淺析通信供電系統對高功率電磁脈沖的防護

丁強 李天明

【摘要】 隨著電力電子技術的發展，電子電源設備對高功率電磁脈沖承受能力和耐噪聲能力不斷下降，電力線路或電源設備受高功率電磁脈沖沖擊破壞風險加大。本文從雷暴雨、高空核爆炸、高能微波武器入手，分析了高功率電磁脈沖的產生與危害，提出了通信供電系統安全防護的措施。

【關鍵字】 通信供電系統 高功率電磁脈沖 防護

一、高功率電磁脈沖的產生與危害

1、高功率電磁脈沖的產生。高功率電磁脈沖產生源目前有三種：一是最常見的雷暴雨，它是帶有不同電荷的雷云之間或雷云與大地凸出物之間相互接近，其電場強度超過25～30KV/cm時，空氣絕緣會因被擊穿而劇烈放電，出現耀眼強光，同時強大的放電電流所產生的高達2000℃高溫，周圍空氣或其它介質急劇膨脹，強大的雷電流產生強烈的電磁效應，形成輻射場。二是高空核爆炸，它是高功率超寬帶電磁式武器輻射。是利用了核裂變形成五大危害之一電磁沖擊波產生的強大的電磁脈沖，可瞬間摧毀或使遠方地區電子設備失靈一段時間。這在冷戰時期前蘇聯核試驗中影響到美國西部地區得到了驗證。高空核爆炸電磁脈沖（HEMP）屬高功率電磁脈沖。三是高功率脈沖高能微波武器。這種新式武器是利用定向發射的高功率微波去損壞電子設備的一種定向能武器，其輻射頻率一般在1～100GHZ，功率可達100MW～100GW，脈沖寬度1us左右。其特征是：將高功率微波源產生的微波經高增益定向天線向空間發射出，形成功率高，能量集中且具有方向性的微波射束，能夠破壞敵方電子設備的元器件，從而起到破壞其正常工作能力。

2、高功率電磁脈沖的危害。1）引起電氣設備內絕緣內擊穿和外絕緣閃絡。高功率電磁脈沖感應過電壓侵入變壓器。可能引起變壓器繞組間絕緣擊穿。通過變壓器高壓側耦合到低壓側的過電壓仍有很高的數值，會引起低壓電氣設備，特別是測量，保護等二次設備絕緣的損壞。產生強大電磁場，使附近線纜和導電設備出現閃電的特征。2）引起保護裝置誤動作，造成停電、解列等事故。隨著電子器件、微型計算機等微電子設備在電力系統中的廣泛應用，這一危害日益嚴重。3）浪涌電流使地電位上升，對通信系統的造成強干擾。

二、通信供電系統對高功率電磁脈沖的防護

1、采用直埋電纜。它是實施供電系統對核武器電磁脈沖防護的一項重要措施。

2、加強絕緣和采用不平衡絕緣措施。在雷電活躍地區，加強絕緣指利用不平衡絕緣方式，在受到雷擊次數較多的地段、大跨越和變電站進線段，可采用增加絕緣片數方式，提升絕緣性。另外，對于同塔雙回線路，在其中一回線路加裝絕緣子片數，也能減少雙回線路同時閃絡的概率。

3、采用屏蔽技術。通信供電系統由于大量使用電子器件，特別是智能控制技術等廣泛應用。因此，二次設備的核武器電磁脈沖防護，既要限制線路上的過電壓，也要使空間的電磁環境滿足要求。使用屏蔽系統，如所有導線經由電纜屏蔽槽或穿屏蔽金屬管引入，系統網絡設備與計算機等置入屏蔽室。其中屏蔽機房中電源濾波器的選擇尤其重要，必須按技術規范接入電源濾波器，否則達不到屏蔽效果。

4、安裝避雷器（SPD）。防護雷電過電壓和HEMP過電壓。在變壓器前、低壓配電屏和交流直流配電柜（箱）按分斷能力設三級避雷器。配合原則為：（1）供助于限壓型避雷器具有的穩壓限流特性，不加任何去耦元件（如電感L）。（2）是采用電感或電阻作為去耦元件（可分立或采用防雷區設備間的電纜具有的電阻和電感），電感用于電源系統，電阻用于通信系統。一般選用10KV普通閥式避雷器和氧化鋅避雷器（MOA）均可防護雷電過電壓和HEMP過電壓，后者是作為防雷和防核電磁脈沖的電壓限幅器，是防護HEMP過電壓的最佳選擇。10/0.4KV配電變壓器作為10KV市電供電系統的關鍵設備，是核電磁脈沖防護的重點對象。

5、采用聯合接地和等電位聯結。聯合接地是指將工作接地、保護接地、防雷接地等各種接地連接在一起的接地。聯合接地可組成低接地電阻值的均壓網，具有以下優點：（1）地電位均衡，同層各地線系統電位大體相等，消除危及設備的電位差。（2）公共接地母線為全局建立了基準零電位點。（3）消除了地線系統的干擾。（4）電磁兼容性能變好。

等電位聯結主要是從人的安全角度考慮。分總等電位聯結（MSN）和局部等電位聯結（LEB）。高功率電磁脈沖條件下，人體接觸的設備與地面間可能存在很高的電壓差，給人造成傷害。總等電位聯結是大范圍的等電位，該電位與大地電位相等，其作用是降低建筑物內間接接觸電壓和不同金屬部件間的電位差，并消除自建筑物外經電氣線路和各種金屬管道引入的危險故障電壓的危害。而局部等電位聯結是小范圍的等電位，是指在伸臂范圍內的某些外露可導電部分與裝置外可導電部分之間，再用導線附加連接，以7使其間的電位相等或更接近，實際上的作用就是在一個人體可觸及的小范圍內制造一個等電位環境，至于它是否和建筑的基礎鋼筋網聯結并不十分重要，該電位不一定為地電位，局部等電位聯結作用范圍越小越安全，一般鋼筋網焊成0.6×0.6網格，這樣人體承受的跨步電壓低。兩者不應混同。

參 考 文 獻

[1]周鶴良主編 電器工程師手冊 北京：中國電力出版社，2011。

[2]王汝群等編著 戰場電磁環境 北京：解放軍出版社，2006。