[中配]如何核電磁脈衝影響電網運作？

1958年4月28日上午晚些時候 USS Boxer航母約在太平洋比基尼環礁沿海70英里處 博克斯號的船員正在準備發射一支高空氦氣氣球 事實上這將是從船上發射的第17個高空氣球 不過這個有點不同 前16個氣球攜帶了一些儀器和模擬有效載荷 而這個氣球上附帶的是一個代號為 這艘船氣球和炸彈都是硬堅果行動的一部分 這是美國在1958年進行的一系列核試驗 尤卡是人類首次在地球大氣層上層進行的核爆炸試驗 大約在氣球發射後一個半小時 它達到了8000英尺或2600m的高度 當兩架裝載儀器的B-36和平使者轟炸機 當然研究團隊在爆炸期間收集了各種數據 包括衝擊波的速度 對空氣壓力的影響 以及釋放的核輻射的強度 但在地面的兩個地點 他們也在測量爆炸產生的電磁波 自第一次核爆炸以來 人們就知道爆炸會產生電磁脈衝 主要是因為這會不斷損壞電子儀器 但直到硬餅乾行動之前 沒人曾經測量過高層大氣中爆炸產生的波動 他們記錄的結果遠遠超出了他們的預期 因此被視為異常持續了多年 報告中僅隨意提到 在一個監測站估計的電磁場強度 約為儀器最大限值的5倍 直到五年後 美國物理學家康拉德·朗米爾提出了一種 這一理論至今仍被廣泛接受 解釋了其強度為何比地面爆炸產生的強度 高出數個量子 自那時起 我們對核戰爭的恐懼 不僅包括核彈落在populated area 造成城市毀滅和核輻射的場景 還包括在高空中遠離我們頭頂引爆 釋放出強大的電磁脈衝 和大多數武器一樣 關於電磁脈衝的最佳和最全面的研究都是機密 但在2019年 一個由能源組織和政府機構組成的聯盟 電力研究院資助了一項研究 試圖瞭解高空核電磁脈衝 對電網可能造成的影響 這並不是唯一一項此類研究 也並非沒有批評什麼 尤其是那些認為它偏向樂觀的人 不過它提供了我能找到的所有研究中最豐富的工程細節 而答案與好萊塢所宣稱的相去甚遠 這是該報告的摘要 也是關於電網大規模威脅系列視頻的第一檔 我是格雷迪 這裡是實用工廠 在今天的節目中 我們將討論核電磁脈衝對我們電力基礎設施的影響 在幾乎所有情況下 核爆炸都是不受歡迎的 這些事件本質上是危險的 而爆炸的物理原理遠超我們的直覺 這在高層大氣中尤為如此 核爆炸與地球的磁場和大氣以非常獨特的方式相互作用 從而產生電磁脈衝 電磁脈衝實際上有三個不同的組件 都是由不同的物理機制形成的 能夠在地球表面產生截然不同的影響 EMP的第一部分稱為E1 這就是在引爆後立即出現的極快且強烈的脈衝 任何核爆炸釋放的伽馬射線與電子碰撞 使原子電離並產生一陣電磁輻射 這本身一般就不好 但在高空引爆時 地球的磁場與那些自由電子相互作用產生的電磁脈衝比 在低空密度更大的空氣中引爆時要強得多 E1脈衝在幾納秒內來去匆匆 其能量有點戲謔地被稱為直流道日光 意味著它覆蓋了電磁埔的很大一部分 E1脈衝通常能夠覆蓋到可見範圍內的任何地方 而對於高空爆炸 這可以覆蓋廣闊的土地區域 在尤卡測試的高空 那是以一個面積超過德克薩斯州的圓 在200公里高空的武器可能會對北美大部分地區產生影響 但並不是圓圈內的每個地方都經歷最強的電磁場 一般來說離爆炸越遠 EMP的幅度就越低 但由於地球的磁場最大幅度發生在北半球零點稍南的位置 從而形成了這種被稱為微笑圖的模式 但沒有人會高興地發現自己處於高空核爆炸的影響區域 雖然這種武器不會損壞建築 產生核輻射 被人類感知 甚至對大多數人來說可能是不可見的 但一一脈衝可能對電子設備產生巨大的影響 你可能對將無線電信號轉換為導體內電壓和電流的天線比較熟悉 那麼對於一個足夠強的脈衝 如果覆蓋了廣泛的頻率 任何金屬物體基本上都會像天線一樣 將脈衝轉化為巨大的電壓尖峯 從而使數字設備不堪重負 而且一一脈衝發生的如此迅速 以至於即使是用於防止浪湧的設備也可能無效 當然如今幾乎所有事物都嵌入了電子元件 這就帶來了深遠的影響 但是在電網中實際上只有少數幾個地方會對一一脈衝產生重大影響 第一個是與發電廠內部的控制系統有關 第二個是用於監測和記錄數據以協助電網操作員的通信系統 EPRI報告主要針對與一一脈衝相關的第三種危險 即數字保護靜電器 大多數人都見過保護家中電路的斷路器 電網有類似的設備 用於在短路或故障發生時保護輸電線路和transformer 但與您家中的斷路器既能感知故障 又能切斷電路的單一設備不同 電網中的這些角色是分開的 在覆蓋下電路的物理斷開 是通過大型電動控制接觸器在油或介電氣體中滅糊來完成的 以防止電糊的形成 監測電壓和電流 並告知斷路器核實動作的設備 被稱為記電器 它們通常位於變電站的小建築內 以保護它們免受天氣影響 這是因為現在大多數記電器都是數字設備 充滿了電路板、屏幕和微電子元件 而所有這些組件特別容易受到電磁幹擾 事實上大多數國家對你可以傳播到空氣中的電磁輻射的強度和頻率有嚴格的規定 我希望我使用這個設備沒有違反這些規則 這是我在eBay上買的一個脈衝發生器 用來演示電磁輻射對電子設備產生的奇怪影響 它通過這個天線發出50MHz的波 你可以看到當我在這個便宜的多用表附近打開它時 它有一些奇怪的效果 顯示屏上的讀數變得不穩定 有時我能讓背光亮起 你也可以在這裡看到兩種不同類型的意義漏洞 電磁脈衝可以偶合到作為設備輸入的電線 也可以直接輻射到設備上 在這兩種情況下 這個小設備的強度不足以對電子設備造成永久性損壞 但希望它能幫助你想像在強電廠作用於敏感電子設備時可能發生的事情 EPRI報告實際上讓數字繼電器承受強電磁脈衝 以觀察其影響 他們使用了一個馬克思發生器 這是一種電壓倍增電路 所以我決定自己試一試 馬克思發生器在這些電容器中以並聯方式儲存電能 當觸發時 Sparkapps將所有電容器串聯連接 以產生非常高的電壓 在我的情況下高達80或90千伏 我的YouTube同行工程師Electroboom在他的頻道上建造了一個這樣的裝置 如果你想了解更多可以去看看 我的這個在螺絲刀觸發時會產生高壓火化 順便說一句別在家嘗試這個 我沒有設計天線來將這個高電壓脈衝轉換為電磁脈衝 但我確實進行了直接注入測試 這個便宜的數碼相框毫無勝算 只是為了澄清 這絕對不是一個科學測試 這只是一個有趣的演示 讓你瞭解E1脈衝可能具備的能力 E2脈衝比E1慢 因為它是通過γ射線和中子的相互作用 以完全不同的方式產生的 結果發現E2脈衝大致相當於一次雷擊 事實上 許多雷電的強度超過高空核爆炸所能產生的強度 當然電網並不是完全不受雷電影響 但我們確實使用了許多雷電保護技術 電網上的大多數設備已經針對某些高電壓脈衝進行了加固 因此雷擊通常不會造成太大損害 所以E2脈衝對我們的電力基礎設施並沒有那麼大的威脅 尤其是與E1和E3相比 EMP的最終成分稱為E3 與其他兩個成分又大相徑庭 這根本不算是脈衝 因為它是以完全不同的方式生成的 當核爆炸發生在高層大氣中 地球的磁場會受到幹擾和扭曲 隨著爆炸波的擴散 磁場在幾分鐘內慢慢恢復到原來的狀態 這與太陽上的太空天氣風暴擾動地球重力時發生的情況類似 而大規模太陽事件可能對電網構成比核電磁脈衝更大的威脅 在這兩種情況下都是由於地球磁場的幹擾和移動 你可能知道當磁場經過導體時會發生什麼 你產生了一種電流 我們稱之為偶合 這基本上就是天線的工作原理 實際上天線在其尺寸與電磁波的波長匹配時效果最好 例如AM廣播使用的頻率低至540千赫 這對應的波長可達1800英尺或550米以上 大浪 與其說AM廣播塔是用來安裝天線的地方 比如FM廣播或蜂窩塔 不如說AM廣播塔本身就是天線 整個金屬結構帶電 你通常可以通過觀察底部來判斷一個AM塔 因為它們坐落在一個小陶瓷絕緣體上 這個絕緣體將它們與地面電氣隔離 正如你所想的 波長越長 天線就必須越大才能與電磁輻射良好偶合 希望你能明白我的意思 電力傳輸和配電線路通常延伸數英里 使其成為E3脈衝偶合和產生電流的理想場所 這就是為什麼這是個問題 在整個電網中 我們使用Transformer來改變電壓 在輸電環節 我們提高電壓以減少線路損耗 而在配電環節 我們則將電壓降低 以便讓客戶在家中和建築物內更安全的使用 那些Transformer是利用電磁場工作的 一圈電線產生的磁場 通過一個芯片誘導電流流過相鄰的線圈 實際上我們在電網中使用交流電的主要原因是 它讓我們可以使用這些非常簡單的設備 來升高或降低電壓 在一定範圍內 大多數用於Transformer核心的材料 電流流動與產生的磁場強度之間成線性關係 但這種關係在飽和點上崩潰 超過這個點後 額外的電流不會再產生太多的磁性 來驅動負擾組的電流 E3脈衝可以在輸電線路中誘發大致的直流電流 所以你在交流電上疊加了直流電 這就造成了正弦波的偏差 如果直流電流過大 當電流在一個方向流動 而另一個方向不流動時 Transformer的磁芯可能會飽和 從而扭曲輸出波形 這可能導致Transformer核心出現熱點 損壞連接到電網的設備 它們期待一個良好的正弦電壓波形 還有很多其他奇怪的情況 那麼這一切都有何影響呢 對於一一脈衝損壞一些積電器 這可能不是個大問題 在傳輸系統中 電流通常有冗餘路徑可供流動 這就是它被稱為電網的原因 但下線的設備越多 剩餘線路的壓力越大 連鎖故障或全面崩潰的可能性就越大 EPRI進行了模擬 在200公里高度 引爆1兆噸炸彈的測試 它們估計大約5%的輸電線路 可能會有積電器受到導致的 電磁脈衝損壞或幹擾 單靠這一點可能不足以 引發大規模的電網停電 但別忘了第三 EPRI發現電磁脈衝的第三部分 可能導致涵蓋多個州的區域性停電 這主要是由於Transformer核心飽和 以及電力供需失衡所致 它們的模型並未導致 實際Transformer的廣泛損壞 這是一件好事 因為電力Transformer是體積龐大 價格昂貴且難以更換的設備 而大多數電力公司並不會備用太多 儘管如此 它們的報告並非沒有爭議 許多人認為電磁脈衝 可能會對電力基礎設施 造成更大的損害 當你將E1脈衝和E3脈衝的 影響結合在一起時 很容易想象電網可能會受到嚴重癱瘓 即使設備的實際損害並不嚴重 也很容易看出EMP的廣泛性 以及對其他系統 如計算機和電信的潛在影響 可能會使恢復正常運作的過程 變得更加困難 在最壞的情況下 停電持續數天 這可能不會導致人類 像好萊塢電影那樣回到石器時代 但它確實能對我們的日常生活 造成重大幹擾 我們將在未來的視頻中探討這個意思 但是如果你等不及 想看下一個實用工程的視頻 你應該知道 它們會在Nebula上首播 然後纔到YouTube 而且你可以無廣告觀看 如果你現在還沒有聽說Nebula 那它是一個由創作者建立的流媒體服務 使用與YouTube不同的模式 不是通過廣告支持 而是支付少量的訂閱費用 這聽起來只是一個小差異 但結果在內容上卻有著巨大的不同 包括那些在YouTube上效果不佳的視頻 以及來自你最喜歡的創作者 如Wendover Productions 和Real Engineering的大量原創系列 我們非常興奮能夠繼續與CuriosityStream合作 這是一項提供成千上萬 關於幾乎所有你能想到的主題的 大預算紀錄片的服務 CuriosityStream支持獨立創作者 所以在CuriosityStream.com slash Practical Engineering註冊時 他們會提供Nebula的免費訪問 我知道現在有很多直播流和流媒體服務 很難全部跟蹤 但這個套餐便宜到幾乎不需要考慮 你一次性支付15美元 就可以獲得整整一年的 CuriosityStream訪問權限 還能免費獲得一年的Nebula訪問權限 如果你想了解更多關於電網的內容 CuriosityStream上的程式運作系列 有一整集50分鐘的節目 專門講述這個話題 或者在Nebula上 觀看Wendover Productions的Sam 在他的熱門遊戲節目系列《時差》中 環遊世界 這是一種支持我的頻道 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