Электромагнитная обстановка

В конечном итоге для обеспечения требований ЭМС и стойкости РЭС к воздействию МЭМП источники помех в основном интересуют разработчиков с точки зрения создания областей с неблагоприятными условиями для функционирования РЭС. Для грозовых разрядов можно выделить две такие области.

С одной стороны, это область близких грозовых разрядов, для которой характерно либо прямое воздействие токов молнии на РЭС, либо электромагнитное влияние излучения грозового разряда в ближней, соизмеримой с длиной его канала, зоне. Как правило, граница этой области определяется расстоянием до 3 ÷ 5 км от канала молнии. С другой стороны, молния является источником электромагнитных полей, распространяющихся на большое расстояние от места разряда, которые также оказывают неблагоприятное влияние на РЭС в своей дальней (волновой) зоне на излучения. Эта зона – вторая область электромагнитного воздействия МЭМП грозовых разрядов на РЭС. В дальнейшем для удобства изложения первую область будем условно определять как область индукционного влияния, а вторую – как область электромагнитного влияния грозовых разрядов.

Так грозовой разряд в процессе своего формирования проходит три стадии – лидерную, обратного разряда и стадию после свечения, то и электромагнитные поля в окружающем пространстве будут соответствовать этим трем стадиям, поочередно сменяя друг друга. Наибольшее электромагнитное влияние молния оказывает во время обратного разряда. При этом выделяют две области формирования ЭМО: над поверхностью земли и ниже ее уровня.

Область близких грозовых разрядов. Большой вклад в исследование полей излучения молний внес Д.В. Разевиг. Им на основе вычисления скалярного и векторного электродинамических потенциалов излучения молнии были получены значения напряженностей электрических полей в окружающем канал разряда пространстве в виде суммы собственно электрической составляющей поля Е_э и напряженности электрического поля, созданного изменением во времени магнитного поля канала молнии, Е_м:

где для точек, лежащих на расстоянии l ≥ τ_ф υ от канала молнии, параметры Е_э и Е_м принимают значения:

где: h – длина канала молнии, м;

l – расстояние от канала молнии до точки наблюдения, м;

60 – численный коэффициент имеет размерность сопротивления Ом;

I_м – амплитуда тока молнии, А;

β – коэффициент, связывающий амплитуду тока и скорость его разряда υ, численные значения которого приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Связь между амплитудой тока молнии и скоростью обратного разряда

Примечание: с – скорость света.

Для расстояний l/h ≤ 1, где происходит формирование ЭМО, соответствующей первой области МЭМП, электрическая составляющая напряженности поля значительно превышает его магнитную составляющую. Тогда после введения замены r′ = l/h.

Для значений β = 0,1 ÷ 0,3, которые практически охватывают весь диапазон изменения скоростей обратного разряда, встречающихся на практике, нетрудно получить выражение для напряженности электрического поля и интересующей области

Аналогично напряженность магнитного поля в окружающем канал молнии пространстве

В (2.3) и (2.4) приняты обозначения, соответствующие формулам (2.1) и (2.2).

Выражения (2.3) и (2.4) описывают ЭМО, созданную каналом молнии в области существования МЭМП над поверхностью земли.

Воздействию грозовых разрядов или созданных ими МЭМП подвержены не только объекты РЭС, находящиеся над землей или на ее поверхности, но и расположенные непосредственно в грунте. При этом земля, обладающая полупроводящими свойствами, оказывает существенное влияние на формирование характеристик электромагнитных полей в ее толще.

Как и для РЭС, находящихся над землей или на ее поверхности, заглубленные средства могут быть подвержены как непосредственному воздействию токов молнии, так и их электромагнитному влиянию.

При ударе молнии в землю ее ток растекается от места удара во все стороны. При наличии участков с повышенной по отношению к земле проводимостью (например, подземных грунтовых вод, кабелей связи в металлической оболочке) поблизости от места удара молнии большая часть или весь ток молнии может попасть в эту область, стремясь распространиться далее по пути с наименьшим электрическим сопротивлением (например по оболочке кабеля). В этом случае имеет место непосредственное воздействие тока молнии на заглубленные РЭС.

Если расстояние от места удара молнии в землю до объекта с повышенной электрической проводимостью таково, что не возникает дуга и не происходит непосредственное стекание тока молнии, то эти области находятся в зоне действия повышенного потенциала, значение которого может быть приближенно определено по формуле точечного заземлителя

где I_м – амплитуда тока молнии, А;

r – расстояние от места удара молнии до рассматриваемой точки, м;

σ_з – удельная проводимость земли, см/м.

Воздействие токов молнии или повышенных потенциалов на заглубленные РЭС наблюдаются в непосредственной близости от места удара молнии или стекания в землю ее токов с пораженных объектов.

Область волновой зоны излучения грозовых разрядов. По мере удаления от места грозового разряда электромагнитные поля его излучения затухают по амплитуде со скоростью, обратно пропорциональной расстоянию, изменяясь по своей качественной структуре, и для расстояний l/h >> 1 существенно отличаются от ранее описанных.

В дальнем поле излучения грозового разряда, его электрическая и магнитная составляющие начинают взаимодействовать друг с другом, образуя плоскую электромагнитную волну с соотношением электрической и магнитной компонент поля

Геометрия формирования плоской электромагнитной волны излучения при грозовых разрядах между облаками и на землю показана на рисунок 2.1. При этом возникающие поля излучения молний могут охватывать значительные районы. Разряды в облаке и в воздухе порождают довольно сложные излучения, отличающиеся по своей структуре от излучений при грозовых зарядах на землю. Они не дают типичных импульсов, так как не имеют обратного разряда и в основном проявляются на частотах 100 кГц ÷ 10 МГц.

Рисунок 2.1 - Геометрия формирования МЭМП грозы

На практике при определении создаваемой молнией ЭМО и ее характеристик выделяют две основные зоны – над землей и ниже ее поверхности. Отражение от земли существенно влияет на характеристики полей излучения молнии. Над землей, в результате отражения от ее поверхности, существует прямая и отраженная волны, суперпозиция которых друг с другом будет производить или к усилению, или к подавлению части спектра МЭМП и, естественно, к изменению их амплитудно-временных характеристик.

Большая часть энергии поля отражается реальными почвами практически при всех углах падения. Для описания отраженной от поверхности земли волны можно воспользоваться известными из теории распространения радиоволн выражениями коэффициентов отражения при вертикальной и горизонтальной поляризации волн:

где ε′_k = ε′ + σ_з/(j ωε₀);

γ – угол скольжения падающей волны, рад.

Процессы отражения электромагнитных волн от поверхности земли интересны рядом особенностей. Так, для вертикально-поляризованной волны существенным является случай ее падения под углом скольжения, близким к углу Брюстера.

Для тангенциального же (горизонтального) электрического поля (особенно для высокопроводящих грунтов) характерно обращение фазы отраженной волны, что приводит к существенному ослаблению суммарного поля над землей и у ее поверхности. Формирование ЭМО на поверхности земли и в ее толще связано с двумя процессами: отражением и преломлением электромагнитных волн на поверхности земли и потерями в проводящем грунте.

Для характеристики полей ниже поверхности земли наиболее характерными являются два случая. Во-первых, когда волна падает нормально или почти нормально к поверхности земли (электрическое и магнитное поля поляризованы горизонтально).

Для отдельных гармоник нормально падающей, горизонтально-поляризованной волны

где Z₂ = [μ/ε(1+ δ_з/(jωε))^1/2;

γ = jω {με [1+ (σ_з/jωε))]}^1/2;

μ – магнитная проницаемость земли, Гн/м;

ε – диэлектрическая проницаемость земли, Ф/м;

d – глубина грунта, м.

Для типичных почв ζ₀ >> Z₂, поэтому напряженность магнитного поля удваивается на поверхности земли, в то время как значение напряженности электрического поля составляет 0,01 ÷ 0,1 ее значения в свободном пространстве.

В случае вертикально-поляризованного электрического поля по мере роста угла γ амплитудное значение преломленной волны увеличивается и при угле γ₀ известном как угол Брюстера, достигает максимума. При этом происходит максимальная передача электромагнитной энергии в землю и минимальное отражение ее от поверхности. Это надо учитывать при определении характеристик ЭМО в земле и на ее поверхности.

Значение угла Брюстера определяется из соотношения

Напряженность вертикально-поляризованного электрического поля в земле и у поверхности для отдельных гармоник определяется через характеристики грунта и угол скольжения:

При этом необходимо отметить одно важное обстоятельство: плотность одинаковых амплитуд у преломленной в землю волны будет всегда параллельна плоскости раздела сред, что свидетельствует об убывании по мере углубления в почву напряженности электрического поля преломленной волны с увеличением глубины проникновения независимо от горизонтальной координаты.

В типичных условиях высокочастотные компоненты ослабляются почвой в два раза или более на глубине 10 м по сравнению со значением на поверхности.