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环境--高空电磁脉冲(HEMP)环境分类
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关键词:电磁兼容
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1 范围
本部分适用于高空电磁脉冲(HEMP)环境分类,用于含有电气或电子部件的产品(例如设备或子系统)抗扰度要求的确定,以保证这些产品在经受HEMP波辐射期间和/或辐射之后能够正常工作。本部分主要供制定产品抗扰度要求和/或其他抗扰度要求的人员使用,为所有可能被电磁信号干扰的元器件、装置、设备、分系统或系统选择抗扰度试验等级提供基本指南。
2 规范性引用文件
下列文件对于本标准的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 4365-2003 电工术语  电磁兼容
IEC 61000-2-9  电磁兼容  第2-9部分:环境  HEMP环境描述  辐射骚扰
IEC 61000-2-10  电磁兼容  第2-10部分:环境  HEMP环境描述  传导骚扰
IEC 61000-5-3/TR  电磁兼容-第5-3 部分:安装和减缓指南  HEMP防护概念
3 术语和定义
以下定义适用于本文件。
注 :GB/T4365列出了完整的电磁兼容术语。在以下的内容中,当适用时,将指出对国际电子技术词典的引用情况。
3.1 衰减 attenuation
电场、磁场、电流或电压幅值的减少(因为吸收和散射),通常用分贝表示。(查询其他标准或手册)
3.2 共模电压 common mode voltage
电缆内每根导线与规定参考点(通常是地或机壳)之间电压的平均值。
[GB/T 4365-2003,定义4.9,修改]
3.3 传导进入点(端口,导体) conductive point-of-entry,conductive port–of-entry,penetrating conductor
进入电磁屏障的电线、电缆或其他导电物体(例如金属棒)。
3.4 差模电压(对称电压)  differential mode voltage, symmetrical voltage
一组规定的带电导体中任意两根之间的电压。
[GB/T 4365-2003,定义4.8]
3.5 电磁屏障 electromagnetic barrier 
电子产品各面构成电磁封闭结构,能够防止电磁场和传导信号进入所防护的空间。屏障由经处理的屏蔽表面和进入点组成。
(拓扑结构呈封闭的表面,它限制电磁场和传导瞬态进入所封闭的空间。
屏障包括屏蔽表面和经过处理的进入点,包围了被保护的空间。)
3.6 电磁兼容性 EMC
设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
[GB/T 4365-2003,定义1.7]
3.7 (电磁)兼容电平 (electromagnetic) compatibility level
预期加在工作于指定条件的装置、设备或系统上的规定的最大电磁骚扰电平。
注: 实际上电磁兼容电平并非绝对最大值,而可能以小概率超出。
[GB/T 4365-2003,定义3.10,修改]
3.8 电磁骚扰 electromagnetic disturbance
任何可能引起装置、设备或系统性能降低的电磁现象。
[GB/T 4365-2003,定义1.5,修改]
3.9 电磁干扰 electromagnetic interference
电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。
注: 术语“电磁骚扰”和“电磁干扰”分别表示“起因”和“后果”。
[GB/T 4365-2003,定义1.6,修改]
3.10 (电磁)屏蔽 (electromagnetic)shield
设施、区域或元器件的电连续外壳,通过吸收或反射来衰减入射电场和磁场。
3.11 (电磁)敏感度 (electromagnetic)susceptibility
在有电磁骚扰的情况下,装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。
注: 敏感度高,抗扰度低。
[GB/T 4365-2003,定义1.21]
3.12 (对骚扰的)抗扰度 immunity( to a disturbance)
装置、设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力。
[GB/T 4365-2003,定义1.20]
3.13 抗扰度电平 immunity level
将某给定电磁骚扰施加于某一装置、设备或系统而其仍能正常工作并保持所需性能等级时的最大骚扰电平。
[GB/T 4365-2003,定义3.14]
3.14 Isc   short-circuit current
短路电流。
3.15 进入点/进入端口 point-of-entry( PoE)/port-of-entry(PoE) 
在尚未提供足够防护装置的情况下,电磁屏障上电磁能量进出的实体位置。一个进入点并不限于一个几何点。按照进入的类型可分为孔峰进入点或传导进入点。也可按照它们的功能,分为建筑、机械、结构或电气进入点。
3.16 电源线  power lines
连接到(交流或直流)电源的导线。
3.17 Q波形的品质或阻尼系数。
3.18 屏蔽效能 shielding effectiveness
在源和空间某点之间采取屏蔽措施后,由此引起该点电磁场强度下降或衰减的幅度,通常用分贝(dB)表示。
3.19 瞬态 transient
在两相邻稳定状态之间变化的物理量或物理现象,其变化时间小于所关注的时间尺度。
[GB/T 4365-2003,定义2.1]
3.20 Voc  open-circuit voltage
开路电压。
3.21 电压浪涌 voltage surge
沿线路或电路传播的瞬态电压波。其特征是电压快速上升后缓慢下降。
[GB/T 4365-2003,定义16-08-11]
电压浪涌的时间参数定义如下:
——对GB/T4365 2.2中161-02-05定义的峰值,上升时间为10%~90%峰值之间的时间,简写为10%/90%上升时间。
——在波形上升和下降到峰值50%之间的时间为持续时间,简写为50%/50%持续时间。
3.22 Zs
源阻抗;或信号发生器的阻抗,该发生器在规定负载(终端)下能产生需要的开路电压和短路电流。
4 概述
距地面30km以上高空核爆炸产生的电磁脉冲,在地球表面观察到的有三种类型:
——早期 HEMP(快);
——中期 HEMP(中);
——晚期 HEMP(慢)  ; 
过去,人们把注意力集中在早期HEMP上,将其简称为“HEMP”。但是本部分中所用“高空EMP”或“HEMP”一词,则包括上述三种类型。核电磁脉冲(NEMP)一词则涵盖了各类型核电磁脉冲,其中包括地面爆炸产生的源区电磁脉冲(SREMP-Source Region EMP)和空间产生的系统电磁脉冲(SGEMP-System Generated EMP)。
本部分HEMP环境的分类主要基于受试产品所在的系统或设施内典型位置的电磁环境。HEMP在大气层的上层产生,最初被描述为外部电磁环境(无论辐射还是传导,见IEC61000-2-9和IEC61000-2-10)。对于系统内或设施内的元件、器件、设备、分系统或系统,它们所处位置的辐射和传导环境,由其所属系统或设施的电磁屏蔽措施和/或传导进入点(PoE)元件的防护等级确定。
5 防护等级描述
 为了给HEMP环境进行分类,下面定义了六个主要的防护等级(其他详情见IEC61000-5-3)。系统或设施的外部电磁环境和系统或设施的防护等级决定了其内部的环境电平,这些内部环境电平可用于系统或设施内的设备或分系统抗扰度试验等级的选择。各防护等级定义如下:
 等级1:地面上的木结构、砖结构或混凝土建筑结构,具有大窗户和门,且没有钢筋或其他外部屏蔽。再根据有无(传导性)雷电防护装置或措施(无滤波的过压防护)又细分为子等级1A和1B。
 等级2:地面上带有钢筋的混凝土建筑或结构,或封闭式砖体或混凝土结构。再根据有无(传导性)雷电防护装置(无滤波的过压防护)又细分为子等级2A和2B。
    等级3:屏蔽体(屏蔽室或屏蔽结构)具有基本的RF屏蔽效能。如带小开口的设备壳体。具备基本的雷电过压和EMI传导防护(滤波)能力。
    等级4:屏蔽体(屏蔽室或屏蔽结构)具有中等RF屏蔽效能、所有PoEs处都搭接良好。具备雷电过压和EMI传导防护(滤波)能力。
    等级5:屏蔽体(屏蔽室或屏蔽结构)具有好的RF屏蔽效能和PoE防护(过压和滤波)能力。
    等级6:屏蔽体(屏蔽室或屏蔽结构)具有最佳的RF屏蔽效能和PoE防护(过压和滤波)能力。
    表1给出了不同防护等级下电磁场的衰减情况。其中等级1、等级2评估的频率范围是100 kHz~30MHz,等级3~等级6评估的频率范围是1MHz~200MHz,评估方法见IEC 61000-4-23。
表1 不同防护等级对于外部环境电平时域峰值的最小衰减
等级 最小衰减
dB
 电场 磁场 传导电流
1A 0 0 0
1B 0 0 20
2A 20 20 0
2B 20 20 20
3 20 20 40
4 40 40 40
5 60 60 60
6 80 80 80
注: 等级1、等级2评估的频率范围是100 kHz~30MHz,等级3~等级6评估的频率范围是1MHz~200MHz。
6 环境的分类,早期HEMP
表2、表3分别给出了在早期HEMP(t< 1μs)影响下,不同防护等级设施或屏蔽体内部的辐射和传导环境电平。在表2和表3中,第一列为设施或屏蔽体的防护等级,第二、三列为位于其中的设备需要承受的最大环境电平。表格中给出了早期HEMP波形的峰值,波形的参数见脚注。表2中电磁场的波阻抗约为377Ω。表3中,在外部架空线上感应的短路电流峰值Isc由IEC 61000-2-10中描述的外部传导环境的严酷等级给出。如果进入设施的导线在进入设施前的最后20m埋在地下,则选用表3中暗埋线电流。
表2 早期HEMP辐射环境分类
等级  Ea
V/m Ha
A/m
1A 5×104 133
1B 5×104 133
2A 5×103 13.3
2B 5×103 13.3
3 5×103 13.3
4 500 1.33
5 50 0.133
6 5 0.0133
a 波形为单向脉冲:2.5/25ns

表3(以及本部分中的表5、表7)中给出了共模传导的环境电平。尽管无法精确地给出差模传导的环境电平,但可按照共模环境电平确定(选定)差模环境电平值并可得到最严酷的结果。
表3 早期HEMP共模传导环境分类
等级 架空线 Isc 
A 暗埋线Isc
A
 50% a 90% a 99% a 500 b
1A 500c 1500c 4000c 50 b
1B 50c 150c 400c 500 b
2A 500c 1500c 4000c 50 b
2B 50c 150c 400c 5 b
3 5 d 15 d 40 d 5 d
4 5 d 15 d 40 d 5 d
5 0.5 d 1.5 d 4 d 0.5 d
6 0.05 d 0.15 d 0.4 d 0.05 d
所有传导环境指电缆总电流,包括屏蔽层上的电流。
a 实际电流比表中给出值小的可能性。
b 时域波形为单极性脉冲:25/500ns,Zs=50Ω。
c 时域波形为单极性脉冲:10/100ns,Zs=400Ω。
d 时域波形为阻尼正弦波,f=10MHz,Q=15,Zs=100Ω。
7 环境的分类,中期HEMP
表4和表5分别给出了在中期HEMP(1μs<t<1s)影响下,不同防护等级设施或屏蔽体内部的辐射和传导环境电平。表4中的电场和磁场值,等级1使用自由空间波阻抗(377Ω);其它等级使用120Ω波阻抗。表5适用于架空或暗埋的长线。
表4 中期HEMP辐射环境分类
等级 Ea
V/m Ha
A/m
1A 100 0.27
1B 100 0.27
2A 10 0.08
2B 10 0.08
3 10 0.08
4 1 8×10-3
5 0.1 8×10-4
6 0.01 8×10-5
a 波形为单向脉冲:1/1000μs。(GB/T 18039.8)

表5 中期HEMP电力线、通信线传导共模环境分类
等级 Isca
 L<3km L>3km
1A 200 400
1B 20 40
2A 200 400
2B 20 40
3 2 4
4 2 4
5 2 4
6 2 4
所有传导环境指电缆总电流,包括屏蔽层上的电流。
a 波形为单向脉冲:25/1500μs, Zs=400Ω。
8 环境的分类,后期HEMP
表6给出了后期HEMP(t>1s)的电场值和在不同长度电力线上的传导环境电平值示例。后期HEMP环境具有低于1Hz的频率分量,因此可以当作直流电压源来分析。外部线缆感应的总的开路电压可由后期HEMP峰值场强40V/km乘以线路长度(用千米作单位)得出。电路的阻抗可根据单位长度的线路阻抗和所有负载(包括接地)阻抗计算得出。用感应电压除以电路阻抗,同时参照表1中的衰减要求(最高不超过40dB)可求出感应的外部电流。表6给出了针对长电力线的示例,线的两端都使用了Y型接地的变压器。表7给出了针对通信线的示例,通信线阻抗较高,所得到的感应电流值较小。
表6 后期HEMP接地电力传输线电场和传导共模环境分类示例
等级 Ea
V/km L=10bkm L=30bkm L=100bkm
  Voc
(V) Isc a (A) Voc
(V) Isc a (A) Voc
(V) Isc a
(A)
1A 40 400 133 1200 240 4000 333
1B 40 40 13.3 120 24 400 33.3
2A 40 400 133 1200 240 4000 333
2B 40 40 13.3 120 24 400 33.3
3 40 4 1.33 12 2.4 40 33.3
4 40 4 1.33 12 2.4 40 33.3
5 40 4 1.33 12 2.4 40 33.3
6 40 4 1.33 12 2.4 40 33.3
所有传导环境指电缆总电流,包括屏蔽电流。
a  本表格中的所有时域波形都是单极性脉冲:1/50s。
b  线长度单位为km,单位长度的阻抗为0.1Ω/km,线两端端接的负载分别为1Ω。
表7 后期HEMP通信线电场和传导共模环境分类示例
概念 Ea
V/m Voc/Isc a
V/A
  L=1b
km L=3b
km L=10b
km
1A 0.04 40/1 120/1.2 400/1.3
1B 0.04 4/0.1 12/0.12 40/0.13
2A 0.04 40/1 120/1.2 400/1.3
2B 0.04 4/0.1 12/0.12 40/0.13
3 0.04 0.4/0.01 1.2/0.012 4/0.013
4 0.04 0.4/0.01 1.2/0.012 4/0.013
5 0.04 0.4/0.01 1.2/0.012 4/0.013
6 0.04 0.4/0.01 1.2/0.012 4/0.013
所有传导环境指电缆总电流,包括屏蔽电流。
a  本表格中的所有时域波形都是单极性脉冲:1/50s。
b  线长度单位为km,单位长度的阻抗为30Ω/km,线两端端接的负载分别为5Ω。
9 抗扰度等级(要求、限值)选择的原则
9.1 方法
如果抗扰度等级选择方法不当,产品的抗扰度等级过高,会导致产品的设计、生产、安装和维护成本大幅提高。因此应仔细选择产品的抗扰度等级。在选择产品抗扰度等级时推荐参考以下条件:
——产品应用时所处电磁环境;
——不同干扰的危害程度。
可根据产品所属设施的防护等级来评估产品应用时所处的电磁环境。第6章~第8章给出了不同防护等级设施内部环境的电磁场、电流和电压的电平。这些电平可用于确定设施内的设备、子系统或系统的抗扰度等级。
根据干扰所引起的后果,在选择合适的抗扰度等级时应考虑危害性判据。应注意这些危害性判据既取决于设备的自身特性和功能,也取决于子系统或系统内与被评估设备连接的其他设备。9.3列出了危害性判据。
9.2 测试不确定度
抗扰度测试等级是一项测试中应考虑的等级。测试等级是一个在明确定义的环境中测量得到的数量值。然而,仍存在几类不确定因素可以影响抗扰度测试:
——仪器的准确度和校准;
——测试环境的定义;
——产品安装的定义。
当所有的测试要求都满足时,通过检验给定测试的复现性,可以评估这些不确定度。
9.3 危害性判据
由干扰引起的所有后果,存在着不同程度的危害性。根据产品的自身特性和功能以及与其相关的其他设备,不同危害性干扰的定义如下:
——灾难性干扰:能引起死亡、严重伤害,或大范围损坏设备,或可能导致其他巨大有害后果的干扰。
——危险性干扰:能引起轻微伤害,设备大面积损坏,或可能导致其他重要的有害后果的干扰。
——重大干扰:能导致有限设备永久性损坏,或可能导致其他中度危害后果的干扰。
——轻微干扰:能引起性能暂时损失或导致其他轻微危害后果的干扰。
——无意义干扰:只引起容差范围内的性能损失且无需人员干预的干扰。
——无干扰。骚扰没有引起任何性能损失。
从这些定义可以看出,一个干扰的危害性不仅取决于被评估产品,还取决于该产品与外界间的所有交互作用。应认识到,被评估产品所受到的一个轻微干扰可能对系统造成在灾难性的后果(例如,干扰一架飞机的通信系统,而该系统正在发出一个紧急信息)。
9.4 结论
当出现灾难性或危险性干扰情况时,和/或测试设备不确定度较大时,可能需要谨慎地选择更高的测试等级。此时,应详细记录选择更高测试等级的原因。

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