搜索结果: GB/T 18039.10-2018, GB/T18039.10-2018, GBT 18039.10-2018, GBT18039.10-2018
| 标准编号 | GB/T 18039.10-2018 (GB/T18039.10-2018) | | 中文名称 | 电磁兼容 环境 HEMP环境描述 辐射骚扰 | | 英文名称 | Electromagnetic compatibility (EMC) -- Environment -- Description of HEMP environment -- Radiated disturbance | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | L06 | | 国际标准分类 | 33.100 | | 字数估计 | 19,172 | | 发布日期 | 2018-05-14 | | 实施日期 | 2018-12-01 | | 标准依据 | 国家标准公告2018年第6号 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 18039.10-2018
Electromagnetic compatibility(EMC)--Environment--Description of HEMP environment--Radiated disturbance
ICS 33.100
L06
中华人民共和国国家标准
电磁兼容 环境
HEMP环境描述 辐射骚扰
2018-05-14发布
2018-12-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
中国国家标准化管理委员会 发 布
目次
前言 Ⅲ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 概述 1
4 术语和定义 1
5 高空电磁脉冲环境的描述、辐射参数 4
5.1 高空核爆炸 4
5.2 HEMP在地面作用范围 5
5.3 HEMP时域波形 6
5.4 磁场分量 11
5.5 HEMP幅值谱和能量注量谱 11
5.6 早期、中期和晚期HEMP的影响权重 13
5.7 反射和透射 13
前言
《电磁兼容 环境》分为以下部分:
---GB/Z 18039.1-2000 电磁兼容 环境 电磁环境的分类;
---GB/Z 18039.2-2000 电磁兼容 环境 工业设备电源低频传导骚扰发射水平的评估;
---GB/T 18039.3-2017 电磁兼容 环境 公用低压供电系统低频传导骚扰及信号传输的兼
容水平;
---GB/T 18039.4-2017 电磁兼容 环境 工厂低频传导骚扰的兼容水平;
---GB/Z 18039.5-2003 电磁兼容 环境 公用供电系统低频传导骚扰及信号传输的电磁
环境;
---GB/Z 18039.6-2005 电磁兼容 环境 各种环境中的低频磁场;
---GB/Z 18039.7-2011 电磁兼容 环境 公用供电系统中的电压暂降、短时中断及其测量统
计结果;
---GB/T 18039.8-2012 电磁兼容 环境 高空核电磁脉冲(HEMP)环境描述 传导骚扰;
---GB/T 18039.9-2013 电磁兼容 环境 公用中压供电系统低频传导骚扰及信号传输的兼
容水平;
本部分为GB/T 18039的第10部分。
本部分按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本部分使用翻译法等同采用IEC 61000-2-9:1996《电磁兼容(EMC) 第2部分:环境 第9节:
HEMP环境描述 辐射骚扰》。
本部分做了下列编辑性修改:
---为与现有标准系列一致,将本部分名称改为《电磁兼容 环境 HEMP环境描述 辐射骚扰》。
---根据原文意,将原文图5左上角上公式移至图5的脚注。
---根据中文行文习惯,将原文图14a)、14b)的说明性文字置于图14的图题之前。
---根据中文行文习惯,将原文图15的说明性文字置于图15的图题之前。
---根据中文行文习惯,将原文图16a)、16b)的说明性文字置于图16的图题之前。
本部分由全国电磁兼容标准化技术委员会(SAC/TC246)提出并归口。
本部分起草单位:清华大学。
本部分主要起草人:孟萃、李鑫、谭兆杰、范亚芳。
电磁兼容 环境
HEMP环境描述 辐射骚扰
1 范围
《电磁兼容 环境》的本部分定义了高空电磁脉冲(HEMP)环境,即高空核爆炸的效应之一。
研究这个题目需要考虑两种情况:
---高空核爆炸;
---低空核爆炸。
对于民用系统来说,最严重的一种情况是高空核爆炸。在这种情况下,核爆炸的其他效应,如爆炸、
地面冲击、热辐射及致电离辐射均不会影响到地面。然而,核爆炸产生的电磁脉冲可能会引起通信系
统、电子和电力系统的损伤和毁坏,进而影响现代社会的稳定。
本部分的目的是建立HEMP环境的一个一般参考,为敏感设备选择实际环境参数,从而评估其敏
感度。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 4365-2003 电工术语 电磁兼容[idtIEC 60050(161):1990]
3 概述
高空(高于30km)核爆炸会产生3类电磁脉冲,这3类电磁脉冲在地球表面都可以观测到:
---早期高空电磁脉冲(快);
---中期高空电磁脉冲(中等);
---晚期高空电磁脉冲(慢)。
从历史上看,人们将大部分注意力都集中在早期高空电磁脉冲上,曾经一度将高空电磁脉冲简单认
为就是指早期高空电磁脉冲。而在这里,我们使用的术语“高空EMP”或“HEMP”将包括所有这3类电
磁脉冲。术语核电磁脉冲(NEMP1))则覆盖很多类别,其中包括地面核爆炸产生的源区核电磁脉冲
(SREMP2))以及在空间系统激励的系统电磁脉冲(SGEMP3))。
由于高空电磁脉冲(HEMP)是由高空核爆炸产生,在地面将不存在其他核武器效应,如γ射线、热
辐射、冲击波等。20世纪60年代初,美国在南太平洋进行高空核爆试验,结果对远离爆炸点的电子设
备产生巨大效应的报告中首次出现了高空电磁脉冲(HEMP)这个术语。
1) NEMP:核电磁脉冲。
2) SREMP:源区核电磁脉冲。
3) SGEMP:系统电磁脉冲。
4 术语和定义
GB/T 4365-2003界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
4.1
在水平面的垂直平面中,传播方向与水平平面(地平面)之间夹角(见图1)。
图1 关于极化、仰角Ψ 和方位角Φ 的定义
4.2
方位角 azimuthangle
传播方向在地平面上的投影与目标的主轴(图1中对传输线来说为Z轴)之间夹角。
4.3
复合波形 compositewaveform
将一组波形中最重要特征最大化的波形。
4.4
耦合 coupling
高空电磁脉冲与系统作用,在系统表面和线缆上产生电流和电压。电压是由感生电荷产生的,仅定
义于低频且波长大于表面或缝隙尺寸时。
4.5
传播矢量k
→ 的方向,与电场及磁场矢量所在平面垂直(见图2)。
图2 平面波的几何学定义
4.6
E1、E2、E3
分别指早期、中期和晚期高空电磁脉冲的电场。
4.7
任意电磁脉冲,总称。
4.8
能流 energyfluence
坡印亭矢量的时间积分,单位为J/m2。
4.9
地磁倾角 geomagneticdipangle
θdip
地磁场通量密度矢量B→e的倾角,即该点地磁场所在南北极平面与水平面之间夹角,在地磁场北极
θdip=90°,在地磁场南极为θdip=-90°(见图3)。
图3 地磁场倾角
4.10
爆心地面投影点 groundzero
爆心垂直投影到地球表面的点,有时也称为表面零点。
4.11
HEMP high-altitudenuclearEMP
高空电磁脉冲。
4.12
爆心高度在30km以上的爆炸。
4.13
爆心高度 heightofburst;HOB
爆心的高度。
4.14
如果一个电磁波,其磁场矢量在入射面,电场矢量与入射面垂直且与地平面平行,则称其为水平极
化(图1)。这种极化场也称为横电场(TE)。
4.15
入射面 incidenceplane
由传播矢量与地平面法线形成的平面。
4.16
爆心高度低于1km的核爆炸。
4.17
核电磁脉冲 nuclearEMP;NEMP
由核爆炸产生的所有类型电磁脉冲总称。
4.18
极化 polarization
电场矢量方向。
4.19
瞬发辐射 promptradiation
在爆炸后1μs内辐射出的核能。
4.20
源区电磁脉冲 sourceregionEMP;SREMP
由瞬发辐射在空气中激发出电流(源)而产生的核电磁脉冲。
4.21
切点 tangentpoint
地球表面一点,从爆心到地球表面引一条切线,该切线与地球的交点。
4.22
切向半径 tangentradius
沿地球表面由爆心地面投影点到任一切点的长度。
4.23
垂直极化 verticalpolarization
如果一个电磁波,其电场矢量在入射面,磁场矢量与入射面垂直且与地平面平行,则称其为垂直极
化(图1)。这种极化场也称为横磁场(TM)。
5 高空电磁脉冲环境的描述、辐射参数
5.1 高空核爆炸
当核武器在高空爆炸时,爆炸产生的大部分瞬发辐射(如X射线、γ射线以及中子)能量在爆心下方
的高密度大气层沉积。在沉积区内(也称源区),γ射线与空气分子发生康普顿作用,产生康普顿电子。
这些运动电子在地球磁场的作用下发生偏转,产生横向的电流,从而产生一个横向的电场并传播到地球
表面。上述机理描述了早期HEMP的产生过程,如图4所示。早期HEMP的描述参数如下:峰值场强
大(几十千伏每米),上升前沿快(几纳秒),持续时间短(最多100ns),波阻抗为377Ω。早期 HEMP辐
射范围是爆心视野范围内的地球表面,电场的极化方向与其传播方向和沉积区内的局部地磁场方向垂
直。在北半球和南半球上距离赤道足够远处,早期HEMP电场极化方向几乎是水平的。
紧接着早期快HEMP瞬态脉冲,由爆炸辐射中子产生的散射γ射线和硬γ射线发生附加电离,产
生第二部分(中期)HEMP信号。该部分信号的幅值在10V/m到100V/m范围内,持续时间在100ns
到几十毫秒。
最后一部分 HEMP信号---晚期 HEMP,也称为磁流体动力学电磁脉冲(MHD-EMP)。晚期
HEMP电场幅值小(几十V/m),上升前沿慢(几秒),持续时间长(几百秒)。它会在电力线网和通信网
络上感应出电流,其作用效果与在加拿大和北欧等国家经常观测到的太阳磁暴在电力线网和通信网络
上的作用效果类似。晚期HEMP与通信网络和电网作用,产生感应电流,将会造成谐波和相位的失衡,
从而会对主要电力系统部件(如变压器)造成损伤。
图4 高空核爆炸产生早期HEMP图解
5.2 HEMP在地面作用范围
高空核爆炸时,HEMP在地面的作用范围取决于爆炸高度和爆炸当量。在作用范围内不同位置处
观测到的电场信号差别非常大(比如峰值、上升时间、持续时间或是极化方向),例如,对北半球的高空核
爆炸,最大峰值电场(记为Emax)出现在爆心地面投影点的南面,高达50kV/m(该值取决于爆高以及爆
炸当量)。图5描述了早期HEMP在地球表面作用范围的切向半径与爆高(HOB)的关系。例如,爆高
50km时,早期HEMP在地面的作用半径为800km;爆高500km时,作用半径为2500km。图6所示
为不同爆高下,早期HEMP在地面作用范围内峰值场强的变化。
aRT≈110 HOB,HOB≤500km。
图5 HEMP在地球表面作用范围切向半径与爆炸高度的关系
5.3 HEMP时域波形
在本条中,用电场的时域波形分别代表早期、中期和晚期的HEMP环境。
5.3.1 早期HEMP时域波形
图6中的A、B、C三个不同位置处的早期 HEMP时域波形如图7所示。由于早期 HEMP在地面
不同位置处的入射波形变化大,且爆点位置无法预测,所以将构造一个普适的HEMP时域波形,该波形
需保留近投影点处电场波形的上升时间以及最大峰值范围内的峰值。所有位置处电场波形的包络,就
是一个极端情况下的普适波形。国际上根据早期 HEMP作用范围内所有电场频域波形的傅里叶变换
包络,构造了一个更实际可、民用的普适电场波形,即参数为2.5ns/23ns的脉冲波形。
图6 爆炸地面投影点在北纬30°~60°内,爆炸高度在100km~500km范围内,地面上
峰值电场的典型变化(该数据适用于爆炸当量为十万吨级或更大的情况)
图7 图6中三个典型位置(A,B,C)处早期HEMP电场波形以及三者的合成波形
综上所述,自由空间内的早期HEMP电场波形如式(1):
E1(t)=
0 当t≤0
E01·k1(e-a1t-e-b1t) 当t≥0{ (1)
E01=50000V/m
a1=4×107s-1
b1=6×108s-1
k1=1.3
式中:
E1---电场强度,单位为伏每米(V/m);
t ---时间,单位为秒(s)。
根据式(1)作图8a)和图8b),其中图8a)显示的是脉冲的上升前沿特性;图8b)显示脉冲的后沿特
性。由于图8a)和图8b)中的波形包含了任一早期 HEMP的特征,所以此波形可认为是标准波形。该
脉冲波形的峰值为50kV/m,10%~90%上升前沿为2.5ns,峰值时间为4.8ns,半高宽为23ns。该早
期HEMP波形的能注量为0.114J/m2。
需要强调的是,早期HEMP是一个入射场,而在上面的讨论并没有考虑地面的反射,关于地面反射
的情况见5.7。由于入射电场极化方向垂直于电磁波的传播方向和地磁场方向,因此早期 HEMP在地
面作用范围的切点处,电场的局部垂直分量在爆点的地磁东侧和西侧达到最大,而在南侧和北侧为0。
由于爆点的位置未知,电场的垂直和水平分量可按式(2)定义:
fv≤cosθdip
fh≥sinθdip
f2v+f2h=1
ïï
ïï
(2)
关于θdip的值参见图8c)。
a) 0ns~10ns(脉冲上升前沿)
b) 0ns~50ns(脉冲衰落特征)
图8 早期HEMP情况(电场部分)
c)θdip-地磁场倾角
图8(续)
5.3.2 中期HEMP波形
中期HEMP幅值在10V/m~100V/m范围内,持续时间在0.1μs至0.01s之间。与早期HEMP
类似,中期HEMP也可定义为相同极化方向的入射场。在经过地球的反射之后,电场水平分量很小,基
本是垂直极化。
中期HEMP在自由空间内的电场时域波形如式(3):
E2(t)=
0 当t≤0
E02·k2(e-a2t-e-b2t) 当t≥0{ (3)
E02=100V/m
a2=1000s-1
b2=6×108s-1
ki=1
式中:
E2---电场强度,单位为伏每米(V/m);
t ---时间,单位为秒(s)。
图10展示了上述电场波形,波形峰值为100V/m,脉冲半高宽为693μs,能注量为0.0133J/m2。
5.3.3 晚期HEMP
晚期HEMP是由磁流体动力学效应产生的,在地球内产生的电场约为几十毫伏每米,持续时间在
1s到1000s之内,水平极化。
在地表下土壤电导率σg=10-4s/m,约距地表深100km处,晚期HEMP电场时域波形如式(4):
E3(t)=Ei(t)-Ej(t) (4)
其中:
Ei(t)=
0 当τ≤0
E0i·ki(e-aiτ-e-biτ) 当τ≥0{ (5)
τ=t-1
E0i=0.04V/m
ai=0.02s-1
bi=2s-1
ki=1.058
Ej(t)=
0 当τ≤0
E0j·kj(e-ajτ-e-bjτ) 当τ≥0{ (6)
τ=t-1
E0j=0.01326V/m
aj=0.015s-1
bj=0.02s-1
kj=9.481
电场场强单位为V/m,时间单位为s。上述波形如图9所示,图中σg 是大地电导率。对其他大地
电导率,E3~σ-1/2g 。
图9 晚期HEMP标准波形
图9中,波形的峰值场强为38mV/m,上升时间约为0.9s,正脉冲宽度20s,负脉冲宽度130s。
5.3.4 完整的标准HEMP电场时域波形
图10所示为上述3种不同时期的HEMP电场波形的总和。需要强调的是:E1(t)和E2(t)是入射
波,具有相同的极化方向;而E3(t)是地球内部感应的电场,水平极化。
图10 完整的HEMP标准时域波形
5.4 磁场分量
当电磁波频率f大于1.6kHz,距离源30km(源区高度,参见图4)外,下述著名的远场准则成立
[见式(7)]:
r≥
2π=
2πf
(7)
式中:
λ---波长;
c---光速。
对于HEMP,上式在爆后100μs内都成立。因此,将图10中100μs前的 HEMP电场波形除以
Z0=120πΩ后就可以得到磁场波形。这样,由式(1)可得到入射磁场的峰值见式(8):
H01=
E01
Z0 =
50000
120π =132.6
(8)
式中:
E01---电场强度,单位为伏每米(V/m);
Z0 ---阻抗,单位为欧姆(Ω);
H01---磁场强度,单位为安培每米(A/m)。
5.5 HEMP幅值谱和能量注量谱
多数典型的HEMP能量收集器都是频率选择的。因此,务必获得 HEMP的能量频谱。对上面得
到的HEMP电场时域波形进行傅里叶变换后就能得到电场频域波形如式(9):
(f)=∫
+∞
E(t)·e-i2πftdt (9)
对于式(1)、式(3)、式(5)及式(6)中的一般解析形式的时域波形,其傅里叶变换的解析形式如
式(10):
m(f)=
E0m·km(bm -am)
(j2πf+am)(j2πf+bm)
·e-jφ (10)
式中:
m---1,2,i或j;
φ---相位偏移角(对于E1 和E2,φ=0;Ei 和Ej,φ=2πf)。
图11所示为HEMP电场的幅值密度频谱,E1、E2、E3 分别代表3个不同时间段的HEMP。
图11 HEMP各成分的幅值频谱
功率谱S(f)描述了各频点的能量密度,例如当f >103Hz,远场区内有:
S(f)=
2E
(f)2
Z0
(11)
式中:
Z0=120πΩ。
在频域内对式(11)作积分,可以得到早期HEMP电场E1 的能量注量如式(12):
WT =∫
+∞
103
S(f)·dfWf=∫
f1
103
S(f)·df (12)
图12所示为早期HEMP电场能量注量在频域内的变化曲线。从图中可以看出:105Hz处,能量注
量为2%;而在108Hz处约为98%,即有96%的能量沉积在105Hz~108Hz频率范围内。这说明,早期
HEMP的主要能量集中在0.1MHz到100MHz频率范围内。
图12 早期HEMP部分能量注量,从f=103Hz到f1
从图11中可以看出,分别当f< 104Hz和f< 1Hz时,E2、E3 的幅值谱高于E1 的幅值谱。除此
之外,E2 和E3 的总能量注量仅有0.013J/m2,而E1 的总能量注量有0.144J/m2。中期和晚期HEMP
的能量注量相较于早期的可以忽略不计。
然而,需要强调的是:由“天线”接受并传导至“敏感器件”的电磁场能量不仅仅依赖于总的入射能量
注量WT。因为在系统内部电子设备上感应的电压和电流还受耦合机制、系统拓扑结构、阻抗匹配的影
响;而在电网中电子设备上感应的电压和电流还受介质击穿后的后续电流的影响。
5.6 早期、中期和晚期HEMP的影响权重
由于中期和晚期HEMP的幅值小,因此在公开的文献资料中,中期和晚期 HEMP效应经常被忽
略。相较于早期HEMP50000V/m的电场峰值,中期的100V/m和晚期的40mV/m可忽略不计。
在某些情况下上述推论是有依据的,特别是当“敏感”系统(分系统,设备)的物理尺寸较小(即耦合
区域小)时,例如车辆等移动设备。这种情况下只能耦合高频部分的HEMP。然而,从源(电磁场)到敏
感设备的耦合机制是与频率相关的。
根据图11,HEMP频谱给出早、中和晚期HEMP的影响权重时,还需要考虑耦合机制。若某敏感
系统物理尺寸很大(如电力系统或是很长的通信线路),或者是连接在通信线路上的一个很小的器件时,
就需要考虑中期和晚期HEMP的作用了。
5.7 反射和透射
当早期或是中期HEMP入射到地面时,部分电磁脉冲能量穿过空气和地面的界面,其余的会反射。
如图13所示。
图13 入射波、反射波和折射波的说明
......
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