核电磁脉冲的原理及防护.docx
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核电磁脉冲的原理及防护
核电磁脉冲的原理及防护
一、前言
电磁脉冲武器是现代军事中一种利用核爆炸或其他方法产生的强电磁脉冲摧毁来袭导弹或破坏雷达、通信系统和武器系统中电子设备或扰乱人的大脑神经系统、使人暂时失去知觉的先进武器。
其可使晶体二极管、晶体管、集成电路、电阻及电容、滤波器、继电器和粒波器等电子元器件受到损坏;可以与电缆、导线和天线等耦合,把电磁脉冲的能量传递给电子设备,引起电子设备的失效或损坏、电路开关跳闸和触发器翻转;能使根据磁通工作的存贮器（磁心、磁鼓和磁带等消磁或失真,破坏元器件或抹去存贮的信息和引起关闭传递假信号。
电磁脉冲还可以使飞机和导弹等的金属外壳上产生很大的感生电流,这种电流沿着收音机和导弹的金属表面流动,并通过壳体上的隙缝或舱口耦合到壳内,使电子元器件、线路和设备受到不同程度的干扰和破坏。
二、核电磁脉冲的破坏机理和特性
核爆炸除了产生人们所熟悉的冲击波、光辐射、早期核辐射和放射性污染效应以外,还产生电磁脉冲效应。
这种电磁脉冲对人体没有伤害作用,但是它能使兵器电子元件遭受严重损坏。
所谓电磁脉冲就是瞬间变化的电场和磁场。
核爆炸时产生的强电磁脉冲称为核电磁脉冲。
核电磁脉冲的物理成因是核爆炸时释放的γ射线以光速与空气分子相碰时,能量很高的γ射线将电子从空气分子中碰撞出来,并使电子迅速向外扩散。
当核爆炸发生在3—25公里高度时,由于γ射线在所有方向上都是均匀发射的,因此由电荷分离形成的电场将是径向的。
从爆心向外的一切方向上都有着相同的强度。
即源区成球对称性,而且由于射线被低空稠密大气层快速吸收,源区半径只有2~8公里,因而向外,辐射的能量很小。
理论上讲,在半径以外的区域,由于对称的相反方向的分量产生的作用完全抵消,这对地面的电子设备没有什么破坏作用。
实际上,由于各种情况,会不可避免地出现源区的不对称性,因而还会有一定的康普顿电子从爆心处飞驰,产生一个净电子电流,进而产生磁场,磁场的变化又引起电场的变化。
这种电磁场的变化就形成电磁脉冲,而会对地面的电子设备产生一定的影响。
当核爆炸发生在地面或靠近地面时。
源区与地面接触而呈现明显的不对称形状,因而形成了较强的辐射电磁场,大约在15公里范围内都具有破坏作用,这个作用距离约等于核爆炸时产生的其他作用的最大距离。
当核爆炸在30公里以上空气稀薄的高空发生时,由于γ射线衰减较慢,因而能透过的距离较长;以致核电磁脉冲的破坏作用可达数千公里。
核电磁脉冲与我们熟悉的雷电、无线电波、雷达波相比,虽然都是电场和磁场交替变化而产生电磁波,但核电磁脉冲具有以下几个特点:
（1幅度大。
核电磁脉冲的电场强度在几公里范围内可达1~10万伏/米,是无线电波电磁场的几百万倍。
是大功率雷达波的上千倍。
（2作用时间短。
核电磁脉冲的电场变化迅速,在0.01~0.03微秒的时间内即可上升到最大值,从发生到结束也只有几十微秒的时间,比闪电快50倍。
（3频谱宽。
核电磁脉冲的频率范围宽（频率从几赫到100兆赫,几乎包含了现代军用电子设备所使用的频段,因此对军用电子设备的影响较大。
（4作用范围广。
低空核爆炸产生的电磁脉冲源区场虽然只有几公里的范围,但辐射出来的电磁脉冲信号可以传到很远的地方。
高空核爆炸产生的电磁脉冲作用范围更广。
随着电子技术的发展。
各种武器系统越来越普遍地应用半导体器件和集成电路。
所以核电磁脉冲对现代兵器有着不可低估的破坏作用。
核爆炸产生的电磁脉冲能通过天线、电缆连接处、金属管道等进入电子设备的内部,产生感应电流,使电子设备遭到严重的破坏。
核电磁脉冲对电子设备的破坏作用一般可分为两类:
功能损坏和工作干扰。
功能损坏是指电缆的绝缘材料被击穿或者是电子设备的某些元器件受核电磁脉冲的作用而造成永久性损伤。
核电磁脉冲对半导体器件有更大的破坏性。
因为只要有千分之一到百分之几焦耳的能量就可以把晶体管烧坏。
核电磁脉冲虽然是短暂的,然而它对电子设备线路和电子元件的功能损坏却是永久的。
如果电缆的绝缘材料被击穿造成短路,大量的电话、电报等邮政通讯系统及军事通讯系统就会中断。
特别是主控设备如果遭受破坏,将引起整个控制系统的混乱。
酿成严重后果。
飞机、导弹、舰艇、防空武器等军事系统中的电子设备如受到核电磁脉冲的破坏,将会造成重大的损失。
工作干扰是指核电磁脉冲虽然没有使系统或器件受到破坏,但引进的附加信号使某些器件的工作状态改变,导致电子设备的功能紊乱,发出错误信号,或消除和改变贮存器中的内容。
三、核电磁脉冲的防护
核电磁脉冲对电子设备的破坏是电磁作用的结果,其与我们所熟悉的雷电电磁脉冲、无线电干扰波、雷达波在本质上是相一致的。
因此核电磁脉冲并不可怕,可以根据电磁原理采取必要的措施进行防护。
1、屏蔽
A、电磁屏蔽的原理
屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体,将电磁波局限于某一区域内的一种方法。
在电子设备及电子产品中,电磁干扰（ElectromagneticInterference能量通过传导性耦合和辐射性耦合来进行传输。
为满足电磁兼容性要求,对传导性耦合需采用滤波技术,即采用EMI滤波器件加以抑制;对辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制。
由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波,因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐射源的不同,在材料选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方面都有所不同。
在设计中要达到所需的屏蔽性能,则需首先确定辐射源,明确频率范围,再根据各个频段的典型泄漏结构,确定控制要素,进而选择恰当的屏蔽材料,设计屏蔽壳体。
预防核电磁脉冲的方法是用高导电率和高导磁率的金属材料把电子设备屏蔽起来,并设有良好的接地线,同时在所有穿过屏蔽的导线、水管以及门窗通气孔等处施加防护措施。
这样,核电磁脉冲就很难到达设备内部的敏感元件处。
辐射干扰源大致分为两类:
类似于对称振子天线的非闭合载流导线辐射源和类似于变压器绕组的闭合载流导线辐射源。
由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式,实际的辐射源在空间某点产生的场,均可由若干个基本源的场叠加而成（图1。
因此通过对电偶极子和磁偶极子所产生的场进行分析,就可得出实际辐射源的远近场及波阻抗和远、近场的场特性,从而为屏蔽分类提供良好的理论依据。
图1两类基本源在空间所产生的叠加场电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件间电场感应的影响。
电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下,将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。
因此,接地良好及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。
屏蔽的原理
是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路,从而对干扰磁场进行分流,因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素。
B、电磁屏蔽中需要注意的问题
电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场,即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。
由于随着频率的增高,波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当,从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。
屏蔽体的泄漏耦合结构与所需抑制的电磁波频率密切相关,三类屏蔽所涉及的频率范围及控制要素如表1所示:
表1泄漏耦合结构与控制要素
屏蔽类型
磁屏蔽电屏蔽电磁屏蔽频率范围
10kHz~500kHz1MHz~500MHz500MHz~40GHz泄漏耦合结构
屏蔽体壳体屏蔽体壳体及接地孔缝及接地控制要素合理选择壳体材料
合理选择壳体材料良好接地抑制孔缝泄漏
良好接地实际屏蔽体上同时存在多个泄漏耦合结构（n个,设机箱接缝、通风孔、屏蔽体壁板等各泄漏耦合结构的单独屏蔽效能（如只考虑接缝为SEi（i=1,2,…,n,则屏蔽体总的屏蔽效能:
（式3-1
由上式可以看出,屏蔽体的屏蔽效能是由各个泄漏耦合结构中产生最大泄漏耦合的结构所决定的,即由屏蔽最薄弱的环节所决定的。
因此进行屏蔽设计时,明确不同频段的泄漏耦合结构,确定最大泄漏耦合要素是其首要的设计原则。
在三类屏蔽中,磁屏蔽和电磁屏蔽的难度较大。
尤其是电磁屏蔽设计中的孔缝泄漏抑制
最为关键,成为屏蔽设计中应重点考虑的首要因素。
根据孔耦合理论,决定孔缝泄漏量的因素主要有两个:
孔缝面积和孔缝最大线度尺寸。
两者皆大,则泄漏最为严重;面积小而最大线度尺寸大则电磁泄漏仍然较大。
上面的孔缝主要分为四类:
（1机箱（机柜接缝:
该类缝虽然面积不大,但其最大线度尺寸即缝长却非常大,由于维修、开启等限制,致使该类缝成为电子设备中屏蔽难度最大的一类孔缝,采用导电衬垫等特殊屏蔽材料可以有效地抑制电磁泄漏。
该类孔缝屏蔽设计的关键在于:
合理地选择导电衬垫材料并进行适当的变形控制。
（2通风孔:
该类孔面积和最大线度尺寸较大,通风孔设计的关键在于通风部件的选择与装配结构的设观察孔与显示孔在满足通风性能的条件下,应尽可能选用屏效较高的屏蔽通风部件。
（3观察孔与显示孔:
该类型孔面积和最大线度尺寸较大,其设计的关键在于屏蔽透光材料的选择与装配结构的设计。
（4连接器与机箱接缝:
这类缝的面积与最大线度尺寸均不大,但由于在高频时导致连接器与机箱的接触阻抗急剧增大,从而使得屏蔽电缆的共模传导发射变大,往往导致整个设备的辐射发射出现超标,为此应采用导电橡胶等连接器导电衬垫。
因此如果采用合理的屏蔽材料,进行合理的设计,对评比体孔缝具有有效的抑制,则核电磁脉冲也是可以象雷电电磁脉冲、无线电干扰波、雷达波一样根据电磁原理采取必要的措施进行防护的。
2、SPD对核电磁脉冲的防护
由于核电磁脉冲具有幅度大、作用时间短、频谱宽、作用范围广的特点,要对其进行有效防护就需要依据其特点对其进入设备的电源、信号线路安装专用的防护装置。
该装置的响应时间必须小于10纳秒;工作频率应该在0到150兆赫现代军用电子设备使用的频段;尖峰抑制电压应大于100KV;电源线路脉冲电流泻放能力应大于100KA;外置天线馈线线路脉冲电流泻放能力应大于100KA;信号传输线路脉冲电流泻放能力应大于10KA。
这样的参数对SPD设备的研制提出了重大的挑战。
依据核电磁脉冲特点及军用设备使用条件,可分为设备电源、外置通讯天线馈线、信号传输线三部分对核电磁脉冲进行防护。
（1设备电源的防护
电源线路的波阻抗Z为一常量,其大小决定于单位长度导线的电感和电容,它是一个具有阻抗的量纲,故称之为波阻抗,并用Z来表示即:
（式3-2
架空导线的L0≈1.6×10-6H/m,C0≈7×10-12F/m,代入（式3-2,可得架空线的波阻抗为470Ω。
如果将电力电缆的L0和C0代入,可得电力电缆的波阻抗为10~50Ω。
电磁波的能量密度包括电场分量能量密度和磁场分量能量密度,其场源总能量密度由下式确定:
电场分量能量密度
磁场分量能量密度
（式3-4
场源总能量密度
核电磁脉冲的电场强度最大可达100KV/m,是无线电波电磁场的几百万倍,若电力电缆的波阻抗为10~50Ω计算,依据其电场变化,其在10~20μs间在电源线路脉冲电流峰值将大于100KA。
因此在对电源线路进行保护时,依据现有的习惯上的SPD测试波形,其SPD需要注重三个参数:
1、其响应时间应小于10ns。
2、其1.2/50μs电压脉冲承受峰值应大于100KV。
3、其8/20μs电流脉冲承受峰值应大于100KA。
这样的参数对SPD设备的要求是极为苛刻的,只有极少数的SPD设备可以达到。
（2外置通讯天线馈线的防护
军用天线常采用八木定向天线。
其输入阻抗为Zin=73.1+j42.5（欧。
天线的输入阻抗Zin定义为:
天线输入端信号电压与信号电流之比。
输入阻抗具有电阻分量Rin和电抗分量Xin,即Zin=Rin+jXin。
电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取,因此,常把其长度缩短（3~5%,来消除其中的电抗分量。
现代军用电子设备使用的频段在几兆赫到100兆赫之间,是一个接受频率低且窄的频段。
而依据核电磁脉冲的防护要求,期望得到一种响应时间应小于10ns,电压脉冲承受峰值大于100KV,电流脉冲承受峰值大于100KA,工作频率在几兆赫到100兆赫之间,天馈线路SPD设备是很难的。
（3信号传输线的防护
对于具有屏蔽层的,且屏蔽层良好接地的信号传输线路,其受核电磁脉冲的破坏要小于电源和外置通讯天线馈线线路。
其对尖峰电压抑制能力大于20KV,脉冲电流泻放能力大于10KA即可。
但因受工作频率的限制,其响应时间应小于1ns。
这个要求使许多使用MOV、TVS、GDT元件的SPD产品的保护能力变的不可靠,只有使用响应皮秒级的SIDACtor元件的SPD产品才具有可靠的保护能力。
并且对于SPD产品本身,其内部电路也应具备尖峰电压抑制和脉冲电流泻放两套分立的电路。
综上所述,屏蔽与接地是防护核电磁脉冲的基础,在此基础上使用SPD设备是可以有效的对核电磁脉冲武器进行电磁防护的。
核电磁脉冲防护示意图
附加说明
USS1系列
该uss1系列保护电路浪涌和干扰电压保护电路,是设计成馈通机械单元,为保障测量中的输入和输出,控制和管理系统,以及电话和数据频道。
它是防护由于大气放电造成的峰值电压,内置式过滤器,消除了高频干扰,以及高效率的设计为NEMP（核电磁脉冲提供了最佳的保护。
这一系列的保护电路,可作为常规应用,没有额外费用
最高放电容量的20KA（波形8/20μs,比目前直径为1MM的信号线的最大发生电流还高。
集成了二级保护的USS1系列,在许多情况下,可以直接和简单连接到输入和输出电子电路。
基于特别设计,这些一系列的保护电路许能够明确的隔离受保护和未受保护电路。
Applications
USS1-V此系列的保护电路,工作电压在±6V,12V,15V,24V,输入和输出端做接地、或不做电气绝缘的电路,应用在发射器和接收器。
并且能够保护所有类型的电子产品和传感器。
USS1-C此系列保护电路,输入和输出为不接地或电气绝缘电子产品电路,应用在发射器和接收器、保护电子,传感器,电话安装,数据传输系统。
USS1-E
使用接地屏蔽的保护电路构成一种高性能的浪涌电压保护。
USS1-A使用馈通技术的浪涌保护
技术数据USS1
-6V
USS1
-12V
USS1
-15V
USS1
-24V
USS1
-C
USS1
-E
USS1
-A
电路数量1111111
直流电阻<5Ohm<5Ohm<5Ohm<5Ohm<5Ohm-<5Ohm
绝缘层
测量电压120V
---->1GOhm1GOhm1GOhm最大泄露电流
atUBmax
<0,4mA<5µA<5µA<5µA---
最大允许工作电压
UBmax
+/-6,6V+/-13V+/-15V+/-28V+/-150V--
电流负载atTamb
45°C
0,5A0,5A0,5A0,5A0,5A-3A
输出端逻辑脉冲上升
时间typ
1µS
typ.
1µS
typ.
1µS
typ.
1µS
typ.
1µS
--
直流击穿电压----typ.
230V
typ.
30V
typ.
230V
辉光放电电压（at10mA----
typ.
70V
typ.
70V
typ.
70V
电弧放电电压（asfrom0,5A----
typ.
10V
ttyp.
10V
typ.
10V
脉冲放电电流
（8/20µs
20kA20kA20kA20kA20kA20kA20kA输出电压<12V<24V<30V<48V<600V-<1kV
滤波输出电容typ.
15nF
typ.
10nF
typ.
7nF
typ.
3nF
typ.
1,8nF
--
平均衰减upto1GHztyp.
50dB
typ.
50dB
typ.
50dB
typ.
45dB
typ.
50dB
--
USS2/3系列
该uss2系列保护电路浪涌和干扰电压保护电路,是设计成馈通机械单元,为保护低压电源设备和控制系统,以及为对称数据传输设备和视频线路。
它是防护由于大气放电造成的峰值电压,以及高效率的设计为NEMP（核电磁脉冲提供了最佳的保护。
特别的特征,这些一系列的保护电路是简单的安装和明确界定分离的保护和未受保护的双方。
特别是屏蔽内实现保护单元,由连续性的法拉第笼。
屏蔽传输损耗是>100分贝。
该得到最佳的保护,它使,加上良好的过滤特性和高放电容量,使这一保护元素,适合普及应用。
Applications
USS2/3A电源和低压控制系统
USS2-12V/24V/C不接地电源和低压控制系统
USS2-V-BNC带隔离的视频装置或接地电缆隔离
USS2-TV75-BNC带隔离的专业视频设备或接地电缆隔离
USS2-2048-F对称数据传输速度高于2MBit/s
（e.g.PCM系统,电话装置.
双电路数量---11111
直流电阻<=200
mOhm
<=200
mOhm
<=200
mOhm
2x
40mOhm
2x
40mOhm
2x
40mOhm
2x7Ohm
tot.
2,9Ohm
最大允许工作电压
UBmax
+30V-30V+/-30V+/-15V+/-30V+/-150V+/-2,5V+/-2,5V直流放电电压---230V230V230V230V230V电流负载（45°C3A3A3A6A6A6A0,2A0,2A浪涌残压
-differential---<30V<60V<500V<14V<14V-toearth<60V<60V<70V<700V<700V<700V<450V<450V最大泄漏电流UBmax<10A<10A<10A---<0,5A<0,5A
绝缘底盘（120VDC下
测量---
>1
GOhm
>1GOhm>1GOhm--
脉冲放电电流（8/20
µs20kA20kA20kA
2x10
kA
2x10kA2x10kA2x10kA2x10kA
滤波输出电容8nF8nF4nF2x2,
2nF
2x2,
2nF
2x2,
2nF
--
测量阻抗
50
Ohm
50Ohm50Ohm50Ohm50Ohm50Ohm50Ohm75Ohm
低通截止频率（3dB600
kHz
600
kHz
1MHz---1
2MHz30MHz
插损DC...10MHz------2,5dB0.8dB插损100kHz...2MHz--------
对称衰减100kHz...
2MHz
--------
回波损耗100kHz...
2MHz-------
typ.35
dB
截止区域共模衰减up
to2,4GHz（50Ohm
50dB50dB50dB80dB80dB80dB50dB40dB
USM550E系列新系列USM550浪涌保护器，能够在第一时间可靠地保护由雷击或核电磁脉冲产生的过电压对主干电缆造成的破坏；对电压浪涌和核电磁脉冲，它提供了有效的保护装置和设备；该USM550-L浪涌保护器设有内置式接触器，对人员和低压电力线提供可靠的保护；这些器件主要用于高于3x400/230V/100A的电路中。
在发生雷击情况下，相线和零线中的浪涌电流能高达到100KA；避雷器组件能够监测对地泄漏电流和温度变化，同样的，电源线的过压和欠压也将被监测，依靠这种模式，能够在信号超过极限情况下可靠的断开主电路；同时也能够在避雷器组件损坏是消除火灾隐患；由于雷电或核电磁脉冲形成的浪涌不会导致电源关机；随着新USM550系列的出现，闪电引起跳闸甚至摧毁残余电流断路器的事情已经成为过去；浪涌保护器适合固定和移动式装置，即使在恶劣的接地条件下，都能够为敏感设备、设施和人员提供保护；这种浪涌保护器可以根据情况选择不同的型号。
特征：
避免由雷电和NEMP形成的浪涌电压导致的主电路短路；同步彻底的消除过电压通过，立即将过电压会通过各相电路和零线进行疏散；不会在雷电和NEMP浪涌下导致故障和主电路关闭；由于保护电路和非保护旁路完全隔离，因此雷电或NEMP造成的影响将只剩下一些残余电压；保护导体连接上安装板（地面），不需要额外的接地电缆，因此在保护导体上不会引起感应电压下降；永久泄漏电流监测避雷器组件；永久性故障电流监测的下流负载；永久性温度监测避雷器组件；长期监测主线路电压误差；自动关机或发出讯号，如果设置根据RCCB标准超过EN61008；主线路故障自动重启；没有电池，蓄电池，黄金帽等，更加可靠和免维修；测试和复位按钮功能检查；保护模块上包含视觉显示的辅助电压和故障检测。
技术数据Ratedvoltage额定电压Max.ratedcurrent最大额定电流Ratedimpulsedischargecurrent额定脉冲放电电流ResidualvoltageL/N→earth残压L/N→接地Leakagecurrent→earth泄漏电流→接地Powerdissipationat230VAC230VAC时功耗RatedtrippingcurrentIDT≥30mA额定断路电流IDT≥30mAUn≥265VACUn≤185VAC△Tarrestorelements/housing≥10℃△T避雷器元件/外壳≥10℃Connectioncross-section连接截面积Connections:
supply,control,signaling连接：
应用、控制、信号Housingmaterial外壳材质Contactorforusm550接触器USM550Temperaturerangeoperation工作温度Temperaturerange,storage/transport存储/运输温度Relativehumiditynon-condensing非冷凝相对湿度Vibration/shock振动/冲击Warranty保证Weight重量USM550/USM551/USM5523x400/230VAC（3L/N/PE3x100A4x100kA（8/20μs<3kV（100kA<2mA3.5VAControlcontact+indicator控制接触+指示Controlcontact+indicator控制接触+指示Controlcontact+indicator控制接触+指示Controlcontact+indicator控制接触+指示10-25mm2Faston6.3x0.8mmPBTV0Lovato11BF80.40/230VTelemecaniqueL
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