沈高穩(wěn)，羅 珊，王金全，李建科

(陸軍工程大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院， 南京 210007)

1 引言

可靠的電力供應(yīng)是打贏信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的必備條件。在軍事領(lǐng)域，由光伏組件、儲(chǔ)能電池、柴油發(fā)電機(jī)等所構(gòu)成的微電網(wǎng)已成為供電系統(tǒng)的重要形式之一。而電磁脈沖武器[1](electromagnetic pulse weapon，EMP)則是攻擊供電系統(tǒng)的有效武器，因此研究電磁脈沖武器對(duì)微電網(wǎng)的重要組件——光伏組件的影響，對(duì)于供電保障的可靠性、安全性及機(jī)動(dòng)性具有重要意義。研究表明電磁脈沖武器[2](electromagnetic pulse weapon)所發(fā)出的電磁脈沖頻率范圍在MHz～GHz數(shù)量級(jí)之間，其發(fā)射的電磁脈沖峰值場(chǎng)強(qiáng)極高，能量極大，作用范圍極廣，能夠?qū)╇娨淮蜗到y(tǒng)和二次系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。武器型電磁脈沖大致可分為三類(lèi)：① 高空核爆電磁脈沖(high-altitude electromagnetic pulse，HEMP)，由低當(dāng)量核彈在高空引爆產(chǎn)生；② 超寬帶(ultra wide band，UWB)電磁脈沖，利用高爆炸藥及相關(guān)裝置產(chǎn)生，脈沖頻率高達(dá)108～1012Hz；③ 高功率微波(high power microwaves，HPM)，利用磁控管、虛陰極振蕩器等高功率微波器件產(chǎn)生，微波峰值功率超過(guò)100 MW。三類(lèi)強(qiáng)電磁脈沖時(shí)域和頻域特性不同，但均可以通過(guò)天線、孔縫、線纜等的強(qiáng)耦合作用，對(duì)供電系統(tǒng)造成暫時(shí)和永久損傷。

國(guó)內(nèi)在強(qiáng)電磁脈沖領(lǐng)域進(jìn)行了不同方面的理論和試驗(yàn)分析：秦有權(quán)等[3]對(duì)電力系統(tǒng)可能面臨的災(zāi)害以及戰(zhàn)爭(zhēng)威脅進(jìn)行了分析，針對(duì)性提出了相關(guān)保護(hù)措施；張龍等[4]分析了強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境對(duì)雷達(dá)裝備的影響，同時(shí)指出構(gòu)建完備的防護(hù)體系與指標(biāo)是未來(lái)研究的重點(diǎn)；軍械工程學(xué)院的陳亞洲等[5]對(duì)HEMP輻照下的某型無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)“失鎖效應(yīng)”進(jìn)行了分析，另外還有對(duì)線纜耦合[6]、典型電力電子器件[7]、車(chē)輛[8]、電控單元[9]、通風(fēng)彎管道[10]等的強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)分析。

綜合分析研究背景及當(dāng)前研究現(xiàn)狀，采用HEMP模擬器作為發(fā)射源，設(shè)計(jì)并實(shí)施了模擬HEMP環(huán)境下的單晶硅光伏組件輻照試驗(yàn)，并針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和研究。

2 試驗(yàn)基本情況

2.1 脈沖源分析

高空核爆(HEMP)模擬裝置[11]可以模擬高空核爆早期產(chǎn)生的E1成分，通常E1成分由雙指數(shù)函數(shù)來(lái)表示，表達(dá)式如下:

E(t)=kE0(e-αt-e-βt)

根據(jù)1996年IEC國(guó)際電工委員會(huì)頒布的IEC61000-2-9(description of HEMP environment-radiated disturbance)高空核爆電磁脈沖的標(biāo)準(zhǔn)[12]，式中，E(t)為隨時(shí)間變化的脈沖電場(chǎng)，E0為雙指數(shù)函數(shù)的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度，一般E0=50 kV/m；k是電場(chǎng)強(qiáng)度的修正系數(shù)，取k=1.3，α和β為波形的特征參數(shù)，主要與波形的上升沿和下降沿有關(guān)，取α=4×107s-1，β=6×108s-1，一般為了保證電場(chǎng)脈沖的正極性，參數(shù)α、β和t應(yīng)當(dāng)滿足β≥α≥0，t≥0。在此參數(shù)下HEMP的電場(chǎng)時(shí)域波形和參數(shù)指標(biāo)如圖1所示，脈沖上升沿為1.8～2.8 ns，半高寬23±5 ns，脈沖所攜帶的能量占比主要在0～100 MHz。

根據(jù)傅里葉變換[13]有：

(2)

E1=E0k[(α1+j2πf)-1-(β1+j2πf)-1]

(3)

進(jìn)而可得頻域波形如圖2所示。

圖1 脈沖時(shí)域理論波形曲線

圖2 脈沖頻域理論波形曲線

試驗(yàn)采用了平行板HEMP模擬器作為輻射源，圖3為示波器記錄的電磁脈沖波場(chǎng)強(qiáng)E的時(shí)域波形， 圖4為試驗(yàn)電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)E的頻域波形，能量占比主要在0～100 MHz。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得：試驗(yàn)波形脈沖上升沿約為2 ns，半高寬約20 ns。由上述分析對(duì)比可知：脈沖模擬器產(chǎn)生的波形與HEMP標(biāo)準(zhǔn)基本一致[14]。

圖3 脈沖時(shí)域試驗(yàn)波形曲線

圖4 脈沖頻域試驗(yàn)波形曲線

2.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

測(cè)量光伏板在HEMP環(huán)境中的高頻耦合電流，研究銅網(wǎng)屏蔽及光伏板仰角對(duì)耦合電流數(shù)值的影響效果，通過(guò)控制單一變量的方法展開(kāi)試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)原理電路如圖5所示，280 W單晶硅光伏板和25 Ω負(fù)載電阻構(gòu)成串聯(lián)電路。采用高頻羅氏電流線圈測(cè)量高頻干擾電流，其中CH1對(duì)應(yīng)PEARSON2877電流探頭，測(cè)量雙線耦合電流，CH2對(duì)應(yīng)PEARSON150電流探頭，測(cè)量單線耦合電流，采用Tek3054示波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

圖5 試驗(yàn)原理電路圖

電路置于平行板HEMP模擬器內(nèi)，光伏板正面與水平方向的夾角記為θ，稱(chēng)為光伏板仰角，如圖6所示，試驗(yàn)中模擬器的場(chǎng)強(qiáng)峰值電壓為165 kV。

圖6 試驗(yàn)狀態(tài)示意圖

根據(jù)光伏板是否包裹屏蔽銅網(wǎng)及θ角的大小不同，設(shè)計(jì)4組對(duì)比性試驗(yàn)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)分組

2.4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7及圖8所示。銅網(wǎng)的目數(shù)越大越密，屏蔽效果越好，但透光性越差，綜合考慮光伏板的光照效果及屏蔽效能的要求，試驗(yàn)1及試驗(yàn)2中選擇300目的銅網(wǎng)進(jìn)行屏蔽。

圖7 光伏板試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖8 線路連接狀態(tài)圖

本試驗(yàn)僅研究HEMP對(duì)光伏板本身的電磁干擾效應(yīng)，因此試驗(yàn)線路采用屏蔽雙絞線，并用銅網(wǎng)包裹，以排除電磁脈沖對(duì)線纜的電磁干擾。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

針對(duì)以上的試驗(yàn)安排及測(cè)試內(nèi)容，依據(jù)試驗(yàn)條件的不同得出4種工況下試驗(yàn)原始波形圖：

如圖9所示，對(duì)上述4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)計(jì)算高頻耦合電流如表2所示。

圖9 試驗(yàn)原始波形曲線

表2 耦合電流值

從表2可知：在模擬HEMP環(huán)境中，單塊光伏板耦合了高頻耦合電流，峰峰值可達(dá)數(shù)十安培；進(jìn)一步分析CH1和CH2的數(shù)據(jù)，得知HEMP對(duì)光伏板耦合的干擾電流以共模信號(hào)為主；包裹銅網(wǎng)能夠減小耦合電流的大小，如相同仰角條件下，對(duì)比試驗(yàn)2和試驗(yàn)4，CH1耦合電流的峰峰值最多可削減66.9%； 光伏板仰角對(duì)于耦合電流的大小也有影響，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)電磁場(chǎng)的方向，及理論上分析，光伏板越陡，電磁場(chǎng)在光伏板上耦合的高頻電流越大。試驗(yàn)3、試驗(yàn)4數(shù)據(jù)符合基本規(guī)律。但是當(dāng)采用銅網(wǎng)屏蔽以后，對(duì)比試驗(yàn)1和試驗(yàn)2，數(shù)據(jù)不完全符合上述規(guī)律，經(jīng)分析，其原因是光伏板包裹銅網(wǎng)屏蔽后周?chē)姶艌?chǎng)可能發(fā)生大小及方向上的畸變。

對(duì)耦合電流進(jìn)行頻域分析,對(duì)比θ=68°條件下銅網(wǎng)屏蔽對(duì)耦合電流大小的影響，如圖10、圖11所示。

圖10 有無(wú)銅網(wǎng)屏蔽對(duì)CH1耦合電流的影響曲線

圖11 有無(wú)銅網(wǎng)屏蔽對(duì)CH2耦合電流影響曲線

對(duì)耦合電流進(jìn)行頻域分析,在銅網(wǎng)屏蔽相同條件下，分析θ=51°和θ=68°時(shí)耦合電流的大小，如圖12、圖13所示。

圖12 銅網(wǎng)屏蔽時(shí)不同θ下的CH1耦合電流曲線

圖13 銅網(wǎng)屏蔽時(shí)不同θ下的CH2耦合電流曲線

由頻域分析可看出，試驗(yàn)中較大的耦合信號(hào)頻段均集中在0～100 MHz，并且耦合電流幅值最大的頻段均在20 MHz附近。值得注意的是，對(duì)比圖10和11可得，θ=68°時(shí)銅網(wǎng)屏蔽對(duì)各頻段的耦合電流削減較大，20 MHz附近約削減79%；而對(duì)比圖12和圖13，銅網(wǎng)屏蔽的情況下θ=51°時(shí)20 MHz附近耦合電流幅值約為θ=68°時(shí)的6倍。因此，光伏板耦合高頻電流的大小受銅網(wǎng)屏蔽及仰角大小的綜合影響，而且2個(gè)因素也相互影響。

4 結(jié)論

1) 光伏板能夠耦合HEMP高頻干擾電流。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，單塊光伏板處于HEMP環(huán)境中能夠產(chǎn)生高頻耦合電流，而實(shí)際應(yīng)用中多塊光伏板構(gòu)成光伏陣列，HEMP的耦合高頻電流會(huì)遠(yuǎn)大于試驗(yàn)所測(cè)單板數(shù)據(jù)，這將對(duì)光伏板本身及系統(tǒng)中的電力電子器件產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾甚至損壞，應(yīng)加以防護(hù)。同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明HEMP對(duì)光伏板的的耦合信號(hào)以共模信號(hào)為主，在設(shè)計(jì)防護(hù)電路時(shí)應(yīng)加以注意。

2) 光伏板覆蓋一定密度的銅網(wǎng)對(duì)HEMP有屏蔽作用。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明銅網(wǎng)屏蔽可使得耦合電流顯著減小，在微電網(wǎng)光伏組件的HEMP防護(hù)措施上，可以綜合考慮透光性，通過(guò)在光伏板表面覆蓋銅網(wǎng)以減小HEMP對(duì)光伏板及其組成的微網(wǎng)系統(tǒng)的干擾效應(yīng)。

3) 光伏板的仰角對(duì)耦合電流大小有影響。本實(shí)驗(yàn)中，調(diào)整光伏板受光面與脈沖源輻照方向的夾角能減小耦合電流大小，因此調(diào)整微電網(wǎng)中光伏板的擺放角度對(duì)防護(hù)有極化方向的電磁脈沖武器具有一定的防護(hù)效能。

4) 由頻譜圖可知，耦合電流幅值較大的頻段約在0～100 MHz，耦合電流幅值峰值20 MHz附近。銅網(wǎng)屏蔽削減各頻段幅值效果均較明顯，且仰角角度對(duì)耦合電流的影響與銅網(wǎng)屏蔽存在一定的關(guān)系，可結(jié)合上述綜合條件對(duì)光伏板采取合適的HEMP防護(hù)措施。