GB/Z 17624.3-2021 电磁兼容 综述 第3部分:高空电磁脉冲(HEMP)对民用设备和系统的效应.pdf

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标准编号:GB/Z 17624.3-2021
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标准类别:电力标准
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GB/Z 17624.3-2021 电磁兼容 综述 第3部分:高空电磁脉冲(HEMP)对民用设备和系统的效应.pdf

6.1参考文献[1]提到的试验

试验于1962年7月8日夜间大约11点<夏威夷当地时间(0900GMT,1962.7.9)>在约翰斯顿环 岛上空约400km高空爆炸,产生的能量近似为1MT。从爆炸点到夏威夷的瓦胡岛直线距离大约为 1400km。图1详细表示了爆炸的几何位置。 图2为参考文献[3」提到的试验的报道。这次试验被形容为“可能是历史上最宏伟的军事科学试 验”,它“在数干英里的空中触发了6min的壮观空中烟花”。在夏威夷,“耀眼的白色爆炸之后紧接的是 涵涌的五彩缤纷的各种颜色,从绿色和灿烂的黄色到橘黄色和鲜艳的血红色。”在试验场地以南2000英重 (3219km)的萨摩亚和4000英里(6437km)外的新西兰都观察到了极光。同时认为,这些彩色光是 由“正常保持在地球范艾伦带上的空间辐射离子的释放”产生的。这篇文章也提到,两颗在轨运行的卫 星记录了这次爆炸的效应。 根据所报告的电磁效应,提到了以下方面: 由于电离层受到强烈扰动,无线电通信停止了将近30min。 檀香山的大地测量结果表明,在爆炸的时候,所测的地磁场会非常快的增加,紧接着持续 5min到6min,然后在大约30min内逐渐趋于正常。这个快速的脉冲远超过当地科学家的 预期。 一在夏威夷,防盗自动警铃和空袭警报器在试验时失效。一部分路灯熄灭但有些却正常工作。 “对于这些电故障,没有直接的解释”。 试验结束后,檀香山当地的报纸也报道,试验时瓦胡岛不同地方的路灯熄灭。另外当地报纸在 1962年7月9日的头版中报道,“市政路灯部门今天声称,约翰斯顿岛核爆炸的冲击波咋晚损坏了岛上 好儿个地方的路灯保险丝”。一些报告表明30组路灯失效4。下述结果摘自参考文献L5」,该参考文献 研究了失效的其中一种特殊电路。 参考文献[5]的结论是,估计峰值为5.6kV/m的入射HEMP电场,在路灯电路中产生了足够的电 流(见图3),损坏了隔离变压器次级的盘状断路器。此变压器的额定电压为4kV,在60Hz时,盘状断 路器的失效电平高达1200V。对于HEMP感应电压波形,参考文献[5]估计是失效电平的五倍。对 于电流,工作电流是6.6A,失效电平估计为14A,而计算的HEMP感应传导共模电流为140A。参考

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断定GB/T 26024-2010 空调与制冷系统阀件用铜及铜合金无缝管,HEMP场和感应电流与观察到的失效情况一致。同时清楚的是,由于人射HEMP场的 路灯电路的许多不同方位,因此不同电路中的感应电流会有很大的不同,这就解释了为什么在 式验过程中只有部分夏威夷的路灯失效[5]

在约翰斯顿岛西南30km的爆炸 16°28'N.169°38'W

图1爆炸几何尺寸图,X表示约翰斯顿岛的位量

图2参考文献[3]的报

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6.2参考文献[2]提到的试验

图3参考文献[5]中街道的串联路灯系统

图5计算得到的500km通信线远端早期HEMP电场分量的时域波形

图5计算得到的500km通信线远端早期HEMP电场分量的时域波形

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得到的500km通信线远端早期HEMP电场分

D)R=574 km

使用大药8kV/m的早 电流,图7~图9示出了通信线上第2分段的计算 果(500km通信线远端的80km长的一段)。宜指 出的是,根据表1所示数据,将近30kV的早期HEMP感应电压已足够击穿避雷器。然而,计算的早期 电流小于100A,根据表2,该数值不足以产 器的损坏。此外,使用计算的近似10V/km的晚期 电场(仅计算了峰值),计算的通信线上感应的晚期电压和 电流近似分别为400V和4A,足以烧毁表2 所示的保险丝。参考文献[6]的作者认为,晚期HEMP场很可能导致了地面上通信线的失效。

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早期HEMP作用于80km长通信线第2分段的

图8计算得到的早期HEMP作用于80km长通信线第2分段的近端短路电流的

计算得到的早期HEMP作用于80km长通信线第2分段的近端短路电流的时域波形

图8计算得到的早期HEMP作用于80km长通信线第2分段的近端短路电流的时域波形(续

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表1避雷器作为电压波形特性函数的数据

7HEMP模拟器进行的辐射脱态试验

本章概述了5种辐射场模拟器试验。这些试验中,一些给出的是对商业设备的直接效应数据,而其 他给出了对耦合规范的确认,以验证实际HEMP条件下产生的传导环境的确切电平。然后使用这些经 确认的耦合规范来计算使用HEMP直接注人模拟器进行传导瞬态试验时要求的电平(见第8章)。

在20世纪80年代后期,使用FEMPS(快速上升电磁脉冲)HEMP模拟器对91种不同的消费电子

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行了试验,目的是得到工作在快速上升HEMP模拟器的附近时消费电子产品产生的潜在效应的 [7)。使用了低(6.7kV/m)、中(12.4kV/m)和高(16.6kV/m)3种HEMP峰值电场电平。所 表3所示,可清楚地看出,即使对于6.7kV/m的入射场,也观察到了很多严重扰乱,损坏则出 6kV/m的较高电平。

表3观察的FEMPS中设备运行状态的汇总

或由手低电平时已失效没有在该电平进行试验 ·见参考文献[7]。

在FEMPS(快速上升EMP)模拟器中完成试验后,一部分设备又重新进行试验,使用的是上升时间 较慢(大约为5ns)的4kV/m的脉冲场强。测量了设备多条连接电缆上的感应电流,目的是研究它们 的电平和时间特性(见图10~图14)。这些给出了进人设备的电流幅值。注意到,4kV/m的电场产生 的最大电流约为10A,所有波形都具有阻尼振荡特性。如果响应为线性,则对于50kV/m的HEMF 脉冲,这些电流的峰值预期大约为130A;然而,要注意的是,连接器中会出现电弧,从而减小了耦合电

图10在WRF测量的典型天线电耦合电流的时间响应

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图12在WRF测量的典型电源电缆耦合电流的时间响应

在WRF测量的典型扬声器导线耦合电流的时

WRF测量的典型计算机键盘耦合电流的时间

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表4受试无线电设备的信息汇总

表4受试无线电设备的信息汇总(续)

试验后设备检查观测到不工作。

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图15中压(MV)电力线相对于EMP模拟器的几何结构

图16图15中位置M处HEMP模拟器产生的感应电压(线对地)的测量值图a)和 计算值图b)的比较,在此处电力线进行了90°的转向

图16图15中位置M处HEMP模拟器产生的感应电压(线对地)的测量值图a)和 计算值图b)的比较,在此处电力线进行了90的转向(续)

图16图15中位置M处HEMP模拟器产生的感应电压(线对地)的测量值图a) 计算值图b)的比较,在此处电力线进行了90的转向(续)

图16图15中位置M处HEMP模拟器产生的感应电压(线对地)的测量值图a)和 计算值图b)的比较,在此处电力线进行了90的转向(续)

图17四个不同位 (图15中的点M和N),电力线 (图15中的点Q附近)

这项试验表明,当实际三线电力线的两端具有特征阻抗,20kV/m的HEMP非平面场对其激励 时,产生的感应电压近似为400kV,感应电流高达600A。此外,对于这种复杂的几何结构,长线耦合 模型准确,这表明在评估HEMP的效应时,使用基本模型具有足够的准确度。

7.5列车牵引线的耦合试验

单独一条线路(模拟一 条电力线 自其两端阳抗匹 实际 立于这一单条线路下方的铁路线上,位置对应于其中心(见图18)。一个组合的HEMP模拟器放

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距机车20m远的地方,产生水平极化的电磁场,其波形近似为参考文献L10」提到的以前某机构给出白 HEMP波形。这个波形的特征为: 一上升时间大约为10ns; 一下降到半峰值的时间大约为200ns; 电场峰值大约为50kV/m; 模拟器长度60m; 线路长度70m; 线路距离地面的高度为5m。 机车的铁轨近似代表良好的导电接地平面;作为评估的一部分,计算时需要用到这种假设[11)

图18使用单条电力线的机车进行HEMP仿直检测的几何结构

在=一7m,即图18所示机车左端的正上方,测量架空导线上的感应电流(见图19)。幅值为272A, 上升时间大约为20ns的耦合电流能够影响到列车的有关电气和电子系统。利用这种实证的电平(由于几 何结构的问题,这不是最坏的情况),可定义一个电流注人程序,更易于对连接铁路电力系统的设备进行测 试。为避免列车系统的损坏或故障,确定衰减这些HEMP感应电流和电压的方法是非常重要的。在 HEMP的辐射试验过程中,机车出现了需要修复的问题。需特别注意的是,HEMP感应电流会造成机车 的控制电子设备(TTL/CMOS)出现

7.6三相线路上HEMP产生的感应电流

图20放置在组合HEMP模拟器下方的三相线的几何结构

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图21比较了接地相线中测量的感应电流(实线)和使用Agrawal传输线模型L13J计算的感应电流。 图22示出了当移去接地导线时,开路中相相线流过的电流。这个峰值电流几乎与图19所示的接 地导线电流相同(240A相对于275A),但和接地导线短路的情况相比,由于相线的开路,因此波形的 衰减较慢。 在以上的情况中,这种试验清楚地证明了HEMP场对长线的耦合机理,可使用计算机模型进行准 确的预测。这支持了大气层核试验中得到的结论,在这些大气层核试验中,观察到了非预期的效应,但 没有进行测量。因此有必要计算引起已报道的系统效应的传导瞬态于扰。

图21屏蔽导线上流过的电流的测量值(实线)和计算值(虚线)

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LY/T 1974.1-2011 民族乐器锯材 古琴用材8HEMP模拟器进行的传导瞬态试验

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设备出现附加的破坏。图28所示为进行此类型试验的试验配置的范例。

8.2配电变压器的传导HEMP瞬态试验

表5配电变压器的试验汇总

DB33 766-2015 工业气体空分产品单位综合电耗限额及计算方法表5配电变压器的试验汇总(续)

图23表明电力线带电试验重要性的高压设备的HEMP试验研究[b)为110kV的电力线

24HEMP对110kV带电电力线的效应模拟试

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