高空核爆炸电磁脉冲E3效应对电网的影响研究

高空核爆炸效应参数手册摘要：一、高空核爆炸概述二、高空核爆炸的效应分类1.核辐射效应2.核电磁脉冲效应3.核冲击波效应4.核沾染效应三、高空核爆炸的防护措施1.个人防护装备2.掩蔽物构建3.核爆炸预警系统四、高空核爆炸后的紧急处置措施1.辐射污染清除2.受灾区域重建3.生态环境修复五、我国在高空核爆炸防护领域的成就六、总结与展望正文：高空核爆炸是指在地球大气层外发生的核爆炸。

与其他类型的核爆炸相比，高空核爆炸具有更强的辐射、电磁脉冲、冲击波和沾染效应。

这些效应会给人类和环境带来极大的危害，因此了解高空核爆炸的防护措施至关重要。

一、高空核爆炸概述高空核爆炸是指在地球大气层外（通常是指距离地面50公里以上的高度）发生的核爆炸。

在这种条件下，核爆炸的能量主要消耗在辐射、电磁脉冲、冲击波和沾染等方面。

与地面核爆炸相比，高空核爆炸对地表的破坏程度较低，但辐射和电磁脉冲的影响范围更广。

二、高空核爆炸的效应分类1.核辐射效应：核爆炸产生的辐射对人体和生物有很强的致癌、致畸和遗传突变作用。

辐射还可能导致基因突变，使后代出现遗传性疾病。

2.核电磁脉冲效应：核爆炸产生的电磁脉冲具有很高的峰值电压和广泛的影响范围，可能导致电子设备损坏、通信中断和电力系统瘫痪。

3.核冲击波效应：核爆炸产生的冲击波具有极高的压力，可导致建筑物倒塌、山体滑坡等破坏性后果。

4.核沾染效应：核爆炸产生的尘埃和气体中含有放射性物质，随风飘散，导致大面积的辐射污染。

三、高空核爆炸的防护措施1.个人防护装备：在核爆炸发生前，穿戴防护口罩、防护服、防护眼镜等个人防护装备，以降低辐射对人体的危害。

2.掩蔽物构建：在核爆炸发生时，寻找坚固的掩蔽物，如地下室、掩体等，以减小冲击波和辐射对人体的影响。

3.核爆炸预警系统：建立核爆炸预警系统，及时发布核爆炸警报，便于人们采取防护措施。

四、高空核爆炸后的紧急处置措施1.辐射污染清除：采用专业的辐射清除设备和技术，对受污染的区域和物体进行清除。

高空核爆炸效应参数手册高空核爆炸效应参数手册目录一、引言二、高空核爆炸的定义及概述三、高空核爆炸的效应1. 惯性效应2. 电磁脉冲效应3. 光辐射效应4. 热辐射效应5. 放射性污染效应四、高空核爆炸效应的影响范围和规模1. 放射性污染的扩散范围2. 电磁脉冲影响的范围3. 光辐射的影响范围4. 热辐射的影响范围五、高空核爆炸效应的防护方法1. 生物防护措施2. 电磁脉冲防护措施3. 光辐射防护措施4. 热辐射防护措施六、高空核爆炸效应的应急处理1. 放射性污染的应急处理2. 电磁脉冲的应急处理3. 光辐射的应急处理4. 热辐射的应急处理七、结论八、参考文献一、引言高空核爆炸是指核武器在大气高空中引爆产生的爆炸现象。

与地面爆炸相比，高空核爆炸具有独特的效应和特点，对人类和环境的影响也迥然不同。

理解高空核爆炸的效应参数是进行防护和应急处理的基础，本手册旨在系统介绍高空核爆炸效应的参数和应急处理方法，以提供参考和指导。

二、高空核爆炸的定义及概述高空核爆炸是指核武器在大气高空中引爆产生的爆炸现象。

高空核爆炸由于距离地面较远，爆炸能量的一部分会被大气吸收和摄散，导致地面效应相对较小。

高空核爆炸的主要特点包括电磁脉冲（EMP）效应、光辐射效应、热辐射效应和放射性污染效应。

三、高空核爆炸的效应1. 惯性效应：高空核爆炸产生的爆炸能量会引起大气中的空气和尘埃运动，产生气流和冲击波。

惯性效应主要是对物体和建筑物的冲击和破坏，其影响范围与地面核爆炸相对较小。

2. 电磁脉冲效应：高空核爆炸释放的电磁能量会产生剧烈的电磁脉冲辐射，对电子设备和电力系统造成严重影响。

电磁脉冲效应主要表现为电子设备瘫痪、电力系统短路等现象。

3. 光辐射效应：高空核爆炸产生的光辐射能产生一股强烈的光线，对人眼和各种感光设备具有极大的危害。

光辐射效应主要表现为瞬时照明和光热灼伤。

4. 热辐射效应：高空核爆炸释放的能量会产生大量的热辐射，对人体和建筑物造成热能的辐射和烧伤。

高空核爆炸效应参数手册高空核爆炸，即在大气层中空中进行核爆炸。

由于核爆炸释放的巨大能量和辐射，对大气层中的物理与化学过程产生深远影响。

为了了解和研究高空核爆炸的效应参数，特制作了该手册，以便对此类型的事件有更全面的了解和掌握。

一、高空核爆炸的定义及类型高空核爆炸是指核武器在大气层中的空中爆炸，其产生的破坏和效应主要通过电磁波、光辐射、冲击波、辐射尘云等形式向地面传播。

根据爆炸高度的不同，可分为低空核爆炸和高空核爆炸，低空核爆炸一般指爆炸高度在30公里以下，而高空核爆炸则指高于30公里的爆炸。

二、高空核爆炸效应参数1. 辐射效应在高空核爆炸中，产生的γ射线和中子辐射将对大气层中的电离层和电磁场产生严重影响，从而影响大气电离和电磁波传播，对电子设备和通信系统造成干扰甚至破坏。

高能辐射也可能对人体产生严重伤害。

2. 电磁脉冲效应高空核爆炸释放的电磁波将形成电磁脉冲，对电子设备和电力系统造成严重破坏，可能引发大范围停电和通信中断。

3. 光辐射效应高空核爆炸会产生剧烈的光辐射，造成眼部和皮肤的光辐射灼伤，并在一定范围内引起火灾。

4. 电离层效应高空核爆炸释放的能量将致使大气中的电子和正电子失衡，造成电离层的异常变化，从而对无线电通信和导航系统产生严重影响。

5. 辐射尘云效应高空核爆炸产生的辐射尘云将持续在大气中传播，对环境、气候和生态产生长期影响。

三、应对高空核爆炸效应的措施1. 建立预警系统针对高空核爆炸释放的电磁波和辐射，建立完善的预警系统，提前通知并保护人们对辐射的暴露。

2. 保护电子设备和通信系统采取防护措施，确保关键电子设备和通信系统的正常运行，减少电磁脉冲和辐射的破坏。

3. 多层次的应急预案制定多层次的应对措施和紧急预案，包括疏散方案、防护设施建设等，以减少人员伤亡和财产损失。

4. 加强国际合作针对高空核爆炸效应的全球性影响，加强国际合作，共同研究应对措施，提高全球范围内应对危机的能力。

总结：高空核爆炸的效应参数是一个复杂而严峻的问题，需要跨学科的综合研究和多方面的综合防范。

高空核爆炸效应参数手册随着核武器的发展和应用，人们对于核爆炸效应参数的了解也变得越来越重要。

高空核爆炸是指核弹在大气层以上爆炸，其产生的效应对电子设备、通讯系统、电力网等具有严重破坏性。

了解高空核爆炸的效应参数对于国家安全和防卫工作来说至关重要。

本手册旨在系统梳理高空核爆炸的效应参数，为相关专业人员提供参考。

一、高空核爆炸概述高空核爆炸是指核武器在大气层以上高空爆炸的一种爆炸方式。

与地面或水下核爆炸不同，高空核爆炸不会产生地震和大量的放射性尘埃，但其产生的强烈的电磁脉冲和致命的伽马辐射能够对地面上的电子设备、通讯系统、电力网等造成严重影响，甚至造成长期瘫痪。

二、高空核爆炸效应参数1. 伽马射线辐射强度在高空核爆炸后，伽马射线辐射是最具破坏力的一种辐射。

其强度受到核武器当量、高度、大气密度等因素的影响。

根据模型计算，其辐射强度在爆炸中心区域可以达到几十兆伏特每米，对人体和电子设备具有致命破坏性。

2. 电磁脉冲强度高空核爆炸还会产生强烈的电磁脉冲，对地面上的电子设备、通讯系统、电力网等造成破坏。

其强度与核武器的高度、当量有关，可以迅速瘫痪大范围内的电子系统。

3. 电离层干扰高空核爆炸会造成电离层的异常扰动，影响到无线通讯、卫星导航等系统的正常运行。

其扰动强度与核爆炸高度、能量释放等有一定关联。

4. 磁暴效应高空核爆炸还可能引发地球磁场的扰动，产生磁暴效应，对电力系统、导航系统、通讯系统等造成不可逆的损害。

5. 辐射污染高空核爆炸也会在大气中产生放射性尘埃和颗粒物，对环境造成辐射污染。

这对人体健康和生态环境都具有长期危害。

三、防御措施和应对策略1. 预警系统建设：建立高空核爆炸的早期预警系统，及时发现核威胁，采取行动减轻损失。

2. 设备防护：对关键电子设备、通讯系统、电力网等进行防护设计，减少核爆炸效应的破坏。

3. 应急预案制定：建立完善的高空核爆炸应急预案和救援体系，及时应对灾难。

4. 国际合作：加强国际间的核安全合作，共同应对高空核爆炸带来的挑战。

核爆炸产生的电磁脉冲效应评估核爆炸产生的电磁脉冲效应评估核爆炸产生的电磁脉冲（EMP）效应评估随着核武器技术的发展，人们对核爆炸产生的各种效应越来越关注。

其中，电磁脉冲（EMP）效应是一种重要的效应之一。

本文将对核爆炸产生的EMP效应进行评估。

首先，我们需要了解EMP的基本原理。

核爆炸释放出大量的电磁辐射，其中包括两种不同类型的EMP：高能量的E1脉冲和低能量的E3脉冲。

E1脉冲是由核爆炸产生的高能粒子释放出的电磁辐射，其频率范围在几千兆赫兹至低几百兆赫兹之间。

E3脉冲是由核爆炸产生的低能粒子释放出的电磁辐射，其频率范围超过几百兆赫兹。

EMP产生的原因是核爆炸导致的电离和电子加速。

当核爆炸发生时，高能粒子和辐射电离大气层中的原子和分子，产生带电粒子和辐射能量。

这些带电粒子会受到地球的磁场力的影响，从而形成电磁脉冲。

EMP效应主要影响电子设备和电力系统。

由于EMP释放出的巨大能量和频率范围广泛，它可以通过电力线、无线电设备和天线等途径进入电子设备和电力系统中。

一旦进入，EMP会在电子装置中引起过电压和电流，导致设备的损坏和系统的瘫痪。

特别是对于敏感的电子设备，如计算机、通信系统和导航系统，EMP的影响更为显著。

为了评估EMP效应对电子设备和电力系统的影响，科学家们进行了大量的研究和实验。

他们通过模拟核爆炸释放的电磁辐射，对各种设备进行测试和测量。

这些测试和测量旨在确定设备的耐受能力，以及开发相应的保护措施。

根据研究结果，我们可以得出结论：EMP效应对电子设备和电力系统造成的影响是严重的。

当核爆炸发生时，EMP产生的电磁脉冲能够瞬间摧毁或瘫痪大量的设备，导致系统的瘫痪甚至崩溃。

因此，保护电子设备和电力系统免受EMP效应的影响是至关重要的。

为了应对EMP效应，科学家们提出了一些保护措施。

例如，可以采取屏蔽措施，通过在设备周围添加金属屏蔽来阻挡EMP的进入。

还可以采取过电压保护措施，通过在设备上安装过电压保护器来吸收和限制过电压。

爆炸电磁脉冲对电子系统的干扰分析爆炸电磁脉冲（Electromagnetic Pulse，简称EMP）是一种强大的电磁辐射现象，可以对电子系统造成严重的干扰。

本文将对爆炸电磁脉冲对电子系统的干扰进行分析，并探讨其可能的影响。

首先，爆炸电磁脉冲的产生通常与核爆炸、大规模爆炸或高能电磁脉冲器相关。

当这些事件发生时，会释放出大量的能量，产生强烈的电磁脉冲。

这些电磁脉冲可以通过电磁波的形式传播，并在其路径上对电子系统造成干扰。

爆炸电磁脉冲对电子系统的干扰主要体现在两个方面：辐射干扰和传导干扰。

辐射干扰是指电磁脉冲通过空气传播，直接作用于电子系统的电路元件。

这种干扰会导致电子系统中的电流和电压发生瞬时的变化，从而使电子系统的正常工作受到影响甚至完全瘫痪。

传导干扰则是指电磁脉冲通过导体传导进入电子系统，进而干扰电子系统中的信号传输和处理。

在电磁脉冲辐射干扰方面，爆炸电磁脉冲的强大能量可以引起电子系统中的电子元件产生过电压和过电流现象。

这些过电压和过电流会导致电子元件的损坏或烧毁，从而使整个电子系统无法正常工作。

此外，电磁脉冲还可以引起电子系统中的电磁感应现象，产生电磁能量的传递和转换，进一步加剧干扰的程度。

在电磁脉冲传导干扰方面，爆炸电磁脉冲的能量可以通过导线、电缆等导体传导进入电子系统中。

一旦进入电子系统，电磁脉冲会干扰电子系统中的信号传输和处理。

这种传导干扰可以导致电子系统中的信号失真、误码率增加等问题，从而影响电子系统的正常工作。

除了直接的干扰外，爆炸电磁脉冲还可能引发连锁反应，导致电子系统中的其他元件受到间接的干扰。

例如，当电子系统中的某个元件受到干扰而发生故障时，它可能会引发其他元件的故障，从而导致整个电子系统的崩溃。

为了减轻爆炸电磁脉冲对电子系统的干扰，可以采取一些措施。

首先，可以在电子系统中加入适当的屏蔽措施，如金属屏蔽箱、屏蔽罩等，以阻挡电磁脉冲的传播。

其次，可以采用电磁兼容设计，通过合理布局电子元件和电路，减少干扰的传导路径。

高强度电磁脉冲对800千伏输电系统的影响评估高强度电磁脉冲 (HEMP) 是一种由核爆炸等强大能量释放而产生的大范围电磁辐射现象。

当这种脉冲波传播到800千伏输电系统时，可能对其造成严重影响。

因此，本文旨在评估高强度电磁脉冲对800千伏输电系统的影响。

首先，我们需要了解高强度电磁脉冲的特性。

高强度电磁脉冲是由强大的电磁脉冲波组成，其频率范围通常为几十千兆赫兹至几百千兆赫兹。

这种辐射能量非常高，具有极强的穿透力和破坏力，可以瞬间使电气设备发生短路、电子元器件失效甚至损坏。

对于800千伏输电系统来说，其运行中可能会受到各种来自自然和人为因素的干扰，如雷电、电力突变等。

高强度电磁脉冲属于这一类干扰因素之一，但其影响范围和破坏力远远超出了其他干扰因素。

因此，进行高强度电磁脉冲对800千伏输电系统的影响评估非常重要。

在评估过程中，首先需要考虑的是高强度电磁脉冲波的传播路径。

根据电磁学原理，电磁脉冲波在传播过程中会受到地球的电离层、地表等各种因素的影响，从而呈现出不同的传播特性。

因此，需要对800千伏输电系统所处的位置、地形、气象条件等进行详细分析，并综合考虑高强度电磁脉冲波的传播范围、传播衰减等因素。

其次，需要评估高强度电磁脉冲波对800千伏输电系统各个组成部分的影响。

800千伏输电系统通常由变电站、变压器、导线和绝缘支撑系统等多个部分组成。

高强度电磁脉冲波能够通过空气、物体等途径对这些部分产生影响。

因此，需要对每个组成部分的抗电磁脉冲能力进行评估，并根据其特性和位置进行分析和判断。

另外，需要考虑高强度电磁脉冲波对800千伏输电系统运行稳定性的影响。

由于高强度电磁脉冲波的强大穿透力和破坏力，可能导致系统中断、短路等故障，进而影响整个输电系统的运行稳定性。

因此，需要评估高强度电磁脉冲波对系统的影响程度，并提出相应的应对措施，以保障系统的可靠运行。

最后，需要考虑高强度电磁脉冲波的预防和应对方法。

在评估的基础上，应采取措施来预防和减轻高强度电磁脉冲对800千伏输电系统造成的影响。

高强度电磁脉冲影响研究高强度电磁脉冲影响研究高强度电磁脉冲（HEMP）是指在极短时间内释放出极大能量的电磁脉冲。

它的影响研究对于保护电子设备和电网的安全至关重要。

下面是根据高强度电磁脉冲影响研究的步骤思路：第一步：了解高强度电磁脉冲的定义和特点。

高强度电磁脉冲是一种瞬时的、宽频谱的电磁辐射，其幅度远远超过常规电磁信号。

了解其特点有助于我们理解其可能对电子设备和电网造成的影响。

第二步：研究高强度电磁脉冲对电子设备的影响。

首先，我们需要了解高强度电磁脉冲产生的原因，例如核爆炸、雷击等。

然后，通过实验或仿真模拟，研究高强度电磁脉冲对电子设备的电磁耐受性和故障机制。

这包括设备的瞬态响应、电磁干扰的传播和耦合机制等。

第三步：研究高强度电磁脉冲对电网的影响。

通过实验或仿真模拟，研究高强度电磁脉冲对电网的输电线路、变电站和控制系统等的影响。

这包括电磁感应和故障导致的电网瘫痪、电网设备的损坏和故障恢复机制等。

第四步：探索高强度电磁脉冲的防护方法。

基于对高强度电磁脉冲影响的研究，我们可以开发出相应的防护方法来保护电子设备和电网。

这包括设计具有电磁屏蔽功能的设备、采用电磁屏蔽材料、建设抗高强度电磁脉冲的电网等。

第五步：评估防护措施的有效性。

通过实验或仿真模拟，评估所采取的防护措施对高强度电磁脉冲的抵抗能力。

这有助于不断改进和优化防护方法，提高电子设备和电网的抵御能力。

第六步：应用研究成果。

将高强度电磁脉冲影响研究的成果应用于实际生产和运营中。

这包括在设备和系统设计中考虑高强度电磁脉冲的影响、制定相应的应急预案和安全标准等。

通过以上步骤，我们可以全面了解高强度电磁脉冲的影响，并采取相应的防护措施来保护电子设备和电网的安全。

这对于确保电子设备和电网的正常运行，维护社会的稳定发展至关重要。

高空电磁脉冲晚期环境下电力系统效应研究进展刘彤宇;李丽;王亚楠;田逸涵;赵禹洋;王奕欢;何雨桁;孟维;蔡玲珑;马志钦;李兴文;丁卫东【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2024(36)5【摘要】高空电磁脉冲作为一种广域电磁攻击手段,能对电力设备造成较大冲击,甚至造成电力基础设施瘫痪,严重威胁新型电力系统安全。

主要聚焦国内外高空电磁脉冲晚期环境下电力系统效应研究进展。

首先,分析了高空电磁脉冲晚期环境下地磁扰动产生机理及感应地电场计算方法,建立了极端地磁感应电流的计算模型。

其次,归纳了极端地磁感应电流注入情况下电力变压器、互感器、断路器等典型易损设备效应特征与机理。

进一步地,分析了高空电磁脉冲晚期环境极下端地磁感应电流模拟注入装置和效应试验方法,总结了美国国防威胁降低局、美国电力研究院项目等相关试验和电力系统效应仿真与评估研究。

最后,从高空电磁脉冲晚期环境效应机理、典型设备效应特征、模拟效应试验和系统级效应评估等层面总结了现有研究结论,梳理了下一步发展方向。

【总页数】17页(P130-146)【作者】刘彤宇;李丽;王亚楠;田逸涵;赵禹洋;王奕欢;何雨桁;孟维;蔡玲珑;马志钦;李兴文;丁卫东【作者单位】西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室;广东电网有限责任公司电力科学研究院【正文语种】中文【中图分类】TM15【相关文献】1.高空核电磁脉冲晚期效应对电网稳定性影响的研究2.高空电磁脉冲作用下电力系统主要效应模式分析3.分层视角下无线通信网络高空电磁脉冲效应4.电力系统高空电磁脉冲效应研究综述5.高空电磁脉冲晚期成分作用下500 kV变压器无功损耗仿真研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第31卷第7期强激光与粒子束V o l.31,N o.7 2019年7月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S J u l.,2019高空电磁脉冲作用下电力系统主要效应模式分析*陈宇浩1,谢彦召1,刘民周1,高冲2,李萌3,巩少岩2,周建辉2(1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安710049;2.全球能源互联网研究院有限公司,北京102200;3.国网江苏省电气有限公司信息通信分公司,南京210024)摘要:随着电网智能化和整体规模的提高,现代电力系统越来越容易受到高空电磁脉冲的威胁,一旦关键环节故障将有可能导致连锁反应,造成大面积停电㊂而针对不同的电力设备,其效应模式和威胁等级也有所不同,需要进行分类和分级研究㊂根据电力设备在电磁脉冲作用下的不同效应模式,将其分为S C A D A系统与继电保护设备,变压器㊁互感器等线圈类设备,线路与设备避雷器与其他设备,并分析了其效应机理㊂然后考虑高空电磁脉冲威胁下电力设备存在多种效应等级,介绍了不同效应分类方法以及多等级效应评估模型㊂最后综合考虑易损性和重要性以及系统间的级联影响,分别梳理总结了在E1和E3作用下电力系统的故障链模式㊂关键词:电力设备;高空电磁脉冲;效应模式;多等级分类中图分类号: TM15文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201931.190184A n a l y s i s o f h i g h-a l t i t u d e e l e c t r o m a g n e t i c e f f e c tm o d e l s o n p o w e r s y s t e mC h e nY u h a o1, X i eY a n z h a o1, L i u M i n z h o u1, G a oC h o n g1, L iM e n g3, G o n g S h a o y a n2, Z h o u J i a n h u i2(1.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f E l e c t r i c a l I n s u l a t i o na n dP o w e rE q u i p m e n t,X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,X i a n710049,C h i n a;2.G l o b a l E n e r g y I n t e r c o n n e c t i o nR e s e a r c hI n s t i t u t eC oL t d,B e i j i n g102200,C h i n a;3.I n f o r m a t i o n&T e l e c o mm u n i c a t i o nB r a n c ho f S t a t eG r i dJ i a n g s uE l e c t r i cP o w e rC o m p a n y,N a n j i n g210024,C h i n a)A b s t r a c t: W i t h t h e i m p r o v e m e n t o f t h e i n t e l l e c t u a l i z a t i o na n do v e r a l l s c a l eo f p o w e r g r i d,m o d e r n p o w e rs y s t e mi sm o r e a n dm o r e v u l n e r a b l e t o t h e t h r e a t o f h i g h-a l t i t u d e e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e.O n c e t h e k e y l i n k f a i l s,c a s c ad i n g re a c t i o n sm a y o c c u r,r e s u l t i n g i n l a r g e-s c a l e b l a c k o u t s.F o r d if f e r e n t e l e c t r i c e q u i p m e n t s,t h e i r e f f e c tm o d e s a n d t h r e a t l e v e l s a r e a l s od i f f e r e n t,t h u s i t i s n e c e s s a r y t o c a r r y o u t c l a s s i f i c a t i o n r e s e a r c h.A c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n t e f f e c tm o d e s o f e l e c t r i c e q u i p m e n t s u n d e r e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e,t h i s p a p e r d i v i d e s t h e e q u i p m e n t si n t oS u p e r v i s o rC o n t r o lA n dD a t aA c q u i s i t i o n(S C A D A)s y s t e m a n dr e l a yp r o t e c t i o ne q u i p m e n t,c o i l t y p ee-q u i p m e n t i n c l u d i n g t r a n s f o r m e r a n d s oo n,l i g h t n i n g a r r e s t o r i n c l u d i n g l i n e t y p e a n d e q u i p m e n t t y p e,a n do t h e rt y p e s o f e q u i p m e n t.T h e i r e f f e c tm e c h a n i s m s a r e a n a l y z e d i nd e t a i l.S e c o n d l y,c o n s i d e r i n g t h a t t h e r e a r em a n yk i n d s o f e f f e c t l e v e l su n d e r t h e t h r e a t o f h i g h-a l t i t u d e e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e,d i f f e r e n t e f f e c t c l a s s i f i c a t i o nm e t h-o d s a n dm u l t i-l e v e l e f f e c t e v a l u a t i o nm o d e l a r e i n t r o d u c e d.F i n a l l y,c o n s i d e r i n g c o m p r e h e n s i v e i m p a c t o f v u l n e r-a b i l i t y a n d i m p o r t a n c e a n d t h e c a s c a d i n g e f f e c t s a m o n g e q u i p m e n t,t h e f a i l a r e l i n k s o f p o w e r s y s t e mu n d e rE1a n dE3a r e s u mm a r i z e da n da n a l y z e d,r e s p e c t i v e l y.K e y w o r d s:e l e c t r i c e q u i p m e n t;e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e;e f f e c tm o d e l; m u l t i s t a t e c l a s s i f i c a t i o nP A C S:41.20.J b;07.50.-e高空电磁脉冲(H E M P)是在地面上方30k m以上空间产生核爆后,γ射线与空气介质分子的相互作用而产生的电磁脉冲现象㊂其辐射场时域波形分为早期㊁中期㊁晚期三个部分,早期成分记为E1,是核爆炸瞬发γ激励的康普顿电子运动所产生的,其波形前沿为n s量级;中期成分记为E2,持续时间在0.1μs~0.01s之间;晚期成分E3的持续时间在1s到数百s之间,是由各种空间碎片和空气离子在地磁场中运动感应产生㊂随着电网整体规模的扩大以及电子器件的广泛使用,电力系统受到H E M P的威胁也在提高,一旦关键设备故障,有可能引起恶性连锁反应,影响电力系统的正常运行㊂通常E1和E3成分对电力系统影响较大,是研究的重点㊂*收稿日期:2019-05-24;修订日期:2019-06-15基金项目:国家电网公司合作项目(S G R I Z L K J(2016)699号)作者简介:陈宇浩(1993 ),男,博士研究生,从事电磁脉冲效应研究;c h e n y u h a o@s t u.x j t u.e d u.c n㊂通信作者:谢彦召(1973 ),男,博士,从事电磁脉冲研究;y z x i e@x j t u.e d u.c n㊂070007-1070007-2因此,对电力设备在H E M PE 1和E 3作用下的效应模式进行研究,分析电力系统受到的影响,可以对防护加固研究提供支持㊂针对H E M P 早期E 1效应,2000年以来国内外学者开展了大量实验研究工作㊂德国学者N i t s c h ,C a m p ,S a b a t h ,G a r b e 等人分别研究了不同种类电子设备(如计算机系统㊁微处理器和微控制器等)的故障和毁伤阈值曲线[1-3];美国和俄罗斯学者R a d a s k y ,K o z l o v ,和P a r f e n o v 等人分别针对线路绝缘子在系统工作与不工作状态下开展了高压脉冲实验研究,确定了不同脉冲前沿和脉冲宽度下绝缘子的闪络电压[4],同时美国电磁脉冲委员会也针对15k V 的多种绝缘子进行了易损性测试,观察到绝缘子的电弧损坏现象[5];我国学者也针对一些电子设备开展了效应实验,韩军㊁邓建红㊁高晶等人对静态随机存储器㊁1553B 通信系统和R S 232端口等开展了电磁脉冲效应实验,研究了受损机理与阈值规律[6-8];马运普等人针对不同类型的10k V 避雷器的响应特性开展了实验研究[9]㊂而在H E M P 晚期效应方面,针对变压器开展了大量的实验与理论研究,主要聚焦在无功损耗增多㊁变压器金属构件发热温升㊁谐波效应和振动噪声等效应㊂B e r g e 等人提出了G I C 与变压器无功损耗效应间的定量线性函数关系[10];T a k a s u 等人采用实验法分析了G I C 作用下壳式变压器和芯式变压器主要结构件温升的情况[11];此外,在谐波效应与振动噪声效应等方面国内外学者也开展了相关研究并取得了一定进展[12-13]㊂ 基于国内外研究成果,本文主要对电力系统关键设备在H E M P 威胁下的效应模式进行分类讨论;进一步提出了H E M P 效应的多等级分类思路并介绍了当前的一些评估方法;最后分析了H E M P 作用下电力系统的故障传递与影响㊂1 不同电力设备效应研究理论分析和实验研究表明,在H E M P 环境作用下,电力系统中受到威胁的设备主要包括S C A D A 系统与继电保护设备,变压器㊁互感器等线圈类设备,线路与设备避雷器以及一些其他关键设备[5,14]㊂1.1 S C A D A 系统与继电保护设备随着电网智能化的发展,电力系统中使用了大量的电子设备,包括数据采集与监视控制系统(S u p e r v i s o r C o n t r o lA n dD a t aA c q u i s i t i o n ,S C A D A )㊁继电保护设备等,它们工作电压水平低,最易受到H E M P 的影响㊂ S C A D A 系统是能量管理系统(E M S )和配电管理系统(D M S )的重要子系统,其中E M S 主要针对发电和输电系统,用于大区级电网和省级电网的调度中心,D M S 主要针对配电和用电系统[15]㊂其中输电S C A D A 系统的主要子系统包括变电所和发电厂内的远方终端(R e m o t eT e r m i n a lU n i t ,R T U )㊁数据通信系统和调度中心的计算机系统;配电S C A D A 系统主要子系统包括配电所内的R T U ㊁监测配电变压器运行状态的监测终端(T r a n s f o r m e rT e r m i n a lU n i t ,T T U )㊁沿馈线分布的馈线终端单元(F e e d e rT e r m i n a lU n i t ,F T U )以及D M S 通信系统㊂S C A D A 系统通常安装在某种金属盒子内部,一般来讲,这种金属外壳只能保护内部电子系统免受机械性损坏,而无法保证免受H E M P 的干扰,因为H E M P 可以通过自由场㊁各类天线穿透金属外壳而破坏电子系统的完整性㊂由于S C A D A 系统通常没有与能够感应E 3成分的超长线缆有直接电气耦合,因此一般只研究E 1成分的作用㊂ 继电保护装置是避免电力系统或电力设备由于不正常工作状态而造成经济损失的重要二次设备,其基本任务主要是:(1)自动㊁迅速㊁有选择性地将故障元件从电力系统中切除,使故障元件免于继续遭到损坏,保证其他无故障部分迅速恢复正常运行;(2)反应电力设备的不正常运行状态,并根据运行维护条件,而动作于发出信号或跳闸㊂继电保护装置不仅会受到E 1成分通过耦合作用的直接干扰和威胁,还会由E 3成分使变压器直流偏磁产生谐波而间接对继电保护装置产生干扰并造成误动作或拒动㊂1.2 变压器、互感器等线圈类设备 线圈类设备包括变压器㊁电压互感器等电力系统一次设备,它们通常直接与输电线路相联,在E 1成分作用下直接面临着线路中瞬态过电压的威胁㊂由于瞬态过电压的前沿很快且达到纳秒级,线圈中电流变化率很快,使得匝间电压很大,可能会造成匝间击穿;同时E 1成分所产生瞬态过电压频带范围宽,可能会与线圈类设备产生共振㊂分析研究可知:波头时间越短变压器绕组的电压分布越不均匀;且E 1所产生的过电压比雷电波对线圈绕组首端位置主绝缘和纵绝缘的危害更大㊂而针对E 1瞬态过电压作用下线圈类设备的效应实验研究强激光与粒子束070007-3目前公开文献较少,基于相关陡波作用下的研究可以预测变压器㊁互感器绕组等首端的绝缘水平将会承受较大威胁[16]㊂ 另一方面,E 3成分会在长输电线路中产生地磁感应电流(G e o m a g n e t i c a l l y I n d u c e dC u r r e n t ,G I C ),使得电力变压器产生直流偏磁效应,即变压器中流过较大偏磁电流,铁心出现饱和现象,导致变压器铁心中含有直流磁通,此时铁心比正常工作时会产生更大的磁滞效应㊂变压器励磁电流的增加,将会导致变压器谐波增大㊁无功损耗增加㊁振动噪声以及油温上升或金属构件局部过热等不利后果㊂此外,当直流偏磁现象发生时,电流互感器(C u r r e n tT r a n s f o r m e r ,C T )一次侧电流中出现了直流电流,且直流电流全部作用于C T 励磁支路,就有可能会引起C T 的饱和,一旦C T 出现饱和现象,C T 二次侧电流波形就会出现畸变㊁缺损,进而可能会引起继电保护算法出现误差,导致继电保护不正确动作㊂随着偏磁电流的增加二次侧电流的畸变会越来越严重,并且会产生谐波㊂1.3 线路与设备避雷器 由于输电线路上感应的H E M PE 1电压波形波前较陡,通常可达几十k V /n s ,使得线路和设备避雷器无法快速响应,从而造成脉冲干扰电压对后端设备产生威胁㊂在响应电压波形上,有串联间隙的避雷器和无串联间隙的避雷器会有明显的不同,有串联间隙避雷器的响应波形与串联火花间隙的放电特性有关,且由于火花间隙放电需要一定的时延,所以在响应波形的头部会出现一极短的电压过冲,且脉冲电压陡度愈高电压过冲也愈高;无间隙氧化锌避雷器的响应波形完全取决于氧化锌电阻片特性,没有明显的电压过冲㊂此外,避雷器冲击响应电压随脉冲电压前沿陡度的提高而增高,在同一陡度的脉冲电压作用下,无间隙和有串联间隙的冲击响应电压基本一致[9]㊂1.4 其他设备其他电力设备如断路器㊁绝缘子等也会在H E M P 作用下产生效应㊂对于断路器来说,主要受到E 3成分的影响,在断路器的开发过程中很大程度上依赖于电流中断装置的设计,而电流中断装置在自然电流为零时才允许电流中断㊂E 3效应会在电网中产生较大的G I C ,而叠加直流的交流电流峰值是正常交流电流的两倍左右,同时会阻碍正常的交流电流过零时间㊂对于线路和设备上的绝缘子,可能会被E 1感应的电弧损坏,造成线路㊁设备等发生短路现象,进而造成设备和系统故障㊂同时系统在带电运行情况下,当E 1产生的脉冲过电压叠加在工频电压峰值会使得绝缘子承受更大的电压峰值,更易造成绝缘闪络现象㊂2 多等级效应分类评估在实际H E M P 威胁作用下,根据失效模式和威胁大小的不同,电力设备通常会发生不同等级的效应现象,如干扰㊁故障㊁损毁等,因此为了对效应进行深入研究,有必要开展多等级的效应分类评估㊂德国科学家F r a n kS a b a t h 分别从失效机理㊁失效时间和失效程度等三个方面进行了分类研究,其中根据失效机理的分类方法能够针对某一影响参数进行深入地分析研究,然而这种分类方法却无法对实际使用性能进行描述;根据失效时间的分类方法能够客观地从效应持续时间角度进行分类,适用于任何的电力设备而无需专家进行功能威胁评估,但是由于没有提供关于设备功能的评估分类信息,往往无法准确地给出分级结果;根据失效程度的分类方法能够针对电力设备的失效功能进行分类研究而与失效时间无关,然而该分类方法的正确性却依赖于对系统功能的深入认识㊂基于此,F r a n k 认为在评估电磁脉冲对关键设备威胁的时候,综合失效时间与失效程度两个方面可以给出更加全面的评估结果[17]㊂ 另外,在多等级的分类评估方法上,目前多位学者结合多等级分类模型与统计学方法给出了不同的分类方法㊂K e j i eL i 等人提出基于多项选择模型进行效应分类,假设被试设备共包括k 个效应等级且每一个等级都定义一个隐变量,即y *0=β0x +ε0y *1=β1x +ε1 y *k -1=βk -1x +εk -ìîíïïïïï1(1)式中:βi 反映了自变量x 对各个隐变量影响权重的不同;εj 为各个隐变量的误差项㊂陈宇浩等:高空电磁脉冲作用下电力系统主要效应模式分析070007-4 当且仅当模型中y *j =m a x (y *0,y *1, ,y *k -1)时,y =j ,即模型所表现的效应类别,也就是说系统最终所表现出的效应是由各等级隐变量相互博弈的结果㊂由于εj 可认为是相互独立的,假设误差项分别服从I 型极值分布和正态分布时,可以推导模型的对数极大似然函数表达式并根据实验数据估计模型参数[18]㊂ Y uL i u 等人针对实际情况下实验样本有限的问题,提出采用贝叶斯方法建立效应多等级模型㊂每一个效应概率分布函数均由相邻两种效应数据构建,基于贝叶斯公式,其参数的联合后验分布由参数联合先验分布与似然函数计算得到㊂依次计算得到每一个效应概率分布函数便可得到多等级效应分类模型[19]㊂3电力系统效应评估F i g .1 S k e t c ho f e l e c t r i c e q u i p m e n t a s s e s s m e n t c o m b i n i n g v u l n e r a b i l i t y a n d c r i t i c a l i t y图1 综合电磁易损性和关键性的电力设备风险趋势示意图 在系统层面,电力设备在H E M P 作用下所面临的风险不仅和其自身的易损性有关,也与其在系统中的重要性有关,即随着设备易损性和重要性的提高,其面临的H E M P 风险也在提高,如图1所示是电力设备风险变化趋势示意图㊂因此对于电力系统这个复杂的网络,各个电力设备相互影响,一旦某个设备受到H E M P 威胁而出现故障可能对系统造成级联影响㊂E 1成分对电力系统级联影响的示意图如图2所示,可以看到E 1成分一方面可以通过一次设备对系统造成影响,如变压器的绝缘损伤导致变压器退出系统㊁绝缘子击穿和避雷器无法及时响应造成系统负荷损失以及E 1直接造成负荷故障从而退出系统,这些都会对系统稳定性造成影响;另一方面通过对二次设备的影响,如互感器绝缘故障和继电保护装置干扰从而造成二次设备的误动㊁S C A D A 系统受到干扰而故障,这些会使得系统的监测控制环节出现误判而造成故障的进一步升级㊂F i g .2 F a i l u r e c h a i n s k e t c ho fE 1o n p o w e r s ys t e m 图2 E 1对电力系统威胁故障链示意图 E 3成分主要通过在长线缆上感应G I C 直接对变压器和断路器一次设备造成影响,其对电力系统级联影响的示意图如图3所示㊂变压器直流偏磁产生大量谐波,一方面造成线路和变压器继电保护装置的误动从而使线路和变压器跳闸,另一方面由此造成系统无功损耗大大提高,使得补偿电容器和静止同步补偿器(S t a t i cV a r C o m p e n s a t o r ,S V C )过载从而退出系统㊂直流偏磁造成变压器本体的温升㊁振动等效应也有可能使变压器发生故障退出系统运行㊂此外,G I C 会延迟断路器过零时间,使得需要及时切除的设备无法快速切除从而给系统带来更大的故障㊂以上分别分析了E 1成分和E 3成分对电力系统运行的影响,但实际情况下,电网受到H E M P 的威胁是E 1,E 2以及E 3协同作用的结果㊂在E 1作用导致的设备损坏可以绕过雷电防护措施的地方,E 2作用将直接进入并损害主要的系统元件,紧接着E 3必然会损害已无保护措施的主要系统元件,从而对造成系统的大范围故障甚至系统崩溃㊂强激光与粒子束070007-5F i g .3 F a i l u r e c h a i n s k e t c ho fE 3o n p o w e r s ys t e m 图3 E 3对电力系统威胁故障链示意图4 结 论 本文首先将电力系统中的关键敏感设备分为S C A D A 系统与继电保护设备㊁变压器㊁互感器等线圈类设备,线路与设备避雷器与其他设备,并分别对其在E 1和E 3作用下的失效模式进行了分析㊂然后考虑根据失效模式和威胁大小的不同电力设备会产生不同等级的效应现象,介绍了不同效应分类方法以及多等级效应评估模型,为电力设备评估提供了借鉴㊂最后考虑电力设备易损性和重要性对电力设备评估的综合影响以及系统间的级联影响,分别梳理总结了在E 1和E 3作用下的故障链模式,表明电力系统在H E M P 作用下可能会产生系统级的大规模停电事故,对进一步开展H E M P 的全面综合评估提供了基础㊂参考文献:[1] N i t s c hD ,C a m p M ,S a b a t hF ,e t a l .S u s c e p t i b i l i t y o f s o m e e l e c t r o n i c e q u i p m e n t t oH P E Mt h r e a t s [J ].I E E ET r a n sE l e c t r o m a g nC o m pa t ,2004,46(3):380-389.[2] C a m p M ,G e r t hH ,G a rb eH ,e t a l .P r e d ic t i n g t h e b r e a kd o w n be h a v i o r o fm i c r o c o n t r o l l e r s u n d e r E M P /UW B i m p a c t u s i n g a s t a t i s t i c a l a n a l -y s i s [J ].I E E ET r a n sE l e c t r o m a g nC o m p a t ,2004,46(3):368-379.[3] M än s s o nD ,T h o t t a p p i l l i lR ,N i l s s o nT ,e t a l .S u s c e p t i b i l i t y o f c i v i l i a nG P S r e c e i v e r s t o e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n [J ].I E E ET r a n sE l e c t r o -m a g nC o m p a t 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