进入人防工程的架空线缆对HEMP耦合特性研究

袁继纲,陈海林,毛自文

(1.浙江省地下建筑设计院,浙江 杭州　310012;2.解放军理工大学 电磁环境效应与光电技术实验室,江苏 南京　210007;3.中国人民解放军第73698部队,江苏 南京　210007)



进入人防工程的架空线缆对HEMP耦合特性研究

袁继纲1,陈海林2,毛自文3

(1.浙江省地下建筑设计院,浙江 杭州310012;2.解放军理工大学 电磁环境效应与光电技术实验室,江苏 南京210007;3.中国人民解放军第73698部队,江苏 南京210007)

摘要高空核电磁脉冲(HEMP)能量可经长导体(如架空电力线、架空通信线等)耦合进入人防工程,而与这些长导体相连的电力、电子设备有可能遭受损坏。文中采用有损耗地面上传输线模型,通过数值仿真,研究架空线的长度、高度、负载阻抗、地面土壤电导率等参数与HEMP耦合特性的关系,为人防工程电磁脉冲防护提供依据。计算结果表明,在HEMP照射作用下,在50 m～1 km长的架空线的负载上能产生的感应电压幅度达几十千伏到上百千伏,感应电压的上升时间约在20 ns。

关键词HEMP;架空线;耦合;土壤电导率;有耗传输线

在信息化战争中,不仅要求人防工程抗得住核武器爆炸产生的冲击波、热辐射、核辐射等效应,而且必须确保电子、电气系统能够在核电磁脉冲环境中安全运行。解决人防工程的电磁脉冲防护问题,提高人防工程在信息化战争中的整体防护能力与综合防护能力是一项迫切而艰巨的任务。

核爆炸时,电磁脉冲能量经各种耦合途径,可进入人防工程内部,使其中的敏感电子、电气设备及系统受到干扰与损伤。以核电磁脉冲环境中的坑道式人防工程为例,电磁脉冲能量的主要耦合渠道有:对坑道工事自然防护层和钢筋混凝土被覆层的直接穿透;工事外露天线的接收;孔口耦合;电线、电缆和金属管道的耦合等[1]。

高空核爆炸时地球上凡能看到爆点的地方皆能受到电磁脉冲的影响。取爆高为40 km,则电磁脉冲覆盖的地面半径为712 km;爆高为80 km时,覆盖半径达1 000 km。因此,暴露在高空核爆炸电磁脉冲环境中的长导体可能收集到巨大的能量。而与这些长导体相连的电力、电子设备就可能遭受损坏。

核武器高空爆炸时,在地面附近,HEMP可分为早期、中期和晚期3个部分,按照国际电工委员会(IEC)制订的标准IEC 61000-2-9 高空核电磁脉冲环境——辐射骚扰的描述[2],HEMP早期部分的时域表达式为

E(t)=E0k(e-at-e-bt)

(1)

早期E0=50 000V/m,a=4×107s-1,b=6×108s-1,k=1.3,其上升时间和半峰值宽度分别为2.5ns和23ns。

HEMP早期部分通过天线、建筑物孔洞和一些长短导线,可耦合到中频、高频、甚高频和某些超高频频段的无线电设备中[1-3]。当作用于各种固定、移动、可运载的陆基系统以及飞机、导弹、水面舰艇的电子设备和部件时,可使之出现临时性故障或遭永久性破坏。因此,所有陆地上、水面上和机载的军用系统和设备基本上均必须考虑对于HEMP早期部分的防护。

本文采用传输线理论,计算架空线的长度、高度、负载阻抗、地面土壤电导率等参数与HEMP耦合特性的关系,为人防工程电磁脉冲防护提供依据。

1计算HEMP对架空线缆耦合的方法

地面上的架空线可看作为半无限媒质中单导体传输线,计算其终端负载响应计算模型如图2所示。该传输线的电报方程可用矩阵的形式表达[4-6]

(2)

图1　半无限媒质中单导体传输线终端负载响应计算模型

考虑全电压(泰勒)公式,负载电流可用对传输线上分布源的积分形式表示为

(3)

使用散射电压(Agrawal)公式,分布激励源项表示为

(4)

Z′(ω)=jωL′+Zg+Zω

(5)

(6)

式中,附加阻抗Zω是导体的内阻抗;Zg是地面阻抗;Yg是大地导纳。

Ianoz对有损耗地面上传输线的分布电感L′的计算中均将大地近似成对理想导体[4]。Vance直接给出了垂直极化平面波激励下,有耗地面上架空的电报方程[6-9],其分布电感L′和电容值C′的计算与Ianoz相同。文中采用以上的传输线模型,但其分布电感L′的计算考虑了土壤电导率的影响[10]。

2HEMP对架空线缆的耦合的计算结果

(1)架空线长度对耦合特性的影响。计算模型如图2所示,入射HEMP按照公式1,为均匀平面波,入射波的参数取θ=45°、Ψ=0、垂直极化;单导体传输线半径r=2mm,距地高度h=10m、土壤电导率为σ=0.01S/m、架空线两端负载均为20Ω;分别计算电缆长度L=50m,100m,500m,1 000m等4种情况。

计算结果如图2所示。可以看出,随着架空线长度的增加,HEMP在架空线终端20Ω负载上的耦合电压峰值从35kV增加到约54kV,上升时间约20ns。

图2　架空线的长度对HEMP耦合响应的影响

(2)架空线离地高度对耦合特性的影响。计算模型如图1所示,入射HEMP按照式(1),为均匀平面波,入射波的参数取θ=45°、Ψ=0、垂直极化;单导体传输线半径r=2 mm、土壤电导率为σ=0.01 S/m、电缆长度L=50 m、架空线两端负载均为20 Ω;分别计算电缆距地高度h=0.8 m,1 m,5 m,10 m。计算结果如图3所示。可以看出,随着架空线离地高度的增加,HEMP在架空线终端20 Ω负载上的耦合电压也增加,上升时间约20 ns。

图3　架空线的高度对HEMP耦合响应的影响

(3)架空线一端开路对耦合特性的影响。计算模型如图1所示,入射HEMP如式(1)所示,为均匀平面波,入射波的参数取θ=45°、Ψ=0、垂直极化;单导体传输线半径r=2 mm、土壤电导率为σ=0.01 S/m、电缆长度L=50 m、距地高度h=10 m。分别计算架空线两端均20 Ω接负载、一端接20 Ω负载另一端为开路两种情况时,另一端20 Ω负载上的耦合电压。计算结果如图4所示。可以看出,随着架空线一端开路时,HEMP在架空线终端20 Ω负载上的耦合电压为一衰减振荡波形,其峰峰值可达140 kV。

图4　架空线终端开路对HEMP耦合响应的影响

3结束语

本文采用传输线理论,计算架空线的长度、高度、负载阻抗等参数与HEMP耦合特性的关系,结论如下:(1)随着架空线长度从50 m增加到1 km,HEMP在架空线终端20 Ω负载上的耦合电压峰值从35 kV增加到约54 kV,上升时间约20 ns;(2)随着架空线离地高度的增加,HEMP在架空线终端20 Ω负载上的耦合电压也增加,上升时间约20 ns;(3)随着架空线一端开路时,HEMP在架空线另一个终端20 Ω负载上的耦合电压为一衰减振荡波形,其峰峰值可达140 kV。计算结果表明,在HEMP的照射作用下,在50 m～1 km～长的架空线的负载上能够产生的感应电压幅度达几十千伏到上百千伏,感应电压的上升时间约在20 ns。这对人防工程内的电子、电气系统构成严重威胁,必须采取适当的防护措施,以确保内部系统正常运行。

参考文献

[1]李德钜.人防工程核电磁脉冲设计[C].苏州:第四届全国电磁兼容学术交流大会,1996.

[2]IEC 61000-2-9.Description of HEMP environment-radiated disturbance[S].USA:IEC,1996.

[3]余同彬,周璧华.HEMP 作用下近地有限长电缆外皮感应电流研究[J].解放军理工大学学报:自然科学版,2002,3(1):8-12.

[4]Frederic M Tesche,Michel V Ianoz,Torbjorn Karlsson.EMC analysis methods and computational models[M].New York:John Wiley &Sons,Inc,1996.

[5]Frederic M Tesche.On the analysis of a transmission line with nonlinear teminations using the time-dependent BLT equation[J].IEEE Transactions on EMC,2007,49(2):427-433.

[6]谢彦召,王赞基,王群书.地面附近架高线缆HEMP响应计算的Agrawal和Taylor模型比较[J].强激光与粒子束,2005,17(4):575-580.

[7]徐军.多导体互连结构的电磁兼容性分析[D].北京:北京邮电大学,2010.

[8]孙蓓云,郑振兴,周辉,等.多芯屏蔽电缆电容的矩量法求解[J].强激光与粒子束,2000,12(6):749-752.

[9]郑勤红,解福瑶,蔡武德.多芯屏蔽电缆电容的多极理论分析[J].强激光与粒子束,2003,15(10):999-1002.

[11]Ma Ziwen,Gao Cheng,Chen Hailin,et al.The calculation method research on the distributed parameters of the transmission line in lossy semi-infinite medium[C].Hong Kong:2014 International Conference on Electrical and Electronic Engineering (EEE2014),2014.

HEMP Coupling Characteristics of Overhead Cable into Civil Air Defense Work

YUAN Jigang1,CHEN Hailin2,MAO Ziwen3

(1.Underground Architectural Design Institute of Zhejiang Province,Hangzhou 310012,China;2.PLA Electromagnetic Environment Effects and Optoelectronic Technology Laboratory University of Technology,Nanjing 210007,China;3.Troop 73698,PLA,Nanjing 210007,China)

AbstractThe huge power produced by high altitude nuclear explosion (HEMP) can be coupled into civil air defense shelters via long conductors (for example,overhead power and communication cables),resulting in the damage of power or electric equipments connected with them.The transmission line model above lossless ground is used in this paper.The coupling characteristics between HEMP and parameters including the length and height of overhead lines,load impedance,and ground soil conductivity are obtained by numeric simulation,which will provide the reference for electromagnetic pulse protection of civil air defense shelters.Calculation shows that under the illumination of HEMP,the amplitude of induced voltage produced in the load of overhead cables ranging from 50 m to 1 km can reach up to tens of kilovolts to hundreds of kilovolts with a rise time of induced voltage of about 20 ns.

KeywordsHEMP;overhead cable;coupling;soil conductivity;lossless transmission lines

中图分类号TN011

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-127-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.033

作者简介:袁继纲(1970—),男,高级工程师。研究方向:建筑电气。

收稿日期:2015- 08- 27