高空核爆与雷电电磁脉冲特征及能量吸收技术

何量，高子钦，丘翊仙，罗小峰，黄昱，杨少杰

（1.广东省风力发电有限公司，广东广州 510630；2.广东佛山顺德伦教金盾防雷技术发展有限公司，广东佛山 528308；3.广东省气象局，广东广州 510080）

数据采集与监视控制系统（SCADA）系统通常没有考虑HEMP电磁脉冲的影响。美国曾进行了一系列SCADA常用组件的电磁脉冲敏感性试验，其中对以太网线缆的电磁脉冲耦合试验结果表明，耦合到60.96 m长以太网电缆的瞬态值大约是7.62 m长线的7倍、典型电子设备的以太网上可产生100～700 A的瞬态电流，所有暴露在电磁脉冲模拟环境下的被测系统都会出现故障［1］。我国电力、能源、交通、通信、金融等国家基础设施已广泛应用SCADA系统，一旦发生高能电磁脉冲（LEMP或HEMP）事件，后果不堪设想。如高铁，在遭到场强几kV/m电磁脉冲的作用下，信号系统就会发生故障［1］。2011年“7.23甬温线雷击”导致SCADA局部紊乱，酿成特重大高铁相撞事故，40人当场死亡、172人受伤，列车中断时间32 h 35 min，经济直接损失19 371.65万元［2］。

导致SCADA系统崩溃的高能电磁脉冲主要有HEMP、LEMP和地磁暴。对高能电磁脉冲的预防，基本的措施有屏蔽、接地、搭接、滤波和电涌吸收［1］。屏蔽的目的是减小电磁脉冲耦合引起线路过电压的幅值，接地和搭接可以防止闪络，滤波和电涌吸收是把已经发生的瞬态脉冲能量降低。可以设想，假如拥有电涌吸收能力强大的技术，便可降低屏蔽和滤波的严酷要求而保障SCADA的安全。显然，研究HEMP和LEMP的特征和高能吸收技术，研发能适用于HEMP和LEMP防护的电涌吸收装置具有重要意义。

1 高空核爆电磁脉冲

美国先后进行了5次高空核试验。“石膏-E”（RANETS-E）大功率微波武器在距爆点30 km处测得辐射场强10 kV/m。2002年美国公布MIL-STD-464A《系统的电磁环境效应要求》［3］，给出了HEMP的波形参数，见图1。

图1 高空核爆波形

从图1可以看出，HEMP的波形分为3个部分：E1为早期部分，E≈109V/m，d E/d t陡峭，持续时间为10-10～10-4s。E2为中期部分，E≈106V/m，持续时间为10-4～100s。E3为后期部分，E≈102V/m，持续时间为100～102s。

2 雷电电磁脉冲

2.1 LEMP的波形与参数

对雷电放电波形的描述，主要根据《雷电》、《雷电参数的工程应用》［4］、IEC61643-2011/2PFG《连接到低压电力系统的多脉冲浪涌保护装置附加要求和试验方法》［5］中关于雷电放电多脉冲和各种成分的观测结果。从图2可以看出，雷电一次放电包含多个脉冲，主要成分包括了首次回击、继后回击、M分量、连续电流CC和末次回击。

图2 雷电放电波形及主要成分

雷电一次放电主要参数包括［6］：

（1）平均间隔时间：t平均＝60 ms。

（2）最大间隔时间：t最大＝300～400 ms。

（3）放电脉冲数：P平均＝3～5个（瑞士记录到26个）。

（4）总电荷量：20～30 C（脉冲与CC电流约各占50%，圣萨尔瓦托山测得平均电荷8 C）。

（5）能量：W＝109～1010J（相当于5个100 W的电灯连续工作一个月）。

2.2 特点［7］

（1）电流变化率d i/d t剧烈。首次回击电流从0到峰值的时间变化约为5μs，电流变化从0升到最大值，其10%～90%的电流变化率d i/d t＝10～20 kA/μs。

（2）电场幅值大，高达103MV/m。

（3）电流幅值大，全球平均峰值电流为30 kA。

（4）持续时间约1 s。

上述特点同样决定了预防LEMP损害SCADA系统的困难，当LEMP产生的磁场强度达到2.4 GS时，集成电路将损坏。预防的方法是对SCADA进行综合保护，主要措施包括接闪、分流、共用接地、屏蔽、等电位、安全距离和电涌吸收［8-9］。

3 HEMP与LEMP的比较

把HEMP与LEMP比较的目的，旨在于二者之间的联系与区别，以便找出其共同点进行研究。

3.1 HEMP与LEMP的不同点

1）波形的包络线不同。

从波形的包络线看，HEMP的包络线是一个类似双指数波，与雷电放电的马鞍形包络线不同。在HEMP的E2和E3分量中分别有类同于雷电和地磁暴波形。用傅里叶变换可知不同包络线的瞬态波的频率分量、频幅和能量不同。

2）波形的幅值和陡度不同。

从波形的幅值看，HEMP的电场幅值高达103MV/m，而LEMP的源电场为102MV/m，LEMP电场强度是HEMP的1/10。HEMP的核闪电流幅值高达（250±50）kA，而LEMP电流强度全球平均为30 kA，LEMP电流强度也相当于HEMP的1/10。HEMP波形E1的陡度d E/d t≈104kV/ns，LEMP波形首次回击的陡度d i/d t≈10～20 kA/μs。

3）波形的持续时间不同。

从持续时间看，HEMP的持续时间10-10～102s，LEMP的持续时间约1 s。LEMP的持续时间只有HEMP持续时间的1/100。

3.2 HEMP与LEMP的相同点

1）引发放电的上行先导类同。

核爆使得负电荷在空中积累，从而引起放电现象。核闪电看起来与自然闪电或人工引雷由高建筑物触发的上行先导类似［6］。

2）E2与LEMP类同。

HEMP可分为E1、E2和E3。E1是自由传播的场，脉冲上升时间小于几个纳秒，会损坏电子设备，如SCADA、DCS、PLC和通信设备。E2是电磁脉冲的中间阶段，在频率上与闪电类似，虽然强度低于大多数自然闪电，但其地域广泛，类似于几千到几万个雷击同时发生。E3是后期电磁脉冲，类似于太阳风暴引起的地磁暴［1］。

3）预防方法相同。

对SCADA预防HEMP损坏的方法，美国电磁脉冲袭击对美威胁评估委员会提出的典型保护技术包括屏蔽、接地、搭接、滤波和电涌保护器。我国预防雷电损坏SCADA系统的方法包括接闪、分流、共用接地、屏蔽、等电位、安全距离和电涌吸收。很显然，预防的对象不同，防护的方法相同。

综上所述，HEMP与LEMP的波形参数在电场变化率、幅值、时间上有着巨大的差别。但是，两者都遵从麦克斯韦方程组的约束［10-11］，从而就有了几乎完全相同的防护技术路线和方法。进一步分析防护的各个环节，接地，搭接（等电位）与雷电防护没有本质的区别；屏蔽，滤波，电涌吸收与频率有关。要对SCADA系统进行有效的HEMP和LEMP防护，电涌吸收就成为关键技术。

4 HEMP与LEMP高能吸收技术

预防HEMP/LEMP损害，需要兼顾LEMP微秒级和HEMP纳秒级的瞬态脉冲能量吸收。采用多元4端网络，可实现较好的吸收效果。

4.1 不同波形陡度产生的电压

设计高能吸收器应了解瞬态脉冲不同波形参数在金属线路上产生电压的能力，见表1。

表1 5 kA不同波形参数的陡度和在1 m导线上产生的电压值1）

从表1可以看出，纳秒波产生的电压是微秒波的103倍，对HEMP的吸收要比LEMP严酷得多。

4.2 高能吸收器的测试

1）工作参数。

HEMP/LEMP高能吸收器的外观规格尺寸：长225 mm×宽228 mm×高72 mm。

①工作环境：U0＝220 V、U c＝385 V；输出电压：交流220 V、直流12和24 V。

②保护对象SCADA。

2）LEMP测试参数（加负载测试）

①注入波形：10/350μs。

②220 V输入端注入电流：2 kA。

3）HEMP测试参数（加负载测试）。

①注入波形：20/550 ns

②220 V输入端注入电流：2 kA。

4.3 测试结果

LEMP/HEMP高能吸收器测试结果见表2，测试输出残压Up的波形和幅值见图3和图4。

表2 吸收器测试结果

图3 LEMP 10/350μs，测试波形

图4 HEMP注入电流波形（a）和U p测试波形（b）

5 结论

1）HEMP的波形参数决定了防护的严酷性，其不规则包络线、大幅值、大陡度和长持续时间使得一次核爆产生的HEMP具有自由场、雷电电磁场、地磁暴电磁场的特征和破坏力，预防HEMP对SCADA的损害格外困难。特别是野外的SCADA系统，目前受到LEMP损害就十分严重［12-13］。LEMP仅相当于HEMP的E2。

2）HEMP与LEMP对SCADA损坏的物理过程类同，预防方法基本一致。对SCADA系统进行有效的HEMP和LEMP防护，电涌吸收是重要环节。