Электромагнитный импульс (ЭМИ) при высотном ядерном взрыве (ВЯВ) является наиболее мощным, наряду с разрядом молнии, воздействием для оборудования энергоструктуры. В [1, 2] описан характер такого воздействия, далее называемого ЭМИ, а в зарубежной литературе – HEMP, и показан его состав в виде трех составляющих Е1, Е2 и Е3. Составляющая Е1 носит полевой характер, расположена в наносекундном диапазоне с напряженностью поля до 50–100 кВ/м, составляющая Е2 приближается к разряду молнии, расположена в микросекундном диапазоне с напряженностью до 200 кВ/м, а составляющая Е3 расположена в секундном диапазоне с напряженностью до десятка кВ/м и приближается к МГД-воздействию при солнечных бурях. Стандарт МЭК 61000 [3, 4] обобщил многочисленные эксперименты по ВЯВ и рекомендовал их к применению при разработке и проектировании электрооборудования. За последние годы появились многочисленные публикации по анализу ЭМИ [5, 6] и воздействию на различные компоненты технических средств (ТС) и их повреждаемости, а также средств и способов защиты от ЭМИ [8–11].
Методика и способы защиты от ЭМИ носят комплексный характер, исследованы и предложены многочисленными учеными и разработчиками в виде руководств по электромагнитной совместимости (ЭМС) с учетом как внешних, так и внутренних источников помех (ИП), присущих энергосистеме [12–15]. Комплексные средства защиты от ЭМИ рассмотрены в [17–20].
Цель статьи состоит в обобщении методики и способов защиты от ЭМИ на основе ранее предлагаемых решений, которые уже реализуются разработчиками и проектантами при защите от ИП, молнии и других ранее заложенных воздействий. Такой подход позволяет несколько удешевить защиту от ЭМИ, хотя полная защита вряд ли может быть гарантирована с учетом многообразия средств и технологий поражения.
Методика защиты от ЭМИ включает концептуальные, схемотехнические и конструкционные технические решения, которые рационально закладывать на начальном этапе разработки ТС и комплексных проектов. Предварительный неучет таких решений зачатую оборачивается значительным повышением затраты и длительности реализации ТС и проекта.
Проблема защиты от ЭМИ обычно использует следующие способы:
– подавление возмущения в ИП;
– повышение стойкости рецепторов (приемников);
– воспрепятствование воздействию ИП на объект через среду передачи с помощи барьеров (экранов).
В случае если ИП неуправляемый, то остается только второй способ повышения стойкости рецептора. При воздействии полевой составляющей Е1, которая проникает через любую щель и зазор по отношению к рецептору, остается только третий способ в виде использования одного и более барьеров (экранов), причем они должны быть непрерывными и заземленными. Наличие внешнего ИП требует общего по отношению к объекту барьера. Если внутри объекта имеется внутренний ИП, то каждая подсистема объекта должна содержать свой барьер, как показано на рис. 1, на котором приведен пример топологии системных барьеров. На рис. 1 внешний барьер защищает систему от проникновения помехи от внешнего ИП. Внутренние ИП в каждой подсистеме также требуют установки внутренних барьеров для защиты каждого рецептора от своего ИП и от ИП другой подсистемы.
Рис. 1. Пример топологии системных барьеров
ПРИНЦИПЫ ЗАЩИТЫ ОТ ЭМИ
Принципы защиты от ЭМИ основаны на следующем:
– использование режима общей изоляции, когда от ТС отключены все внешние связи от экранируемого объема, содержащего ТС;
– использование методов снижения помех в ТС;
– применение компонентов ТС с повышенной стойкостью к ЭМИ.
Защита ТС обычно строится по ступенчатому принципу. Первая ступень (1-й уровень защиты) предусматривает использование вначале грубой защиты, которая содержит экраны, заменяющие провода волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), ограничители перенапряжений (ОПН).
Вторая ступень (2-й уровень защиты) предусматривает дальнейшее снижение помех за счет использования фильтров и корректирующих цепей. Например, для наиболее чувствительных к помехам полупроводниковых приборов наиболее действенным является применение ВЧ-диодов, которые отличают низкое рабочее напряжение на уровне 0,1–1 В и отсутствие инерционности. Это особенно актуально для приборов IGBT с рабочим напряжением порядка 5В и высоким входным сопротивлением (порядка нескольких кОм). Эти приборы являются базой микропроцессорных РЗА и РЭА и должны быть защищены в первую очередь.
В защищаемых зонах, которые могут представлять здание, помещение, шкаф, стойку и др. элементы, существуют два механизма проникновения помехи и ЭМИ:
– в виде излучения;
– в виде кондуктивной помехи, проникающей через барьер (экран).
На рис. 2 приведен пример проникновения к оборудованию излученных и кондуктивных помех через два уровня защиты. 1-й уровень содержит экран и ОПН. 2-й уровень содержит экран и фильтр для снижения кондуктивной помехи. Если оборудование содержит шкаф и стойку, в них также могут применяться экраны и фильтры для особо ответственных и повреждаемых компонент.
Рис. 2. Пример проникновения к оборудованию излученных и кондуктивных помех через два уровня защиты
Как видно из рис. 2, интерфейсы, к которым относятся шины данных, заземление, питание, должны входить на экран только в одной точке, только тогда защитное устройство (ЗУ) препятствует помехе и ЭМИ. ЗУ для кондуктивной помехи защищает ТС, либо изолируя продольную цепь или закорачивая поперечную цепь за короткое время, которое не превышает единицы нс.
ЗУ является нелинейным устройством, и для его выбора необходимо задаваться следующими исходными данными:
– частость возникновения помехи, например, разряда молнии или другого воздействия;
– ожидаемый уровень помехи;
– допустимое остаточное напряжение каждого сигнала, подходящего к интерфейсу;
– какова функция оборудования или интерфейса;
– параметры и характеристики ЗУ (продольное сопротивление, потери, пропускная способность, допустимые воздействия и др.).
Концепция топологии монтажа оборудования может предусматривать 2 решения: либо в виде замкнутого контура, либо в виде дерева. На рис. 3 приведены примеры концептуального монтажа оборудования с экраном, причем а) соответствует замкнутому контуру и обеспечивает высокую степень экранирования, а б) в виде дерева обеспечивает низкую зону экранирования.
Рис. 3. Примеры концептуального монтажа оборудования с экраном: а) замкнутый контур; б) экраны в виде дерева
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ К ЭМИ
Основные методы повышения стойкости оборудования (РЗА и РЭС) к ЭМИ приведены на рис. 4 по данным [12]. Указанные методы предусматривают:
– конструкционные методы (экранирование, зонирование, заземление);
– схемотехнические методы (ограничение помехи по спектру и амплитуде, использование ВОЛС и симметрирования);
– структурно-функциональные методы (структура сигнала, корректирующий код, оптимальный алгоритм, система модуляции и кодирования).
Рис. 4. Основные методы повышения стойкости оборудования (РЗА и РЭС) к ЭМИ [12]
Ниже рассмотрены только конструкционные методы повышения стойкости ЗУ. Схемотехнические методы предусматривают изменение структуры или введение дополнительных элементов. Структурно-функциональные методы зависят от системы модуляции или кодирования и выходят за рамки рассмотрения.
Например, ступенчатая защита полупроводников может предусматривать использование 3-х ступеней:
– 1-я ступень должна ограничить амплитуду помехи менее 1 кВ при помощи экранов, разрядников, ОПН, ВОЛС;
– 2-я ступень ограничивает амплитуду помехи до 100 В, а длительность фронта повысить за счет фильтра;
– 3-я ступень должна ограничить амплитуду помехи менее 0,1 В применением ВЧ-диодов.
Если оборудование не требует применения ЗУ, то можно ограничиться обычными методами, применяемыми в бетонных строениях в виде скрытой проводки, металлических подставок или шкафов и др. 1-я категория зданий использует материалы, которые не обеспечивают затухание ЭМИ, а 2-я категория обеспечивает затухание ЭМИ более 20 дБ. При необходимости защиты оборудования от разрядов молнии используют традиционные методы грозозащитных ЗУ (тросов, мачт, разрядников, ОПН, заземлителей и др.).
РАЗЛИЧИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ЗУ ПРИ РАЗРЯДЕ МОЛНИИ И ПРИ ЭМИ
Различие требований к ЗУ при разряде молнии (РМ) и при ЭМИ связано с характером воздействий, их амплитудой, длительностью, энергией, частотой возникновения и др.
Для РМ обычно предполагают удаление от оборудования на расстояние 0,1–1 км. Амплитуда тока РМ по МЭК61312-1 задается в виде: 1-й удар на уровне 150 кА, последующие удары 37,5 кА.
Разница длительностей фронтов: для РМ длительность фронта 10 мкс при напряженности поля до 500 кВ/м; для ЭМИ длительность фронта 2 нс при напряженности поля до 50 кВ/м.
Частота РМ обычно на уровне менее 100 кГц, хотя содержит высшую составляющую 1 МГц в 1-м ударе и 5 МГц в последующих ударах. Частота ЭМИ не превышает 100 МГц, хотя и содержит высшую составляющую на уровне 1 ГГц.
Напряженность (интенсивность) поля РМ и длительность импульса значительно превышает указанные значения для ЭМИ и приведены на рис. 5, который показывает особые требования по безинерционности ЗУ для ЭМИ. На рис. 5 приведены напряженность (интенсивность) поля, кВ/м, и длительность импульса, мкс, для МЭМИ и РМ (ЭМИ молнии).
Рис. 5. Напряженность (интенсивность) поля, кВ/м, и длительность импульса, мкс, для МЭМИ и РМ (ЭМИ молнии)
Удельная энергоемкость РМ и ЭМИ различается незначительно. По МЭК 61000-2-9 удельная энергоемкость Wf для ЭМИ составляет 0,114 Дж/м2. Для РМ Wf = 0,15 Дж/м2 (1-й импульс на расстоянии 600 м от объекта), а последний 8-й разряд Wf = 0,04 Дж/м2. Спектральная плотность импульса, В/м/Гц, в зависимости от частоты, Гц, приведена на рис. 6 для МЭМИ и РМ (ЭМИ молнии). Из рис. 6 следует, что спектр РМ на 3 порядка превышает спектр ЭМИ.
Рис. 6. Удельная энергоемкость в виде спектральной плотности импульса, Дж/м2, в зависимости от частоты, Гц, для МЭМИ и РМ (ЭМИ молнии)
Для оценки пропускной способности ЗУ при воздействии ЭМИ и РМ можно привести данные по газовым разрядникам. Так 1-й импульс ЭМИ с разрядным током 4 кА сопровождается выделением энергии 0,7 мДж, в то время как 1-й импульс РМ амплитудой 25 кА и последующие 8 импульсов тока 8/20 мкс выделяют энергию 12 Дж, что больше, чем на порядок выше для РМ, нежели, чем для ЭМИ.
ТОПОЛОГИЯ ЗОНАЛЬНОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ
Топология зонального экранирования по рис. 4 предусматривает выделение разных зон в здании, помещении, шкафу, блоке, которые разделены экранами, разделяющими указанные зоны. Здание из-за наличия дверей, окон, швов, электропроводки пронизано кондуктивными и некондуктивными апертурами (точками проникновения). Кабели устройств управления и каналы связи также дают пути проникновения ЭМИ. На рис. 7 приведена топология зонального экранирования системы «здание-помещение-шкаф» – блок с помощью четырех экранов, каждый из которых имеет по одной точке проникновения ЭМИ и по одной точке заземления.
Рис. 7. Топология зонального экранирования системы «здание-помещение-шкаф» – блок с помощью 4-х экранов
Рис. 8. Топология зонального экранирования системы «здание-помещение-шкаф» – блок с помощью 4-х экранов
ВЫБОР МАТЕРИАЛА ЭКРАНОВ
Выбор материала экранов определяется двумя способами: либо на основании выбора удельного сопротивления проводящего материала, либо на измерении эффективности экранирования.
Удельное сопротивление ρ материала экрана с учетом защитного покрытия измеряется на постоянном токе в схеме рис. 8 путем наложения на материал поперечным сечением А двух электродов с источником тока I0 и присоединенным вольтметром с показаниями напряжения Vs. Измеренное значение удельного сопротивления равно:
ρ = Vs /А · I0.
Указанное значение удельного сопротивления соответствует низкой частоте измерения, в то время как на высокой частоте на поверхности материала возникает скин-слой толщиной δ, которая равна:
где µ – магнитная проницаемость, а f – частота.
Эффективность экранирования для плоской E-H волны определяется соотношением:
SA = 20lg[Aout /Ain] дБ,
где Aout и Ain – соответственно модули основной компоненты плоской волны в точке наблюдения без экрана и прошедшей через экран. На рис. 9 приведен пример измерения принципа эффективности экранирования проводящего листа экрана: а) идеальная модель; б) реализация экрана ограниченным размером листа. Для обеспечения достаточной точности измерения необходимо выполнение условий:
– размер экрана (а) должен быть много больше длины волны импульса;
– расстояние экран-точка наблюдения d0 должен быть меньше размера листа (а);
– расстояние экран-источник ds должен быть меньше размера листа (а);
– падающая волна ориентирована нормально к поверхности листа.
Рис. 9. Пример измерения принципа эффективности экранирования проводящего листа экрана: а – идеальная модель; б – реализация экрана ограниченным размером листа
В качестве примера в [8] сравнивается эффективность экранирования разных материалов. Так стальной лист толщиной 2,5 мм с относительной магнитной проницаемостью µ = 1000 и непрерывной цепью экранирования дают затухание напряженности магнитного поля частотой 50 Гц на уровне 10–20 дБ, а для незамкнутой цепи менее 10 дБ.
Для экранов лучше подходит трансформаторная сталь с ориентированной внутренней структурой. Еще лучшие результаты показывают материалы и сплавы с повышенной магнитной проницаемостью, например, сталь 49KF2V1 c µ = 8000 о.е. или пермаллой 79НМ с µ = 25000 о.е. (ГОСТ 10160. Сплавы прецизионные магнито-мягкие).
КОМПЛЕКСНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО ЗАЩИТЕ ОТ ЭМИ
Комплексные решения по разработке ЗУ от ЭМИ должны использовать, как упоминалось выше, СВЧ-диоды, ОПН и коммутационные аппараты (КА). За последние годы вакуумные КА в области НН и СН существенно вытеснили другие КА (масляные, воздушные, и отчасти элегазовые) благодаря многочисленным преимуществам, и, в частности, надежности, стоимости, компактности, удобству обслуживания и др. Для устройств НН наиболее широко применяемыми наряду с автоматическими выключателями являются вакуумные контакторы ВК, типоряд которых в диапазоне 25–1600 А представлен в верхней части табл. 1 как для постоянного тока от 48 В до 3,3 кВ, так и для переменного тока до 10 кВ. Следует отметить, что автоматические выключатели напряжением до 660 В на ток до 400 А могут применяться как на постоянном, так и переменном токе.
Вакуумные выключатели (ВВ) могут применяться на постоянном напряжении до 3,3 кВ вплоть до токов 3150 А, а на переменном напряжении до 10 кВ, наряду с выключателями 35 и 110 кВ (последние на ток до 2000 А).
С ростом токовых нагрузок (10 кА и выше), а также особых требований по защитным характеристикам целесообразно использовать различные гибридные схемы из сочетания ВВ и ОПН; ВВ и РВУ (разрядник вакуумный управляемый); ВВ, РВУ и КБ (конденсаторная батарея) для выключателя постоянного тока (далее – DC выключателя конденсаторного типа); ВВ и набор тиристоров или приборов IGBT – для гибридного DC выключателя, ВВ, РВУ и предвключенные резисторы для ограничения бросков тока в трансформаторах и КБ и др. В нижней части табл. 1 DC выключатель конденсаторного типа обозначается как в оригинале ВВПТ – высоковольтный вакуумный выключатель постоянного тока, который первоначально был разработан для сверхпроводящего индуктивного накопителя СПИН.
Первый тип защитного устройства из сочетания ВВ и ОПН называется УЗИП, т. е. устройство защиты от импульсных перенапряжений, и защищает электрооборудование от электромагнитных импульсов ядерного оружия, молнии и коммутационных перенапряжений [4]. УЗИП выпускается на напряжения до 10 кВ в диапазоне токовых нагрузок от 10 до 150 кА. Принципиальная схема УЗИП приведена на рис. 10 и содержит два модуля: ограничивающий в составе трех ОПН и коммутационный в составе РВУ и поджигающего разрядника Р. Схема работает следующим образом. При воздействии импульса небольшой длительности конденсатор C не успеет зарядиться, разрядники Р и РВУ не могут сработать, и только ОПН ограничивает амплитуду импульса. При воздействии импульса с большой энергией и длительностью конденсатор успевает зарядиться, приводя к срабатыванию разрядников Р и РВУ, которые закорачивают ОПН на время, определяемое длительностью импульса. После выхода схемы на сопровождающий ток РВУ гаснет после первого перехода тока через нуль. Индуктивность L в виде нескольких витков провода, показанная в верхней части рис. 10, несколько затягивает фронт самых коротких импульсов.
Рис. 10. Принципиальная схема УЗИП
ВЫВОДЫ
Выполнен анализ принципов защиты электрооборудования от ЭМИ. Рассмотрены основные методы повышения его стойкости по отношению к ЭМИ, и анализируются в основном конструкционные методы (экранирование, зонирование, заземление). Показано различие требований к защитным устройствам при разряде молнии и при воздействии ЭМИ. Анализируется топология зонального экранирования и выбор материалов экранов. Предлагаются комплексные решения по защите от ЭМИ с использованием ВЧдиодов, ОПН и вакуумных управляемых разрядников.