В предыдущих работах автора [1, 2] представлены характеристики мощного электромагнитного импульса (ЭМИ), возникающего при высотном ядерном взрыве (ВЯВ), и приведены параметры чувствительности энергообъектов и аппаратуры РЭА и РЗА к воздействию ЭМИ. Стандарты для учета подобных воздействий оговорены в [3, 4] и стали в последнее время весьма актуальны в связи с новыми формами воздействий типа сверхширокополосного импульса. В работах [5, 6] приводятся характеристики таких воздействий, а в [7, 8] способы современных оптоэлектрических измерений, цифровой передачи и обработки информации. Указанные средства широко используются при обеспечении электромагнитной совместимости (ЭМС) гражданских энергообъектов и аппаратуры в работах [9–11]. Публикация [12] послужила основой для описания испытательных установок (имитаторов) мощных ЭМИ. Работы [13–17] отражают проблемы ЭМС, способов и методов защиты от помех и наводок в аппаратуре и силовом оборудовании энергообъектов.
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНЫХ ЭМИ
Измерение мощных ЭМИ можно производить с использованием как кабельных, так и оптоэлектронных средств измерения. Кабельные линии связи затягивают длительность фронта измеряемого сигнала при увеличении длины кабеля. Передача сигнала с субнаносекундным фронтом возможна при длине кабеля на расстоянии, которое не превышает 5 м. Расширение полосы пропускания кабеля в области верхних частот обычно достигается использованием фильтров ВЧ.
Использование волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) взамен кабельной линии дает заметные преимущества: реально не вносит искажения в структуру ЭМИ, передаваемый по ВОЛС световой сигнал не подвержен влиянию помех и наводок. Кроме того, ВОЛС более широкополосны и обладают слабым затуханием сигнала на уровне 5–10 дБ/км. При одинаковой длине с кабелем ВОЛС может передать сигнал с фронтом в 10–100 раз короче, нежели кабельная линия. Благодаря указанным преимуществам ВОЛС можно использовать не только вблизи электрода заземления испытательной установки, но и внутри испытуемого объекта.
Структурная схема оптоэлектронной системы измерения ЭМИ приведена на рис. 1, где принимаются следующие обозначения: 1 – измерительный преобразователь; 2 – согласующее устройство; 3 – фотопреобразователь свет-напряжение; 4 – ВОЛС; 5 – фотоприемник; 6 – регистратор.
Рис. 1. Структурная схема оптоэлектронной системы измерения ЭМИ
Измерительный преобразователь (ИП) на рис. 1 обычно использует для регистрации ЭМИ тот или иной вид диполя: плоский или сферический конденсатор, конус или штыревой диполь (при емкостном методе измерений) или систему с распределенными параметрами (волновой метод измерений). Схема замещения нагруженного емкостного ИП приведена на рис. 2, на котором принимаются следующие обозначения: 1 – e(t) – ЭДС, которая наводится на ИП; С0 – емкость антенны; Rд – добавочное или демпфирующее сопротивление; Lп – паразитная индуктивность; Rн, Lн, Сн – соответственно сопротивление, индуктивность и емкость нагрузки; uвых(t) – напряжение на выходе ИП.
Рис. 2. Схема замещения нагруженного емкостного ИП
Чувствительность емкостного ИП определяется эквивалентной или действующей высотой антенны hэ, которая зависит от ее высоты и геометрических размеров. Измеряемая длина волны ЭМИ, равная λ, определяет высоту антенны исходя из условия квазистационарности измерения, которое соответствует условию hэ << λ.
Ограничение по размерам антенны связано с ограничением верхней рабочей частоты антенны. Быстродействие емкостного ИП ограничено влиянием паразитных реактивных сопротивлений антенны и соединительных проводов, а также входной емкостью и инерционностью согласующего устройства 2 на рис. 1.
Повышение уровня выходного напряжения и диапазона измерения достигается увеличением собственной емкости С0 антенны. Расширение диапазона измерения достигается увеличением Rд, но при этом снижается чувствительность ИП.
Полосковый ИП строится на основе полосковой линии (ПЛ), которая позволяет согласовать ИП с линией связи путем выбора геометрических параметров ПЛ. Результат измерения полосковым ИП сводится к взаимодействию падающего ЭМИ с микрополосковой линией, в результате которого в последней возбуждается ТЕМ-волна, которая распространяется по линии. Распространение ТЕМ-волны по полосковой линии показано на рис. 3, где приняты обозначения: 1 – потенциальный электрод; 2 – проводящая плоскость; 3 – фронт падающей волны.
Рис. 3. Распространение ТЕМ-волны по полосковой линии
Для полоскового ИП переходная характеристика имеет ступенчатую форму, а время нарастания достаточно мало и составляет от 30 до 50 пс. Недостатком полоскового ИП является узкая диаграмма направленности, которая затрудняет измерение ЭМИ неизвестной пространственной структуры.
Измерение импульса магнитного поля (МП) с помощью индукционного ИП поясняется схемой замещения рис. 4, на котором приняты обозначения: 1 – e(t) – ЭДС, которая наводится на ИП; L0 – индуктивность катушки; Rк – активное сопротивление катушки; Rн, Lн, Сн – соответственно сопротивление, индуктивность и емкость нагрузки; uвых(t) – напряжение на выходе ИП. Параметры схемы рис. 4 выбираются таким образом, чтобы катушка индуктивности с учетом нагрузки осуществляла интегрирование сигнала, а напряжение uвых(t) было пропорционально напряженности МП в заданном частотном диапазоне.
Рис. 4. Измерение импульса магнитного поля (МП) с помощью индукционного ИП
Чувствительность индукционного ИП зависит от площади, числа витков катушки и магнитной проницаемости сердечника катушки. Аналогично емкостному ИП в индуктивном ИП размер антенны ограничен условием квазистационарности, которое ограничивает размер ИП. Увеличение числа витков катушки вызывает увеличение паразитной емкости между витками и между катушкой и корпусом ИП, что также ограничивает частотный диапазон. Демпфирование наложенных на фронт импульса колебаний из-за наличия паразитных емкостей осуществляется дополнительными резисторами между витками и между корпусом и каждым витком.
Повышение чувствительности ИП достигается повышением магнитной проницаемости сердечника катушки, что не всегда возможно из-за снижения динамических характеристик ИП.
Различные варианты конструктивного исполнения ИП по зарубежным данным приведены в табл. 1.
Использование электро- и магнитооптических эффектов (Фарадея, Поккельса, Керра и др.), состоящих в модулировании проходящего через кристалл оптического сигнала, позволяет улучшить динамические характеристики измерительной системы.
Структурная схема измерительной системы с использованием электро- и магнитооптических эффектов приведена на рис. 5, где приняты обозначения: 1 – источник оптического излучения; 2 – ВОЛС; 3 – модулятор; 4 – фотоприемник; 5 – регистратор.
Рис. 5. Структурная схема измерительной системы с использованием электро- и магнитооптических эффектов
Измерение импульсных токов обычно осуществляется с помощью резистивного импульсного шунта, схема замещения которого приведена на рис.6, где принимаются обозначения: Сн, Rн – паразитные параметры шунта, а индуктивность Lш – ограничивает динамический диапазон измерения. Указанные паразитные параметры для повышения широкополосности стараются минимизировать. При измерении импульсных токов субнаносекундного диапазона ЭМИ существенное влияние на точность измерения играет поверхностный эффект, который изменяет активное сопротивление в зависимости от частоты. Ослабление этой зависимости обеспечивается снижением толщины резистивного слоя, что, однако, ограничивает амплитудную характеристику измерения, а также температурную зависимость шунта при его нагреве. Максимальное быстродействие резистивного шунта достигает единиц наносекунд. Другим способом измерения импульсных токов является индукционный метод с применением пояса Роговского или импульсного трансформатора тока, схема замещения которого соответствует рис. 6.
Рис. 6. Измерение импульсных токов с помощью резистивного импульсного шунта
Измерение импульсных напряжений обычно выполняют с помощью делителей напряжения, которые бывают емкостными и резистивными. На рис. 7 приведена схема замещения емкостного делителя напряжения, где R1, L1, R2, L2 – паразитные параметры.
Рис. 7. Схема замещения емкостного делителя напряжения
Схема замещения резистивного делителя напряжения приведена на рис. 8, где L, Rд – паразитные параметры, а высоковольтный резистор R1 не показан. Быстродействие делителей напряжения достигает 1 нс и ограничено нескомпенсированными паразитными емкостями и индуктивностями, а также нарушением условий квазистационарности. Первый фактор ограничивает коэффициент деления с ростом частоты. А второй фактор приводит к появлению в делителе отраженных волн при прохождении импульса вдоль делителя.
Рис. 8. Схема замещения резистивного делителя напряжения
Устройство для измерения сверхтоков и перенапряжений и передачи данных по цифровому каналу связи разработки ВЭИ в виде цифрового датчика тока и напряжения ЦДТН [7, 8] представлено на рис. 9 и содержит: высоковольтный блок 1, внутри которого закреплен высоковольтный ввод 2, который оснащен основным трансформатором тока 3 и защитным трансформатором 4 тока, выполненные в виде катушек Роговского, расположенные с разных концов высоковольтного ввода 2 и соединенные с передатчиком 5. Вход питания передатчика 5 соединен с модулем 6 питания, который посредством оптического канала питания 7 соединен с модулем 8 оптической накачки, при этом модуль 6 питания посредством проводников дополнительно соединен с высоковольтным плечом высоковольтного конденсатора 9. Вход высоковольтного конденсатора 9 соединен с высоковольтным вводом 2, а низковольтный выход соединен с передатчиком 5. Информационный выход передатчика 5 посредством оптического канала информации 10 соединен с приемником 11, который закреплен в базовом блоке 12, содержащем модуль 8 оптической накачки и модуль 13 питания на низком потенциале. Модуль 13 питания на низком потенциале соединен с входами питания модуля 8 оптической накачки и приемника 11. Вход передатчика 5 также соединен с датчиком 14 температуры, расположенным вблизи модуля 6 питания в высоковольтном блоке 1, который установлен на изоляционный корпус 15. Указанное устройство ЦДТН реализовано на классы напряжения от 35 до 220 кВ и позволяет измерять мощные ЭМИ в цифровой форме с использованием стандарта МЭК 61850-9-LE.
Рис. 9. Устройство для измерения сверхтоков и перенапряжений и передачи данных по цифровому каналу связи
Измерение энергии ЭМИ обычно осуществляется с помощью пироэлектрического преобразователя энергии, структурная схема которого приведена на рис. 10, где принимаются обозначения: 1 – нить нагревателя; 2 – корпус; 3 – кристалл; 4 – пироэлектрический преобразователь энергии; 5 – усилитель. Кристалл 3 в схеме рис. 5 и 9 имеет оптимизированную конструкцию и непосредственно размещается на нити нагревателя 1 (рис. 10).
Рис. 10. Структурная схема пирометрического преобразователя энергии
Для снятия характеристик пироэлектрического преобразователя энергии ЭМИ применяется калибровочная установка, структурная схема которой приведена на рис. 11, где принимаются обозначения: 1 – генератор импульсов точной амплитуды; 2 – согласующий резистор; 3 – нить нагревателя; 4 – корпус преобразователя; 5 – образцовый усилитель; 6 – регистрирующий осциллограф. Применение калибровочной установки (рис. 10) позволяет при постоянной энергии входного сигнала измерять ЭМИ во временном диапазоне от 10 до 20 мс.
Исследуемый элемент устройства заменяется его эквивалентным сопротивлением, так что, при воздействии ЭМИ в нити накаливания выделяется тепловая энергия наведенных токов. Эта энергия за счет теплообмена и теплопроводности передается пироэлектрическому кристаллу, который при разогреве изменяет поляризацию, и через нить накала протекает ток, компенсирующий изменение поляризации кристалла. Уровень напряжения на сопротивлении подбирается согласующим усилителем с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Выходной сигнал поступает на образцовый усилитель с дискретно изменяемым коэффициентом усиления, блок фильтров и проводную линию связи для вывода сигнала из исследуемого устройства.
Исследуемое устройство имеет снаружи установленный оптоэлектронный передатчик небольших размеров, не искажающий структуру поля имитатора ЭМИ. Передатчик использует оптическую развязку сигнала для исключения наводки на корпус передатчика и передачи сигнала через ВОЛС к регистрирующей аппаратуре. Оптический сигнал с выхода ВОЛС поступает на фотоприемник, где преобразуется в электрический сигнал, поступающий на вход АЦП, после которого оцифрованный сигнал подается на компьютер для обработки, документирования и на диск для хранения. Регистрирующая аппаратура (фотоприемник, АЦП, компьютер) располагаются в специальном экранированном помещении для исключения влияния поля ЭМИ имитатора.
Рис. 11. Калибровочная установка для снятия характеристик пироэлектрического преобразователя энергии
ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ (ИМИТАТОРЫ) ЭМИ
Испытательные установки (имитаторы) ЭМИ начали разрабатываться в США и в нашей стране с начала 1960-х гг., а затем распространились во всех развитых странах, первоначально имея в виду воздействия на военную технику [12].
Эти имитаторы создавали направленную волну (рупорные имитаторы) и использовали генераторы Маркса, которые создавали напряженность поля 100 кВ/м над объектом длиной порядка 6 м, имитируя составляющие Е1, Е2 ВЯВ в диапазоне частот между 1 и 10 ГГц [1, 2]. Объект для обеспечения однородной структуры поля не должен был замещать более 60% объема пространства между пластинами излучателя, за которым размещалась стена из резистивных поглощающих резисторов. К числу таких имитаторов относились ALECS и ARES (США), в нашей стране ИЭМИ-12-3 и ИЭМИ-6. Отечественные имитаторы направленной волны имели объем 50×20×15 м и создавали напряженность поля 150 кВ/м.
Впоследствии с расширением испытаний стали применять дипольные излучатели в виде диполя над проводящей поверхностью, которые могли быть стационарными или мобильными. Эти имитаторы использовали антенны высотой от 30 до 40 м с вертикальной поляризацией ЭМИ напряжением от 1,5 до 2 МВ в установках США типа RESI и VPD-I. В нашей стране использовались установки ЭРУ-2М, создающие импульсы ЭМИ с фронтом от 2,5 до 20 нс в камере объемом 10×8×6 м, а затем в установке ЭРУ-2МС с длительностью фронта 0,5 нс.
Развитые впоследствии гибридные имитаторы создают плоский ЭМИ и его отражение от земли, объединяя излучающие и статические имитаторы. В них биконический излучатель с изотропным излучением с распределенной антенной нагружен на резистивную нагрузку. Антенна представляет горизонтальный цилиндр в виде электрического диполя, например, в виде антенны HPD диаметром 5 м. Примеры гибридных имитаторов прошлого века приведены в табл. 2.
В гибридных имитаторах создаются ЭМИ ВЯВ, составляющие Е1 и Е2 в виде быстрой ВЧ составляющей и медленной НЧ составляющих. Быстрая составляющая сосредоточена в малой области с помощью биконического излучателя. Медленная составляющая распределена по большей структуре, которая окружает испытуемый объект. Обычно антенна является распределенной и резистивно нагруженной для снижения влияния с испытываемым объектом и для минимизации влияния резонансов на ВЧ и НЧ.
Имеется возможность изменять положение генератора ЭМИ в антенне для изменения угла падения, но в большинстве случаев эта возможность не реализована. Изотропное излучение биконической антенны не согласуется с напряженностью направленной волны, и параметры имитатора ограничены высотой подвеса генератора над землей.
Биконус должен быть состыкован с антенной цилиндрического поперечного сечения, и стык представляет неоднородность из-за резкого изменения волнового сопротивления, которое искажает форму импульса. Снижение неоднородности достигается применением отрезков сетки из проводов. Такие имитаторы требуют деталировки создаваемых полей, которые могут изменяться в пространстве и во времени.
Гибридный имитатор не может возбудить всю установку при ее большом размере, так что, зачастую целесообразно использовать имитатор, который непосредственно воздействует на аппаратуру, подключенную к кабельным линиям. В стандартной HPD-антенне эллиптической формы диаметром 5 м разработки США в середине 1970-х гг. были применены распределенные по ее длине резисторы для равномерного распределения магнитного и электрического поля на НЧ и подавления возникающих резонансов.
Некоторые из характеристик многочисленных отечественных установок (до 12 примеров) имитаторов ЭМИ приведены в табл. 3 и 4. Табл. 3 соответствует параметрам имитатора Квант-М и воспроизводит ЭМИ в воздухе, а имитатор ИЭМИ-12-3 воспроизводит ЭМИ в воздухе с напряженностью 200 кВ/м и в грунте с напряженностью 30 кВ/м. В первом случае импульс составляет 2/50 нс, во втором случае 20/400 нс.
Параметры табл. 4 соответствуют отечественным установкам типа Зенит, которые могут применяться в местах дислокации испытуемых объектов, создавая импульсы ЭМИ напряжением до 1200 кВ, импульсы тока до 200 кА. Длительности фронтов до 10 нс могут содержать модули ГИН и ГИТ.
ВЫВОДЫ
Описаны методы и схемы измерения параметров мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ), возникающих при воздушном ядерном взрыве и при воздействии сверхширокополосного импульса. Указанные воздействия занимают субнаносекундный и микросекундный диапазон и требуют применения оптоэлектронных средств измерения тока, напряжения и энергии импульсов с использованием волоконно-оптической связи и цифровой обработки данных. Указанные средства измерения используются в современных испытательных установках (имитаторах) ЭМИ для испытания гражданских энергообъектов и аппаратуры РЭА и РЗА, наиболее чувствительной к воздействию ЭМИ.