沈高稳，罗 珊，王金全，李建科

(陆军工程大学 国防工程学院， 南京 210007)

1 引言

可靠的电力供应是打赢信息化战争的必备条件。在军事领域，由光伏组件、储能电池、柴油发电机等所构成的微电网已成为供电系统的重要形式之一。而电磁脉冲武器[1](electromagnetic pulse weapon，EMP)则是攻击供电系统的有效武器，因此研究电磁脉冲武器对微电网的重要组件——光伏组件的影响，对于供电保障的可靠性、安全性及机动性具有重要意义。研究表明电磁脉冲武器[2](electromagnetic pulse weapon)所发出的电磁脉冲频率范围在MHz～GHz数量级之间，其发射的电磁脉冲峰值场强极高，能量极大，作用范围极广，能够对供电一次系统和二次系统产生严重的威胁。武器型电磁脉冲大致可分为三类：① 高空核爆电磁脉冲(high-altitude electromagnetic pulse，HEMP)，由低当量核弹在高空引爆产生；② 超宽带(ultra wide band，UWB)电磁脉冲，利用高爆炸药及相关装置产生，脉冲频率高达108～1012Hz；③ 高功率微波(high power microwaves，HPM)，利用磁控管、虚阴极振荡器等高功率微波器件产生，微波峰值功率超过100 MW。三类强电磁脉冲时域和频域特性不同，但均可以通过天线、孔缝、线缆等的强耦合作用，对供电系统造成暂时和永久损伤。

国内在强电磁脉冲领域进行了不同方面的理论和试验分析：秦有权等[3]对电力系统可能面临的灾害以及战争威胁进行了分析，针对性提出了相关保护措施；张龙等[4]分析了强电磁脉冲环境对雷达装备的影响，同时指出构建完备的防护体系与指标是未来研究的重点；军械工程学院的陈亚洲等[5]对HEMP辐照下的某型无人机数据链系统“失锁效应”进行了分析，另外还有对线缆耦合[6]、典型电力电子器件[7]、车辆[8]、电控单元[9]、通风弯管道[10]等的强电磁脉冲效应分析。

综合分析研究背景及当前研究现状，采用HEMP模拟器作为发射源，设计并实施了模拟HEMP环境下的单晶硅光伏组件辐照试验，并针对试验结果进行了分析和研究。

2 试验基本情况

2.1 脉冲源分析

高空核爆(HEMP)模拟装置[11]可以模拟高空核爆早期产生的E1成分，通常E1成分由双指数函数来表示，表达式如下:

E(t)=kE0(e-αt-e-βt)

根据1996年IEC国际电工委员会颁布的IEC61000-2-9(description of HEMP environment-radiated disturbance)高空核爆电磁脉冲的标准[12]，式中，E(t)为随时间变化的脉冲电场，E0为双指数函数的峰值电场强度，一般E0=50 kV/m；k是电场强度的修正系数，取k=1.3，α和β为波形的特征参数，主要与波形的上升沿和下降沿有关，取α=4×107s-1，β=6×108s-1，一般为了保证电场脉冲的正极性，参数α、β和t应当满足β≥α≥0，t≥0。在此参数下HEMP的电场时域波形和参数指标如图1所示，脉冲上升沿为1.8～2.8 ns，半高宽23±5 ns，脉冲所携带的能量占比主要在0～100 MHz。

根据傅里叶变换[13]有：

(2)

E1=E0k[(α1+j2πf)-1-(β1+j2πf)-1]

(3)

进而可得频域波形如图2所示。

图1 脉冲时域理论波形曲线

图2 脉冲频域理论波形曲线

试验采用了平行板HEMP模拟器作为辐射源，图3为示波器记录的电磁脉冲波场强E的时域波形， 图4为试验电磁脉冲场强E的频域波形，能量占比主要在0～100 MHz。结合试验数据经过计算得：试验波形脉冲上升沿约为2 ns，半高宽约20 ns。由上述分析对比可知：脉冲模拟器产生的波形与HEMP标准基本一致[14]。

图3 脉冲时域试验波形曲线

图4 脉冲频域试验波形曲线

2.2 试验目的

测量光伏板在HEMP环境中的高频耦合电流，研究铜网屏蔽及光伏板仰角对耦合电流数值的影响效果，通过控制单一变量的方法展开试验。

2.3 试验方案

试验原理电路如图5所示，280 W单晶硅光伏板和25 Ω负载电阻构成串联电路。采用高频罗氏电流线圈测量高频干扰电流，其中CH1对应PEARSON2877电流探头，测量双线耦合电流，CH2对应PEARSON150电流探头，测量单线耦合电流，采用Tek3054示波器对数据进行实时记录。

图5 试验原理电路图

电路置于平行板HEMP模拟器内，光伏板正面与水平方向的夹角记为θ，称为光伏板仰角，如图6所示，试验中模拟器的场强峰值电压为165 kV。

图6 试验状态示意图

根据光伏板是否包裹屏蔽铜网及θ角的大小不同，设计4组对比性试验，如表1所示。

表1 试验分组

2.4 试验现场

试验现场如图7及图8所示。铜网的目数越大越密，屏蔽效果越好，但透光性越差，综合考虑光伏板的光照效果及屏蔽效能的要求，试验1及试验2中选择300目的铜网进行屏蔽。

图7 光伏板试验现场图

图8 线路连接状态图

本试验仅研究HEMP对光伏板本身的电磁干扰效应，因此试验线路采用屏蔽双绞线，并用铜网包裹，以排除电磁脉冲对线缆的电磁干扰。

3 试验数据及分析

针对以上的试验安排及测试内容，依据试验条件的不同得出4种工况下试验原始波形图：

如图9所示，对上述4组试验数据进行处理，经计算高频耦合电流如表2所示。

图9 试验原始波形曲线

表2 耦合电流值

从表2可知：在模拟HEMP环境中，单块光伏板耦合了高频耦合电流，峰峰值可达数十安培；进一步分析CH1和CH2的数据，得知HEMP对光伏板耦合的干扰电流以共模信号为主；包裹铜网能够减小耦合电流的大小，如相同仰角条件下，对比试验2和试验4，CH1耦合电流的峰峰值最多可削减66.9%； 光伏板仰角对于耦合电流的大小也有影响，根据试验现场电磁场的方向，及理论上分析，光伏板越陡，电磁场在光伏板上耦合的高频电流越大。试验3、试验4数据符合基本规律。但是当采用铜网屏蔽以后，对比试验1和试验2，数据不完全符合上述规律，经分析，其原因是光伏板包裹铜网屏蔽后周围电磁场可能发生大小及方向上的畸变。

对耦合电流进行频域分析,对比θ=68°条件下铜网屏蔽对耦合电流大小的影响，如图10、图11所示。

图10 有无铜网屏蔽对CH1耦合电流的影响曲线

图11 有无铜网屏蔽对CH2耦合电流影响曲线

对耦合电流进行频域分析,在铜网屏蔽相同条件下，分析θ=51°和θ=68°时耦合电流的大小，如图12、图13所示。

图12 铜网屏蔽时不同θ下的CH1耦合电流曲线

图13 铜网屏蔽时不同θ下的CH2耦合电流曲线

由频域分析可看出，试验中较大的耦合信号频段均集中在0～100 MHz，并且耦合电流幅值最大的频段均在20 MHz附近。值得注意的是，对比图10和11可得，θ=68°时铜网屏蔽对各频段的耦合电流削减较大，20 MHz附近约削减79%；而对比图12和图13，铜网屏蔽的情况下θ=51°时20 MHz附近耦合电流幅值约为θ=68°时的6倍。因此，光伏板耦合高频电流的大小受铜网屏蔽及仰角大小的综合影响，而且2个因素也相互影响。

4 结论

1) 光伏板能够耦合HEMP高频干扰电流。试验数据表明，单块光伏板处于HEMP环境中能够产生高频耦合电流，而实际应用中多块光伏板构成光伏阵列，HEMP的耦合高频电流会远大于试验所测单板数据，这将对光伏板本身及系统中的电力电子器件产生严重的干扰甚至损坏，应加以防护。同时试验数据表明HEMP对光伏板的的耦合信号以共模信号为主，在设计防护电路时应加以注意。

2) 光伏板覆盖一定密度的铜网对HEMP有屏蔽作用。试验数据表明铜网屏蔽可使得耦合电流显著减小，在微电网光伏组件的HEMP防护措施上，可以综合考虑透光性，通过在光伏板表面覆盖铜网以减小HEMP对光伏板及其组成的微网系统的干扰效应。

3) 光伏板的仰角对耦合电流大小有影响。本实验中，调整光伏板受光面与脉冲源辐照方向的夹角能减小耦合电流大小，因此调整微电网中光伏板的摆放角度对防护有极化方向的电磁脉冲武器具有一定的防护效能。

4) 由频谱图可知，耦合电流幅值较大的频段约在0～100 MHz，耦合电流幅值峰值20 MHz附近。铜网屏蔽削减各频段幅值效果均较明显，且仰角角度对耦合电流的影响与铜网屏蔽存在一定的关系，可结合上述综合条件对光伏板采取合适的HEMP防护措施。