摘要
本文讨论了闪电电磁脉冲与高空核爆炸电磁脉冲的区别。文章还表明,这些差异不允许将LEMP经验转移到NEMP。作者质疑将电子设备接地作为对抗NEMP的主要保护原则的有效性,尽管所有的监管文件和标准都规定了这种保护方法。
关键词:接地,电子设备,电磁干扰,EMP, NEMP, LEMP,滤波器
简介
当闪电(LEMP)击中地面设施(树、塔、建筑物或避雷针)时产生的电磁脉冲(EMP)是自人类存在以来就已知的自然现象。在上个世纪,人们对这一现象进行了深入研究,并采用了一些方法和技术,这些方法和技术被广泛用于防止EMP。
至于高空核爆炸(NEMP)的电磁脉冲,在高海拔(30 ~ 400公里)的核武器爆炸时,发生在地面附近,情况则不同。第一次研究NEMP的试验于1962年夏天在美国举行。在这些试验中,记录了强大的电磁脉冲,可以极大地影响电子设备、通信和供电线路、无线电和雷达站。他们甚至破坏了距离爆炸中心约1500公里的夏威夷的路灯。1962年秋,苏联还在军事靶场sry - shagan(哈萨克斯坦卡拉干达地区)上空进行了三次高空核爆炸(每次容量为30万吨),目的是研究NEMP现象。
在这些试验中,在空中电话线电缆中记录了高达3400 A的脉冲电流,这导致了振幅高达28 kV的脉冲电压的出现;安装在设备上的所有避雷器的启动和所有保险丝的吹断,同时关闭通信系统;距离爆炸中心600公里的无线电通信系统受损;位于1000公里外的无线电定位装置中断;发电厂变压器、发电机损坏;架空输电线路绝缘子刺穿。
拜科努尔航天发射场的设备也据报严重受损。值得注意的是,这指的是20世纪60年代制造的设备,即使用机电元件和真空管的设备,它比现代数字和基于微处理器的设备更能抵抗EMP。
这两种电磁脉冲对物体的破坏性影响是相似的,由两个因素决定:施加在物体上的非常高的电压脉冲振幅和流经该物体的高脉冲电流,以及与这两个因素相关的其他次级电磁脉冲结果,这对电子和电气设备是危险和损坏的。
这种破坏性影响的相似性导致已经经过适当研究和测试的防雷方法和技术开始应用于NEMP。例如,防雷的基本原则是:通过尽可能小的电阻强制接地物体,并使用气体放电管和过滤器将脉冲能量转移到地面。
这是真的吗?LEMP和NEMP的规格是否如此相似,以允许相同的保护方法和技术?
LEMP与NEMP的主要区别
事实上,LEMP是两个电极之间的气体空间(空气)的局部电击穿,它们之间的电位差很高:云和地球(或位于地球上的物体,具有地球的电位差)图1所示。
然而,NEMP是一种分布电场,由于带电粒子的空间重新定位,例如核爆炸在大气中发生的复杂物理过程所产生的电子和离子,它覆盖的面积很大,影响距离爆炸中心数百公里到数千公里之外的物体。beplay官方免费下载图1所示。
图1所示。闪电和高空核爆炸冲击区域。
而且该字段的结构不统一,可以有条件地分成三个组成部分:Е1, Е2和Е3。E1是在地表附近形成的形状为2/ 25ns的极短电场脉冲,场强梯度为50kv /m。E2是一个较弱的电场脉冲,持续时间从几毫秒到几十毫秒不等。E3是一个很长的低压电场脉冲,它与电离层介质中的各种过程有关。这可以持续几分钟,并规定在长距离导电介质(如轨道、管道、电缆和电线)中发生明显的准直流电流。E1是最强大的,破坏性和复杂的脉冲(从保护的角度来看),具有垂直和水平偏振部分。因此,当在本文中提到NEMP时,它指的是E1作为它的主要组件。
与LEMP相比,NEMP的威力较小(图2),时间也短得多(图3),但由于它覆盖面积大,同时影响数千个设施;它比LEMP更危险。
图2所示。LEMP和NEMP能量的谱密度.
图3所示。LEMP和NEMP时间参数的差异
如上所述,LEMP和NEMP都可以在一段距离内重新定位,并以不同的方式到达地面。如果LEMP通过以单线或甚至支线为代表的电离通道重新定位,情况或多或少是清楚的。然而,NEMP的情况要复杂得多。首先,NEMP在地面附近的电场形状受地球磁场的影响而发展;它相当不平。第二,电磁波以特定的角度到达地面,因此地面附近的电场既有垂直分量,也有水平分量。第三,部分以一定角度落在地面上的电磁能会被反射并与落在地面上的能量合并。
LEMP和NEMP之间的这些差异使我们可以假设它们对位于地表的物体的影响是不同的。
事实上,如果我们取一根10米长的金属棒,将其一端垂直插入土壤中,并在其上安装电流传感器,当闪电击中金属棒的开口端时,传感器将记录流经该金属棒的高振幅电流,因为其接地端具有零(有条件的)电位,而上端则具有高(相对于地)闪电电位。
当我们将棒的底部与地面绝缘并垂直安装时,即使我们假设闪电击中它,棒的两端之间也没有电位差(由于棒的两端相对于地面的电容值较低,可以忽略不计),那么棒中就不会有电流。
如果NEMP撞击同一根绝缘棒,其两端之间会有很大的电位差(理论上有几十千伏),电流传感器会记录到流过绝缘棒的相对高幅值电流脉冲。此外,即使杆的两端相对于地面水平放置,也会出现高电位差。
如果我们把水平杆的一端接地会发生什么?这是一个更复杂的情况,因为NEMP渗透到土壤中,并直接在土壤中引起梯度。这种影响考虑了中性点接地输电线路的模型来研究NEMP的影响。在这种模型中,线路到地面的开放第二端上的电压将取决于传输线离地高度、长度和土壤电导率[1]。但这个模型不是我们的情况下,绝缘杆的两端,在我们的情况下,接地其中一个端点不影响两端之间的电压梯度。
同样的效果也会发生在安装在控制室的机柜中的单个电子设备上,其输入端连接有完全电气绝缘(不考虑接地能力)的控制电缆。影响这些电缆的电场与地面及其电位无关。换句话说,这种两端由NEMP产生电位差的电缆作为电子设备与地绝缘的EMP源。它的工作原理是一个绝缘体中的充电蓄电池。
当蓄电池只有一极接地时会发生什么?就没有什么!既不与蓄电池,也不与绝缘负载,从这个蓄能器接收电力。
那么,如果我们将NEMP影响的小局部物体作为内部有电子设备的控制柜接地,为什么会发生一些事情呢?这个问题是非常重要和高度相关的,因为它直接影响到旨在确保免受NEMP保护的设备的效率。根据[2]:“早期E1 HEMP波形还有效耦合到连接到设备(电源,信号线等)的短线(1-10米),并可以诱导可传导到设备内部的大电压和电流”。在这个句子中,与ground没有关系。
不幸的是,在适合同时测试电气控制柜组之间的电缆连接的开放区域测试现场模拟器(OATS)中研究这种现象是非常困难的,因为大多数此类模拟器包含一个马克斯发电机和两个电极:一个接地网和另一个绝缘网,放置在接地网之上,高度为5 - 20米。图4(所谓的“单端口开放波导模拟器”)。
图4所示。单端口开放区域导波模拟器,产生垂直电场。
模拟电脉冲场直接施加在这两个电极之间,在上电极和地面之间。在这种模拟器中,对被测设备进行良好的接地(即设备的屏蔽和金属外壳与下电极之间的低阻抗连接)将始终起到与雷电测试一样有效的保护手段的作用。
下电极接地是为了在实验体积中模拟地面反射对磁场的影响。然而,相比之下,在小型辐射试验设施中,被测设备(EUT)应按照IEC 61000-4-20标准[7]放置在测试体积内的接地平面以上的介电架上。我们认为,在大型OATS中研究上述现象也可以在不接地的EUT与下电极之间使用电介质板。
电气设备接地作为新电磁的主要保护手段
各种标准(民用和军用)以及不同的指南和建议都证明了强制所有类型的电子和电气设备接地的必要性,作为防止NEMP的主要保护手段。但是,如果接地系统不作为NEMP的相反电极(不像雷击),原因是什么呢?
根据[3]“一般来说,接地的原因是多种多样的,在没有首先确定接地的原因和接地系统应该达到的目标的情况下,试图规定接地程序是放肆的。这些原因和目标通常是基于系统功能、安全性和射频干扰的考虑作为接地系统设计的考虑因素,至少增加了一个目标(EMP硬度),但接地的原因可能保持不变。在电子设备中提供“地”的基本原因是建立一个可靠的参考电势,以此来测量信号和电源电压。
这些考虑是在所有与NEMP相关的文件中对标准接地方法提出标准建议的原因,尽管接地并不是针对NEMP的明确和可靠的保护手段。但出于电子设备的功能和安全考虑以及参考电位的需要,还有另一种直接接地的解决方案[4 - 6]。同时,很明显,分支的、空间分布的接地系统作为NEMP的巨大天线,吸收大面积的能量,并通过接地电路直接传递到敏感的电子设备上。当然,导电土壤会部分降低能量水平。然而,进入系统的部分足以直接导致高敏感微处理器设备的电子电路(如数字保护继电器- DPR)的危险潜在上升:
-“设施的许多元素可以作为有效的收集器,并为EMP能量提供传播路径。EMP可以连接到电力和电话线、天线塔、地下管道和设施接地系统[8]等结构;
-“根据耦合计算,在变电站场区,高达10千伏的电平可能耦合到水平埋线(尽管在某些情况下可能是20千伏)”[2];
“地”通常被认为是电路的一部分,对局部地表具有相对较低的阻抗。然而,满足这一定义的特定接地布置可能不是最优的,可能比没有接地进行EMP保护还要糟糕。
-“然而,对于HEMP保护,接地系统被认为是瞬态渗透到系统中的潜在路径,也是将瞬态分布到整个内部[10]的一种方法。
在许多工程书籍和文献中,关于接地有两种相互矛盾的观点,例如:
“因此,HEMP的主要作用是在大型结构和导体如电线、埋地电缆和天线以及设施接地系统中产生大电压或大电流”(第935页)....在同一页上:“所有接地和包围技术的目标是将hemp诱导的电流重定向到地球”[11]。
“接地并不直接提供对电磁脉冲的保护…”(第5-3页)和
“EMP保护所需的接地…(第5-5页)”[8]。
从这些观点中可以得出什么结论呢?
事实上,这种设备的许多单独的印刷电路板都有自己的“接地”,即导体条系统,具有所谓的“零”或“参考”电位;设备运行所需的所有其他潜力都将相对于前者出现。通常,这个内部接地连接到一个金属体,而这个金属体又连接到一个外部接地系统。众所周知,在常见的雷击下,接地系统的电势会增加。同时认为,如果一个接地系统中所有的电子设备共用电势,即各种设备的“零电势”电路之间不存在电势差,则所有设备同时发生的这种共电势的增加及其与零的差,不会引起这些设备的故障。
整个接地理论是基于这样的假设,规定保持接地系统各元素的最小电阻,使用等电位平面等,换句话说,旨在防止“零电位”电路之间的电位差的措施,彼此之间的距离,因此接地在不同的位置,但同时它们保持电气和信息接触。此外,在单个电子设备的“零电位”电路上升过程中发生了什么问题没有得到解决。事实上,任何电子电路都包含大量的非线性元件,以及那些具有电容和电感并连接到“零电位”电路的元件。因此,在电路中电位上升的过程中,电压和电流不会在电路的不同点同时上升。
你可以把它想象成一个支撑不同质量重量的板通过不同刚性的弹簧连接到这个板上。如果我们开始逐渐抬升这个板块(即势能逐渐增加的过程中),停留在这个板块上的所有元素的势能将同时增加。然而,如果我们突然抬升板块,元素不会同时改变它们的位置和势能。此外,如果它们在机械上结合在一起,也许这甚至会导致这些连接的断裂。因此,等电位平面的可用性和在不同器件的“零电位”电路之间保持零差并不能保证高敏感电子设备不发生故障。
在现实生活中,当使用位于空间设施中的电子设备时,“零电位”电路之间的电位差保持为零是非常困难的,有时甚至是不可能的,特别是当接地系统作为天线工作时,图5
图5所示。NEMP E1组件对接地系统的影响,说明高电压对接地体中相距较远的电子设备输入的影响。
对于大型能源生产企业和工业企业,如发电厂、变电站、炼油厂等都是如此。
防止NEMP的保护装置
通常,为保护设备免受NEMP过电压影响而设计的设备连接在被保护电路和接地系统之间(共模保护),图6所示。
图6所示。针对NEMP的各种lc滤波器和保护脉冲过电压的装置的简化设计,具有将脉冲能量从输入转移到地面的平行元件。VR -压敏电阻,GDT -气体放电管。
用于NEMP保护的特殊滤波器包括将脉冲能量从滤波器输入转移到地面的非线性元件,图7所示。
图7所示。真实设计的三相NEMP滤波器,其中包含非线性电阻连接在滤波器的每个输入和地面之间(此外还有将能量转移到地面的电容器)。
另一个问题是,在输入和地面之间施加的脉冲与在单独输入之间施加的脉冲相比,这种滤波器的参数不同,图7.同时在各输入与地面之间设计了主保护。许多滤波器被设计成只有一个输入端,一个输出端和接地体(图8).因此,它们旨在仅保护设备的敏感输入不受相对于地面具有较高振幅的脉冲的影响,并将能量从输入转移到地面。
图8所示。保护免受NEMP脉冲的滤波器应用于相对于地面的设备输入端子。
但是,当接地系统不代表NEMP的反向电位或零电位区域时,脉冲能量将被转移到哪里?当类似的脉冲同时出现在接地电极上,同时在滤波器或过电压保护装置的输入端出现高压脉冲时,该滤波器将如何削弱NEMP?
这些问题仍有待解答。因此,专家们邀请对这个问题进行积极的讨论,因为“接地可能不是解决办法;相反,它可能是问题的一部分。
结论
使用电子和电气设备的接地作为NEMP的主要保护不仅值得怀疑,而且可能是危险的,因为它不是削弱NEMP,而是会增强其对设备的破坏性影响。但是,由于所有的法规文件都规定了这种接地,这个问题还需要与相关专家进一步讨论。
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