地面铺设缆线的高空电磁脉冲响应研究
高空核爆电磁脉冲下埋地电缆瞬态响应研究
高空核爆电磁脉冲下埋地电缆瞬态响应研究
郭兴;张玉强
【期刊名称】《延安大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(43)2
【摘要】高空核爆电磁脉冲(HEMP)会引发埋地电缆的耦合作用,从而产生瞬态响应。
针对HEMP下埋地电缆瞬态响应问题,首先分析了高空核爆电磁脉冲的时频特性;然后给出了电磁场与电缆耦合公式,明确了两者之间的耦合关系;最后基于电磁仿真软件Gprmax模拟了不同土壤成份、电缆埋深和辐射状态下的埋地电缆瞬态响应。
仿真结果表明:利用Gprmax对高空核爆电磁脉冲下的埋地电缆瞬态响应进行分析是一种有效的方法,对高空核爆电磁脉冲的防护以及其他高功率电磁脉冲的电磁兼容问题分析具有参考意义。
【总页数】6页(P110-115)
【作者】郭兴;张玉强
【作者单位】延安大学物理与电子信息学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.两种高空核爆电磁脉冲下电话机的效应异同性及概率分布
2.两种高空核爆电磁脉冲电缆耦合效应的比较
3.电磁脉冲下螺旋天线瞬态响应的仿真研究
4.埋地电缆高空电磁脉冲耦合响应
5.强电磁脉冲下金属氧化物避雷器瞬态响应特性
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高空核电磁脉冲对地面线缆的影响
Ｈ Ｅ Ｍ Ｐ波 形 都 是默 认 为核 爆 的 早 期 的 部 分 高空 核 电磁 脉 冲 （ Ｈ Ｅ ＭＰ ） 的 场 强 时域 表 达 式 为 ：
Ｅ（ ｔ ） ： Ｅ （ ｅ － ￣ ｔ ＿ ｅ ） （ １ ） 式中： Ｅ 为场 强 峰 值 ， ｋ是 修 正 系数 ， ｏ 【 ， Ｂ分 别 为 脉 冲 前 、
图 ３ ＣＳ Ｔ仿 真 中 ＨＥ ＭＰ 时域 波 形 图
３ 计算结果以及讨论
３ ． １ 耦 合 电流 随线 缆 高度 的变化
表 文 中 选取 单 线 作 为线 缆 ， 长度 为 １ ｎ ｌ ， 负载 为 ５ Ｏ ｎ， 通 过
控制 变量法． 改 变线 缆 接 地 的 高度 ． 本 文 中 分 别 选 取 了 高度 为
【 文章编号 】 １ ０ ０ ６ — ４ ２ ２ ２ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ４ — ０ １ ９ ９ — ０ ２
１ 引 言
高 空 核 电磁 脉 冲 （ 核爆 炸高度不低 于 ３ ０ ｋ ｍ） 参 数 是 核 爆 炸 主要 效应 参数 之 一 ， 它 的 电 场 时域 波 形 图如 图 １ 所示
。 。 ，
用。 本 文 中也 就 采 用 了传 输 线 （ Ｔ Ｌ ） 的方 法 。 线 缆 与 大地 之 间组
成一 根传输线 ， 传输线可 以用波 阻抗 Ｚ ｏ （ ｚ 、及传输
） 来描 述 ， 传 输 线 模 型 可 等 效 为 图 ２所 示 。
ｓ （ ∞） ：Ｊ
（ ３ ）
本文 中采 用的 是 传 输 线理 论 的 方 法 对 地 面 线 缆 在 ＨＥＭＰ
５ ｃ ｍ、 ｌ Ｏ ｃ ｍ、 ５ ０ ｅ ｍ、 １ Ｏ ０ ｃ ｍ 的 四 组 单 线 ，在 Ｈ Ｅ Ｍ Ｐ渡 的 辐 射 下 ，
地面附近架高线缆HEMP响应计算_省略_rawal和Taylor模型比较_谢彦召
第17卷第4期强激光与粒子束Vo.l17,N o.4 2005年4月H I G H P OW ER LASER AND P ART I CLE BE AM S Apr.,2005文章编号:1001-4322(2005)04-0575-06地面附近架高线缆HE MP响应计算的Agra wal和Tayl or模型比较*谢彦召1,2,王赞基1,王群书2(1.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084;2.西北核技术研究所,陕西西安710024)摘要:研究在高空核爆电磁脉冲(HE M P)的作用下,地面附近架高线缆感应瞬态电压、电流的传输线模型计算方法并进行比较。
考虑到有耗地面的电气参数,列举了A g raw al和T ay l or两种传输线理论模型的异同,应用格林函数求积分和叠加定理,分别采用两种模型,计算并比较了不同入射波和线缆布放状态下的电压、电流响应,以及各场分量(水平电场、垂直电场和水平磁场)单独存在时对电流、电压响应的贡献。
结果显示,A g raw al和T ay l o r模型得到的电压、电流响应是一致的,可以考虑在有界波电磁脉冲模拟器中进行短线缆的效应实验;由于相同的场分量在不同的模型中对电压、电流响应的贡献并不相同,因此在阐述某一场分量对线缆响应贡献大小时,应该首先说明所采用的传输线模型。
关键词:高空核爆电磁脉冲;传输线方程;A g rawa l模型;T ay lor模型;数值模拟中图分类号:TM15文献标识码:A高空核爆电磁脉冲(HE MP)的E1成分,具有辐射范围广、强度大、频谱宽等诸多特点,可以通过天线、线缆等的耦合作用,对各种电子化设备和系统造成暂时和永久损伤,具有强大的破坏效应。
研究有效的线缆HE MP响应计算和实验方法,摸清响应规律,进而采取适宜的防护措施是HE MP效应和防护加固研究中的一项重要工作。
一般地讲,可以采用电磁散射方法直接求解线缆感应的电压、电流,但是较为麻烦。
地面对传输线的影响仿真研究
ｃｅ ｉｇｔｅｍ ｅａｃ ｆｈ ｏ ｎ ｎｔｅ ａ ｓ ｉ ｉ ｎ ｓｓ ｅ ｆｌｏｉｐｏｅ ｉｕｂ ｃ ｊｃｏ ａａ ｉｔ ｏ ｒａ ｎ ｐ ｄｎｅ ｅｇ ｕ ｄｏ ｎｍ ｓ ｏ ｌ ｅ ｌ ｕ ｒ ｓ ｒａ ｅｒ ｅｔｎｃｐ ｌｙ ｆ ｓ ｈｉ ｏｔ ｒ ｈｔ ｒ ｓ ｎ ｉ ｉｈ ｐ ｔ ｍ ｖ ｄ ｔ ｎ ｅ ｉ ｂ ｉ
ｓ ｏ ｔ ａ ｈ ｏ ｓ ｒ ｕ ｓｍｏ ｅｓ ｒｏ ｓｅ ｅ ｔ ｎ ｒ ｓ ｏ ｃ ｆｌａ ｕ ｒ ｎ ｈａ ｈｅｌｓ ｌｓ ｏ ｄ． Ｔ ｒｆ ｒ ｎ— ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｌｓ ｙｇ ｏ ｎｄｈａ ｒ ｅ ｕ ｆ ｃｓｏ ｅ ｐ ｎ ｅ ｏ ｏ ｄ ｃ ｒｅ ｔｔ ｎ ｔ ｏ ｓｅ ｓｇ ｕｎ ｉ ｒ ｈｅ ｅｏ ｅｉ
高压脉冲电缆的抗电磁辐射和抗干扰性能研究
高压脉冲电缆的抗电磁辐射和抗干扰性能研究电缆在现代生活中起着重要的作用，它们被广泛应用于能源输送、通信传输等领域。
然而，随着科技的不断进步，电磁辐射和干扰问题变得越来越突出。
特别是在高压脉冲电缆的应用中，抗电磁辐射和抗干扰性能成为了一个重要的研究方向。
高压脉冲电缆是承受高压脉冲信号传输的重要设备，其性能对系统的稳定性和安全性产生直接影响。
电磁辐射和干扰问题可能导致电缆内部信号传输质量下降，进而造成系统故障甚至损坏。
因此，研究高压脉冲电缆的抗电磁辐射和抗干扰性能具有重要的理论和实践意义。
首先，高压脉冲电缆的抗电磁辐射性能是一个关键的研究方向。
电磁辐射是指电缆在工作过程中产生的电磁波，它可能对周围环境和其他系统产生干扰。
因此，研究如何减少电缆的电磁辐射是至关重要的。
一种常见的方法是采用屏蔽结构，通过将导体与绝缘层之间增加屏蔽层来阻止电磁波的泄漏。
此外，合理选择导体材料以及优化电缆的结构也可以有效降低电磁辐射水平。
其次，高压脉冲电缆的抗干扰性能也是一个重要的研究方向。
干扰是指电缆在工作过程中受到的外部电磁信号的干扰。
这些干扰信号可能来自电力设备、通信设备等。
为了提高电缆的抗干扰能力，可以采取以下措施：一是合理规划电缆的布置方式，尽量避免电缆与其他设备之间的干扰；二是采用抗干扰材料制造电缆，如使用屏蔽层、抗干扰绝缘材料等；三是提高电缆的抗干扰能力，选择合适的电缆参数，如导体直径、绝缘层厚度等。
在研究高压脉冲电缆的抗电磁辐射和抗干扰性能时，需要考虑到以下几个方面的因素。
首先是电磁辐射和干扰的频率范围，不同频率范围的干扰对电缆的影响程度是不同的。
其次是电缆的工作环境，不同的工作环境可能会带来不同的电磁辐射和干扰源。
因此，研究者需要根据实际情况设计不同的实验方案来评估电缆的抗电磁辐射和抗干扰性能。
此外，高压脉冲电缆的抗电磁辐射和抗干扰性能研究还需要考虑电缆的可靠性和安全性。
电缆的可靠性是指在工作过程中保持稳定的传输性能。
架空电缆耦合雷电电磁脉冲过程以及抑制方法研究
架空电缆耦合雷电电磁脉冲过程以及抑制方法研究发布时间：2022-07-15T09:08:46.079Z 来源：《科学与技术》2022年第5期3月作者：钱靖[导读] 针对架空电缆耦合雷电电磁脉冲形成电涌侵入室内造成设备的损坏钱靖云南省玉溪市新平彝族傣族自治县气象局 653400摘要：针对架空电缆耦合雷电电磁脉冲形成电涌侵入室内造成设备的损坏，和高压电涌造成输电网络损坏的的问题，通过对雷电电磁脉冲成因和传播的分析以及对空间电缆耦合的机理，结合其他文献的同时，采用多种计算方式计算结果并且分析各种反射地面、架空电缆架设高度等因素对架空电缆耦合电磁脉冲的影响等理论分析，得出空间耦合电磁脉冲产生的感应过电压的原因、传播特性以及感应电压幅值等结论。
利用这个分析结果采取的抑制的方法在防止雷电脉冲在架空电缆上耦合的电涌对设备造成损害，从而减小因雷电脉冲通过架空电缆形成电涌浸入室内的概率和损失，认识和了解雷电脉冲在空间传播的机理以及耦合电涌的传播方式对探究雷电防护有着一定的价值和意义。
关键词：空间电缆耦合雷电电磁脉冲架空线防护过电压1.架空电缆线感应过电压1.1.电磁波的传播当电磁波通过地面是，一部分入射电磁波被反射，另一部分电磁波继续向土壤中传播，并衰减。
地面以上的导体受到入射波和反射波复合的一个合成场的作用。
如图所示，给出了波的入射方向以及确定分量的坐标。
X轴垂直于地面，Z轴在土壤的交界面上：如图所示，给出了波的入射方向以及确定分量的坐标。
X轴垂直于地面，Z轴在土壤的交界面上：图1 坐标系统：入射波方位角及入射波仰角地面以上的总电场的水平分量和垂直分量分别在水平导体和垂直导体上感应出电流。
来自任何方向的极化入射波可以把场分解为垂直极化分量和水平极化分量。
即：(1.1.2)1.2.架空电缆单位长度的电压和电流架空电缆可以看成分布源源的传输线，其中的分布源就是合成场。
在实际分析电磁场对架空线的影响时总是需要考虑到在土壤地面的情况下非理想导电性和非完全反射性。
架空线缆电磁脉冲响应的统计特性
核电磁脉冲 ( 具有场强高 ㊁ 频谱宽 ㊁ 覆盖范围大的特点 , 对 电 力㊁ 通 信㊁ 网络等国家基础设施造成严 N EMP)
估系统的电磁敏感性或易损性 , 考察系统是否存在电磁安全性问题 ㊂ 系统中的电子设备一般都有屏蔽体保护 , ,A 系统互连的 架 空 线 缆 是 拾 取 空 间 电 磁 能 量 的 主 要 接 收 器 ㊂ 在 场 线 耦 合 计 算 方 面 , T a l o r r a w a l和 y g
要 : 为考察电磁脉冲在系统端口产生的电磁应力 , 采用场线耦合模型 , 计算了电磁脉冲环境 ㊁ 架空线
文献标志码 : A
: / d o i 1 0. 1 1 8 8 4 H P L P B 2 0 1 5 2 7. 0 7 3 2 0 3
重威胁 ㊂ 这些基础设施一旦受到干扰或破坏 , 后果将是灾难性的 ㊂ 为了提高电子系统抗电磁干扰的能力 , 要评
] 1 ㊂本文采用 T 布电压源 和 分 布 电 流 源 [ a l o r模 y
] 型, 文献 [ 中有详细的推导过程 ㊂ 1, 7
F i . 1 S i n l e l i n eo v e ra l o s sc o n d u c t i n r o u n de x c i t e d g g gg T a l o r模型的第一电报方程为 y b n i n c i d e n tn u c l e a re l e c t r o m a n e t i cp u l s ep l a n ew a v e ya g d V( x) ( ) ᶄ( ω) I(x) =V ᶄ x) 1 +Z S 1( 图 1 有耗地面上单导体传输线模型 d x 式中 : 和I( 分别为线间电压和线上电流 ; 为等效 分 布 电 压 ; 为 传 输 阻 抗, ω 为频率 ; V( x) x) V ᶄ x) Z ᶄ( ω) Z ᶄ( ω) S 1(
电缆负载射频电磁辐射响应规律研究
算 法 每次 只给 出一 个 频 点 的计算 结 果 ， 获 得结 构 要 的宽带 特性 ， 要进 行 多次反 复计 算 ； 需 时域 算法 经过
一
式 中： ａ为薄 片导 体厚 度 ； 为 薄膜 电阻电导 率 。 ｓ
次仿 真就 可 以获 得 整 个 频 带 内的所 有 电磁 特 性 ，
磁 辐射 效应研 究 及 模 型 的 建 立奠 定 了基 础 。对 此 ，
解 放 军 理 工 大 学 研 究 人 员 运 用 时 域 有 限 差 分 法
（ ＤＴ 计 算 了 ＵＷ Ｂ ＨＰ 和 ＨＥ Ｆ Ｄ） 、 Ｍ ＭＰ作 用下 有 限
长 电缆上 的感应 电流＿ ］ 西 北核 技术研 究所 人 员采 ２， 用 Ｆ Ｄ方 法对 不 同条 件 下 电缆 电磁 脉 冲感 应 电 ＤＴ
频 率 分 别 为 １ ０ ＭＨｚ ２ ０ ＭＨｚ ３ ０ ＭＨｚ ４ ０ ０ 、 ０ 、 ０ 、 ０
ＭＨｚ ５ ０Ｍ Ｈｚ 其 他 设 置 和上 面 建 模 数 据 设 置 和 ０ ，
不变。
图 ２是 频 率 为 ２ ０ ＭＨｚ时 终 端 负 载 电 阻 为 ０ ２ ． ｆ 响应 电压 时 域 波 形 。其 为 正 弦 波形 ， ５ ６ｋＺ的 有
ｒ ｓ ｏ ｓ ｏ ｔ ｇ ｓｂ ｇ ｅ ， ｎ ａ ｅ ｈ ｏ ｔ ｇ ｔ ａ ｙ； ｎ ｅ ｉ ｅ ｅ ｔ ｒ ｑ ｅ ｃｅ ｎ ｈ ａ ｌ ｅ ｐ ｎ ｅ ｖ ｌａ ｅ ｉ ｉ ｇ ｒ ａ ｄ ｌ ｔ ｒｔ ｅｖ ｌａ ｅｉ ｓ ｅ ｄ ｕ ｄ ｒｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｕ ｎ ｉ ｓａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｂ ｅ ｓ ｆ ｆ
作 者 简 介 ：李 新 峰 （ ９７ ） １８ 一 ，男 ，硕 士 研 究 生
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逐渐增大 。
关 键 词 ： 斜 入 射 ； 高 空 电 磁 脉 冲 ； 感 生 电 流 ； 屏 蔽 层 ； 地 面 铺设 缆 线
及 屏蔽层 电 流 的时域 特征 作 了较深 入 的研究 ， 到 了一 些规 律性 的结论 。 得
１ 计 算 模 型 和 计 算 方 法
１ １ 计 算模 型 ．
ｐ ｌ 。
缆线 铺设 在 地面 上 方 ， 图 １所 示 。缆 线 距 离 地 面 如 高度 为 ｈ 屏 蔽层 两 端 接 地 。 电磁 脉 冲斜 照 射 到 缆 线 屏 ， 蔽层上 ， 入射 角 为 ， 反射 角 为 ， 折射 角为 ， 化 角 为 极 ａ 入 射波 平面 和 ｚ轴 负半轴 夹 角为 ｛ 为波矢 量 方 向 。 ， ５ ，
摘
要 ： 利 用 时域 多 分 辨 分 析方 法 ， 地 面 铺 设 缆 线 屏 蔽 层 感 生 电 流 的 规 律 进 行 了 研 究 。给 出 了屏 蔽 层 对
感 生 电 流 与 缆 线 距 离 地 面 的高 度 、 线 的 长 度 、 磁 脉 冲 的 入 射 方 向 等 的 关 系 。 结 果 表 明 ： 蔽 层 电 流 幅 度 随 缆 电 屏 着缆线距离 地面高度增高而增加 ； 屏蔽 层 电 流 幅 度 、 沿 、 高 宽 随 着 缆 线 长 度 增 加 而 增 加 ， 到 分 别 达 到 各 自 前 半 直 的最 大值 ； 电磁 脉 冲 正入 射 时 ， 蔽 层 电 流 幅 度 沿 缆 线 分 布 呈 现 中 间 大 、 边 小 的规 律 ； 磁 脉 冲 斜 入 射 时 ． 屏 两 电 屏
文 章 编 号 ： ｉ ０ — ３ ２ ２ ０ ） ３０ ６ —４ ０ １４ ２ （ ０ ８ ０ — ４ ５０
地 面 铺 设 缆 线 的高 空 电磁 脉 冲 响 应研 究
马 良， 周 辉， 程 弓会 ， 吴 伟， 李宝忠， 李进玺 Ｉ
（ 西北 核 技 术 研 究 所 ，西 安 ７ ０ ２ ） １０ ４
中图 分 类 号 ： Ｏ４ １ ２ ４ ． 文 献 标 识 码 ： Ａ
电磁 脉 冲作 用 到 电源 线 及 信 号传 输 线 时 ， 在 电缆 屏 蔽 层 产 生 感 生 电 流 ， 耦 合 到 芯 线 成 为 强 干 扰信 会 并
号［ ¨。在强 电磁 脉 冲作 用下 ， 轻则 会造 成 电子设 备 和 系统 的严 重干 扰 ， 重则烧 毁 电子元 器 件 ， 成永 久性 损伤 。 造
缆线 半径 一般 情况 下远 小 于入 射波 波长 ， 此较 长缆 线 可 以看 作 细线 结 构来 处理 。采 用 Ｈｏｌｎ 因 ｌ ｄ细线 算法 和 ａ
ＭＲＴ Ｄ方 法相 结合 的方 法 ， 更适 合 于计算 较 长细 线 问题 ， 别对 ３维 电 大尺 度情 况 ９。大 地是 无 限 大有 耗介 特 ． ］
Ｉ
＼ ｅ“ ” Ⅲ“ 引 ｄ
分（Ｄ ） Ｆ ＴＤ 方法 是 一致 的［ 。本 文 计 算 模 型 中包 含 半 无 Ｆ ． ｎｄｎ ，ｅｅ ｉ ｄ ｒ ｓｉｉ ｅｒ ａｎ ｉｗ ｖ ６ ］ ｉ １ ｃｅｃ ｒｌｔｎ ｎ 【 ｎ ｓｏ ｏｅｃｏ ｇｅｃ ａ ｇ Ｉ ｉ ｅ ｆｃｏ ａ ａ ｍ ｓｎ ｆ合 电 磁 脉 冲 能 量 造 成 系 统 干 扰 和 损 伤 的 重 要 途 径 ］ 。本 文 应 用 时 域 多 分 辨 分 析
（ ＴＤ 方 法 ５， 波分 析 了地面铺 设 较长 缆线 的 电磁 脉 冲耦合 问题 ， 屏蔽 层感 生 电流在 缆线 上 的分布 ， ＭＲ ） ＿ 全 ］ 对 以
质， 在计算 时 必 须 进 行 截 断 。本 文 采 用 广 义 完 全 匹 配 吸 收 层 （ ＭＬ） 它 将 传 统 广 义 完 全 匹 配 层 应 用 到 ＧＰ ， ＭＲ Ｄ方 法 当 中 ， Ｔ 实现 了有 耗介 质 中电 磁波 的无 反 射 吸收［ 。。 ８ 。 １ ３ ＭＲ Ｄ计 算 方 法的 有效 性 ． Ｔ 为 了验证 计算 模 型与 方法 ， 自由空间 两端 开路 的缆线 进行 了计 算 ， 对 缆线 长度 Ｌ一１ｎ ， 径与 长度之 比为 ｌ半 ０ ０ ６６ ， ． ０ ７ 电磁 场波 形 为高斯 脉 冲 ， 直 照射 ， 垂 电场 方 向与 天线 方 向 （ 沿 方 向） 一致 。脉 冲电场 为
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第２ Ｏ卷
第 ３期
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ Ｉ Ｇ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖ ｏ１ ２ Ｎ ｏ ３ ． ０， ． Ｍ ａ ．， ０ ｒ ２０ ８
２０ ０ ８年 ３月
＊ 收 稿 日期 ：０ ７ ０ － ４ ２ ０ － ８２ Ｉ 修订 日期 ： ０ ８ ０ － ４ ２ ０ － １０
１ ２ 计 算方 法 ．
用 ＭＲ ＴＤ方法 计 算 缆线 屏 蔽 层 电流 主 要包 括 以下
几 个方 面 的问题 ： 连接 边 界 的设 置 、 细线 结 构处 理 和 大地
的截 断 。
ＭＲ Ｄ方法 中连接边 界的处理 和传统 时域 有 限差 Ｔ
限大 地面 ， 因此 ， 涉及 到地 下连 接边 界 的设 置 问题 。地 就
图１ 电 磁波在地面的 入射、 射和 反 折射 下连接 边 界的设 置方 法 和 自由空 间 的连接 边 界方 法 相 同 ， 只是 入 射 场 的计算 方 法 不 同 。 自由空 间入 射场 可 以
由解 析公式 直 接给 出任 意 时刻任 意位 置 的场值 ； 下 入 射场则 需 要 由菲涅 尔定理 经 过频 域 分析得 到 ［ ］ 地 ７ 。由于 ≈