作者:

何量高子钦丘翊仙罗小峰(广东省风力发电有限公司)
黄昱(广东佛山顺德伦教金盾防雷技术发展有限公司)
杨少杰 (广东省气象局)
摘要:
高空核爆电磁脉冲( HEMP) 对数据采集与监视控制系统( SCADA) 的损害研究越来越成为当今社会关注的焦点,也是给风力发电行业造成经济损失的威胁之一。雷电电磁脉冲( LEMP) 和高空核爆电磁脉冲( HEMP) 同属高能电磁脉冲范畴。为了有效保护风电场 SCADA 不受 LEMP 和 HEMP的损害,根据 HEMP 与 LEMP 对 SCADA 的损害机理,通过对波形参数的比较,采用多元四端网络技术研发了专门用于风电场 SCADA 保护的 HEMP /LEMP 高能吸收器,经注入不同波形参数的瞬态脉冲测试,效果显著。
 
数据采集与监视控制系统( SCADA) 系统通常没有考虑 HEMP 电磁脉冲的影响。美国曾进行了一系列 SCADA 常用组件的电磁脉冲敏感性试验,其中对以太网线缆的电磁脉冲耦合试验结果表明,耦合到 60.96 m 长以太网电缆的瞬态值大约是 7.62 m 长线的 7 倍、典型电子设备的以太网上可产生 100 ~ 700 A 的瞬态电流,所有暴露在电磁脉冲模拟环境下的被测系统都会出现故障。我国电力、能源、交通、通信、金融等国家基础设施已广泛应用 SCADA 系统,一旦发生高能电磁脉冲( LEMP 或 HEMP) 事件,后果不堪设想。如高铁,在遭到场强几 kV /m 电磁脉冲的作用下,信号系统就会发生故障。2011 年“7.23甬温线雷击”导致 SCADA 局部紊乱,酿成特重大高铁相撞事故,40 人当场死亡、172 人受伤,列车中断时间 32 h 35 min,经济直接损失 19371.65万元。

导致 SCADA 系统崩溃的高能电磁脉冲主要有 HEMP、LEMP 和地磁暴。对高能电磁脉冲的预防,基本的措施有屏蔽、接地、搭接、滤波和电涌吸收。屏蔽的目的是减小电磁脉冲耦合引起线路过电压的幅值,接地和搭接可以防止闪络,滤波和电涌吸收是把已经发生的瞬态脉冲能量降低。可以设想,假如拥有电涌吸收能力强大的技术,便可降低屏蔽和滤波的严酷要求而保障SCADA 的安全。显然,研究 HEMP 和 LEMP 的特征和高能吸收技术,研发能适用于 HEMP 和LEMP 防护的电涌吸收装置具有重要意义。 
 
1 高空核爆电磁脉冲(略)
2 雷电电磁脉冲(略)
3 HEMP 与 LEMP 的比较(略)
对 SCADA 预防 HEMP 损坏的方法,美国电磁脉冲袭击对美威胁评估委员会提出的典型保护技术包括屏蔽、接地、搭接、滤波和电涌保护器。我国预防雷电损坏 SCADA 系统的方法包括接闪、分流、共用接地、屏蔽、等电位、安全距离和电涌吸收。很显然,预防的对象不同,防护的方法相同。

综上所述,HEMP 与 LEMP 的波形参数在电场变化率、幅值、时间上有着巨大的差别。但是,两者都遵从麦克斯韦方程组的约束,从而就有了几乎完全相同的防护技术路线和方法。进一步分析防护的各个环节,接地,搭接( 等电位) 与雷电防护没有本质的区别; 屏蔽,滤波,电涌吸收与频率有关。要对 SCADA 系统进行有效的 HEMP和 LEMP 防护,电涌吸收就成为关键技术。
 
4 HEMP 与 LEMP 高能吸收技术(略)
 
5 结论
1) HEMP 的波形参数决定了防护的严酷性,其不规则包络线、大幅值、大陡度和长持续时间使得一次核爆产生的 HEMP 具有自由场、雷电电磁场、地磁暴电磁场的特征和破坏力,预防HEMP 对 SCADA 的损害格外困难。特别是野外的 SCADA 系统,目前受到 LEMP 损害就十分严重。LEMP 仅相当于 HEMP 的 E2。

2) HEMP 与 LEMP 对 SCADA 损坏的物理过程类同,预防方法基本一致。对 SCADA 系统进行有效的 HEMP 和 LEMP 防护,电涌吸收是重要环节。



高空核爆与雷电电磁脉冲特征及能量吸收技术(摘要)

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