内容被改写是由于硬件RAM芯片被干扰直接作用所致,只需编制检测程序。先在RAM的0000H～1FFFH单元写入同一数据“AA”,然后等待"执行"开关K的按下,等待期间进行冲击实验。冲击完毕,读出RAM内容并判断是否改变。
第二、三部分实验中,检查RAM的读写操作是否因干扰而出错。让持续时间只有微秒量级的干扰脉冲去干扰执行时间只有几微秒的读写指令,这种事件发生的概率几乎为0。对于干扰源可以工作在重复工作方式的情况,可以使其在重复工作方式下工作。但是,由于重复工作方式的重复频率并不能做得很高,所以其效果并不明显。最有效的方法是使程序重复执行一条读或写指令,虽然两次读或写之间还有几条判断读或写的数据是否正确的指令,但两次读或写之间的时间间隔也只有数十微秒量级,这就相当于让读写指令等着电磁脉冲来干扰,从而大大提高了被干扰的概率。
第二、三部分程序编制开始时,为了使其更具代表性,对RAM的所有单元进行读或写,即先将RAM的0000H～1FFFH单元清零,然后使程序循环读这些单元,或向这些单元循环写入数据“AA”,并实时检查读出或写入的数据是否正确。在实验中发现,第二、三部分实验出错的次数比第一部分实验出现的次数还多。尽管采取了上述循环等待技术,但某条指令被干扰的可能性还是很小的。后来在读实验显示出错信息时检查RAM各单元的内容,发现每次都有一部分RAM单元的内容出错,而读操作出错不可能导致RAM内容改变,因此,并不是或不全是读写操作出错,而是由于RAM内容被改写后被误判为是读或写出错。解决这一问题的方法是,使读写操作只对某一固定的RAM单元进行,由于一个单元被改写的概率是所有单元被改写的概率的1/213,这就大大降低了误警概率。
2.3.2 串口SIO的EMP效应
串口SIO效应实验时,单片机运行串口通信程序。实现方法是:把CPU的TXD和RXD短接,将TXD端发出的数据直接送入RXD进行接收,使单片机工作于自发自收状态[3],通过检查接收与发送的数据是否相等判断通信是否正常。当然,仍需采用循环等待技术,使通信循环进行,当运行正常时,在P1.1口产生脉冲信号,使红色LED点亮。如果通信出现异常,数码管将显示出错信息,并将LED熄灭。
2.3.3 CTC的EMP效应
为使CTC工作失误故障重现,可在主程序中加入允许CTC中断的指令,使程序运行时CTC一直在工作,等待电磁脉冲来干扰。
定时器采用CPU内部定时器0,工作方式为方式1。编写CTC0的中断子程序,与软件计数器R0配合,在P1.1口产生一个方波信号,驱动LED闪亮。主程序执行等待K按下指令,等待期间进行干扰实验。如果LED闪亮异常,表明CTC工作不正常。
3 ESD EMP辐照效应实验
以ESD EMP为干扰源,以该单片机系统为实验对象,进行EMP对计算机系统的辐照效应实验。实验配置如图3所示,它主要由台式静电放电抗扰性实验标准装置、静电放电模拟器和数据采集系统组成[4]。台式装置和静电放电模拟器用来产生ESD EMP,数据采集系统由V型天线和示波器组成,用于测量场波形和电路板敏感点的干扰波形。
将被试单片机系统置于水平耦合板上(由绝缘垫隔离)距垂直耦合板(500 mm×500 mm×1.5mm的铝板)10 cm处,用静电放电模拟器对垂直耦合板间接放电,放电产生的ESD EMP对单片机进行辐照,单片机自动显示出现的故障现象。
在该单片机系统研制以前,曾用一单片机最小应用系统做效应实验,结果只能观察到死机现象。而将该系统用于效应实验,观察到了10多种故障现象。通过大量、反复实验,测出了各种故障出现的阈值。表1给出了上述故障出现时ESD模拟器的最小放电电压。
4 结束语
设计了一种用于EMP效应实验的计算机系统,该系统具有结构简单、造价低廉和操作方便等特点。由于采用了故障重现技术,将其用于EMP效应实验,可重现10多种故障现象。它是研究计算机系统EMP效应及防护技术的有力工具。
参考文献
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电磁脉冲效应 篇6
关键词：电磁脉冲,注入试验,电缆毁伤阈值
0 引言
电缆耦合是“后门耦合”的一种主要方式,它主要是在连接设备、电力网或电话网的电线和电缆上产生巨大的瞬时电流、电压,进入设备的瞬时高压脉冲会激发内部谐振对内部的其他元器件造成破坏。用于数据处理系统、通信系统、显示系统、工业控制的计算机,在连接外接电缆后都容易遭受电磁脉冲破坏。在考察电路受电磁脉冲干扰时,常用的试验手段有脉冲辐照法[1]和脉冲电流注入法,其中脉冲电流注入法最适合用于定位干扰状态以及判断防护效果,本文采用该方法分析了电路的毁伤机理,同时也验证了视频防护电路的有效性。
1 电缆毁伤效应试验方法研究
在研究外接电缆的毁伤效应时最直观的试验方法是脉冲电流注入法,电磁脉冲注入测试中的一个关键问题就是如何在被测设备加电工作状态下把模拟的骚扰信号注入到相应的设备端口[2],同时还要减小注入装置对原信号通道的影响,阻止骚扰信号对同一电网中其他非受试设备的干扰。因此,电磁脉冲信号的注入必须满足3个条件:(1)要与工程实际耦合情况相符,即在系统正常工作设置下,通过对线缆的耦合进行注入;(2)确保受试设备以外的其他装置不受影响,即要对电磁脉冲信号进行去耦;(3)实验结果要有一定的统计意义和典型性,以便于防护要求的制定。
根据以上3个条件的限定,试验采用间接注入法,注入方式为导体夹钳耦合,这等效为电磁脉冲的空间辐射场干扰,其干扰类型为近场感应干扰。这种注入方式的优点:(1)信号源与被测试对象没有直接的电接触,不会改变试验对象的物理线路和电气参数;(2)可以在测试对象处于工作状态时进行试验;接近于真实情况下电磁脉冲对系统的作用等,具体的电流注入示意图如图1所示。
具体试验中,采用解放军理工大学研制的GMF-8E型高压毫微秒脉冲源作为电磁脉冲源,采用1 m长电容耦合夹,实现脉冲加载,文献[3,4,5]中描述了相似的测量方法。电磁脉冲源的主要参数为:脉冲峰值(0~4~8)k V,上升时间2.8 ns,半峰时间28 ns,其典型脉冲波形如图2所示。
2 计算机电缆端口电磁脉冲注入毁伤效应试验
电磁脉冲源输出高压电磁脉冲,经电容耦合夹耦合至试件电缆,在电缆上感应脉冲电压与脉冲电流。试验中需要强调的是所有测试数据必须在屏蔽机柜内[6]完成,否则电容耦合夹附近的电磁场将严重影响测试数据。
在屏蔽机柜内使用示波器测试耦合电压与电流,并利用相关的测试软件,同步观察主机、显示器、键盘和鼠标的各类异常现象,整个注入毁伤测试均按照增加脉冲电压的方式逐次测试。
计算机视频显示是最重要和最直接的计算机信息窗口,经验表明,电磁脉冲通过计算机视频显示电缆耦合产生的电磁干扰经常会造成计算机黑屏、甚至重启等各种毁伤效应,相关损伤研究见参考文献[7,8,9],因此文中重点针对视频VGA端口开展电磁脉冲注入毁伤效应试验研究,试验过程分为两步:(1)对未加装视频电磁脉冲防护电路的计算机系统进行电磁脉冲注入毁伤效应试验;(2)对加装视频电磁脉冲防护电路的计算机系统进行电磁脉冲注入毁伤效应对比试验。
2.1 未加装视频电磁脉冲防护电路测试
VGA端口测试布局图如图3所示。
试验数据及试验现象如表1所示,表1波形数据记录中的数字代表脉冲源的脉冲峰值。
试验过程中,计算机出现了多次的黑屏现象,测试数据验证了计算机视频端口在电磁脉冲环境下较为脆弱,为提高视频端口的电磁脉冲防护能力,必须增加专用的电磁脉冲防护电路[10]。
专用电磁脉冲防护电路设计过程中,要尽量在所有的输入端和输出端加浪涌保护器件[11],进行适当保护,当必须使用浪涌抑制器件时,应保证所加的浪涌器件不会影响信号传输。对于视频接口的传输信号:R、G、B和行(H)、场(V)同步信号,其中R、G、B为模拟信号,峰峰值0.7~1 V左右,特性阻抗75Ω,抑制电路采用放电管和TVS管配合使用[12],由于视频端口传输信号带宽较宽,设计要重点考虑电路中的电容效应。
2.2 加装视频电磁脉冲防护电路测试
VGA端口测试布局图如图4所示。
试验数据及试验现象如表2所示,表2波形数据记录中的数字代表脉冲源的脉冲峰值。
综合分析上面的数据可以得出以下结论:
(1)电磁脉冲直接注入视频线缆会出现各种计算机异常工作现象;
(2)加装防护电路前,从注入电压为470 V,显示屏出现瞬时闪屏干扰现象;加装防护电路后,到注入电压为1 570 V,显示端口未出现干扰现象。
3 注入毁伤效应试验数据及分析
由于计算机电缆端口毁伤效应非常复杂,不同的接口会有不同的毁伤原因[13],下面将从端口阻抗特性来分析视频电缆接口的毁伤原因。
从端口测试数据可以计算出端口电压和电流的对应关系,设Z表示接口环路阻抗,有Z=V/I,接口环路阻抗反应了接入防护电路后在脉冲注入情况下阻抗的变化。对应的阻抗与注入电压的关系如图5所示。
从图5可以看出,在无防护电路时端口注入电压和电流并不是线性增长关系,中间出现多次振荡,同时,环路阻抗在注入监测电压达到800 V时开始出现变低趋势,而注入电流在此时也显著升高。这主要是因为电磁脉冲干扰下,耦合的电磁波将在接口电路环路中产生感应电流,该电流作用于端口输入或输出阻抗时将在端口上产生高压干扰电信号(脉冲电压),该电压造成环路阻抗变低,在低阻通路上因注入功率或注入能量过多而发生正向热受损和反向击穿引发的热击穿受损。
从试验结果可以看出,增加防护电路后视频电缆端口抗干扰能力得到提升,在1 000 V脉冲源注入条件下加装防护电路与未加装防护电路的电缆端口测试数据对比如图6所示。
4 结束语
电磁脉冲效应 篇7
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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电磁脉冲效应 篇8
1 高空核电磁脉冲
高空核电磁脉冲是发生在30km以上的高空核爆炸, 可用双指数波形近似表达如下:
式中:E (t) 为瞬时场强;E0为峰值场强;k为修正系数;α, β表征脉冲前、后沿的参数。
k=1.3, E0=50kV/m, α=6×108s-1, β=4×107s-1是近年来国际电工委员会制定的新HEMP表述标准[3], 波形如图1所示。HEMP有场强高、频谱宽、覆盖半径大的特点, 能产生强的瞬态电磁场。
2 计算方法
用高频近似法[4]计算舰船的电磁特性。物理光学 (PO) 法是用散射体表面感应电流取代散射体本身作为散射场的源, 表面感应电流积分求得散射场, 但忽略了阴影区电流和边缘的贡献。物理绕射理论 (PTD) 是对PO的引申和修正, 可计算边缘绕射场, 与PO法结合应用。
激励源从很远处照射目标, 入射波可看作平面波。空间总场为入射场与散射场之和。PO算得的场为
k=2π/λ是波数, λ是波长, (θi, φi) 是源在球坐标系下的单位向量, (Eφi, Eθi) 是球坐标系下的入射电场。
PTD的边缘绕射场为:
k是波数, Z是自由空间波阻抗, r和r'分别是观察点和C上一点的矢量, dl=|dr'|是弧长l沿C的增量, t=dr'/dl正切单位向量。辐射边元在r'处的观察方向为:
3 仿真实验
舰船模型如图2所示, 长约86米, 宽约10米, 甲板高约6米, 桅杆处高约22米, 表面为PEC (理想导体) 材料。
3.1 仿真方法。
Ship EDF是频域仿真软件, 根据傅里叶分析法[5], 一个信号可表示为不同频率正弦分量的叠加。因此, 对HEMP做傅里叶变换, 分别对每个频率点仿真。用雷达天线从舰船上方垂直向下辐射电磁波, 参数取脉宽23ns, 重复频率1000pps, 天线[6]参数用口径场法计算, 口径面取1m*1m, 水平半功率波束宽度46.8°, 垂直半功率波束宽度32.4°。将舰船划分层次为船1、船2和船3, 研究舰船电磁环境。
3.2 仿真结果。
图3为频率为100MHz时的舰船电场分布。可以看出, 随着舰船结构逐层增加, 位于发射天线正下方的桅杆及上层建筑周围电场最大。
在桅杆附近取观察点P (42, 0, 22) , 如图2所示。该点电场强度如图4所示。可以看出, 船1、船2和船3在P点的电场强度, 随频率增加而减小, 因为HEMP能量主要集中在100kHz～200MHz。船1在P点电场最大, 船3最小。因为平面波入射到船1, 表面平坦, 电磁波不能穿入理想导体, 到达舰船表面后将全部被反射回来;当平面波入射到桅杆、上层建筑等高大金属建筑物时, 一部分电磁波被反射回去, 另一部分电磁波沿着其它方向反射;当入射波与反射波相位相同时, 该处场强得到叠加而增强, 当相位相反时, 该处电场减弱。
4 结论
用Ship EDF对舰船仿真分析, 计算速度快, 精确度高。通过对舰船分层仿真, 得出舰船在每一层的电场分布, 随着舰船结构逐层增加, 电场增大。为今后进一步研究舰船电磁兼容、及采取防护措施提供参考依据。
摘要：将舰船结构分层, 用高频方法仿真研究高空核电磁脉冲 (HEMP) 从舰船上方垂直向下辐射时, 舰船表面及周围电场的分布, 并给出了桅杆上方某点电场强度。得出舰船上层建筑周围电场强度最大, 且随着舰船结构逐层增加, 结构越复杂, 电磁环境越复杂。因此, 本文的研究对电磁脉冲防护具有一定的参考价值。
关键词：高空核电磁脉冲 (HEMP) ,电磁特性,ShipEDF
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电子信息机房雷电电磁脉冲的防御 篇9
1 雷电电磁脉冲侵入信号设备的途径
1.1 空间电磁感应
雷电直击装置有信号设备的建筑物及装置有信号设备的场所附件的构筑物、地面突出物或大地时, 雷电电磁脉冲将在信号系统内产生过电压和过电流, 该现象称空间电磁感应。
1.2 线路感应
与信号系统设备相连的信号传输线路、向信号设备供电的电源系统、钢轨等设施上遭受直接雷击时产生的电磁脉冲, 或与信号系统设备相连的信号传输线路附近遭受直接雷击时, 感应在信号传输线上的电磁脉冲, 经线路传导侵入信号系统内的过电压和过电流。
1.3 地电位反击
雷击信号设备场地建筑物的避雷针 (或避雷带、避雷网) 时, 雷电流沿避雷针 (或避雷带、避雷网) 引下线进入接地装置引起地电位升高, 这时, 在信号系统接地导体和其他导体间产生的反击过电压。
2 电子信息机房的雷击电磁脉冲的防护
要确保电子信息机房内设备的安全, 除了要保证建筑物的直击雷措施完善之外, 还要从等电位联结, 屏蔽, 在大楼、电源柜、机房进线处装设浪涌保护器 (SPD) 等方面进行考虑。
2.1 等电位联结
等电位设计时将建筑物内的结构钢筋与各种金属装置及金属管线, 都连接成统一的良好导电体。在雷电流泄放时, 各点的电位同时升高, 以保证相互之间处于等电位。对于钢筋混凝土结构的建筑, 设计时将建筑物的基础钢筋、梁柱钢筋、金属框架、建筑物防雷引下线可靠地焊接、绑扎或搭接在一起。为实现建筑楼层之间的等电位, 应在楼层设置均压环, 同时再把各种金属设备和金属管线与之焊接或卡接起来, 形成闭合良好而接地的法拉第笼。将建筑物各部分的交流工作地、安全保护地、直流工作地、防雷接地与建筑物法拉第笼良好接地, 可避免接地线之间存在电位差, 以消除感应过电压的产生。
2.2 屏蔽
2.2.1 技术要求
利用建筑物和房间内部钢筋及附设于其上的金属框架等互相等电位联结在一起, 并与防雷装置相连, 同时对穿越的导电金属就近进行等电位联结以实现对建筑物的屏蔽。防雷技术规范给出格栅形大空间屏蔽内磁场强度的计算, 其中有一前提是格栅形网格宽度≤5m, 且计算点距屏蔽层还有一安全距离的要求。当格栅形屏蔽网格宽度大于5m, 就不能起屏蔽作用, 磁场强度就不会衰减。由此可见, 对于要求有屏蔽的系统在利用建筑物本身钢筋、金属框架等不能满足要求时, 还要另外加设金属网或其他能满足屏蔽的措施, 以合适的路径敷设线路, 增加线路屏蔽。
2.2.2 具体做法
在墙体的装修层内, 用2cm的铜条做成网格, 网格宽度≤5m。施工时注意将铜条每隔一个网格要锯一个小口子, 深度大概为原铜条尺寸的一半.为了进一步衰减磁场, 在天花和地板除了利用原金属框架外, 还可以用直径为2mm的铜线把对角连接, 离天花板的距离大概为20cm, 而且不用焊接。如果有条件, 需要在离地20~30cm处安装防静电的地板和选用防静电的电脑台。
2.3 等电位连接
建筑物内不带电金属物的等电位连接:包括各种金属管道、建筑钢筋、电缆屏蔽层、供电系统中的中性线或保护接地线、各种金属机械设备的外壳和它们间的金属管路等。建筑物顶不带电金属物的等电位连接:如电梯、通风、空调、旗杆、广告牌、铁栏杆等。建筑物外带电金属物的等电位连接:如上述设施的电源线、信号线、控制线等。
2.4 外电源线避雷器的布置
2.4.1 避雷器的级别选择
LPZ0 (A或B) 区与LPZl区交界面, 应安装第一级, 架空进线时应选用10/350μs波形的电压开关型SPD;或电缆进线时应选用8/20μs波形的限压型SPD, 安装位置应在进线开关中。LPZl和LPZ2交界面安装第二级SPD, 在安装的位置下端带有大量的电子信息设备和计算机, 安装位置如楼层配电箱, 计算机房, 保安监控中心等。LPZ2与后续防雷区交界面安装第三级SPD, 保护计算机和电子设备免受雷电感应过电压和操作过电压的危害。通讯网络和计算机网络按要求也宜安装SPD保护。
2.4.2 避雷器的布置原理
该布置是IEC1312的标准布置 (见图1) 。在LPZ0和LPZ1, U2=U1-I2R2, 可以看出:U2
3 结语
总之, 在信息系统中采用屏蔽、等电位联结、合理布线、加装电涌保护器是信息系统防雷击电磁脉冲的有效方法。这些措施联合使用, 互相配合, 各行其责、缺一不可。防雷技术已经进入规范阶段, 近几年, 我国先后出台若干强制性国家标准, 国际上已出台新的标准。电子信息机房的雷电电磁脉冲的防护是一个综合工程, 通过严格执行国家标准, 注重技术细节等措施可以大大降低雷击的风险。
参考文献
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