Author: Гуревич В.И.
Tags: электротехника электроэнергетика военная техника электроника электрооборудование ядерная энергетика ядерное оружие
ISBN: 978-5-9729-0273-6
Year: 2019
Text
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ
ИМПУЛЬС
высотного
ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА
И ЗАЩИТА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
от НЕГО
В. И. Гуревич
Электромагнитный импульс
высотного ядерного взрыва
и защита электрооборудования от него
Монография
Инфра-Инженерия
Москва - Вологда
2019
УДК 621.316.925(075.8)
ББК 31.27+68.8
Г 95
ФЗ
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке
в соответствии с и. 1 ч. 2 ст. 1
В. И. Гуревич
Г 95 Электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва
и защита электрооборудования от него: монография /
В. И. Гуревич. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 516 с.: ил.
ISBN 978-5-9729-0273-6
Рассказывается об истории развития военных ядерных программ в СССР
и США, роли разведки в создании ядерного оружия в СССР, обнаружении элек-
тромагнитного импульса при ядерном взрыве (ЭМИ ЯВ), многочисленных ис-
пытаниях ядерных боеприпасов. Использованы в том числе и недавно рассекре-
ченные материалы.
В доступной для неспециалистов в области ядерной физики форме опи-
сан процесс образования ЭМИ ЯВ, показано влияние многочисленных факторов
на интенсивность ЭМИ ЯВ и его параметры. Рассмотрено влияние ЭМИ ЯВ на
электронные компоненты и устройства, а также и на силовое электрооборудова-
ние энергосистем. Большую часть книги занимает описание средств и методов
защиты электронного и электротехнического оборудования от ЭМИ ЯВ, порядка
испытания этого оборудования на устойчивость к ЭМИ ЯВ и оценки эффективно-
сти средств защиты.
По широте охвата проблемы, новизне, глубине и практической значимо-
сти описанных технических решений книга является фактически энциклопе-
дией ЭМИ ЯВ и не имеет аналогов на книжном рынке.
Монография рассчитана на инженеров-электриков и энергетиков, разра-
батывающих, проектирующих и эксплуатирующих электронное и электротехни-
ческое оборудование. Она также будет полезна преподавателям вузов, студентам
и всем интересующимся историей ядерных вооружений и электротехникой.
© Гуревич В. И., автор, 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
ISBN 978-5-9729-0273-6
Наша уязвимость увеличивается ежедневно
вместе с расширением нашего использования
электроники и ростом нашей зависимости от нее
в наших гражданских и военных секторах.
Д-р Вильям Грэхем,
Председатель Комиссии Конгресса США по ЭМИ ЯВ
Защита от ЭМИЯВ находится сегодня
в беспорядочном, дезориентированном
и нескоординированном состоянии.
Д-р, профессор Джордж Бэйкер
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электромагнитный импульс, возникающий при подрыве ядерного
боеприпаса (ЭМИ ЯВ) на большой высоте (30-400 км), представляет собой
довольно странное и даже, можно сказать, экзотическое явление не только
как физический процесс, но и как информационный парадокс. Это явление
впервые было зафиксировано уже при самом первом испытательном ядер-
ном взрыве в 1945 г. как побочное явление, которое вывело из строя реги-
стрирующую и измерительную аппаратуру и помешало получить многие
важные данные о параметрах ядерного взрыва. Из-за этого мешающего
влияния на аппаратуру долгое время не удавалось четко и точно измерить
параметры и самого ЭМИ.
Многочисленные заблуждения и ошибки в вычислениях ведущих фи-
зиков того времени сопровождали попытки построения теоретической мо-
дели ЭМИ ЯВ, хотя, как выяснилось в дальнейшем, теория этого процесса
уже была разработана, причем задолго до его обнаружения, в 1925 г.
Информационный парадокс заключается в том, что за многие десяти-
летия, прошедшие с момента обнаружения ЭМИ ЯВ, этому явлению были
посвящены сотни подробнейших многостраничных отчетов, большинство
из которых были рассекречены уже 20-30 лет назад и сегодня имеются
в свободном доступе в интернете. Среди этих отчетов значительную часть
составляют документы, описывающие влияние ЭМИ ЯВ на электроэнерге-
тику. Несмотря на это, за прошедшие десятилетия это явление так и не
стало известным и понятным подавляющему большинству гражданских
специалистов в области электроэнергетики - основы инфраструктуры
страны. Они существуют как бы в параллельном мире: рядом с ними рабо-
тают огромные коллективы военных специалистов, профессионально за-
нимающихся этой проблемой, а руководители электроэнергетической от-
расли, инженерно-технический персонал энергосистем в лучшем случае
лишь краем уха слышали о какой-то проблеме, связанной с электромаг-
нитным импульсом. А ведь проблема действительно весьма серьезная:
при деструктивном воздействии ЭМИ ЯВ на незащищенные микроэлек-
тронные и микропроцессорные устройства управления, телекоммуника-
ции, релейной защиты, без которых современная электроэнергетика не
может обойтись, наступит энергетический коллапс огромных регионов
страны. А вместе с энергетическим коллапсом исчезнет водоснабжение,
остановится система канализации, исчезнет связь и так далее...
Беспечность правительственных органов и в первую очередь руково-
дителей электроэнергетической отрасли ставит под угрозу стратегическую
безопасность страны и провоцирует военных в странах вероятного про-
тивника на создание специальных ядерных боеприпасов с усиленным эф-
фектом ЭМИ ЯВ (так называемых супер-ЭМИ).
4
Предисловие
Автор этой книги впервые поднял в средствах массовой информации
вопрос об электромагнитной безопасности электроэнергетики более 10 лет
тому назад, опубликовав в 2005 г. статью в журнале «Public Utilities
Fortnightly», а затем в том же году и статьи в русскоязычной технической
литературе. В России эти первые публикации автора встретили полное
непонимание и яростное неприятие специалистов-энергетиков, впервые
услышавших об этой проблеме и воспринявших ее как нечто совершенно
не вписывающееся в их привычное миропонимание.
В последнее время, во многом благодаря усилиям автора, положение
дел начинает меняться. Хотя нужно признать, что в России и других стра-
нах постсоветского пространства, в отличие от стран Запада, эта тема еще
не получила надлежащего освещения в средствах массовой информации.
Некоторые российские печатные издания попросту отказываются публи-
ковать материалы об ЭМИ ЯВ и его разрушающем влиянии на электро-
энергетику, ссылаясь на «закрытость» этой тематики. Такие доводы вы-
глядят не просто смешными на фоне огромного количества открытых ма-
териалов, опубликованных на английском языке, но и преступными, по-
скольку способствуют поддержанию невежества российских специалистов
в этом вопросе и препятствуют разработке мероприятий по защите энерго-
систем от этого опасного явления. Особую роль в этом негативном про-
цессе сокрытия информации играют российские военные специалисты из
многочисленных научно-исследовательских институтов, имеющих отлич-
ную испытательную базу и хорошо осведомленных об этой проблеме,
но не желающих распространения информации о ней среди гражданских
специалистов. Ведь рано или поздно руководители высокого ранга могут
задаться вопросом: а что сделали эти огромные научно-исследовательские
институты для защиты электроэнергетики за десятки лет своего существо-
вания? Окажется, что ровным счетом ничего! Так уж лучше объявить эту
тему «закрытой» и держать всех этих гражданских в неведении, сохраняя
себе спокойную и сытую жизнь.
Автор в корне не согласен с такой постановкой вопроса и поэтому
подготовил для специалистов в области электроэнергетики эту книгу, все-
сторонне освещающую проблему ЭМИ ЯВ и пути ее решения.
Автор надеется, что в этой книге читатель найдет для себя много но-
вого, интересного и полезного.
Отзывы о книге просьба направлять автору по адресу:
vladimir.gurevich@gmail.com
Автор
5
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬС -
ПОСЫЛКА ИЗ ПРОШЛОГО
1.1. Введение
Электромагнитный импульс (ЭМИ), о котором идет речь в дан-
ной книге - это один из поражающих факторов ядерного взрыва,
а точнее, высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ), когда подрыв
ядерного боеприпаса производится на высоте 3CML00 км, то есть
в ионосфере и даже в ближнем космосе (Международная авиацион-
ная федерация в качестве границы между атмосферой и космосом
установила высоту в 100 км по так называемой линии Кармана).
Очевидно, что на таком расстоянии от поверхности Земли ядерный
взрыв не может произвести серьезные разрушения и привести к ги-
бели людей. Тогда какой же смысл в его применении в качестве бо-
евого средства поражения? Поражения чего? Почему об этом заго-
ворили по прошествии более 70 лет с момента первого испыта-
ния ядерного боеприпаса? Попробуем ответить на эти вопросы
и начнем с истории открытия ЭМИ ЯВ.
1.2. История ЭМИ ЯВ
История ЭМИ ЯВ берет начало с момента первого испытания
ядерного боезаряда.
Рис. 1.1. Доставка первого в мире ядерного взрывного устройства
на место испытания
6
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Рис. 1.2. Подъем на вышку (слева) и подготовка ядерного заряда,
установленного на вышке (справа), на полигоне Тринити
Рис. 1.3. Стальная вышка с установленной на ней «штучкой»
Он не был предсказан заранее теоретически, как многие другие
явления в физике, открытые, что называется, «на кончике пера».
Более того, даже после его обнаружения ЭМИ ЯВ был далеко
7
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
не сразу понят и объяснен, а выводы некоторых последующих тео-
рий оказались просто ошибочными...
Первый испытательный ядерный взрыв был осуществлен в
рамках известного проекта «Манхеттен» 16 июля 1945 года в США
на полигоне Аламогордо в 200 милях южнее Лос Аламоса (штат
Нью-Мексико). Взрывное устройство (получившее неформальное
прозвище gadget - «штучка») мощностью около 20 кт, выполненное
на основе плутония-239 (рис. 1.1 и 1.2) было расположено на сталь-
ной вышке высотой 33 м (рис. 1.3), а центр управления и регистра-
ции параметров взрыва (рис. 1.4) располагался на безопасном рас-
стоянии в защищенном строении.
Рис. 1.4. Центр управления и регистрации параметров
ядерного взрыва
Само слово «тринити» происходит от латинского trinitas (трои-
ца). В христианстве этим понятием обозначается тройственная
сущность Бога как отца, сына и святого духа. Это название
дал проекту его научный руководитель и директор лаборатории
Лос-Аламос Роберт Оппенгеймер (рис. 1.6) под влиянием поэзии
известного английского поэта XVII века Джона Донна на религиоз-
ные мотивы.
8
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
scientific laboratory
of the University of Californio
LOS ALAMOS, NEW MEXICO S7545
I \
An Af(itmattv« Actien/Equal Opportunity Employer
7. SUMMARY OF NUCLEAR PHYSICS MEASUREMENTS (ROBERT R. WILSON)
We can understand the difficulty of transmitting
signals during the explosion when we consider that the gamma rays from the reaction will ionize
the air and other material within hundreds of yards. Fermi has calculated that the ensuing
removal of the natural electrical potential gradient in the atmosphere will be equivalent to a large
bolt of lightning striking that vicinity. We were plagued by the thought that other such
phenomena might occur in an unpredictable or unthought of manner. All signal lines were com-
pletely shielded, in many cases doubly shielded. In spite of this many records were lost because of
spurious pickup at the time of the explosion that paralyzed the recording equipment.
Рис. 1.5. Рассекреченная версия отчета
по проекту «Тринити»
9
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 1.6. Научный руководитель проекта (слева) Роберт
Оппенгеймер (Robert Oppenheimer) и директор проекта (справа)
генерал-лейтенант Лесли Гровс (Leslie Groves,) возле остатков
одной из опор вышки, испарившейся во время взрыва
В это время в Потсдаме проходила конференция глав прави-
тельств трех держав. Получивший из Вашингтона шифрованную
телеграмму с закодированной фразой «Роды прошли удачно», пре-
зидент США Гарри Трумэн, внезапно почувствовавший себя вла-
стелином мира, решил сообщить И. Сталину о создании в США но-
вого оружия. Цель такой его откровенности была ясна: США люби-
ли вести переговоры «с позиции силы». Но Сталин, к удивлению
Трумэна, не проявил к этому сообщению никакого интереса.
Трумэн не мог себе представить, что Сталин давно уже все знал
10
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
о разработках и поспешных приготовлениях американцев к испыта-
нию первой атомной бомбы и принял соответствующие меры.
По результатам испытаний лабораторией Лос-Аламос был вы-
пущен в 1946 г. секретный отчет под номером LA-1012, который
оставался секретным в течение более чем 30 лет. Лишь в мае 1976 г.
была выпущена рассекреченная версия этого отчета под номе-
ром LA-6300-H (рис. 1.5), в котором часть секретных данных была
все-таки удалена. Однако самая первая и общая информация об
ЭМИ ЯВ попала в открытую версию этого отчета. Эта информация
заняла всего лишь несколько строк в разделе 7 (рис. 1.5), в котором
говорится о том, что проблемы с передачей сигналов с измеритель-
ных датчиков были ожидаемы из теории Энрико Ферми, который
рассчитал, что при взрыве ядерного заряда под действием рентгенов-
ского излучения произойдет ионизация воздуха на большой площа-
ди, что приведет к возникновению высокой разности потенциалов
в атмосфере, эквивалентной разряду молнии. По этой причине все
сигнальные кабели были тщательно экранированы и зарыты в землю.
Однако, несмотря на принятые меры, во время взрыва многие виды
регистрирующей аппаратуры были выведены из строя импульсом
высокого напряжения, при том что электронная аппаратура того вре-
мени, выполненная на вакуумных лампах (рис. 1.4), была весьма
примитивной, грубой и на порядки менее чувствительной по сравне-
нию с современной микропроцессорной измерительной техникой.
Это было первое в истории экспериментально зафиксированное
воздействие ЭМИ на электронную аппаратуру.
В серии последующих операций (Crossroads, Sandstone,
Greenhouse, Buster-Jangle, Tumbler-Snapper, Ivy, Upshot-Knothole,
Castle, Teapot, Wigwam, и Redwing) каждая из которых состояла из
целой серии взрывов, были исследованы различные аспекты назем-
ных, надводных и подводных ядерных взрывов, включая и реги-
страцию ЭМИ. Регистрирующая электронная аппаратура в то время
часто выходила из строя во время подрыва боеприпаса, и поэтому
многие параметры взрыва оставались незафиксированными.
Это относили на счет несовершенства самой аппаратуры и ее недо-
статочной надежности.
И
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Project 9.2b
OPERATION OF BALLOON CARRIER FOR
VERY-HIGH-ALTITUDE NUCLEAR DETONATION
w rrr> А* к 5 c'
DECLASSIFIED BY DSWA {OPSSI)
ntpr review.
DISTRIBUTION STATEMENT A
APWrlE!
РАТЕЛУ AJ 'PPP
HEADQUARTERS FIELD COMMAND.
ARMED FORCES- SPECIAL WEAPONS PROJECT
Issuance Date; July 25, 1958
Sandia base. Albuquerque, hew Mexico
Mind Lb b> RailrJeied D«.ta. lit foreign ЛЛАвяпЕШ Jo*.
Seclioa 1Mb. Atcralc Eocijjy Art of 1J44.
19970306 013
This material contains Information uJttcaing
tn* national defense ot the United Staten
within the ane-inlraj Of th» e.jildrwge laws
Title 18, U. Ь. C., secs. 703 anrt -J94, the
irancntltclwn or revelation of which tn any
manner to an unaut horned person la pro-
hibited by law.
lINCLASSliiEO
dZ-ao?' <L и
Рис. 1.7. Рассекреченный в 1997 г. отчет о проекте Yucca
операции Hardtack-1
12
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Аналогичные случаи повреждения аппаратуры мощным им-
пульсным электромагнитным полем были зафиксированы и во вре-
мя испытаний ядерных зарядов Великобританией в 1952-1953 гг.
на полигоне Maralinga на юге Австралии. Английские физики
назвали это явление «радио-вспышкой» (radio-flash). Похожее по
смыслу название того, что сегодня называется электромагнитным
импульсом, использовалось и в некоторых ранних публикациях
ученых СССР.
В 1958 году ученые и военные США вернулись к исследова-
ниям ЭМИ в рамках обширной операции Hardtack-1 («сухарь»),
в рамках которой было произведено 35 ядерных взрывов различных
типов. Некоторые из этих взрывов были высотными. Первый
в США высотный взрыв ядерного боеприпаса (проект Yucca,
рис. 1.7) был осуществлен с помощью большого воздушного шара,
запущенного с борта авианосца класса Essex (USS Boxer CVS-21),
рис. 1.8. Заряд был небольшой мощности - 1,7 кт, и весил всего
лишь около 100 кг. Кроме самого заряда на общем длинном тросе
были закреплены и контейнеры с регистрирующей аппаратурой.
Общий вес оборудования, поднятого воздушным шаром, составил
346 кг. Подрыв боеприпаса был произведен между атоллом Эниве-
ток (Eniwetok) и Бикини (Bikini) 28 апреля 1958 г. на высоте около
26 км. Этот взрыв был запланирован для изучения возможности ис-
пользования ядерного заряда в качестве средства, поражающего
электронные системы для нужд противоракетной и противовоздуш-
ной обороны.
Рис. 1.8. Подготовка (слева) и запуск (справа, в верхнем правом углу)
воздушного шара с подвешенным на длинном тросе
атомным зарядом W-25 с палубы авианосца Essex
13
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Помимо регистрирующей аппаратуры, расположенной в пяти
контейнерах, подвешенных на расстоянии друг от друга на общем
тросе под ядерным зарядом, измерение параметров ЭМИ ЯВ произ-
водилось также исследовательской лабораторией армии США
с двух станций слежения, расположенных в местечках Wotho
и Kusale примерно в 100 и 460 милях соответственно от Бикини.
В дополнение к этому два стратегических бомбардировщика типа
Б-36, оборудованных большим набором регистрирующей аппарату-
ры, находились в воздухе на безопасном расстоянии от точки взры-
ва. Вначале запуск воздушного шара планировалось произвести
с земли, но из-за опасности сильного влияния даже слабого ветра
на воздушный шар столь большого размера было решено перенести
место запуска на корабль, который должен был двигаться по
направлению и со скоростью ветра с тем, чтобы предотвратить
смещение аэростата и груза в момент запуска. В общей сложности
76 воздушных шаров с макетами груза было запущено из разных
точек в процессе подготовки к операции.
В ходе той же операции Hardtack были произведены еще два
дополнительных высотных ядерных взрыва большой мощности под
кодовыми названиями Teak и Orange. В ходе выполнения проекта
«Теак» термоядерный заряд типа W-39 мощностью 3,8 Мт был до-
ставлен на высоту 77 км ракетой Redstone (рис. 1.9), стартовавшей
с одного из островов атолла Джонсон 31 июля 1958 г. Подрыв ядер-
ного заряда привел к возникновению мощного ЭМИ, который, од-
нако, не был измерен и зафиксирован в районе испытаний из-за вы-
хода из строя регистрирующей аппаратуры, а также из-за ошибок
в предварительных вычислениях и прогнозах по поводу ЭМИ,
выполненных известным физиком-теоретиком Гансом Бетте (Hans
Bethe). Однако на большом расстоянии от эпицентра взрыва, в об-
серватории г. Апия (остров У полу в Тихом океане) - столице ост-
ровного государства Самоа, расположенной на расстоянии 3 200 км
от атолла Джонсон, был зафиксирован мощнейший геомагнитный
шторм, значительно превосходящий геомагнитные возмущения,
вызванные магнитными бурями на Солнце, а также были видны
всполохи и сияние в небе.
14
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Рис. 1.9. Ракеты (слева - направо): Thor, Redstone (США)
и советская ракета Р-12, которые использовались в испытаниях
для доставки ядерных зарядов на высоту подрыва
В проекте Orange (И августа 1958 г.) ядерный заряд того же
типа был доставлен такой же ракетой с того же полигона, но на вы-
соту 43 км. К сожалению, никаких дополнительных данных об эф-
фекте ЭМИ в этом проекте в опубликованной открытой или рассек-
реченной литературе обнаружить не удалось. Некоторые авторы
указывают на повторные проблемы с регистрирующей аппаратурой,
а некоторые - на то, что подробная информация об этом проекте
остается до сих пор закрытой. Во всяком случае, из отрывочных
данных, приведенных в частично рассекреченном в 1999 г., а точ-
нее, в «вычищенном» (как написано на титульном листе - sanitized
version) отчете ITR-1660 по операции Hardtack-1 от 1959 г.
(рис. 1.10), следовало, что многие зафиксированные параметры
ЭМИ оказались совсем не такими, как ожидалось и как следовало
из теории.
В частности, интенсивность ЭМИ при высотном взрыве оказа-
лась почти на три порядка выше, чем при наземном взрыве. К тому
же часть измерительной аппаратуры, как и в самом первом испыта-
нии ядерного заряда, была выведена из строя, и все данные с этой
аппаратуры были потеряны.
15
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
stage nuclear device was used (Figure 10.4). The wide band width and large dynamic range of
the system permitted recording of the high-frequency initial spike at the 240-mlle range.
Shot Cactus did not trigger the Kusaie scopes, which were set for a trigger level of 0.5 volts/
meter.
No scopes were triggered at Kusaie. Field strength was not up to the predicted value. Prom-
inence of the higher frequencies in the initial pulse may have been responsible for the lack of
trigger, since the higher-frequency components tend to be greatly attenuated at the 450-mile
range.
Shot Nutmeg (see Figures 10.8 and 10.9). At Wotho. all scopes triggered anc^ave forms
were recorded (Figure 10.8).
txv^piK^va^iotec^nth^was 100 miles
for each of these shots. Peak negative-field strength was greater than predicted at both Kusaie
and Wotho. Local shielding, consisting of two walls of lead- loaded paraffin, perpendicular to
each other, could have produced a corner-reflector effect. This could have produced greater
field strength, especially at the higher frequencies.
At Kusaie, all scopes were triggered by interference at minus one half second. Consequently,
no data was recorded other than on the Tektronix 517, which did not require resetting of the
trigger.
Data presented in Table 10.1 indicate the following, correlations and conclusions: (1) The
presence of a second stage in a thermonuclear weapon can be detected within certain range and
system-band-width limitations. (2) Correlations of first and second crossover points with total
yield, noted in previously recorded wave forms, are supported by these measurements. (3)
The correlation of negative-field stre
these measurements.
(4) In order to obtain wave forms with good correlations on all of the above items,
system band-width should be at least 15 Me. (5) The different wave form recorded from Shot
Yucca indicates that high-altitude bursts can be differentiated from surface bursts. (6) The
prediction method used (based on Operation Redwing final report data],_ig_yalid at ranges up to
250 miles, provided both shielding апсЛЩНЦВИ^В^^И^^ИИ^НВаге taken into con-
sideration.
10.4 EFFECTS OF NUCLEAR DETONATIONS ON THE IONOSPHERE
This project originally had as its prime objective the determination of the effects of high-
altitude large-yield nuclear detonations on the ionosphere, and on signals propagated via the
ionosphere. After Shots Teak and Orange were rescheduled, no suitable station locations could
be found for relocation of the project equipment, so this project objective was changed. The
new objective was to increase the recorded knowledge about ionospheric effects of large-yield
surface detonations.
This project was divided into two elements: Wake Island, the northern station, and Kusaie,
350
?S7, 5ГЗ
<У«
Рис. 1.10. Так выглядят доступные сегодня страницы «частично
рассекреченного» (вернее, вычищенного - sanitized version)
отчета ITR-1660 (с некоторыми полностью удаленными страницами)
о результатах испытаний в ходе операции Hardtack-1
16
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
По причине явного несоответствия зафиксированных дан-
ных теоретическим, эти данные были в то время попросту проигно-
рированы вплоть до испытаний ядерных зарядов в 1962 г. в опе-
рации Fishbowl («Аквариум»), в ходе которых были зафиксиро-
ваны такие же данные, как и во время взрывов в ходе операции
Hardtack-1, которые ранее были отвергнуты как возможно оши-
бочные.
Одним из самых известных из этой операции стал проект
Starfish Prime, осуществленный 9 июля 1962 г. Ракета средней даль-
ности типа GRM-17 (Thor), рис. 1.9, подняла термоядерный за-
ряд типа W49 мощностью 1,44 Мт с полигона на атолле Джонсон
в Тихом океане на высоту около 1 100 км. После сброса заряда он
в свободном падении опустился до высоты 400 км, где и был ди-
станционно инициирован.
Неожиданным последствием этого взрыва была серия различ-
ных инцидентов, происшедших на Гавайях, расположенных на рас-
стоянии 1 445 км от эпицентра взрыва: одновременно погасли
30 линий фонарей уличного освещения, включились многочислен-
ные системы сигнализации, возникли повреждения в системах те-
лефонной компании. Лишь после серии испытаний с зарегистриро-
ванными параметрами ЭМИ ЯВ, не соответствующими теории, ста-
ло ясно, что с теорией явно что-то не в порядке.
1.3. Проблемы теоретической физики
Основы теории ЭМИ ЯВ заложил Артур Комптон, когда
в Кембриджском университете изучал рассеяние рентгеновских лу-
чей на атомах парафина. В 1923 г. он обнаружил, что рассеянные
в парафине рентгеновские лучи имеют большую длину волны, чем
падающие на него. Классическая электродинамика Д. Томпсона не
могла объяснить такого изменения длины волны. Это было откры-
тие нового явления в физике: эффекта упругого рассеяния коротко-
волнового электромагнитного излучения (рентгеновского и гамма-
излучения) на свободных электронах атомов, сопровождающееся
увеличением длины волны и возникновением дополнительных сво-
бодных электронов. Проще говоря, Комптон экспериментально
установил, что рентгеновские лучи при отражении от электронов
ведут себя так, как если бы они состояли из отдельных частиц
17
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
(рис. 1.11). Тем самым он впервые напрямую подтвердил гипотезу
Эйнштейна о существовании световых квантов.
Рис. 1.11. Артур Комптон и иллюстрация его теории
применительно к ЭМИ ЯВ
Это открытие косвенно подтверждало корпускулярную теорию
электромагнитного излучения, в частности, света (которая задолго до
этого отвергалась Максом Планком и Нильсом Бором). За это от-
крытие в 1927 г. А. Комптону была присуждена Нобелевская премия
по физике. Во время Второй мировой войны А. Комптон был одной
из центральных фигур проекта «Манхеттен» по разработке первого
в мире ядерного оружия, занимая пост директора так называемой
Металлургической лаборатории, которая занималась производством
оружейного плутония для первых ядерных бомб. Однако споры от-
носительно кантовой теории света, да и вообще квантовой физики, не
утихают до сих пор. По свидетельству выдающегося физика акаде-
мика Якова Борисовича Зельдовича [1], уже в 1933 г. появилась экс-
периментальная работа, в которой утверждалось, что формула
Комптона неверна. В физике возникло замешательство. Потре-
бовались новые тщательные экспериментальные работы (первая
и лучшая в этом ряду — работа братьев А. И. и А. И. Алихановых
и Л. А. Арцимовича), чтобы восстановить истину и реабилитировать
формулу Комптона.
После экспериментального обнаружения мощных электромаг-
нитных импульсов у поверхности земли во время высотных ядер-
ных взрывов теорию Комптона привлекли к объяснению этого явле-
ния. Согласно этой теории, взаимодействие мощного рентгеновско-
го излучения, возникающего при ядерном взрыве в воздухе, со сво-
бодными электронами атомов воздуха приводит к возникновению
18
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
большого количества дополнительных свободных электронов (комп-
тоновских электронов), захватываемых магнитным полем Земли.
Этот мощный поток электронов, направляющийся с большой высоты
с огромной скоростью к поверхности Земли, и порождает всплеск
электрического поля у ее поверхности.
Однако при попытке применения эффекта Комптона для тео-
ретического обоснования параметров ЭМИ ЯВ не обошлось без
ошибочных теорий. Так, например, лауреатом Нобелевской
пре-мии, известным американским физиком Гансом Альбрехтом
Бетте (Hans A. Bethe), рис. 1.12, была опубликована в 1957 г.
в секретном отчете (который остается закрытым и сегодня) тео-
рия электромагнитного импульса, базирующаяся на экстраполя-
ции экспериментальных данных, полученных при наземных
испытаниях ядерных зарядов. Последующие за этой публикацией
высотные ядерные взрывы 1958 и 1962 г., описанные выше, пока-
зали, что теория Г. Бетте дает заниженные почти в 1 000 раз зна-
чения напряженности электрического поля ЭМИ при высотном
взрыве.
Параллельно и независимо от Г. Бетте теорией ЭМИ ЯВ зани-
мались и в СССР. Если теория Г. Бетте была основана на экспери-
ментальных данных, полученных при наземных ядерных взрывах,
то у физиков СССР в то время не было такой возможности, и их
расчеты были исключительно теоретическими.
Рис. 1.12. Основоположники теории ЭМИ ЯВ: Ганс А. Бетте,
А. С. Компанеец, В. Гилинский
Первым такую теоретическую модель разработал извест-
ный советский физик-теоретик, доктор физико-математических
19
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
наук, профессор Александр Соломонович Компанеец (рис. 1.12),
представитель Харьковской физической школы и ученик ее основа-
теля всемирно известного Л. Д. Ландау. С 1946 года и до послед-
него дня жизни вся научная деятельность А. С. Компанейца прохо-
дила в Институте химической физики АН СССР.
В связи с началом работ по советскому Атомному проекту,
Советом Министров СССР от 30 апреля 1946 года принимается со-
вершенно секретное постановление № 973-40сс «О мерах помощи
Институту химической физики Академии наук СССР», один из раз-
делов которого был назван: «Об организации при ИХФ АН СССР
Спецсектора по изучению теории ядерных цепных реакций и взры-
вов». В Спецсекторе было образовано шесть отделов - отдел теоре-
тической физики возглавил А. С. Компанеец.
«Радиоизлучение сильного взрыва» (которое сегодня назы-
вается ЭМИ ЯВ) было одним из основных направлений деятельно-
сти А. С. Компанейца. Ему принадлежит всемирно известное урав-
нение, названное его именем («уравнение Компанейца»), описы-
вающее изменение спектра излучения фотонного газа при его
комптоновском рассеянии в разреженной электронной плазме [2].
Это было основополагающее уравнение, которым пользовались
физики во всем мире. Пользовались... до тех пор, пока американ-
ский физик Виктор Гилинский, руководитель отдела физических
наук американской корпорации Rand, не доказал в своей работе [3]
ошибочность теории А. С. Компанейца (рис. 1.13).
I. INTRODUCTION
In а 1958 article in the Soviet literature Kompaneets^ des-
cribed. the basic mechanism for radio emission from a nuclear explo-
sion. This description, however, is incorrect at several points.
The purpose of this paper is to show that a correct solution for the
- same model differs substantially from the solution presented by
Kompaneets. In particular, he leaves out the important first half
cycle of the signal so that the initial deflection is in the wrong
direction.
Рис. 1.13. Введение к работе В. Гилинского [3] с критикой
теории А. С. Компанейца
20
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
1.4. НКВД - главный «конструктор» первого советского
атомного боезаряда
Задолго до начала испытаний американцами ядерных заря-
дов советская разведка НКВД начала усиленно следить за всеми
работами в этом направлении во всех странах и в первую очередь
в США и Англии. «Энормоз» — кодовое название работы совет-
ской разведки по атомной бомбе. Оно было присвоено первым
Управлением НКВД СССР еще в 1941 г. Общее руководство опера-
цией «Энормоз» осуществлял начальник первого Управления
(внешняя разведка) НКВД-НКГБ СССР, комиссар ГБ 3-го ранга
Павел Фитин. Разработчиком же самой операции был начальник
3-го (англо-американского) отдела первого Управления комиссар
ГБ Гайк Овакимян, до 1941 года работавший резидентом в Нью-
Йорке и привлёкший к сотрудничеству супругов Розенберг. Ответ-
ственным за проведение операции назначили заместителя резидента
в Нью-Йорке, в то время майора ГБ Леонида Квасникова, который
на посту начальника 3-го отделения 3-го отдела первого Управле-
ния с 1939 года стоял у истоков организации советской научно-
технической разведки.
В то время как ведомство Л. Берии уже вовсю работало над
«добыванием» атомных секретов, в Главном разведывательном
управлении Генштаба Красной армии (ГРУ КА) лишь краем уха
слышали об атомной проблеме. Свидетельством тому служит сек-
ретное письмо начальника Второго Управления ГРУ начальнику
Спецотдела АН СССР М. П. Евдокимову (рис. 1.14).
Спецотдел АН ССР занимался оборонной тематикой, однако
Михаил Прокопьевич Евдокимов, возглавлявший этот отдел, был
инженером-металлургом по специальности и поэтому с атомной
физикой знаком не был. Поэтому он переслал письмо директору
Радиевого института АН академику В. Г. Хлопину. Через две неде-
ли академик написал такой ответ:
«Академия наук не располагает никакими данными о ходе ра-
бот в заграничных лабораториях по проблеме использова-
ния внутриатомной энергии, освобождающейся при деле-
нии урана... Мало того, за последний год в научной литерату-
ре, поскольку она нам доступна, почти совершенно не публи-
куются работы, связанные с решением этой проблемы.
21
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Это обстоятельство единственно, как мне кажется, даёт ос-
нование думать, что соответствующим работам придаётся
значение и они проводятся в секретном порядке».
* 3 сила» С сообщила» о рь оото аи пГ°б"
лспияь.ованиг, эыоргии дурного
rtf" „ЗМИЯ уране. пГошу сообщить, нхкитьки правдопи^ионьш:
' являются такие сообщения и имеет ли в настолдвв время
вта проблема реальную основу для практической г заработки
вопросов использования внутриядерно!! энергии, выделяю-^оЗ-
ся при ценно!? реакция урона.
„нов рг. ионно прощу сообщить и»«<’юдил’'<» у 3-ас. св^ . -
ния о лаборатории Нильса Горд п Кип'нмгенс.
Зд Начальника 2 Упрчвюння
Гливраов? „усрчя 1~Н!*я Геннтаби
Красной Армяв
НРИГИН*.
/ Л^яфлтов /
Военный Комиссар 2 Управл
Гли ьг -з г.: „уг. пи вле ни я Ген штьз
Красно* Химии.
ьриглуш.: ::oLTJdAT
. \ iLC^UC^)
/Кисел в / /
Рис. 1.14. Письмо ГРУ КА № 137955с от 7 мая 1942 г.
в Спецотдел АН СССР
Несмотря на пассивность ГРУ и АН СССР, разведывательная
деятельность НКВД в этой области все же возымела действие,
и уже в сентябре того же года, несмотря на сложнейшее военное
положение СССР в это время, выходит совершенно секретное
Распоряжение Государственного Комитета Обороны № 2352сс
«Об организации работ по урану» (рис. 1.15).
А в 1944 г. выходит под грифом «Совершенно секретно. Осо-
бой важности» Постановление Государственного Комитета Оборо-
ны № ГКО-7102 сс/ов о мерах по добыче и переработке урана
(рис. 1.16).
22
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
ГХ X
С б организация г-абот г. с ZEW
Обязать Акадег.ию Наук СССР (акад.Ио^е) возобно пть г .боты .о
исследованию осуществимости использования атомной энергии путем
расщепления ядра урана и представить Государственному Комитету
i бороны к 1-му апреля 1943 года доклад о возмошюсти создания
урановой бомбы или уранового топлива,
Аля этой цели:
1. Президиум Академии Паук СССР:
а) организовать при Академии Гаук специальную лабораторию
атомного ядра;
б) к 1-му января 1943 года в Институте радиологии разработать
и изготовить установку для термоди**узионного выделения урана
в) к 1-му марта 1943 года в Институте радиологии и хГ.зикс-
техническо?: институте изгото1"ть истодами центрифугирования и
иселедопааиили к 1-му апреля 1943 года произвести лаборатории
ато1 ого ядра исследов* ия осуществи: .ости расщепления ядер урана
2. Академик Паук СССР (акад, богомолец) организовать ..од
рной установки
Рис. 1.15. Распоряжение ГКО-2352сс о возобновлении работ
по исследованию атомной энергии
с целью создания урановой бомбы
23
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Из Постановления ГКО № 7102 сс/ов «О мероприятиях
по обеспечению развития добычи и переработки урановых руд»
8 декабря 1944 г.
Сов. секретно
(Особая папка)
Государственный комитет обороны
Постановление Хе 7102 сс/ов
От 8 декабря 1944 г. Москва, Кремль
О мероприятиях по обеспечению развития добычи и переработки урановых руд
Считая всемерное развитие добычи урановых руд и производства урана важ-
нейшей государственной задачей, Государственный комитет обороны постанов’
ляет:
I. Возложить на НКВД СССР:
а) разведку урановых месторождений Табошар, Уйгур-Сай, Майли-Су, Тюя-
Муюн и Адрасман, а также доразведку других урановых месторождений, кото-
рые будут передаваться НКВД СССР для эксплуатации в дальнейшем;
б) добычу и переработку урановых руд из указанных месторождений;
в) строительство и эксплуатацию рудников и обогатительных фабрик на су-
ществующих и вновь открываемых урановых месторождениях;
г) строительство и эксплуатацию заводов по переработке урановых руд и
концентратов;
д) разработку технологии наиболее рационального передела урановых руд
на химические соединения и технологии получения из них металлического урана.
2. Обязать Наркомцветмет (т. Ломако) не позднее 1 января 1945 г. передать
НКВД СССР:
а) рудники и месторождения урановых руд Табошар, Уйгур-Сай, Майли-Су,
Адрасман и Тюя-Муюн;
б) завод «В» и Ленинабадский завод;
в) геолого-разведочные партии Нарком цветмета на урановых месторожде-
ниях, передаваемых НКВД СССР, со всем наличным (к моменту выхода настоя-
щего Постановления) персоналом, сооружениями, имуществом, оборудованием,
транспортом, фондами, а также материалами и оборудованием (включая им-
портное и союзное), находящимися в пути или в изготовлении.
Передачу произвести по балансу на 1 января 1945 г.
3. Обязать НКВД СССР (т. Завенягина) к 1 февраля 1945 г. представить на
утверждение Государственного комитета обороны предложения на 1945 год по
планам добычи урановых руд, производства урана и строительства урановых
рудников и заводов.
4. Поручить НКВД СССР (т. Завенягину) совместно с Наркомчерметом
(т. Тевосяном) выяснить вопрос о возможности совместной добычи урана и ва-
надия, а также о размерах возможной добычи урана из месторождений Кара-Тау
и представить в ГОКО к 1 февраля 1945 г. свои предложения.
Рис. 1.16, а. Выдержки из Постановления ГКО-7Ю2сс/ов
о мерах по добыче и переработке урана
24
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
7. Обязать НКВД СССР (т. Берия):
а) организовать в системе НКВД СССР научно-исследовательский институт
по урану, присвоив ему наименование «Институт специальных металлов НКВД»
(Инспецмет НКВД).
Возложить на Инспецмет НКВД изучение сырьевых ресурсов урана и разра-
ботку методов добычи и переработки урановых руд на урановые соединения и
металлический уран;
б) построить в районе Москвы завод по производству урановых соединений
и металлического урана.
13. Поручить т. Микояну:
а) в месячный срок выяснить возможность дополнительного заказа по им-
порту и представить в ГОКО предложения о специальной закупке в первом по-
лугодии 1945 г. лабораторного оборудования для урановых предприятий НКВД
СССР по его спецификации;
б) обеспечить Спецметуправление НКВД СССР в 1945 году английской, аме-
риканской, немецкой, итальянской и французской научной, справочной и техни-
ческой литературой на общую сумму в 10 тыс. долларов (по спискам НКВД
СССР).
25. Разрешить НКВД СССР увеличить на 50% нормы питания заключенных,
работающих на предприятиях Спецметуправления НКВД СССР.
Председатель Государственного комитета обороны И. Сталин
Рис. 1.16, б. Продолжение. Выдержки из Постановления
ГКО-7102сс/ов о мерах по добыче и переработке урана
Вся работа по организации добыче и переработке урана
опять возлагалась на Л. Берию и его ведомство, включая созда-
ние в системе НКВД научно-исследовательского института
по урану - «Института специальных металлов» («Инспецмет
НКВД»).
Через две недели после атомной бомбардировки Хиросимы,
20 августа 1945 года, Постановлением Государственного комитета
обороны № ГКО-9887сс/ов (рис. 1.17) создаётся Спецкомитет
во главе с Лаврентием Берия, на который возлагается «руководство
всеми работами по использованию внутриатомной энергии урана».
Комитет получил чрезвычайные полномочия и неограниченное фи-
нансирование. Исполнительным органом Спецкомитета стало Пер-
вое Главное управление (ИГУ) НКВД. При нём были образованы
Научно-технический совет (НТС) и Бюро № 2.
Рабочим аппаратом Бюро № 2 стал Отдел «С», образованный
на базе группы П. Судоплатова (рис. 1.18). Туда же были переданы
25
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
наиболее важные оперативные материалы, в том числе 200 страниц
из оперативного дела «Энормоз».
жо лГ* ***?'*’’ ’ СОВ. СЕКРЫИО
0 Особая падка
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ОБОРОНЫ
ПОСТАНОВЛЕНИЕ ХгГ_0@-9867сс/од
от ,20 ..ДВГуСТа___1$М5_г. Москва. Кремль.
0 Специальней Комитете при ГОКО
р Государственный Комитет Обороны постановляет:
1. Образовать при ГОКО Специальный Комитет в составе
т.т.
1. БЕРИЛ Л.П. (председатель)
2. МАЛЕНКОВ Г.М.
3. ВОЗНЕСЕНСКИЙ Н.А.
4. ВАННИКОВ Б.Д.
5. ЗАВЕНЯГИН А.П.
6. КУРЧАТОВ И.В.
7. КАПИЦА П.Л.
S 8. МАХНЕВ В.А.
9. СТВУлКН И.Г.
Л i 2. Возложить на Специальный Комитет при ГОКО руковод-
ство всеми работами по использованию внутриатомной энергии
урана:
развитие научно-исследовательских работ в ©той области;
гирокое развертывание геологических разведок и создание
сырьевой базы СССР по добыче урана, а также использование
урановых месторождений ©а пределами СССР (в Болгарии, Чехо-
словакии и др, странах);
организацию промыслеиноети по переработке урана, произ-
водству специального оборудования и материалов, связанных с
использованием внутриатомной знергии;
а также строительство атомно-энергетических установок
и разработку к производство атомной бомбы.
Рис. 1.17. Выдержки из Распоряжения Государственного комитета
обороны № ГКО-9887сс/оп
26
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Aii—4 ч совершении cunueii.J
ПРИКАЗ °С9^М дша <
НАРОДНОГО КОМИССАРА ВНУТРЕННИХ ДЕЛ СОЮ^А ССР
134 Ь г.
МООЮ94
СОДЕРЖАНИЕ:
00 организации Отдели "С"
ссср- /r/y£i
е w-'tT
№ 001094
СентяОря |94 5Г. гор. Москва
Для выполнения специальных задании организовать
Отдел "С" пКВД СССР.
Начальником Отдела "С" назначить Генерал-лейтенанта
тоь. СУДРНЛАЮВА П.А. Заместителями Начальника Отдела "С"
назначить:
Генерал—лет тека.1 та тов • САЗйх&шА Н .С •
Генерал-майора тов. bjfxi.nl ОпА И .И.
Полковника тов. ВАСИЛЕВСКОГО Л.П. (по совместихвльству)
Утвердить прилагаемым к настоящему приказу штат От-
дела "С".
Начальнику Отдела «тов. СУЦрШхахОВУ приступить к испол-
нению своих обязанностей и организации раОоты Отдела в
соответствии с* данными ему указаниями.
Рис. 1.18. Приказ НКВД № 001094сс/оп за подписью Л. Берия
об организации в составе НКВД Спецотдела «С»
под руководством генерал-лейтенанта П. Судоплатова
Помимо всего прочего, обращает на себя внимание п. 13: «По-
ручить т. Берия принять меры к организации закордонной разведы-
вательной работы по получению более полной технической и эко-
номической информации об урановой промышленности и атомных
бомбах, возложив на него руководство всей разведывательной ра-
ботой в этой области, проводимой органами разведки».
27
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
СОВ. СЕКРЕТНО
(Ссобая татка)
ЮВЕТ НАРОДНЫХ КОМИССАРОВ СССР
ПОСТАНОВЛЕНИЕ №3///'-Лувс
декабря Д94 г. Москва, Кремль.
Q j Гриззле кии •
Совет Гародных Комиссаров Союза ССР ГОСТАЕСВДЯЬх:
1. Организовать в составе ГКВД СССР Управление специаль-
ных институтов (9-ое Управление EKBI СССР), со штатом, б 65 че-
ловек.
Утвердить Начальником 9-го Управления НКВД СССР т.Заве-
нягина А.г. и заместителем начальника S-го Управления т.Крав-
ченко В.А.
2. Гередать из ведения ^ервого Главного Управления при
СНК СССР в ведение S-ro Управления НКВД СССР лаборатории "А"
и "Г" и переименовать их в институты ”А” и "Г" ГХВД СССР.
3. Разрешить НКВД СССР для проведения работ по проблеме
1 1:
а) организовать институт "Б* с использованием в нём немец
ких специалистов кои не могут быть включены в другие институты
б) организовать лабораторию "В" с использованием в ней
заключённых специалистов и немецких специалистов, подлежащих
изоляции;
в) организовать акспериментальный завод для осуществления
конструкций, разрабатываемых специальными институтами и лабо-
раториями ;
г) использовать в институтах и лабораториях 9-го Управ-
ления СССР немецких специалистов из числа военнопленных;
Рис. 1.19. Постановление Совнаркома № 3117-937сс/оп
об организации Управления специальных институтов
по «проблеме № 1» в составе НКВД
28
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
А уже в декабре того же года Постановлением Совнаркома
3117-937сс/оп принимается решение о создании, опять-таки в си-
стеме НКВД, отдельного Девятого Управления специальных инсти-
тутов под управлением генерал-лейтенанта А. Завенягина и переда-
че в его подчинение лабораторий и заводов «по проблеме № 1»
(даже в советском секретном документе создание атомной бомбы
было зашифровано под названием «проблема № 1»). То есть факти-
чески НКВД стал главным в СССР исполнителем атомного проекта,
(рис. 1.19).
Лаврентий Павлович Берия был дисциплинированным и ини-
циативным исполнителем, отличным организатором и взялся за де-
ло засучив рукава. Советская разведка и раньше не обходила вни-
манием эту тему, но после событий в Хиросиме и Нагасаки ин-
тенсивность разведывательной работы значительно увеличилась.
На эту работу были брошены лучшие разведчики страны. Док-
тор физико-математических наук подполковник Яков Терлецкий
обобщал все материалы разведки и докладывал их на заседаниях
НТС.
Председателем НТС вначале был нарком боеприпасов, один
из первых трижды Героев Социалистического Труда, генерал-
полковник Борис Ванников, а его заместителем, а затем председа-
телем - академик Игорь Курчатов, возглавлявший НТС до кон-
ца своей жизни. Кроме них в НТС входили заместители Берия
Василий Махнев и Авраамий Завенягин, а также академики Абрам
Иоффе, Абрам Алиханов, Исаак Кикоин, Виталий Хлопни и Юлий
Харитон.
Для работы над атомным проектом Леонида Романовича Квас-
никова отозвали из Нью-Йорка в конце 1945 года, и в 1947 году он
возглавил научно-техническую разведку НКВД, оставаясь на этом
посту, несмотря на различные реформы и переименования органов,
вплоть до своей отставки в 1966 году. Как можно видеть из пред-
ставленных выше материалов, работа над советским атомным
проектом велась очень интенсивно, тем не менее, Советский Союз
явно отставал от США в области практической реализации этого
проекта.
На заседания Спецкомитета приглашались (только при рас-
смотрении вопросов, касающихся их компетенции) специалисты
практически всех отраслей науки и промышленности (рис. 1.20).
29
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 1.20. Руководители атомного проекта СССР,
сотрудники НКВД: комиссар внутренних дел Л. Берия;
нарком боеприпасов Б. Ванников (он не был сотрудником НКВД,
но работал в тесном взамиодействии с ним);
начальник Управления внешней разведки НКВД П. Фитин;
комиссар ГБ 3-го ранга (генерал-лейтенант), заместитель комиссара
внутренних дел, начальник Девятого управления НКВД А. Завенягин;
руководитель отдела «С» НКВД П. Судоплатов;
руководитель отдела научно-технической разведки
полковник Л. Квасников;
эксперт отдела научно-технической разведки доктор физ.-мат. наук,
профессор, подполковник Я. Терлецкий;
В протоколе №9 Спецкомитета (рис. 1.21), наряду с другими
вопросами, комиссии, состоящей из ведущих ученых-атомщиков
страны, поручалось проанализировать все материалы по взрывам
в Хиросиме и Нагасаки.
В этом протоколе завод 813 - это ПО «Маяк», а завод 817 —
Уральский электрохимический комбинат.
Важнейшими источниками информации по атомной проб-
леме стали для разведчиков из НКВД ведущие физики и специали-
сты-ядерщики, в том числе из национальной лаборатории
в Лос-Аламосе, такие как Клаус Фукс, Тед Холл, Мортон Собелл
и Дэвид Грингласс. Связь с ними поддерживали сотрудники нью-
йоркской резидентуры НКВД Александр Феклисов и Анатолий
30
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Яцков, а также завербованные граждане США Гарри Голд и супру-
ги Коэн.
СССР
ПРОТОКОЛ
от 30 ноября 1945 го ла № 9
ПРОТОКОЛ ЗАСЕДАНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО КОМИТЕТА ПРИ СОВНАРКОМЕ
СССР
Москва, Кремль
Сов.секретно
(Особая папка)
Хранить наравне с шифром
Члены Специального комитета при СНК СССР: тт. Берия Л.П., Маленков Г.М.,
Вознесенский Н.А., Ванников Б.Л., Завенягин А.П., Капица П.Л., Курчатов И.В., Махнев
В.А., Первухин М.Г.
I. Об организации при Специальном комитете Инженерно-технического совета:
Ввиду того, что инженерно-технические вопросы в решении задачи практического
использования внутрипромышленных ресурсов в настоящее время приобретают большое
значение, Специальный комитет при СНК СССР ПОСТАНОВЛЯЕТ:
1. Организовать при Специальном комитете Инженерно-технический совет.
Поставить перед Инженерно-техническим советом в качестве главной задачи
обеспечение инженерно-технического руководства проектированием и
сооружением предприятий по использованию внутрипромышленных ресурсов, а
также руководство конструированием и изготовлением специального оборудования
для указанных целей.
4. Утвердить состав Инженерно-технического совета в 7 человек: тт. Первухин М.Г.
(председатель), проф. Емельянов В.С. (заместитель), Малышев В.А., Завенягин А.П.,
Алексенко Г.В., проф. Касаткин А.Г. (члены Совета), Поздняков ВС. (ученый
секретарь).
Для обеспечения связи между научной и инженерной разработкой сооружений
ввести в состав секций Инженерно-технического совета следующих научных
работников, ответственных за научно-исследовательскую разработку проектов
сооружений: в состав первой секции - акад. Курчатова И.В, в состав второй секции -
чл.-кор. Академии наук Кикоина И.К., в состав третьей секции - проф. Арцимовича
Л.А., в состав четвертой секции - проф. Корнфельда М.О., в состав пятой секции -
к.х.н. Правдюка Н.Ф.
II. О месте строительства заводов № 813 и 817:
1. Принять предложение тт. Ванникова Б.Л., Курчатова И.В., Завенягина А.П. и
Борисова Н.А. о строительстве завода № 817 на площадке "Т" (Южный берег оз.
Кызыл-Таш Челябинской обл.).
Рис. 1.21, а. Советский секретный протокол № 9
заседания Спецкомитета
31
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
2. Принять предложение тт. Ванникова Б.Л., Кикоина И.К., Завенягина А.П. и
Борисова Н.А. о строительстве завода № 813 на площадке строительства завода №
261 НК АП, для чего передать завод № 261 Первому главному управлению при СПК
СССР.
3. Поручить Госплану СССР (т. Вознесенскому Н.А.) рассмотреть совместно с НКАП
вопрос об использовании металлургического оборудования, вывозимого на завод №
261 из Германии, и свои предложения внести на рассмотрение Оперативного бюро
Совнаркома СССР.
4. Поручить т. Чернышеву В.В. совместно с тт. Сергеевым В.А. и Борисовым Н.А. в 3-
дневный срок проверить заявку на импорт материалов, товаров и оборудования,
исходя из необходимости закупки только тех материалов и того оборудования, кои не
могут быть поставлены отечественной промышленностью или подобраны из
трофейных материалов и демонтированного в Германии оборудования.
IV. Об организации Лаборатории № 3 Академии наук СССР
Принять представленный тт. Ванниковым Б.Л., Борисовым Н.А. и Алихановым А.И.
проект Постановления СНК СССР «Об организации Лаборатории № 3 Академии наук
СССР» с дополнениями, внесенными т. Бенедиктовым И.А.
V. О строительстве полупромышленных установок по производству продукта 180
Принять в основном проект Постановления СНК СССР «О строительстве
полупромышленных установок по производству продукта 180», внесенный
Техническим советом Специального комитета при СНК СССР, поручив тт. Ванникову
Б.Л. (созыв), Первухину М.Г., Борисову Н.А., Гинзбургу С.З., Паршину П.И. и
Байбакову Н.К. в 3-дневный срок уточнить сроки выполнения технических и рабочих
проектов, изготовления оборудования и строительства установок.
XII. Об организации Лаборатории № 4 при Первом главном управлении при СНК СССР17
Рассмотрение вопроса об организации Лаборатории № 4 перенести на следующее
заседание Специального комитета с тем, чтобы одновременно заслушать доклад проф.
Ланге о проводимых им работах.
XIV. Заявление т. Капицы П.Л. о выводах, сделанных им на основании анализа данных о
последствиях применения атомных бомб в Хиросима и Нагасаки
Поручить комиссии в составе тт. Алиханова (председатель), Ландау, Харитона,
Мигдала, Рейнберга, Садовского, Васильева и Закощикова проанализировать все
имеющиеся материалы о последствиях применения атомных бомб в Хиросима и
Нагасаки и определить эффективность фактора взрывной волны, фактора теплового и
фактора радиоактивного излучения. Выводы комиссии обсудить на Техническом совете
и доложить Специальному комитету.
Председатель Специального комитета при СНК СССР Л. Берия
Рис. 1.21, б. Продолжение протокола № 9
заседания Спецкомитета
32
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Приложение к протоколу № 9
Сов. секретно (Особая папка)
ПОЛОЖЕНИЕ Об Инженерно-техническом совете Специального комитета при
СНК СССР
5. Список лиц, приглашаемых на заседание совета, в каждом отдельном случае
утверждается председателем совета или его заместителем.
Работники аппарата Инженерно-технического совета принимают участие в
заседании совета только по тем вопросам, в разработке которых они принимают
непосредственное участие.
Лица, приглашаемые для рассмотрения отдельных частных вопросов, присутствуют
на обсуждении лишь того конкретного вопроса, к которому они имеют касательство
(а не всего вопроса повестки дня). Протоколы заседания совета составляются
секретарем совета в 3 экз., из коих один направляется председателю Специального
комитета при СНК СССР, второй - председателю Научно-технического совета при
Специальном комитете и третий хранится в секретном архиве Инженерно-
технического совета. Ни в какие другие адреса протоколы совета и материалы его
работы и работы секций не рассылаются.
6. Инженерно-технический совет ведет необходимую переписку только с
председателем Научно-технического совета при Специальном комитете, с Первым
главным управлением при СНК СССР (через начальника управления). Переписка
совета со всеми другими организациями и учреждениями осуществляется через
секретариат Специального комитета.
Рис. 1.21, в. Приложение к протоколу № 9
заседания Спецкомитета
Особым вниманием советской разведки пользовался научный
руководитель Манхэттенского проекта и директор Лос-Аламосской
лаборатории Роберт Оппенгеймер, сочувствовавший социалистам
и придерживающийся левых взглядов. Так, например, довери-
тельные контакты с ним удалось осуществить действовавшему
в Сан-Франциско под прикрытием должности вице-консула СССР
резиденту советской разведки Григорию Хейфецу. А супруга совет-
ского резидента в Нью-Йорке Василия Зарубина майор ГБ Елизаве-
та Зарубина познакомилась даже с женой Оппенгеймера Кэтрин,
которая в прошлом являлась членом Компартии США, и та по
просьбе Зарубиной убедила «отцов» атомной бомбы Энрико Ферми
и Лео Сциларда допустить к участию в Манхэттенском проекте ряд
завербованных советской разведкой специалистов. Плотность со-
ветских агентов вокруг «Проекта Манхэттен» была исключитель-
ной. Над добыванием данных об атомной бомбе в США работало
33
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
около 200 советских разведчиков. По линии внешней разведки были
задействованы 14 особо ценных агентов из числа иностранных
граждан, которые были участниками американского проекта созда-
ния ядерного оружия и внесли немалый вклад в создание советской
атомной бомбы. В их числе - всемирно известный ученый-физик
Клаус Фукс, супруги Розенберг, впоследствии казненные на элек-
трическом стуле, а также агенты-нелегалы Леонтина и Моррис
Коэны. В ходе всей операции, длившейся несколько лет, советские
разведчики добыли огромное, без преувеличения, количество сек-
ретных документов общим объемом 12 тысяч листов. Советские
ученые, работавшие над созданием атомной бомбы в так назы-
ваемой Лаборатории № 2, получая многочисленные сведения
и даже готовые результаты дорогостоящих опытов (рис. 1.22),
не могли предположить, что благодарить за них следует НКВД.
Они считали, что сведения поступают к ним из каких-то научно-
исследовательских центров страны, параллельно работающих
по проблеме.
Вскоре перед учеными-атомщиками была поставлена вполне
четкая задача: повторить разработанную в США бомбу с мини-
мальными изменениями и дополнениями. Для этой цели Постанов-
лением СМ СССР № 805-327сс/оп от 9 апреля 1946 г. было органи-
зовано специальное КБ-И (рис. 1.23). Сегодня довольно забавно
видеть использование таких специально завуалированных терми-
нов, как «реактивный двигатель» при обозначении атомной бомбы в
совершенно секретном документе, предназначенном для хранения
в особой папке, а также «завода 550 Министерства сельскохозяй-
ственного машиностроения», расположенного в глухом мордовском
поселке Саров (с 1946 г. «Министерством сельскохозяйственного
машиностроения» стал называться бывший Наркомат боеприпасов).
Кстати, и во многих дальнейших правительственных документах,
КБ-11 именовалось «объектом 550». Собственно, и сама первая
атомная бомба обозначалась во всех документах как РДС-1,
что расшифровывалось, как «Реактивный Двигатель Сталина».
Обозначение РДС с различными номерами сохранялось еще дол-
го и присваивалось многим ядерным зарядам, разработанным
и изготовленным КБ-И (сегодня это ВНИИ Экспериментальной
Физики - ВНИИЭФ).
34
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
ГС ЕК
НО*
Гф 10
СОВЕРШЕННО СККРНТНО.
«
)
<\
вжиХается производство первого взрыва
|\ Конструкция Ооцоы. Активным вечеством этой ОомОы является эле>
1^4 Ое^ применения урана-235. В центре вара из ялутония весом 5 кил<
рраммд помечается так наэ. имитатор - беридиево-полониеяый источим
альфа-частица^Плутоний окружается 50 фунтами тьюб-аялоРХ\ который
я|Ляется*темвером" • Вое это помечается в ооолочку из алюминия то®
г^мой 11 сЛ Эта алюминиевая о оо л очка, в свою очередь, окружается сж<
f взрыд^тОго вежества "пенталит" иди • (по другим дайны
• G-OwpAUifi» Б- ) с тоданной стенки 46 см. Корпус бомбы, в который
помечается это Bd, имеет внутренний диаметр 140 см. ОбжиЙ вес бом<
включая пенталит, корпус и проч - около 3 тонн.
Ожидается, что сида взрыва ОомОы будет равна силе взрыва 5.00
тонн ТНТ.(лоесициент полезного действия - 5-6>). Количество "GSli
равно 75. Юг4.
Зайасы активного материала.
а) Уран-235. На апрель а/г Оыдо добыто 25 килограмм Уран-235.
Его добыча в настоячее время составляет 7,5 кг. в месяц.
б) Плутоний (элемент 94). В лягере-2 имеется 6,5 кг. ялутони*
Получение его налажено, ждан дооычи перев .подняется.
' тыоб-аллбй * условное название урана (convene «оС •омЬим
I
т
kluxllipw kaw>v-
* *Ч‘*1Л*Г*’»
Ориентировочно взрыв ожидается 10 июля с/г.^
• £ Ц-фЛкС Ы.ж.
Рис. 1.22. Страница из донесения советской разведки
с данными о конструкции атомной бомбы,
подготовленного для И. Курчатова
35
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
cQjK СЕКРЕТНО
(Особая папка)
СОВЕТ МИНИСТР О В СССР
ПОСТАНОВЛЕНИЕ №
от ._у_“-апреля__194 & г. Москва, Кремль.
Вопросы лаборатории № 2.
I. Реорганизовать сектор Р 6 лаборатории Р 2 Академии наук СССР
в Конструкторское бюро при лаборатории I? 2 АН СССР по разработке
конструкции и изготовлению опытных образ» ов реактивных двигателей.
2. Указанное- Конструкторское бюро впродь именовать Конструктор-
ское бюро Р II при лаборатории J 2 Акаде» ли наук СССР.
3. Назначить:
тов.Зернова П.М. - заместителя !Линистра Транспортного Машино-
строения Начальником КБ-Il с освобождение:/. от текущей работы по
1/инистерству;
профессора Харитона Ю.Б. главнхм конструктором КБ-Il по
конструированию и изготовлению опытных реактивных двигателей.
4. Принять предложение Комиссии тт.Вснникова, Яковлева, Завоня-
гина, Горемыкина, Мешика и Харитона о раслецонии KS-II на базе за-
вода 1Р 550 Шнистсрства Сельскохозяйственного машиностроения и
прилегающей к нему территории.
5. Считать необходимым:
а) привлечь Институт Химической дозш :i Академии наук СССР
(директор академик Семенов Н.Н.) к выполнению по заданиям лабора-
тории У 2 (академика Курчатова) расчетов, связанных с конструиро-
ванием реахстивных двигателей, к проведению измерений необходимых
констант и подготовке к проведению основ» зле испытаний реактивных
двигателей;
б) организовать в Институте Химической физики Академии наук СССР
разработку теоретических вопросов ядерного взрыва и горения и вопро-
сов применения ядерного взрыва и горения в технике.
В связи с этим переключить все ссновх; е силы Института Химиче-
ской флэшей Академии наук СССР на выполнение указанных задач.
6. Возложить на Первое Главное Управление при Совете Министров
Союза ССР (т.Ванникова) матерххальнс-техническое обеспечение работ
КБ-Il и Института Химической физики All СССР. .
7. Поручить т.Ванникову рассмотреть и решить совместно с
тт.Зерновым и Харитоном все вопросы, связанные с приспособлением
завода 13 550 под КБ-11.
8. Поручить тт.Ванникову (созыв), оэрнову, Курчатову, Харитону,
Семенову, Первухину, Устинову и савенкгицу рассмотреть предложе-
ния академика Семенова о мерах обеспечения работ, возложенных на
Институт Химической физики и в 5-дновн лй срок разработать и пред-
ставить проект решения по данному вопросу.
Рис. 1.23. Постановление СМ СССР об организации КБ-11
якобы в составе АН СССР и якобы для разработки
«реактивных двигателей»
36
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
В феврале 1947 года постановлением Совета Министров СССР
КБ-11 было отнесено к особо режимным предприятиям с превраще-
нием его территории в закрытую режимную зону. Посёлок Саров
был изъят из административного подчинения Мордовской АССР
и исключён из всех учётных материалов, то есть не обозначался на
географических картах и не упоминался в открытой печати. Впо-
следствии этот поселок (сегодня это закрытое административно-
территориальное образование - ЗАТО) указывался под вымышлен-
ными названиями даже в секретных документах (База № 112, Горь-
кий-130, Арзамас-75, Кремлёв, Арзамас-16, Москва-300).
Параллельно с очень интенсивной разведывательной деятельно-
стью НКВД штаб А. Завенягина провёл в 1945 году операцию по по-
иску и вывозу в СССР германских специалистов — металлургов, хи-
миков и физиков: Николауса Риля, Манфреда фон Арденне, и др.
Всего было вывезено в СССР 70 человек в 1945 году и свыше 300
к 1948 году. Впоследствии именно А. Завенягин отвечал за работу
«немецких» лабораторий. Одновременно по всей зоне советского
контроля в Германии был организован поиск технологического обо-
рудования, рудных запасов и уже добытых полуфабрикатов урана
под управлением П. Я. Мешика и И. К. Кикоина. Всего к середине
1946 года было найдено 220 тонн соединений урана в пересчёте на
чистый металл. В середине 1946 года геологическую разведку
в СССР вели 320 геологических партий. В результате помимо уже
известного Табошарского месторождения была начата разработка
соединений урана в Криворожском бассейне, Эстонии, Забайкалье.
В Чехии была возобновлена добыча на Яхимовских рудниках, в Сак-
сонии начата разработка на рудниках будущего SDAG Wismut.
К 1947 г. СССР располагал уже достаточными собственными
ресурсами и научными данными для начала практической работы
по созданию собственной атомной бомбы. Однако и технической
информации, выкраденной у американцев, было уже достаточно для
начала такой работы, поэтому Л. Берия настаивал на том, чтобы
просто скопировать «Толстяка» - американскую бомбу, сброшен-
ную на Нагасаки. Возмущенный Петр Капица, привлечен-
ный к атомному проекту по инициативе И. Курчатова, обратился
к И. Сталину с личным письмом, возражая против мнения Берии.
В результате П. Капица был отстранен от этой работы, а мнение
Берии стало законом для разработчиков бомбы.
37
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
По признанию научного руководителя советского атомного
проекта и главного конструктора атомной бомбы академика
Ю. Б. Харитона, «первый советский атомный заряд был изготовлен
по американскому образцу». Начальник отдела «С» НКВД СССР,
который руководил агентурным добыванием информации о разра-
ботке атомной бомбы в США, генерал-лейтенант П. А. Судоплатов
также писал, что «первая советская бомба (РДС-1) была до мель-
чайших деталей скопирована с американской плутониевой бомбы,
сброшенной на Нагасаки». При этом Судоплатов подчёркивал,
что «через 12 дней после окончания сборки первой атомной бомбы
в США описание её устройства уже было получено в СССР».
По остроумному замечанию академика Я. Зельдовича, эта бомба
была «цельнотянутой» у американцев.
Таким образом, можно, наверное, без преувеличения говорить,
что первая советская атомная бомба была создана (если под «созда-
нием» понимать не только разработку теории, но и весь комплекс
вопросов, связанных со строительством новых заводов, организаци-
ей производства нужных деталей, добычей руды и т. д., а также до-
бычей чертежей и описаний атомной бомбы) в недрах НКВД.
Для удобства работы у руководителя атомного проекта И. В. Курча-
това был даже отдельный кабинет в Управлении НКВД в Москве
(ул. Лубянка, 2), рис. 1.24.
Рис. 1.24. Здание управления НКВД на Лубянке в Москве
38
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Конечно, нельзя преуменьшать и роль ведущих советских уче-
ных-атомщиков того времени, участвовавших в создании первой
атомной бомбы (рис. 1.25) но все же ведущая роль принадлежала
НКВД и в особенности его руководителю Лаврентию Берия.
Рис. 1.25. Основоположники советской ядерной физики,
работы которых обеспечили теоретическое обоснование
и практическую реализацию первой в СССР атомной бомбы:
Игорь Васильевич Курчатов, Юлий Борисович Харитон,
Яков Борисович Зельдович, Лев Давыдович Ландау,
Абрам Исаакович Алиханов, Георгий Николаевич Флеров,
Константин Антонович Петржак, Исаак Константинович Кикоин
Вот что пишет о нем научный руководитель проекта и главный
конструктор первой советской атомной бомбы, академик Ю. Б. Ха-
ритон в своей книге [4]:
Берия быстро придал всем работам по проекту необходимый
размах и динамизм. Этот человек, явившийся олицетворением
зла в новейшей истории страны, обладал одновременно огром-
ной энергией и работоспособностью. Наши специалисты, входя
в соприкосновение с ним, не могли не отметить его ум, волю
и целеустремленность. Убедились, что он первоклассный ор-
ганизатор, умеющий доводить дело до конца. Может быть,
39
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
покажется парадоксальным, но Берия, не стеснявшийся про-
являть порой откровенное хамство, умел по обстоятель-
ствам быть вежливым, тактичным и просто нормальным
человеком.
Проводившиеся им совещания были деловыми, всегда ре-
зультативными и никогда не затягивались. Он был мастером
неожиданных и нестандартных решений.
М. А. Садовский оказался участником совсем иного по духу
совещания у Берии. В его кремлевском кабинете присутство-
вало около 30 человек и обсуждалась подготовка полиго-
на к первому термоядерному взрыву. Докладчики пытались
говорить, как будет размещена техника, какие и как постро-
ить сооружения, каких подопытных животных разместить
на поле, чтобы изучить воздействие поражающих факто-
ров. Но Берия, распаляясь, вдруг начал высказывать недо-
вольство, обрывать и менять докладывающих ему людей, стал
задавать странные вопросы, на которые было трудно дать
ответы. Наконец, он совершенно вышел из себя, и, по словам
М. А. Садовского, полностью неудовлетворенный сообщениями,
почти выкрикнул: «Я сам расскажу!» Затем Берия понес что-
то несусветное. Постепенно из его бурного монолога стало
выясняться: он хочет, чтобы на опытном поле взрывом было
уничтожено все. Чтобы было страшно! После совещания
участники расходились подавленные. А Михаил Александрович,
говоря его словами, впервые понял тогда, что иметь дело с Бе-
рией — не шутка...
Берия был быстр в работе, не пренебрегал выездами на
объекты и личным знакомством с результатами работ.
При проведении нашего первого атомного взрыва он был пред-
седателем Государственной комиссии. Несмотря на свое ис-
ключительное положение в партии и правительстве, Берия
находил время для личного контакта с заинтересовавшими его
людьми, даже если они не обладали какими-либо официальными
отличиями или высокими титулами. Известно, что он неодно-
кратно встречался с А. Д. Сахаровым - тогда еще кандидатом
физико-математических наук, а также с упоминавшим-
ся нами О. А. Лаврентьевым, только что демобилизованным
сержантом-дальневосточником.
40
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Берия проявлял понимание и терпимость, если для выполнения
работ требовался тот или иной специалист, не внушавший, однако,
доверия работникам его аппарата. Когда Л. В. Альтшулера, не
скрывавшего своих симпатий к генетике и антипатий к Лысенко,
служба безопасности решила удалить с объекта под предлогом не-
благонадежности, Ю. Б. Харитон напрямую позвонил Берии и ска-
зал, что этот сотрудник делает много полезного для работы. Разго-
вор ограничился единственным вопросом всемогущего человека,
последовавшим после продолжительной паузы: «Он вам очень ну-
жен?». Получив утвердительный ответ и сказав: «Ну ладно», Берия
повесил трубку. Инцидент был исчерпан.
По впечатлению многих ветеранов атомной отрасли, если бы
атомный проект страны оставался под руководством Молотова,
трудно было бы рассчитывать на быстрый успех в проведении столь
грандиозных по масштабу работ.
Можно по-разному относиться к одиозной личности руководи-
теля НКВД Лаврентия Берии, безусловно виновного в гибели милли-
онов ни в чем не повинных советских людей, но факт остается фак-
том: его личная энергия и организаторские способности, так же как
и его разносы на совещаниях и совсем не пустые угрозы расстрелять
в случае неудачи; тысячи заключенных, строивших заводы и лабора-
тории для атомного проекта; мощнейшая научно-техническая раз-
ведка позволили предотвратить, возможно, еще большую трагедию
планетарного масштаба. Речь идет о том, что создание и испытание
в СССР атомной бомбы намного раньше того срока, на который рас-
считывали в США и в Англии (1953-1954 гг.), охладило чрезмерно
горячие головы американских генералов и предотвратило реализа-
цию многочисленных (в общей сложности 13) планов превентив-
ной ядерной бомбардировки СССР. Например, одним лишь пла-
ном под кодовым названием Dropshot планировалось сбросить
300 атомных бомб по 50 килотонн каждая на 100 крупнейших про-
мышленных центров СССР с целью уничтожения 85 % его промыш-
ленного и военного потенциала, в том числе 25 бомб на Москву, 22 -
на Лениград, 10 - на Свердловск, 8 - на Киев, 5 - на Днепропетровск,
2 - на Львов и т. д. В дополнение к этому предполагалось применить
на первом этапе еще и 250 тысяч тонн обычных бомб. По расчетам,
в результате такой бомбардировки должно было погибнуть около
60 млн жителей СССР.
41
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 1.26. Макет бомбы РДС-1 в музее ВНИИЭФ
и академик Ю. Б. Харитон в 1993 г.
К счастью, этим планам не суждено было сбыться. Летом 1949 г.
уже готовое изделие «501» (одно из кодовых названий первой со-
ветской атомной бомбы) было разобрано на части, упаковано и спе-
циальным литерным составом отправлено из КБ-11 на так назы-
ваемый учебный полигон № 2 (так в то время назывался Семипала-
тинский ядерный полигон). В ночь на 29 августа в центральную
часть бомбы были установлены последние элементы, а уже в 7 часов
утра бомба была успешно взорвана. Мощность бомбы в тротиловом
эквиваленте составила 22 кт, длина 3,7 м, диаметр 1,5 м, масса 4,6 т
(рис. 1.26). Как и в американском проекте Trinity, ядерный заряд
был размещен на такой же стальной вышке также высотой 33 метра
(рис. 1.27).
42
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Рис. 1.27. Ядерный заряд РДС-1 и вышка,
на которой он был размещен для взрыва
Ftt/U 33 bv S,' S 23/ lc56C All.Y .AIL 31 x
VIA PREV/I COLLECT.
ЗрГ Sun ”5^ I
TRUMAN SAYS RUSSIA I
SET OFF ATOM BLAST
New York World -Telegrams explosion took i
I -----E IN RECENT WEKKSj
ATOMIC BLAST IN RUSSIA
'SSEs^Tells Cabinet EXTRA! j
|мммаам1Й*И Test in Russia^””,**” 1
TRUNIN SHS REDS
HAVE EXPLODED ATOM!
\
Рис. 1.28. Заголовки американских газет с сенсационным сообщением
об испытании атомной бомбы в СССР
43
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
СлАь WC ф*).
S-n-* mo-Lcvfyw^ к/ич о» длин ,
jvviJUwvv ioUCrUuoio къ-ысЛснП'И^л сАе*пс1оме уьелгб-их f
1<он.с«*х|>у4ст«»р*& » vuH9ceue^c*^, р«х>-
6<Г?П,К.чЛогА» W р^ХоП/И-Jf н<ммДА^ rvpo^*t*vK4<MH.oc*n>vv’,
S m/£vo?< X хДе4тин«М/ ксхлл рлог.Д» •тм рсж-^хтгиаи t Л АЛИС
j^AX'vte coV<j<vvvu6 ecrtc-meiecpo ptvnou^K^ йоал/^
4» 61 rv O JL НС/KO.
^txrvojvvkcw ^OvW^cn Q Kaamcav C*V4^o<a Ж.
ijLCUlO cyctp*^ «Зг«я|ЛИ.<-И^ rto^cai KjdHboU>V Kj
Vv>tt?K*4WH> S*t^iThA« M. ПС»1оМ^И s рСИАл^ЛНим
>^n9w *xveiXX4 К/.
oc-rwtvv»K|, m о
с >иА нил|Л^оикА.л/ aio»it-c»fw^ у нро-
4oc*-ukovI kAn*> Y>m> Ядо^и.о4* ЭТ«_>р С сичДД
C 4 6i>i -Л-к.р<* Раедил^н п_р-1л Co-L^wic.
Рис. 1.29. Собственноручное письмо Л. Берии И. Сталину
после успешного испытания атомной бомбы
44
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
СТРОГО СЕКРЕТНО
(ОСОСАЦ ПАПКА)
ПРОТОКОЛ № к
ЗАСЕДАНИЯ
-------комитета
при Совете Министров СССР
0^ ueMkuHKMxtuv Ксрбспд» 'Хвел-и-иирм/ cLwtoJto*»*
Рис. 1.30. Протокол заседания Спецкомитета
о принятии проекта Постановления СМ СССР
«Об испытании атомной бомбы» с подписью Л. Берии
45
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
После успешного испытания бомбы Л. Берия собственноручно
написал Сталину радостное донесение (рис. 1.29), после чего Спец-
комитетом было подготовлено специальное Постановление СМ
СССР «Об испытании атомной бомбы» (рис. 1.30). Большая часть
ученых, работавших над ее созданием, была удостоена правитель-
ственных наград. Особыми почестями И. Сталин удостоил руково-
дителя проекта И. В. Курчатова (рис. 1.31).
Успешное испытание советской атомной бомбы (в США она
получила кодовое название Joe-1, от имени Josef Stalin) стало для
американцев полной неожиданностью, и американские газеты вза-
хлеб кричали об этой новости как о самой большой сенсации
(рис. 1.28). Награждая Курчатова после успешного испытания бом-
бы, И. Сталин сказал: «Если бы мы опоздали на один-полтора года
с атомной бомбой, то, наверное, „попробовали” бы ее на себе».
Постановление Совета Министров СССР № 5070-1944 сс/оп
«О награждении и премировании за выдающиеся научные
открытия и технические достижения по использованию
атомной энергии» (выписка)
г. Москва, Кремль 29 октября 1949 г.
Сов. секретно
(Особая папка)
...Учитывая исключительные заслуги перед Советской Родиной в деле реше-
ния проблемы использования атомной энергиии в соответствии с Постановле-
нием Совета Министров СССР от 21 марта 1946 гола № 627-258, Совет Мини-
стров Союза ССР ПОСТАНОВЛЯЕТ:
1. КУРЧАТОВА Игоря Васильевича, академика, научного руководителя
работ по созданию атомных реакторов и атомной бомбы:
— представить к присвоению звания Героя Социалистического Труда;
— премировать суммой 500 000 руб. (помимо выданной ранее части (50 %)
премии в сумме 500 000 руб. и автомашины ЗИС-110).
Присвоить акад. Курчатову И В звание лауреата Сталинской премии пер-
вой степени.
Построить за счет государства и передать в собственность акад. Курчатова
И.В. дом-особняк и дачу, с обстановкой.
Установить акад. Курчатову И.В. двойной оклад жалования на все время
его работы в области использования атомной энергии.
Предоставить акад. Курчатову И.В. право (пожизненно для него и его жены)
на бесплатный проезд железнодорожным, водным и воздушным транспортом в
пределах СССР.
Председатель Совета Министров Союза ССР И. Сталин
Рис. 1.31. Выписка из Постановления СМ СССР
о награждении Курчатова И. В.
за «исключительные заслуги перед Советской Родиной»
46
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
1.5 Термоядерная бомба
Еще задолго до испытания РДС-1, в 1945 г., в НКВД начали
поступать разведданные о новом типе ядерной бомбы, так называе-
мой супербомбе, работа над которой велась в США, что привело
к организации небольшой исследовательской группы в Институте
химической физики АН СССР под руководством Якова Зельдовича.
Весной 1948 г. советская разведка получила от известного физика
Клауса Фукса особенно большой и подробный материал по супер-
бомбе. В связи с чем летом 1948 г. в помощь группе Зельдовича бы-
ла организована дополнительная группа в Физическом институте
АН СССР (ФИАН) под руководством Игоря Евгеньевича Тамма,
включавшая его учеников - Андрея Дмитриевича Сахарова и Вита-
лия Лазаревича Гинзбурга (рис. 1.32).
После посещения КБ-И и ознакомления со схемой РДС-1 осе-
нью 1948 г. Д. Сахарову пришла идея добавить в урановый контей-
нер, окружающий плутониевое ядро, слой легких элементов. Так
был создан новый тип взрывного устройства слоеной конфигурации
(получивший в дальнейшем название «слойки»), обещавший значи-
тельное увеличение мощности взрыва. Вторым сотрудником груп-
пы, В. Гинзбургом, был предложено использовать значительно бо-
лее перспективный дейтерид лития вместо тяжелой воды, первона-
чально предполагавшейся в проекте Д. Сахарова.
Рис. 1.32. Основоположники теоретических основ советской
термоядерной бомбы, академики: Игорь Евгеньевич Тамм,
Андрей Дмитриевич Сахаров, Виталий Лазаревич Гинсбург
47
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
В 1949 г. директор ФИАН С. И. Вавилов и Ю. Б. Харитон ин-
формировали Л. Берию о так называемой «слойке» Сахарова, и на
совещании в КБ-И в июне 1949 г. был принят план научно-
исследовательских работ по созданию термоядерной бомбы (изде-
лие РДС-6) на 1949-1950 годы, который предусматривал проведе-
ние работ как по «слойке» Сахарова - РДС-бс, так и по «трубе» -
РДС-бт (так называемый проект Classic Super, украденный
в США).
После публично объявленной 31 января 1950 г. президентом
США Гарри Трумэном программы работы над так называемой во-
дородной или супербомбой, которая явилась ответом США на
успешное испытание атомной бомбы в СССР, состоялось заседание
Спецкомитета под председательством Берии, на котором было ре-
шено ускорить работы по созданию собственной супербомбы.
Для реализации этого решения группа И. А. Тамма в составе
А. Д. Сахарова, Ю. А. Романова и самого Тамма была переведена на
работу в КБ-И по проекту РДС-бс («слойка»). Два члена его груп-
пы- Виталий Гинзбург и Ефим Фрадкин - остались в ФИАНе, по-
скольку у них обнаружились проблемы с получением допуска
к секретной работе столь высокого уровня, также остался Семен
Беленький из-за проблем со здоровьем.
Группа Я. Зельдовича продолжала работать над импортной
«трубой» в Институте химической физики АН СССР вплоть до конца
1953 г. (то есть почти 6 лет), когда это направление признали
в СССР тупиковым. Американцы пришли к этому выводу почти
на четыре года раньше на основании расчетов американского мате-
матика Станислава Улама (Stanislav Ulam), доказавшего в 1950 г.
математическими методами неосуществимость проекта Classic
Super. Это позволило американскому физику Эдварду Теллеру
(Edward Teller), рис. 1.33, сформулировать в 1951 г. новые принци-
пы построения термоядерной бомбы. Эта модель американской во-
дородной бомбы получила название Улама - Теллера. Сверхдавление
для трития и дейтерия в этой модели достигалось не взрывной вол-
ной от подрыва обычных химических взрывчатых веществ, а фоку-
сировкой отраженной радиации после предварительного взрыва не-
большого атомного заряда внутри.
1 ноября 1952 года на острове Элугелаб (Elugelab) атолла Эни-
веток (Enewetak Atoll) (Маршалловы острова в Тихом океане)
48
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
США испытали термоядерное устройство, основанное на принципе
Улама-Теллера «Айви Майк» (Ivy Mike, Operation Ivy) с тротило-
вым эквивалентом 10 мегатонн. Однако «Майк» не был бомбой.
Рис. 1.33. «Отцы» американской термоядерной бомбы
Эдвард Теллер, Станислав Улам и Ричард Гарвин
Рис. 1.34. Первое в мире термоядерное взрывное устройство
большой мощности Ivy Mike на принципе Улама - Теллера
49
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Это была гигантская конструкция (рис. 1.34), разработанная
Ричардом Гарвином (Richard Garwin), размером с двухэтажный дом,
массой 74 тонны, да еще и использованием сжиженного дейтерия
в криогенном состоянии. У неё не было шансов стать реальным
оружием.
После этого испытания на водородную бомбу в СССР бросили
все силы. Работу не затормозили ни смерть Сталина, ни арест
Берии. Наконец, 12 августа 1953 года в Семипалатинске была испы-
тана первая советская водородная бомба.
Рис. 1.35. Первая советская термоядерная бомба РДС-бс «Слойка»
Ее мощность оказалась «всего» 400 килотонн - намного боль-
ше мощности атомных бомб, но она явно не дотягивала до амери-
канского «Майка». Конечно, советская РДС-бс была уже полноцен-
ной бомбой (рис. 1.35), а не огромным стационарным сооружением,
но все же ее мощность была явно недостаточной, не дотягивала да-
же до 1 Мт и не удовлетворяла поставленным требованиям.
Новый этап в истории советской термоядерной бомбы насту-
пил в начале 1954 г. в ситуации двойного тупика: признания бес-
перспективности американской «Трубы», с одной стороны, и не-
возможности увеличить мощность Сахаровской «Слойки» - с дру-
гой. Однако для того, чтобы открыть новое направление работ,
нужно было доказать бесперспективность и закрыть оба эти
направления, на которые были потрачены огромные средства и го-
ды напряженного труда лучших специалистов страны. Сделать это
было очень непросто даже после смерти Сталина и ареста Берии:
50
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
потребовались коллективные усилия многих ученых, включая авто-
ритет академика Льва Ландау.
Новое направление работ, обоснованное Д. Сахаровым и
Я. Зельдовичем, заключалось в использовании идеи «атомного об-
жатия», то есть использования вспомогательной атомной бомбы для
обжатия «Слойки», а не обычного химического взрывчатого веще-
ства, как это было в РДС-бс. Собственно говоря, эта идея не была
новой, а вытекала из теории Улама - Теллера, тем не менее её еще
нужно было реализовать. И она была успешно реализована в новой
конструкции КБ-11.
22 ноября 1955 года бомбардировщик Ту-16 сбросил над Семи-
палатинским полигоном бомбу проектной мощности 3,6 мегатонны.
Во время этих испытаний были погибшие, радиус разрушений до-
стиг 350 км, пострадал Семипалатинск.
Постановление СМ СССР № 142-84сс
«О плане производства атомных и термоядерных бомб,
а также атомных зарядов к ракетам Р-5м на 1955 год»
г. Москва, Кремль 22 января 1955 г.
Особой важности
Совет Министров Союза ССР ПОСТАНОВЛЯЕТ:
1. Утвердить на 1955 г. план производства атомных и термоядерных бомб,
а также атомных зарядов к ракетам Р-5м в количестве 158 штук, в том числе:
а) атомных бомб всего — 125 шт.;
б) термоядерных бомб всего — 8 шт.;
в) атомных зарядов к ракетам в количестве — 25 шт.
2. Обязать министра среднего машиностроения т. Малышева:
а) в 10-дневный срок утвердить в пределах годового плана на 1955 г., ус-
тановленного настоящим Постановлением, поквартальный выпуск атомных
и термоядерных бомб, а также атомных зарядов к ракетам исходя из утвержден-
ного плана выпуска плутония и урана-235;
б) представить на утверждение Совета Министров СССР себестоимость
плутония и комплектных изделий РДС (без зарядов) на 1955 г.
Заместитель Председателя Совета Министров Союза ССР Н. Булганин
Управляющий делами Совета Министров СССР А. Коробов
Рис. 1.36. Постановление СМ СССР № 142-84сс
«О плане производства атомных и термоядерных бомб»
Начиналась гонка ядерных вооружений. Постановлением Совета
Министров СССР принимается план серийного производства ядерных
51
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
бомб в стране (рис. 1.36), и параллельно создается второй оружей-
ный ядерный центр под названием «Научно-исследовательский
институт 1011», целью создания которого было ускорение работ
по разработке и производству ядерного оружия. Новому институту
сразу же передается часть работ КБ-11 (рис. 1.37), и сразу же уста-
навливается план работ.
Место для нового «института» было выбрано в небольшом го-
родке Снежинск в глубине страны, на восточных предгорьях Сред-
него Урала, примерно посредине между Свердловском и Челябин-
ском, на берегу озера Синара. Сегодня этот институт известен как
Всероссийский НИИ Технической Физики (ВНИИТФ), или Челя-
бинск-70, а место его расположения называется «Закрытое админи-
стративно-территориальное образование Снежинск» и имеет насе-
ление около 60 тыс. человек.
Часть ведущих специалистов КБ-11 была переведена в новый
НИИ, в частности, первый заместитель главного конструктора
КБ-11 Фишман Д. А. (рис. 1.38) стал первым заместителем главного
конструктора НИИ-1011.
Постановление СМ СССР № 586-362сс
«О мероприятиях по организации работ
и ускорению ввода в эксплуатацию НИИ-1011»1
г. Москва, Кремль 24 марта 1955 г.
Сов. секретно
(Особая папка)
В целях усиления работ по разработке новых типов атомного и водородного
оружия и создания условий для дальнейшего роста научно-исследователь-
ских и конструкторских кадров в этой области Совет Министров Союза ССР
ПОСТАНОВЛЯЕТ:
1. Определить основными задачами Научно-исследовательского институ-
та № 1011 Министерства среднего машиностроения разработку авиационных
атомных и водородных бомб различных конструкций и специальных зарядов для
различных видов атомного и водородного вооружения.
2. Утвердить на 1955 г. следующие основные задачи НИИ-1011:
а) разработать эскизный проект атомной бомбы с полным тротиловым экви-
валентом 80—100 тыс. тонн в габаритах изделия РДС-6 с новым экономичным
атомным зарядом (с исключением этой темы из плана КБ-11 на 1955 г.);
Рис. 1.37. Выписка из Постановления СМ СССР № 586-362сс
«О мероприятиях по организации работ и ускорению ввода
в эксплуатацию НИИ-1011»
52
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Рис. 1.38. Герой Социалистического Труда,
доктор технических наук, профессор, лауреат Ленинской
и двух Государственных премий СССР, заслуженный
деятель науки и техники РСФСР,
первый заместитель главного конструктора КБ-11
и НИИ-1011 Фишман Давид Абрамович
Рис. 1.39. Постановление СМ СССР № 33389-1426сс/ов
от 9 августа 1950 г. с визой И. Сталина и с резолюцией Л. Берия
53
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
1.6. Испытательные ядерные взрывы
Первые в СССР высотные взрывы и первые измерения пара-
метров поражающих факторов высотных ядерных взрывов, в том
числе и ЭМИ ЯВ, были проведены при испытании ядерных зенит-
ных ракет системы ПВО, разработанной в соответствии с Поста-
новлением СМ СССР № 33389-1426сс/ов от 9 августа 1950 г.
(рис. 1.39).
Первой системой ПВО, рассчитанной на применение зенитных
ракет, оснащенных ядерной боевой частью, была система «Беркут»
(С-25). В одной из модификаций этой системы ПВО использовалась
ракета типа 215 (ЗУР-215), рис. 1.40, с ядерной боевой частью в ко-
торой использовался заряд типа РДС-9.
Рис. 1.40. Зенитная ракета ЗУР-215 комплекса С25 «Беркут»
Этот ядерный заряд был использован также и в тактическом
ракетном комплексе 2К6 («Луна»), разработанном НИИ-1 (Москов-
ский институт теплотехники). Пусковая установка на базе гусенич-
ного шасси плавающего танка ПТ-76 была разработана артиллерий-
ским ЦНИИ-58. Для ракеты ЗРЮ этого комплекса была разработана
специальная боевая часть ЗН14 с зарядом типа 901А4 (РДС-9),
созданным в КБ-11. Из-за ограничений, накладываемых ядерным
боезарядом, боевая часть имела увеличенный максимальный диа-
метр и иную форму, чем у ракеты ЗР9 с фугасной боевой частью,
что хорошо видно на рис. 1.41.
54
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Рис. 1.41. Пусковая установка тактического комплекса 2К6
с ракетами ЗР9 с фугасной боевой частью (слева)
и ЗРЮ с ядерной боевой частью (справа)
В корпусе с коническим обтекателем и хвостовой частью в ви-
де усеченного конуса, имеющем максимальный диаметр 540 мм,
помещался боезаряд мощностью 10 кт. Масса изделия ЗН14 состав-
ляла 503 кг. Из-за крупной надкалиберной боевой части длина раке-
ты ЗРЮ достигала 10,6 м, стартовый вес - 2,3 т.
Такое техническое решение: увеличение диаметра боевой части
ракеты (то есть использование так называемой надкалиберной бое-
вой части) для размещения ядерного заряда было скопировано
с аналогичной по классу американской ракеты Honest John (MGR-1)
с ядерной боевой частью W7 (20 кт), см. рис. 1.42.
Рис. 1.42. Пусковая установка с ракетой Honest John (MGR-1)
с надкалиберной боевой частью для варианта с ядерным зарядом
55
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 1.43. Новейшая американская сверхзвуковая ракета
в научно-исследовательском центре ПВО ЦНИИ ВВКО, г. Тверь
По-видимому, «заимствование» военных секретов в США как
в области ядерных боеприпасов, так и в области ракетной техники
оказалось настолько эффективным и полезным, что очень успешно
продолжается и в наше время. В качестве лишь одного примера мож-
но привести новейшую американскую сверхзвуковую ракету, разра-
ботанную Defense Advanced Research Project Agency - DAPRA (орга-
низация США по разработке перспективных вооружений) и находя-
щуюся в стадии испытаний, которая параллельно испытывается
56
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
уже и в России (рис. 1.43) в Центральном научно-исследовательском
институте войск воздушно-космической обороны (ЦНИИ ВВКО),
а точнее, в его научно-исследовательском центре ПВО в г. Тверь).
Как известно, современные радиолокационные комплексы снабже-
ны системами распознавания целей по допплеровским характери-
стикам цели и по ее так называемому радиолокационному портрету.
Так вот, в этом научно-исследовательском центре и «рисуют порт-
рет» этой новейшей американской ракеты, которая еще даже
не поступила на вооружение в войска, как, впрочем, и многих дру-
гих образцов американских ракет и военных самолетов.
Что касается упомянутого выше старого ракетного комплекса
«Луна», то автору этих строк довелось изучать этот ракетный ком-
плекс и последовавший за ним более совершенный 9К52 («Луна-М»)
на военной кафедре, будучи студентом одного из Харьковских тех-
нических вузов, а затем и на полевых сборах в ракетном дивизионе
25 дивизии сухопутных войск им. Чапаева. Ракета комплекса 2К6
имела довольно странную форму (рис. 1.44), обусловленную двухка-
мерным твердотопливным двигателем типа ЗЖ6 (как бы две после-
довательно соединенные ракеты). Этот двигатель был одноступенча-
тым, но имел две отдельные камеры, помещенные одна за другой
внутри общего корпуса. Головная камера двигателя получила набор
сопел, расположенных в средней части корпуса с определенным
наклоном, раскручивающим ракету вдоль оси в полете, а хвостовая
имела традиционный сопловой аппарат.
ВГ~ГП
ад
и
Рис. 1.44. Необычная форма ракеты типа ЗРЮ
То есть в ракете имелось как бы два параллельно работающих
маршевых двигателя для увеличения общей тяги. Это было особен-
но важно для более тяжелой ракеты с ядерной боевой частью.
С другой стороны, наличие двух отдельных твердотопливных по-
роховых шашек требовало дополнительной подготовки ракеты пе-
ред пуском с целью сокращения разброса параметров двигателя
во время его работы, то есть сокращения кругового вероятного
отклонения - КВО (показатель точности попадания ракеты в цель).
57
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него__________________
С этой целью требовалось сначала поднять направляющую с раке-
той в вертикальное положение, и лишь затем вернуть в требуемое
положение в соответствии с расчетами.
СОВЕТ МИНИСТРОВ СССР
постановление ;
от » 24 ♦ . г. № ВСг125сс/ос
М4<м«. Hpcwsw *
3 СТрНеТМХСГН > ЕЕ?.
Coier Лмист}<зв Ссжзж TCP SCCTA'lCUlSETr
1< Сражать пршотетк Вярэото главного ужравп* юся зря Совета
Ллястраа СССР (гт^Вамохово и Завегжгпа) о стровтвдьеяе второго
гуотвря 9ЯЖ438 1 SSI ж fra—рв1«< ЧелгШасжсв осла-
гп жжпеп г. ,
2. Ррвсмаг» ьсвь ;треков «уса ?льоху 1 911.
Э. Стр01»»етва 1иазв в 353 1е»кт»п яе Гдаяярожсз^вй *ма~
стереть глутреамх лед СХР.
<• Облает* Чаявстврство десяега хозяйств* СССР (г.Вовяяж) эв-
хеджтъ Гзмгаргтрож СССР, т> вямелл государе»«вжаго лесного ;сш
9 Злтжв-аюясьежаи ;«Дов* ЪлябммсжоЛ СМКП. цветов 1хя pxspejo-
?св ЕХОЗЖЙВВ 150 се.кв. Спад fucni ж иягуря ж сарезеееяже его
гржлжс ороовеетж то удвважжо Гяджтсретрая ОХР.
5» ОЛяветв Первое вшдев тхрезасквв ерл Совят* Мммстров C2ZP
(тг.Звннхгаея ж Эояш&ш):
*> в 2-ее1ел>[Щ tree утжяржмть влжяоаев etwee мд жрояктвро-
BtRtte вазодж, Л 3*3;
б) яжс'лякть едтяад ГССВ-lt аз веха?» сз а еже работе я с ос г ваде—
•в* срояхтеого здлдпм ял стравтеавстьо fa»ai& 1 ИЗ 1 ср о зет зм гь
его ж 1 гадя 1552 г. жж упярддямвв Сзаятв ГИимстрзг ОХР;
>} говвезтво С Ижжесг«ре?»(М1 мтгзеипих д»д СССР (?.>рутдовпм)
жреаотаяа» ж х исш Р. а с«лет Мгиктрйв СССР (гехтоваявя о
е>аяжх втрвМВжввсм а авокл в х«Дстьже эжьода > SS I мероприятия
Ba Олег*’er св «то строе^едвствж;
г) сэеньетио с Ижслсгерспо* гос у ж пр с те емс*» Изаждпяс<г1 ССГ?
(т.И?ЯжтсеЗме) в 2-ЛеВедмit е$о* утзережтж моего рвезадоженях Хро-
мехуто’елай перв*1р-ссв<иЕ01 боем для здвохв Л Р52 в соложитв аб
’*‘^^й8Ь4*Н1с,тро1 ОХР.
JyA 1;ядве1д»л*
К/ ^te^»tiract;oe Саме ОС? Х,С?алНВ
1А VX I Беджа
Ч к4- х«*Л*?е iXdF Ж Поипесэ
Рис. 1.45. Постановление СМ СССР № 342-135сс/оп
от 24 января 1952 г. о строительстве завода № 933
для производства ядерных зарядов
58
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Наличие сопел в средней части корпуса ракеты приводи-
ло к тому, что в полете ракета была видна как огненный шар. Не-
смотря на параллельную работу двух пороховых шашек, их мощно-
сти не хватало в момент старта, из-за чего ракета, едва сойдя
с направляющих, «проваливалась» на высоту до полуметра от по-
верхности земли и лишь с этой высоты начинала свой полет.
Не удивительно, что КВО этой ракеты доходило до 2 км при даль-
ности до 32 км.
В соответствии с Постановлением СМ СССР от 24 января
1952 года № 342-135сс/оп (рис. 1.45) было начато строительство за-
вода № 933. Впоследствии были у него и другие названия: предпри-
ятие п/я 17, предприятие п/я Г-4146. Этот завод (современное назва-
ние- Приборостроительный завод), расположенный в городе Трех-
горный Челябинской области (условные названия- «Златоуст-20»,
затем «Златоуст-З6») и начал выпускать ядерные заряды, разработан-
ные в КБ-11, в том числе и РДС-9.
Первый запуск ракеты с реальным ядерным зарядом был сде-
лан с полигона Капустин Яр (официальное название - 4-й Госу-
дарственный центральный межвидовой полигон Российской Феде-
рации - 4 ГЦМП, в/ч 15644), расположенного в северо-западной
части Астраханской области вблизи небольшого городка Знаменск
(закрытое территориально-административное образование «ЗАТО
Знаменск»). Полигон был создан 13 мая 1946 года как центральный
полигон Министерства Вооружённых Сил СССР (так тогда называ-
лось Министерство обороны СССР) для испытаний первых совет-
ских баллистических и зенитных ракет. 2 февраля 1956 года с этого
полигона стартовала ракета Р-5М (8К51), рис. 1.46, с ядерной
головной частью, разработанная в ОКБ-1 НИИ-88 (сегодня -
Центральный научно-исследовательский институт машинострое-
ния, ФГУП ЦНИИмаш, г. Королев, Московская область) под руко-
водством С. П. Королева. Пролетев в восточном направлении
1 200 километров, ракета доставила боеголовку в пустыню вблизи
казахстанского города Аркалык, где та взорвалась. Мощность ядер-
ного заряда была около 3 килотонн.
Первый в СССР высотный ядерный взрыв под кодовым назва-
нием «ЗУР-215» был осуществлен 19 января 1957 г. (то есть еще
до аналогичного испытания в США по проекту Yucca в апреле
1958 г.) при подрыве ядерного заряда типа РДС-9 мощностью 10 кт,
59
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
установленного на зенитной ракете модификации 215 (рис. 1.40),
стартовавшей с полигона Капустин Яр.
Рис. 1.46. Фотография с зачеркнутым грифом «совершенно секретно»
ракеты Р5-М (8К51) во время подготовки к пуску
на полигоне Капустин Яр
Целью этой операции было изучение поражающих факторов
высотного ядерного взрыва на самолёты, летящие в плотном строю
(на расстоянии 500 и 1 000 м от точки взрыва находились два ра-
диоуправляемых бомбардировщика-мишени ИЛ-28, а также назем-
ные сооружения).
В качестве мишени для наведения ракеты использовался само-
летный радиолокационный ответчик (транспондер), сигнал которо-
го захватывался радиолокатором системы наведения зенитного
комплекса. Этот радиоответчик был заранее сброшен с самолета
и опускался на парашюте. Когда боевая часть ракеты достигла ра-
диоответчика, она была взорвана на высоте около 10 км.
Для регистрации параметров поражающих факторов ядерного
взрыва использовались комплекты измерительных приборов, осна-
щенных телеметрией для передачи информации, размещенные
в 16 специальных цилиндрических контейнерах. Эти контейнеры
заблаговременно сбрасывались на парашютах с самолетов таким
образом, чтобы в момент взрыва часть из них находилась примерно
на высоте взрыва на различных расстояниях от него, а часть — на
других высотах. Фактическое положение контейнеров в момент
60
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
взрыва ядерного заряда и положение самой точки взрыва определя-
лось по результатам фотосъемки с наземных пунктов с четырёх
направлений. Был также развернут комплекс наземных пунктов для
измерения параметров ударной волны, светового излучения (спектр,
интегральные потоки, временные характеристики), а также прони-
кающих излучений. Вблизи эпицентра и еще в нескольких точках
были сооружены макеты деревянных зданий.
В результате взрыва оба самолета-мишени были сбиты: первый
из них, который уходил от центра взрыва, загорелся, у второго,
шедшего практически навстречу ударной волне, отломилось крыло.
Измерительная аппаратура на каждом из этих самолетов срабо-
тала нормально, и результаты измерений по телеметрии удалось
передать на землю. Эти результаты в дальнейшем использовались
для определения критериев и зон поражения самолетов при ядер-
ных взрывах.
Наземные пункты наблюдения не зафиксировали ни одного
случая заметного воздействия взрыва на деревянные сооружения
и их остекление.
Последующие ядерные испытания 1 и 3 ноября 1958 года, ко-
торые планировалось провести на высоте 20-25 км, оказались не-
удачными из-за дефектов в предохранительно-исполнительном ме-
ханизме боевой части (ПИМ). ПИМ - это система боевого взведе-
ния, предохранения при нештатных ситуациях и самоликвидации.
Система боевого взведения ПИМ ядерных боевых частей является
многоступенчатой. Например, в тактической ракете класса «земля -
земля» типа 9М21Б с ядерной боевой частью 9Н32 (которую изучал
автор этих строк) первая ступень предохранения снимается при
сходе ракеты с направляющей и отрыве кабеля управления, вторая -
при выходе на расчетный режим бортового источника питания (ам-
пульной батареи), третья - при достижении определенной скорости
движения ракеты (с помощью датчика давления набегающего пото-
ка воздуха), четвертая - по сигналу допплеровского радиовысото-
мера. В других типах ракет используются и другие контрольные
параметры ступеней предохранения в ПИМе. В частности, в зенит-
ной ракете модификации 215 одним из таких параметров был баро-
метрический датчик давления воздуха, с помощью которого изме-
рялась высота подъема ракеты. При испытаниях 1 и 3 ноября 1958 г.
из-за ошибочного срабатывания этих датчиков ПИМа происходил
61
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
подрыв боевых частей на высотах около 12 км вместо запланиро-
ванных 20-25 км.
Следующий удачный высотный ядерный взрыв удалось осуще-
ствить лишь через 3 года (операция «Гроза»). Такой длительный
перерыв объясняется многочисленными переговорами между США
и СССР о возможности заключения договора о запрещении испыта-
ний ядерного оружия, а также односторонними обязательствами,
которые временно брали на себя то США, то СССР. После провала
всех этих переговоров 6 сентября 1961 г. над полигоном Капу-
стин Яр был произведен новый высотный ядерный взрыв. Мише-
нью для радиолокатора систем наведения ракеты серии 215 (ЗРК
С-25), которая несла ядерный заряд, служил пассивный уголковый
радиолокационный отражатель, поднятый аэростатом на высоту
около 20 км в точку предполагаемого взрыва. На этом же аэростате
были установлены контейнеры с измерительной аппаратурой для
измерения гамма-излучения и других параметров ядерного взрыва.
Дополнительно для измерения у- и [3-излучения в облако взрыва
были запущены две ракеты модификации 207 (производства Ту-
шинского машиностроительного завода) того же зенитно-ракетного
комплекса С-25 с установленной в их головных частях измеритель-
ной аппаратурой вместо взрывчатки.
В операции «Гроза» впервые были проведены испытания рабо-
тоспособности средств радиолокации путем сопровождения «изме-
рительных» ракет типа 207 в условиях воздействия ЭМИ, возника-
ющего при ЯВ, а также работоспособность электронной аппаратуры
(размещенной в контейнерах) при воздействии ЭМИ.
Еще один удачный высотный ядерный взрыв был произведен
над полигоном Капустин Яр 6 октября 1961 г. (Операция «Гром»).
Эта операция проводилась для изучения поражающих факторов вы-
сотного ядерного взрыва в интересах войск ПРО. С помощью бал-
листической ракеты средней дальности Р-5М (8К51), рис. 1.43,
ядерный заряд мощностью 40 кт был поднят вертикально над поли-
гоном на высоту примерно 40 км и подорван. Для регистрации по-
ражающих факторов взрыва были использованы четыре термостой-
ких стальных контейнера сферической формы диаметром 50 см
с измерительной аппаратурой, которые крепились под специальны-
ми обтекателями к самой ракете. После срабатывания пирозамков
по радиосигналу в заданное время контейнеры отстреливались
62
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
от ракеты и вытягивали за собой стальные тросы, на которых с ди-
станцией в 20 м были закреплены датчики расстояния. С помощью
этих датчиков было определено расстояние контейнеров от центра
взрыва (в момент взрыва оно составило 140-150 м). После взрыва
контейнеры падали на землю, после чего их разыскивали на земле
с помощью специальной аппаратуры. Кроме того, как и в предыду-
щем случае, в облако взрыва были запущены две ракеты модифика-
ции 207 с регистрирующей аппаратурой. Как и в предыдущем слу-
чае, помимо основных поражающих факторов ядерного взрыва изу-
чалось также воздействие ЭМИ на электронную аппаратуру, нахо-
дящуюся в контейнерах.
Все технические отчеты по описанным выше испытаниям,
в отличие от американских, до сих пор засекречены в России, по-
этому узнать, что нового стало известно ученым об ЭМИ ЯВ после
этих испытаний, не представляется возможным и сегодня.
Наверстывая упущенное за время трёхгодичного «воздержа-
ния», в 1961-1962 гг. в СССР провели целую серию высотных
ядерных взрывов (Операция «К» - «Космос»), в дополнение к опе-
рациям «Гроза» и «Гром».
Как и в предыдущих испытаниях, ракеты с ядерными боеголов-
ками запускались с полигона Капустин Яр, но подрыв боеприпасов
происходил уже не над этим полигоном, как в предыдущих испыта-
ниях, а над полигоном Сары-Шаган в Казахстане (Государственный
научно-исследовательский и испытательный полигон № 10 Мини-
стерства обороны СССР - ГНИИП-10, административный центр по-
лигона - Закрытое административно-территориальное образование
ЗАТО Приозёрск), то есть ракеты с ядерными боеголовками пролета-
ли из Астраханской области в Казахстан в буквальном смысле слова
над головами ни о чем не подозревавших мирных советских людей.
27 октября 1961 года с полигона Капустин Яр были осуществ-
лены два пуска баллистических ракет средней дальности Р-12
(8К63), рис. 1.47, с ядерными зарядами малой мощности - 1,2 кило-
тонн. Эти ракеты были разработаны в ОКБ-586 (КБ «Южное»,
г. Днепропетровск) под руководством главного конструктора
М. К. Янгеля). Подрывы этих зарядов производились на высоте
150 км (операция «К-1») и 300 км (операция «К-2»), то есть факти-
чески в космосе. Целями этих испытаний была проверка влияния
поражающих факторов космических ядерных взрывов (включая
63
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
ЭМИ ЯВ) на средства радиосвязи и радиолокации, исследования
физических процессов, сопровождающих космические взрывы,
и проверка возможности их обнаружения.
Рис. 1.47. Установка ракеты Р-12 (8К63) на стартовый стол
22 и 28 октября, а также 1 ноября 1962 года были проведены
еще три взрыва на больших высотах: «К-3» на высоте 290 км, «К-4»
на высоте 150 км и «К-5» на высоте 59 км. В этих взрывах исполь-
зовались термоядерные заряды большой мощности - 300 килотонн.
22 октября планировалось задействовать помимо Р-12 и «изме-
рительных» зенитных ракет серии 207, запущенных навстречу
с Сары-Шагана, также и стратегическую ракету Р-9А (8К75). Сама
ракета была разработана в ОКБ-1 НИИ-88 под руководством
С. И. Королева, а ее система управления была разработана и выпус-
калась харьковским НПО «Электроприбор» (ОКБ-692, п/я 67,
НПО «Хартрон»).
64
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Рис. 1.48. Серийная сборка стратегических ракет Р-9А (8К75)
на Куйбышевском заводе «Прогресс»
65
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Серийное производство этих ракет было налажено на Куйбышев-
ском (г. Самара) заводе «Прогресс» (ныне «Ракетно-космический
центр „Прогресс^»), рис. 1.48.
«Девятка» должна была стартовать с полигона Тюра-Там (дру-
гие названия: Научно-исследовательский испытательный полигон
НИИП-5; в/ч 11284; объект «Тайга», Байконур) в рамках второго
этапа летно-конструкторских испытаний этого изделия и пройти
как можно ближе к центру взрыва (рис. 1.49).
Рис. 1.49. Карта Казахстана с обозначенными траекториями полета
к точке взрыва по проекту «К-3» ракеты Р-12 (из Капустиного Яра),
ракеты серии 207 (из Сары-Шагана), ракеты Р-9А (с Байконура)
При испытании предполагалось исследовать надежность аппа-
ратуры системы радиоуправления, оценить точность измерения па-
раметров движения и определить влияние ядерного взрыва на уро-
вень принимаемых сигналов на входе бортовых и наземных прием-
ных устройств системы радиоуправления ракеты, то есть фактиче-
ски речь шла об исследовании воздействия ЭМИ ЯВ на систему
управления стратегической ракеты. Таким образом, у испытания
22 октября было несколько задач. Во-первых, это была очередная
проверка надежности носителя ядерного заряда. Во-вторых, про-
верка срабатывания самого заряда. В-третьих, выяснение поража-
ющих факторов ядерного взрыва и его воздействия на различные
66
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
образцы военной техники, в том числе на ракеты и военные спутни-
ки. В-четвертых, должны были пройти проверку основные принци-
пы предложенной В. Н. Челомеем системы ПРО «Таран», преду-
сматривавшей поражение ракет противника серией ядерных взры-
вов на их пути. Разработка проекта системы ПРО «Таран» была
инициирована Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 3 мая
1963 года. Основными разработчиками были назначены ОКБ-52
(руководитель В. Н. Челомей) и Радиотехнический институт Ака-
демии наук СССР (директор академик А. А. Минц). В системе
должна была применяться ракета УР-100 (8К84) с термоядерной
боевой частью мощностью не менее 10 Мт. В дальнейшем этот про-
ект был раскритикован и не был реализован. Одной из причин по-
служили расчеты, представленные директором Института приклад-
ной математики академиком М. В. Келдышем. Из этих расчетов
следовало, что при заявленных характеристиках комплекс «Таран»
будет отличаться значительным расходом противоракет. Так, на
перехват 100 американских МБР типа Minuteman понадобится две
сотни УР-100. Перспектива подрыва над своей территорией сотен
водородных бомб по 10 Мт каждая не казалась очень привлекатель-
ной ни для ученых, ни для политической элиты страны. Однако
в 1962 г., то есть еще до принятия решения о начале разработки си-
стемы «Таран», была предпринята попытка проверить основную
идею В. Н. Челомея о возможности перехвата баллистических ракет
большой дальности с помощью высотного ядерного взрыва боль-
шой мощности. Для этого и была запущена такая ракета Р-9 в точку
подрыва ядерного боезаряда. Но этот пуск 22 октября окончился
аварией. Через 2,4 секунды после старта разрушилась камера сгора-
ния 1-й ступени, и ракета Р-9 упала в 20 м от стартового стола.
В связи с несостоявшимся испытанием перехвата стратегиче-
ской ракеты через неделю, 28 октября, состоялось еще одно испы-
тание («К-4»). Это испытание стало почти точной копией предыду-
щего не только по плану проведения (за исключением более низкой
запланированной высоты подрыва ядерного заряда), но также и по
результатам. Ракета Р-9 успела подняться на высоту в несколько
десятков метров, когда вышла из строя камера сгорания 1-й ступе-
ни. Ракета осела и упала на пусковую установку, серьезно повредив
ее. Тем не менее довольно существенная часть исследований за-
вершилась успешно, поскольку перехват баллистических ракет
67
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
с помощью высотного ядерного взрыва был не единственной целью
этих испытаний. В дополнение к исследованию поражающих фак-
торов ядерного взрыва целью этих испытаний было получение экс-
периментальных данных о геофизических явлениях, сопровождаю-
щих высотные взрывы, в частности, о влиянии взрывов на ионосфе-
ру. Проводились также измерения параметров искусственных радиа-
ционных поясов, образующихся в космосе. С этой целью еще
до испытаний были запущены спутники «Космос-3», «Космос-5»
и «Космос-7». Также ставились задачи, связанные с определением
влияния ЭМИ ЯВ на средства радиолокации, на системы радиосвязи
и проводной связи. Часть исследований выполнялась в рамках задачи
по созданию систем обнаружения ядерных взрывов и контроля над
их проведением. Для решения всех этих задач в ходе операций «К»
был проведен значительный объем наземных и спутниковых наблю-
дений и измерений. При этом использовалось большое число различ-
ных радиотехнических средств. Наблюдение за областью взрыва
проводили до двадцати радиолокационных станций различных диа-
пазонов длин волн с различных (до 10) направлений. Радиосигналы
спутников и ракет, распространяющиеся через ионизированные об-
ласти, регистрировали соответствующие наземные приемные пунк-
ты, в ряде случаев дублированные. Ионосферные наблюдения осу-
ществляли все стационарные станции зондирования, расположенные
в различных районах территории страны. Наблюдения за влиянием
ионизации атмосферы на работу средств радиосвязи в различных
диапазонах длин волн проводились на специально созданных ра-
диолиниях, проходящих через эпицентры ядерных взрывов, а также
на большом числе стационарных радиолиний различной протяжен-
ности. К наблюдению за космическим радиоизлучением привлека-
лись также и стационарные радиотелескопы ряда обсерваторий.
1 ноября 1962 г. был проведен еще один взрыв - «К-5», целью
которого было уточнение некоторых ранее полученных результа-
тов, в частности, оптических наблюдений и измерений. В целом
картина развития взрыва «К-5» и параметры его поражающего воз-
действия оказались близки к предсказаниям, которые делались ра-
нее на основе наблюдений, проведенных в операциях «Гром»
и «Гроза». Однако использование более полной и совершенной диа-
гностики в опыте «К-5» позволило значительно расширить экспе-
риментальные данные о развитии взрывов и на этих высотах.
68
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Научное руководство всем комплексом натурных и модельных
экспериментов, а также теоретических исследований, связанных
с этими операциями, выполнял заместитель председателя Военно-
промышленной комиссии (ВПК) при Совете Министров СССР ака-
демик, генерал-лейтенант А. Н. Щукин.
В результате испытаний было установлено, что высотные ЯВ
сопровождаются излучением электромагнитного импульса (ЭМИ)
в широком диапазоне радиочастот, с амплитудой, значительно пре-
вышающей амплитуду при приземных взрывах той же мощности.
Было обнаружено, что регистрация ЭМИ высотного ЯВ возможна на
больших (до 10 тысяч километров) расстояниях от эпицентра взрыва.
Проведенные геомагнитные измерения подтвердили возможность
идентификации мощных ЯВ на высотах более 100-150 км наблюда-
телем, расположенным практически в любой точке земного шара.
Следует признать, однако, что однозначная и непротиворечи-
вая интерпретация многих данных оказалась более сложной, чем
предполагалось вначале, и потребовала разработки комплексных
моделей и методик расчета высотных ЯВ.
К сожалению, технические отчеты с результатами испытаний
и измерений всех этих взрывов в России до сих пор не рассекречены.
О некоторых косвенных данных можно судить лишь из частично
рассекреченных многостраничных донесений ЦРУ об этих испыта-
ниях (рис. 1.50). В этом донесении зачеркнут гриф Top Secret, но при
этом удалены источники информации, а ядерные заряды обозначены
как JOE с соответствующими цифровыми индексами. Типы ракет
указаны по американской классификации как SS-1, SS-2 и др.
Единственным источником технической информации об ЭМИ
ЯВ, которое исследовалось в проекте «К» как один из поражающих
факторов ядерного взрыва, является доклад начальника (в то время)
Центрального физико-технического института МО РФ (в/ч 51105;
ЦНИИ-12; Сергиев-Посад-7; объект «Ферма»; Федеральное госу-
дарственное казенное учреждение «12 Центральный научно-
исследовательский институт» Министерства обороны РФ) генерал-
майора Лоборева В. М., сделанный им по указанию руководства
СССР во времена «перестройки» и «перезагрузки», через 32 года
после завершения проекта «К» [5], а также в его статье в соавтор-
стве с другими сотрудниками этого же института, опубликованной
через 36 лет после проекта «К» [6].
69
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
44 -TOP SECRET
quently descended through the nuclear cloud.
A missile, possibly an ABM, was probably
launched about four minutes after burst time,
and a second vertical firing through the cloud
occurred about half an hour after burst time.
In the JOE 109 operation, two possibly down-
range firings were noted.
188. The 1962 high-altitude tests. JOE 157
on 22 October, JOE 160 on 28 October, and
JOE 168 on 1 November, resembled those of
1961, but appeared to be more complex. All
three involved the firing of three 1020 n.m.
missiles from the Kapustin Yar rangehead;
in each ease the second missile was launched
about fifty seconds after the first, and the
third about six minutes after the first. As in
1961, the nuclear payloads are believed to have
been carried by the first missiles.
189. JOEs 157 and 160 each had yields of
200 KT. The former was detonated at an alti-
tude of about 160 n.m.; the latter, at an alti-
tude of about 90 n.m. £
2) For
the JOE 157 event, a missile, which probably
had a purpose similar to the first vertically
fired missile of the JOE 105 operation, was
fired from a downrange location.
190. JOE 168 had a 1.8 MT yield and was
detonated at an altitude of about 30 to 70 n.m.
Unlike the other high altitude tests, JOE 168
was not one of an obvious pair of devices hav-
ing Identical yields but tested at different alti-
tudes. The yield of JOE 168 was similar, how-
ever, to that of the US 9 July 1952 STARFISH
device (1.45 MT) detonated 216 n.m. above
Johnston Island in the Pacific. It is noted
that Soviet scientific expeditionary ships were
positioned both in the vicinity of Johnston
Island and in the conjugate area probably to
collect data from STARFISH. We believe that
JOE 168, which was detonated on 1 November
1962 at 30-70 n.m., could have served along
with STARFISH to give the USSR some data
on high altitude effects from a pair of 1.5-1.8
MT tests at different altitudes.
191. A unique feature of all three 1962 high-
altitude tests was the apparent planned use
of a satellite to collect basic physical data.
COSMOS XI passed over the burst point of
JOE 157 within minutes of the detonation; It
was at the antipodal point for the JOE 160 test
at the time of detonation; and It was near the
magnetic conjugate point of the JOE 168 deto-
nation at time of burst. There is some ques-
tion whether COSMOS XI was still transmit-
ting at the time of JOE 168.
Nudaar Weapons and Systems
192. A small number of individually pro-
duced weapons for interim use could be fab-
ricated within a few months after device test-
ing. However, the time lag between nuclear
test device and initial stockpile entry of serially
produced weaponized versions Is about two
years at a minimum. On this basis some of
the new devices tested in 1961 could bo enter-
ing stockpile during the latter part of 1963
if a priority development requirement Is as-
sumed. It Is estimated, however, that this
could only be done on a limited scale, and that,
In general, the devices tested in 1961-1962
would be stockpiled in 1964 and 1965.
Delivery Systems Information
193. [
^indicate
that the warhead assigned to the tactical
SS-la missile has a yield spectrum of 30 to
200 kilotons.^
Jdata from which the warhead yield cate-
gories associated with other Soviet tactical
missiles In the SS-1, SSC-1 and SS-2 cate-
gories can be generally derived. There is evi-
dencef Jthat nu-
clear warheads for Soviet tactical missiles and
Рис. 1.50. Страница из донесения ЦРУ
о высотных ядерных взрывах, проведенных в СССР по проекту «К»
70
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
В докладе В. М. Лоборева [5], а также в его статье описывались
последствия воздействия ЭМИ ядерного взрыва «К-5» на гражданскую
инфраструктуру Казахстана, расположенную в зоне его воздействия.
При этом обращают на себя внимание несколько интересных
фактов.
1. ЦНИИ-12 был создан в 1950 г. по Директиве Генерального
штаба Министерства вооруженных сил СССР № 553343
от 26 апреля 1950 года. В дальнейшем Институт вошел в со-
став 12 Главного управления МО СССР (в/ч 31600, Москва
Знаменский пер., 19) для исследования поражающих факто-
ров ядерного взрыва и их воздействия на вооружение,
военную технику, сооружения и людей; разработки ре-
комендаций для войск по защите личного состава и бое-
вой техники от поражения ядерным оружием, а также
научно-методического руководства испытаниями специаль-
ного оружия. Перед институтом была поставлена задача
научного обеспечения защиты страны от атомного нападе-
ния. Судя по размерам здания института в подмосковном
Сергиевом Посаде и здания филиала этого института
в Санкт-Петербурге (в/ч 70170, Новосельковская ул., 39Е), а
также экспериментально-испытательной базе, содержащей
десяток крупных испытательных стендов, он совсем не ма-
ленький (рис. 1.51).
Рис. 1.51, а. Панорамный снимок главного корпуса ЦНИИ-12
в Сергиевом Посаде, Московская область
71
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 1.51, б. Санкт-Петербургский филиал ЦНИИ-12
Рис. 1.51, в. Подмосковная экспериментально-испытательная
база ЦНИИ-12
Из испытательных установок, относящихся к ЭМИ ЯВ, на этой
экспериментально-испытательной базе имелось следующее обору-
дование:
• генератор импульсных напряжений ГИИ-10;
• имитаторы электромагнитного импульса ИЭМИ-Б
и ИЭМИ-БМ;
• комплекс «Артерит», предназначенный для испытаний
крупногабаитной военной техники в условиях воздействия
мощных электромагнитных полей;
• комплекс «Зенит» для испытания образцов военной техники
и вооружения в условиях воздействия электромагнитного
импульса.
Несмотря на такую материальную базу, ни на интернет-сайте
самого института, ни среди научных работ, опубликованных
в СССР по теме ядерных испытаний, ни среди рассекреченных
и опубликованных в СССР документов по атомному проекту,
72
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
ни среди мемуаров участников тех событий читатель не найдет
упоминания об участии сотрудников этого института и каких-либо
его значимых достижениях. И это нельзя объяснить только секрет-
ностью темы, во-первых, потому, что эта тема уже давным-давно
перестала быть секретной, а во-вторых, потому, что сотрудники
других научных учреждений, например, того же ВНИИ Экспе-
риментальной Физики из г. Саров, уже давно публикуют статьи
о проблемах ЭМИ ЯВ в открытой печати [7, 8]. Единственным
исключением из этого правила могут служить, наверное, публика-
ции Главного научного сотрудника ЦНИИ-12 д. т. и., профессора
Балюка Николая Васильевича. Однако большинство этих публика-
ций в части ЭМИ ЯВ не являются результатами оригинальных ис-
следований и разработок института, а лишь пересказывают сведе-
ния, опубликованные в старых американских отчетах. Типичным
примером может служить книга [9], изданная в 2013 г., основная
часть текста и иллюстраций в которой являются переводом и пере-
сказом в свободном изложении некоторых американских отче-
тов 30-летней давности. Другие примеры - статьи Н. В. Балюка
в журнале «Технологии ЭМС» в соавторстве с начальником
ЦНИИ-12 контр-адмиралом Перцевым С. Ф. и первым заместите-
лем начальника Генштаба Вооруженных сил РФ генерал-
лейтенантом Бурутиным А. Г. [10, И], представляющие собой об-
щие хорошо известные специалистам рассуждения или описания
оборудования, имеющегося в ЦНИИ-12. Кому и какая польза
в стране от этих общих рассуждений генералов и адмиралов вместо
конкретных рекомендаций и разработок по защите критических ви-
дов инфраструктуры страны?
Имеется единственное упоминание об участии сотрудников
Ленинградского филиала в измерениях параметров одного из под-
водных испытательных ядерных взрывов, а также упомянутый вы-
ше доклад и статья начальника института Лоборева В. М. Не мало
ли для такого огромного института за 68 лет существования? Ведь
количеством закрытых защищенных диссертаций, к которым имеет
доступ лишь небольшое количество сотрудников этого самого ин-
ститута, вряд ли можно оправдать его существование.
Официальные публикации с результатами исследований по
воздействию ЭМИ ЯВ на гражданскую инфраструктуру были сде-
ланы сотрудниками института лишь на английском языке. Почему?
73
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Советским (а теперь и российским) гражданским специалистам
до сих пор практически ничего не известно о воздействии ЭМИ ЯВ
на гражданскую инфраструктуру. А ведь одной из задач, которая
была возложена на институт при его создании, была разработка
средств защиты страны от ядерного оружия, а значит, и от ЭМИ
ЯВ. Неужели за все годы существования института ему нечего
предъявить гражданским специалистам в области электроэнергети-
ки, связи, водоснабжения и другим специалистам, отвечающим за
инфраструктуру страны?
Рецензенты из ЦНИИ-12, к которым иногда попадают на ре-
цензию статьи автора этих строк, дают заключение о запрете пуб-
ликации статей, в которых поднимается вопрос о необходимости
интенсификации работ в области защиты гражданской инфраструк-
туры от ЭМИ ЯВ и предлагаются конкретные технические решения,
направленные на такую защиту. Почему?
Создается впечатление, что в институте просто боятся того, что
гражданские специалисты, отвечающие за инфраструктуру страны,
узнают о существовании серьезной проблемы и спросят о том, по-
чему за все эти годы в этой области абсолютно ничего не было сде-
лано! Ведь кому-то придется отвечать на этот вопрос... Институту,
отвечающему за положение дел в этой области в стране уже в тече-
ние 68 лет, будет гораздо спокойнее продолжать безбедно суще-
ствовать, если о проблеме будет знать минимальное количество
людей.
Но вернемся к результатам воздействия ЭМИ ЯВ на граждан-
скую инфраструктуру во время испытаний «К-5». В соответствии
с опубликованными В. М. Лоборевым данными [12] (рис. 1.52), воз-
действие ЭМИ ЯВ стало причиной сбоев в работе радиолокато-
ра системы ПВО на расстоянии около 1 000 км. В линиях электро-
передач напряжением 35 кВ были отмечены пробои керамических
изоляторов, вызвавшие короткие замыкания. Электромагнитный
импульс стал причиной возникновения пожаров из-за коротких за-
мыканий в электроприборах. Был выведен из строя генератор
на одной из электростанций, и сработала релейная защита, отклю-
чившая генератор на другой электростанции. Было зафиксирова-
но повреждение дизель-генератора, а также многочисленные сраба-
тывания защитных устройств на 570-километровой телефонной ли-
нии, проходящей над землей в результате воздействия короткого
74
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
импульса тока с амплитудой в несколько тысяч ампер, а также
длинного (более 20 с) импульса тока в 4 ампера, индуцированного
медленной геомагнитной составляющей ЭМИ ЯВ. Имеются также
сведения о некоторых повреждениях электронного оборудования,
возникших и на космодроме Байконур.
Рис. 1.52. Повреждения электрооборудования, вызванные ЭМИ ЯВ
во время испытательного высотного ядерного взрыва
над Казахстаном в 1962 г. по проекту «К-5»
(по данным, представленным в докладе В. М. Лоборева
на международной конференции EUROEM во Франции в 1994 г.)
Воспользовавшись новой политикой президента СССР
М. С. Горбачева и провозглашенными им принципами «перестрой-
ки», «перезагрузки» и «гласности», когда в прямом и переносном
смысле слова были открыты двери прежде самых закрытых пред-
приятий в СССР и одновременно было прекращено финансиро-
вание многих оборонных проектов, Агентство по ядерной энер-
гии США в 1992 г. (уже при новом президенте Б. Н. Ельцине) выде-
лило грант в размере 288 500 долларов США на подготовку техни-
ческого отчета по анализу эффектов, сопровождающих подводные
ядерные взрывы, проведенные СССР в Арктике, а также высотные
ядерные взрывы по проекту «К» над Казахстаном. Поскольку фик-
сацией и измерениями параметров подводных ядерных взрывов
в Арктике, на Новой Земле (ядерный полигон, созданный по поста-
новлению СМ СССР № 1559-699сс от 31 июля 1954 года, рис. 1.53;
другие названия: Объект-700; Полигон № 6; Архангельск-55
75
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
и Архангельск-56) занимались специалисты Ленинградского фили-
ала ЦНИИ-12, а высотных взрывов по проекту «К» - специалисты
головного подразделения этого института из Сергиева Посада,
то именно им и была поручена эта работа. Собственно говоря, до-
клад на упоминавшейся выше международной конференции и ста-
тья В. М. Лоборева были результатом этой работы, выполненной на
американские гранты.
Постановление СМ СССР № 1559-699сс
«О строительстве объекта № 700 Министерства обороны СССР
и проведении морских испытаний специзделий»
г. Москва, Кремль 31 июля 1954 г.
Сов. секретно
(Особая папка)
Совет Министров Союза ССР ПОСТАНОВЛЯЕТ:
1. Принять предложение Министерства обороны СССР (тт. Булганина, Куз-
нецова) и Министерства среднего машиностроения (т. Малышева) о проведении
морских испытаний специальных изделий и торпед всех типов в районе юго-
западной части острова Новая Земля и о строительстве для этой цели морского
науч но-испытательного полигона Министерства обороны СССР (объект № 700)
и тыловой базы в г. Молотовске .
(...)
2. Обязать Министерство обороны СССР (тт. Булганина, Кузнецова) и Ми-
нистерство среднего машиностроения (т. Малышева) провести на объекте № 700
Министерства обороны СССР в 1955 г. испытание двух торпед Т-5 с боевыми
спецзарядами и в 1956 г. одного специзделия при взрыве в воздухе над кораб-
лями-мишенями и двух торпед при взрыве у берега.
Установить, что каждое отдельное испытание со взрывом атомного заряда
производится после получения Министерством обороны СССР и Министер-
ством среднего машиностроения санкции Совета Министров СССР.
Рис. 1.53. Часть первой страницы Постановления СМ СССР
№ 1559-699сс о создании на Новой Земле
морского испытательного ядерного полигона
После окончания работы и подготовки отчета, состоящего из 17
параграфов, два руководителя ЦНИИ-12- начальник института ге-
нерал-майор, профессор В. М. Лоборев и ведущий научный сотруд-
ник этого института полковник, доктор технических наук
В. М. Кондратьев - были приглашены в 1995 г. в ведущие американ-
ские ядерные центры: Ливерморскую национальную лабораторию
(Lawrence Livermore National Laboratory) и Лос-Аламосскую нацио-
нальную лабораторию (Los Alamos National Laboratory) для чтения
76
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
лекций по теме электромагнитных эффектов высотных ядерных
взрывов. Поскольку ни В. Лоборев, ни В. Кондратьев абсолютно не
владели английским языком, их постоянно сопровождали два пере-
водчика. Об истории ЭМИ ЯВ и его регистрации докладывал
В. Кондратьев, как ведущий специалист в этой области, докторская
диссертация которого была посвящена исследованию ЭМИ ЯВ.
Из его слов следовало, что ЭМИ ЯВ было зафиксировано (при по-
вреждении множества датчиков) советскими специалистами как яв-
ление уже при первом наземном испытании в 1949 г. Это явле-
ние предполагалось использовать как средство регистрации удален-
ных ядерных взрывов, но не как оружие, поражающее электронику.
Далее В. Кондратьев сообщил, что поскольку в СССР не обнаружили
никаких американских данных об ЭМИ ЯВ, то посчитали, что эта
тема в США строго засекречена. Потом выяснилось, что в США про-
сто не располагали такими данными. В. Кондратьев рассказал,
что в дальнейшем, когда были получены американские данные,
в частности, о форме импульса ЭМИ, выяснилось, что они полно-
стью совпадают с советскими данными, из чего был сделан вывод
о том, что данные были взяты из советских секретных отчетов. По
словам В. Кондратьева, советские специалисты были хорошо знако-
мы с расчетными моделями американских коллег Радасски, Баума
и Лонгмеера (Radasky, Baum, and Longmeyer), но не могли проверить
их модели, поскольку не обладали ЭВМ такой мощности, которые
имелись в США. Поэтому советские методы были иными. По сооб-
щению В. Кондратьева, в СССР теория ЭМИ ЯВ была разработана
уже в 1961-62 гг. с помощью ученых из Министерства связи СССР,
анализировавших результаты воздействия ЭМИ ЯВ на системы
связи. Далее, В. Кондратьевым были перечислены повреждения
электрооборудования и систем связи при высотном ядерном взрыве
над Казахстаном в 1962 г. (представленные на рис. 1.49). На вопрос
о том, как были защищены коммуникационные линии связи после
испытаний, последовал ответ, что по инициативе Министерства связи
гражданские воздушные проводные линии связи были заменены ка-
бельными, проложенными в земле. Отвечая далее на вопросы,
В. Кондратьев сообщил о повреждении военных дизель-генераторов
и подстанций в результате воздействия импульсных перенапряже-
ний, о срабатывании релейной защиты на линиях электропередач.
На вопрос о повреждениях линий связи при других испытаниях
77
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
В. Кондратьев ответил, что такие повреждения были и при низких
высотах подрыва заряда. Относительно повреждений силовых ли-
ний электроснабжения во время других испытаний он заявил, что
такими данными не располагает. На вопрос о том, влияет ли ориен-
тация проводных линий (север-юг, запад - восток) на их повреж-
даемость, В. Кондратьев ответил, что совершенно определенно влия-
ет. Далее последовала целая серия вопросов, затрагивающих более
общие проблемы ядерных испытаний и ядерной безопасности,
на которые отвечал В. Лоборев. Большинство его ответов на такие
вопросы выглядели так: «Я всего лишь руководитель института,
а не президент страны», «Вы должны спросить об этом мое прави-
тельство, а не меня»... В одной из дискуссий прозвучала одна очень
интересная, на наш взгляд, фраза с американской стороны: «Мы не
интересуемся защитой российской национальной энергосистемы,
потому что считаем, что обычные ураганы - значительно более серь-
езная проблема для электроэнергетики». Это было сказано в 1995 г.
Сегодня, как известно, такие взгляды в США уже никто не разделяет
(за исключением Dr. Saul Rabinowitz из Electric Power Research
Institute).
1.7. Положение дел в области защиты от ЭМИ ЯВ
Но как обстоит дело сегодня? Можно с уверенностью конста-
тировать, что сегодня ни в России, ни в других странах постсовет-
ского пространства никто серьезно не занимается защитой граждан-
ской инфраструктуры от ЭМИ ЯВ. Головной институт в этой обла-
сти, ЦНИИ-12, располагающий и оборудованием, и специалистами,
осуществляет лишь редкие испытания отдельных образцов военной
техники на устойчивость к ЭМИ ЯВ, полностью игнорируя кри-
тические виды гражданской инфраструктуры, такой как систе-
мы электро- и водоснабжения. Похоже, что никого в России такое
положение дел не волнует, и вопросы защиты инфраструктуры
от ЭМИ ЯВ никому не интересны.
Единственным исключением, наверное, может служить отно-
шение к проблеме Министерства связи, которое с самого начала
экспериментов с ядерными взрывами живо интересовалось пробле-
мой воздействия ЭМИ ЯВ на гражданские системы связи. Впослед-
ствии появилось несколько диссертаций и отчетов на эту тему,
78
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
имеются также и нормативные материалы, например, «Нормы стой-
кости аппаратуры, приборов, устройств и оборудования ЕСС РФ
к воздействию ИИ и ЭМИ ЯВ», введенные решением ГКЭС
при Минсвязи РФ № 143 от 31.01.96. (не публикуется в откры-
той печати), а также ряд стандартов РФ, например, ГОСТ Р
52863-2007 «Защита информации. Автоматизированные системы
в защищенном исполнении. Испытания на устойчивость к предна-
меренным силовым электромагнитным воздействиям. Общие тре-
бования»; ГОСТ Р 53111-2008 «Устойчивость функционирования
сетей связи общего пользования».
К сожалению, ничего подобного нет в области электроэнерге-
тики, которая не менее важна, чем связь.
Полностью противоположная ситуация сложилась в США. Там
этот вопрос поставлен на коммерческую основу и представляет со-
бой хорошо отлаженный бизнес. За последние 10-20 лет там воз-
никли десятки консультационных фирм, пугающих население по-
следствиями воздействия ЭМИ ЯВ. Публикуются десятки книг,
сотни отчетов по этой теме (список основных отчетов, имеющихся
в свободном доступе, приведен в Приложении 2). Заказы на прове-
дение исследований в этой области получили в свое время и десят-
ки частных и правительственных организаций. Вот далеко не пол-
ный их список:
- Metatech Corp;
- Department of Homeland Security (DHS);
- EMP Commission of Congress;
- North American Electric Reliability Corp. (NERC);
- Department of Energy;
- Department of Defense (DoD);
- Critical Infrastructure Partnership Advisory Council (CIPAC);
- Electric Infrastructure Security Council (EICS);
- Defense Science Board (DSB);
- US Strategic Command (USSTRATCOM);
- Defense Threat Reduction Agency (DTRA);
- Defense Logistics Agency (DLA);
- Air Force Weapons Laboratory;
- FBI;
- Sandia National Laboratories;
- Lawrence Livermore National Laboratory (LINL);
79
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
- Oak Ridge National Laboratory;
- Idaho National Laboratories;
- Los Alamos National Laboratories;
- Martin Marietta Energy Systems, Inc.;
- National Security Telecommunications Advisory Committee;
- Federal Emergency Management Agency (FEMA);
- National Academy of Science;
- Task Force on National and Homeland Security;
- EMPrimus;
- SARA Inc.;
- Neighborhood of Alternative Homes (NOAH);
- EMPact America;
- Federal Energy Regulatory Commission (FERC);
- Electric Power Research Institute (EPRI);
- NASA;
- U. S. Northern Command (NORTHCOM);
- SHIELD Act;
- EMP Grid;
- EMP Technology Holding;
- Strategic National Risk Assessment (SNRA);
- Walpole Fire Department.
Оказалось, что тема ЭМИ ЯВ - не что иное, как прекрасный
«долгоиграющий» инструмент для «распиливания» государственного
бюджета. И, похоже, никто не заинтересован в том, чтобы процесс
«распиливания» наконец завершился какими-то конкретными дей-
ствиями по защите систем электроснабжения. В подтверждение это-
му приведем высказывание одного из бывших чиновников Мини-
стерства обороны США Эштона Картера (Dr. Ashton Carter): «Армия,
флот и Стратегическое командование продолжают думать над
тем, чтобы подумать о проблеме». Более определенно на эту тему
высказался исполнительный директор Организации по национальной
безопасности (Task Force on National and Homeland Security) доктор
Питер Винсент Прай (Peter Vincent Pry): «Проблема не в технологиях.
Мы знаем, как защититься от этого. Проблема не в деньгах, это
стоит не так уж дорого. Проблема в политике. Как всегда, появля-
ется политика, которая мешает делу».
В общем, становится понятным, почему на протяжении десят-
ков лет нигде в мире не делается абсолютно ничего конкретного
80
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
по защите инфраструктуры (и электроэнергетики в частности)
от ЭМИ ЯВ, и все ограничивается лишь многостраничными
отчетами об исследованиях, докладами, семинарами, конферен-
циями и другими видами приятного времяпровождения в кругу
коллег. Просто многочисленные «участники процесса» вовсе не
заинтересованы в окончании многолетнего процесса исследова-
ний, а заинтересованы в поддержании этой темы «на плаву»
и сохранении финансирования. Автор лично очень подробно зна-
ком с деятельностью и сотрудниками одной из таких организаций
в США, зарабатывающей сотни тысяч долларов на том, что они
пугают руководителей энергокомпаний по всему миру «страшил-
ками» об ЭМИ ЯВ, а после заключения контракта, грубо говоря,
«навешивают лапшу на уши», рассказывая абсолютно несведущим
в области ЭМИ ЯВ специалистам энергокомпаний и компаний по
водоснабжению байки об ЭМИ и самые общие сведения, которые
можно совершенно свободно и бесплатно получить в интернете.
А если добавить к этому сотни промышленных компаний
по всему миру, рекламирующих весьма дорогостоящие средства
защиты от ЭМИ ЯВ, причем далеко не всегда реально нужные и не
всегда обладающие рекламируемыми качествами (а кто может это
проверить?!), то можно прийти к выводу, что сегодня ЭМИ ЯВ -
это отличный бизнес!
Косвенно поддерживают этот бизнес многочисленные авторы,
в частности, Peter Pry, Ronald Williams, Anthony Furey, Larry Poole,
Bobby Akart, David Hathaway, Michael Maloof и другие, книги кото-
рых представляют собой откровенные «страшилки», предназначен-
ные для запугивания обывателей. Они не содержат почти ника-
кой технически значимой информации и поэтому абсолютно не ин-
тересны специалистам, однако способствуют созданию в обществе
атмосферы всеобщего страха и безысходности, в то время как
на самом деле проблема является вполне решаемой при наличии
желания и воли у руководителей, ответственных за инфраструктуру
страны.
К сожалению, очень часто приходится слышать от таких ру-
ководителей и в России, и в США о том, что защита страны и ее
инфраструктуры от ЭМИ ЯВ - это прерогатива армии, но не граж-
данских специалистов. Армейские специалисты, со своей сторо-
ны, полагают, что они ответственны за защиту от ЭМИ ЯВ лишь
81
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
военного оборудования и снаряжения, но отнюдь не гражданского.
Кроме того, они настаивают на том, что единственной эффективной
защитой против ЭМИ ЯВ является национальная система противо-
воздушной и противоракетной обороны (ПВО и ПРО), в которую
нужно вкладывать побольше бюджетных средств. Такая позиция
представителей ВПК становится вполне понятной, если сравнить
относительно небольшую стоимость средств защиты важнейших
частей и систем инфраструктуры страны от ЭМИ ЯВ со стоимостью
разработки и производства эффективного многоярусного противо-
ракетного щита, защищающего все страну. При этом имеет место
непонимание (или нежелание понимать) того, что чисто военными
средствами, например, средствами ПВО и ПРО, часто невозможно
обеспечить защиту инфраструктуры от многих видов современных
носителей ядерных зарядов. Так, например, современные стратеги-
ческие носители снабжены весьма изощренными средствами пре-
одоления существующих и перспективных систем ПВО и ПРО про-
тивника.
Не менее «успешными» могут оказаться и значительно более
простые небольшие по размерам ракеты малого радиуса действия.
Такие ракеты, размещенные в стандартных морских контейнерах
на кораблях вблизи береговой линии или прямо в портах (рис. 1.54)
и способные доставлять ядерные заряды на расстояние в сотни
километров и подниматься на высоту в десятки километров, явля-
ются источниками ЭМИ, неуязвимыми для любых систем ПРО,
как существующих, так и перспективных, благодаря возможности
скрытного приближения к цели, неожиданности запуска, исклю-
чительно малого подлетного времени и изменяемой в полете траек-
тории.
Возможность скрытно приблизить тактические ракеты с ядер-
ными боеголовками небольшого радиуса действия близко к цели,
чтобы, с одной стороны, исключить возможность их поражения
средствами ПРО, а с другой - вывести из-под действия ограничений
международных договоров, военные специалисты понимали давно,
и попытки создать такие системы начали предприниматься сразу же
с появлением относительно небольших по размеру тактических
ракет с ядерными боеголовками.
82
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Рис. 1.54. Контейнеры на кораблях и в портах, в которых могут находиться
комплексы оперативно-тактических ракет с ядерными боеголовками,
неуязвимыми для систем ПРО
83
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Так, в 1961 г. в США на вооружение воздушно-десантных ча-
стей поступила ракетная система Little John (MGR-3) с неуправляе-
мыми ракетами, способными нести ядерные боеголовки. Легкие
пусковые установки этой системы транспортировались вертолетами
CH-47 Chinook как в кабине, так и на внешней подвеске.
В Советском Союзе быстро оценили перспективность таких си-
стем, и по Постановлению Совета министров СССР № 135-66сс
от 5.02.1962 были начаты работы по созданию тактического ракет-
ного комплекса «Луна-MB» (9К53) на базе ракет 9М21Б с ядерной и
9М21Б1 - с термоядерной боевой частью и пусковой установкой
9П114, представляющей собой легкую самодвижущуюся платфор-
му с карбюраторным двигателем М-407 мощностью 45 л. с. от ав-
томобиля «Москвич». Впоследствии были разработаны несколько
модификаций таких ракетных систем, предусматривающих транс-
портировку грузовыми вертолетами Ми-6 или МИ-10. Предполага-
лось, что вертолет может доставить ракету с пусковой установкой
в тыл противника. Далее при необходимости комплекс проделает
еще какой-то путь на колесах, а затем внезапно нанесет ракетный
удар из точки, где враг и не мог предположить наличие ракетной
установки, что фактически превращает тактический комплекс
в стратегический. Работы по комплексу «Луна-MB» достигли ста-
дии испытаний опытных образцов. Однако встретилось довольно
много трудностей, в том числе большая «парусность» вертолета с
подвешенной пусковой установкой и, соответственно, большой его
снос ветром, а также недостаточная дальность полета нагруженных
вертолетов. В результате в 1965 году работы по этому комплексу
были прекращены.
Современный уровень технологий позволил вернуться к этой
идее и успешно реализовать ее. Примером может служить израиль-
ская ракетная система LORA (Long Range Attack), выполненная
в виде контейнера с четырьмя ракетами (рис. 1.55), который по сво-
ей форме очень напоминает контейнеры российской системы
«Клуб-К» (Club-K) с таким же количеством ракет ЗМ-14КЭ,
Х-35УЭ (рис. 1.55).
Club-K — российский контейнерный комплекс ракетного ору-
жия, который размещен в стандартном 20- или 40-футовом морском
контейнере.
84
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
Рис. 1.55. Контейнерные пусковые установки ракетных
комплексов Club-K (вверху) и LORA (внизу)
Этот комплекс предназначен для поражения надводных и
наземных целей. Комплексом могут оснащаться береговые линии,
суда различных классов, железнодорожные и автомобильные плат-
формы. Комплекс может быть применён с наземных стартовых по-
зиций, морских, железнодорожных и автомобильных платформ.
85
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Могут применяться противокорабельные ракеты (ЗМ-54КЭ,
ЗМ-54КЭ1, Х-35УЭ) и ракеты для поражения наземных целей
(ЗМ-14КЭ, Х-35УЭ). Все ракеты этого комплекса - крылатые, ле-
тящие на небольшой высоте (10-150 м) и не предполагающие ком-
плектацию ядерными боеголовками, в то время как израильский
контейнерный комплекс LORA снабжен оперативно-тактическими
ракетами, поднимающимися на высоту до 45 км и способными до-
ставлять ядерные заряды большой мощности на расстояние
до 300 км.
Сегодня в обороте по всему миру находятся сотни миллионов
стандартных морских контейнеров (рис. 1.50). И кто знает, какие из
них настоящие, а какие начинены ракетами... Несмотря на то, что на
сегодняшний день израильская LORA является фактически един-
ственной полноценной контейнерной системой, способной скрытно
приблизиться на контейнеровозе к побережью страны и поразить ее
территорию электромагнитным импульсом, сам факт существо-
вания такой системы позволяет утверждать, что заверения предста-
вителей военно-промышленного комплекса в том, что надежно
защитить от ЭМИ ЯВ могут только продвинутые системы ПРО
и поэтому средства нужно вкладывать именно в эти системы,
не соответствует действительности и, по существу, являются обма-
ном общественного мнения. Реальная ситуация такова, что армия
не в состоянии обеспечить достаточно надежную защиту систем
электроснабжения городов и населенных пунктов от ЭМИ ЯВ,
и поэтому позаботиться о такой защите заблаговременно должны
сами энергетики.
Литература к главе 1
1. Зельдович Я. Б. Взаимодействие свободных электронов с элек-
тромагнитным излучением//Успехи физических наук. - 1975. -
Т. 115, вып. 2.
2. Компанеец А. С. Радиоизлучение атомного взрыва // Журнал
экспериментальной и теоретической физики.- 1958.- Т. 35,
вып. 6 (12).-С. 1538-1544.
3. Gilinsky V. Kompaneets Model for Radio Emission from a Nuclear
Explosion. - Memorandum RM-4134, Rand Corporation, August
1964.
86
Глава 1. Электромагнитный импульс - посылка из прошлого
4. Харитон Ю. Б., Смирнов Ю. Н. Мифы и реальность советского
атомного проекта. - Арзамас-16: ВНИИЭФ, 1994, 72 с.
5. Seguine, Howard. Memorandum for Record, Subject: US-Russian
Meeting at Lawrence Livermore National Laboratory, February
14-15, 1995.
6. Greetsai V. N., Kozolovsky A. H., Kuvshinnikov V. M., Lobo-
rev V. M., Parfenov Y. V., Tarasov O. A., Zdoukhov L. N. Response
of Long Lines to Nuclear High-Altitude Electromagnetic Pulse
(HEMP) // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. -
1998. - Vol. 40, Issue 4. - Pp. 348-354.
7. Батурин В. П., Гайнуллин К. Г, Голубев А. И. и др. Некоторые
расчетно-теоретические модели и программы для исследования
электродинамических эффектов, сопровождающих ядерные
взрывы / Сб. науч. тр. «Вопросы математического моделирова-
ния, вычислительной математики и информатики», Арзамас-16:
всерос. науч.-исслед. ин-т эксперим. физики, 1994. - С. 117-130.
8. Борискин А. В., Золотов В. А., Кравченко А. С. и др. Транспор-
табельные имитаторы электромагнитных импульсов на основе
магнитокумулятивных генераторов // Прикладная механика
и техническая физика. - 2000. - Т. 41, № 3. - С. 6-12.
9. Акбашев Б. Б., Балюк Н. В., Кечиев Л. Н. Защита объектов теле-
коммуникаций от электромагнитных воздействий. - М.: Грифон,
2013.-472 с.
10. Бурутин А. Г., Перцев С. Ф., Балюк Н. В. Экспериментально-
испытательная база Минобороны России // Технологии ЭМС. -
2010. -№ 1.-С. 33-37.
11. Бурутин А. Г., Перцев С. Ф., Балюк Н. В. Оружие и электро-
магнитные факторы // Военный парад. - 2009. - № 6. - С. 14-16.
12. Loborev V. V. Up to Date State of the NEMP Problems and Topical
Research Directions. - Electromagnetic Environments and Conse-
quences: Proceedings of the EUROEM 94 International Symposium,
Bordeaux, France, 30 May - 3 June 1994. - Pp. 15-21.
87
Глава 2. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ОБ ЭМИ ЯВ ДЛЯ ИНЖЕРОВ-ЭЛЕКТРИКОВ
2.1. Насколько современны
«современные представления»?
Следует сразу же отметить, что современные представления об
ЭМИ ЯВ не только основываются на результатах испытаний и ис-
следований этого явления, полученных при ядерных испытаниях
более чем 50-летней давности, но и практически не отличаются от
них. Все основные параметры ЭМИ ЯВ, которые сегодня прописа-
ны в открытых военных и гражданских стандартах без всяких ссы-
лок на источники информации заимствованы из старых, ранее за-
секреченных отчетов об испытаниях и исследованиях (собственно,
поэтому и отсутствуют ссылки на них). Например, все основные
данные и кривые, приведенные в стандарте Международной элек-
тротехнической комиссии (МЭК) IEC 61000-2-9 [1], автор этих
строк обнаружил в таких старых отчетах, хотя соответствующих
ссылок в стандарте нет. Также большинство последующих (напи-
санных в 80-90-х годах прошлого века) и уже открытых отчетов по
этой теме, подготовленных различными организациями, содержат
большое количество рисунков, кривых, таблиц, заимствованных их
этих старых, в прошлом секретных отчетов. Большинство совре-
менных книг на эту тему (например, [2]) представляют собой воль-
ный перевод и пересказ данных уже из этих более поздних откры-
тых отчетов (например, [3]).
По изложенным выше причинам, приводя сегодня ссылки на
использованные источники по теме, нельзя быть уверенным, что
это действительно первоисточник информации, а не многоступен-
чатое заимствование. Поэтому, приводя ниже основные сведения об
ЭМИ ЯВ, автор не даёт в некоторых случаях конкретных ссылок на
первоисточник информации, хотя читателю должно быть понятно
и без этих ссылок, что приведенные ниже сведения автор, не участ-
вовавший лично в ядерных испытаниях, мог подчерпнуть лишь из
опубликованных ранее открытых или рассекреченных отчетов
и стандартов.
88
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
2.2. Физические процессы,
лежащие в основе ЭМИ ЯВ
Физические процессы, сопровождающие подрыв ядерного бое-
припаса на большой высоте, очень сложны, и их точное знание во-
все не обязательно для специалистов в области электроэнергетики,
на которых рассчитана данная книга. Более того, начав здесь стро-
гое описание физических процессов с неизбежным привлечением
сложного математического аппарата, можно лишь отпугнуть чита-
теля и заставить его пропустить данный раздел. Автору очень не
хотелось бы этого, поэтому он приводит ниже теорию ЭМИ ЯВ
и описание его основных параметров, так сказать, в популярной
форме, рассчитанной на инженеров-электриков, а не на физиков-
ядерщиков.
В соответствии с классификацией Международной электротех-
нической комиссии - МЭК (позаимствованной из секретного воен-
ного стандарта MIL-STD-2169) выделяют три компонента ЭМИ ЯВ:
Е1,Е2иЕЗ (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Параметры компонентов Е1, Е2 и ЕЗ
высотного ядерного взрыва в соответствии с IEC 61000-2-9
Е1 - самый «быстрый» и самый «короткий» компонент ЭМИ
ЯВ, обусловленный мощным рентгеновским излучением (у-квантами
или рентгеновскими фотонами), возникающим при подрыве ядерного
боеприпаса. Излучение взаимодействует с атомами воздуха, выбивая
89
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
из последних свободные электроны (так называемые «комптоновские
рассеянные электроны»), см. рис. 2.2. Эти электроны захватываются
магнитным полем Земли и по спирали устремляются с околосветовой
скоростью по направлению к поверхности земли. Направленный по-
ток электронов - это электрический ток, образующий магнитное
поле. Быстро изменяющийся от нуля до амплитудного значения
всплеск магнитного поля создает мощный всплеск (импульс) элек-
трического поля, описываемый уравнениями Максвелла. При ядер-
ном взрыве он достигает у поверхности земли напряженности
в 50 кВ/м.
АТОМ ВОЗДУХА
Рис. 2.2. Образование комптоновских свободных электронов
при ядерном взрыве в воздухе
Это взаимодействие очень быстро движущихся отрицательно
заряженных электронов с магнитным полем производит импульс
электромагнитной энергии, сконцентрированной магнитным полем
Земли и направленной с высоты на землю. По определению МЭК,
полная продолжительность импульса ЭМИ ЯВ может составлять
около одной микросекунды (1 000 наносекунд).
Компонент Е1 обусловлен самым интенсивным электромаг-
нитным полем, вызывающим очень высокие перенапряжения
в электрических цепях; он создает вблизи уровня земли на уме-
ренно высоких широтах импульсные напряжения до 50 кВ/м при
плотности мощности около 6,6 МВт на квадратный метр. Компо-
нентом Е1 обусловлено большинство повреждений электронного
90
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
оборудования, связанных с воздействием перенапряжений и элек-
трическим пробоем р-я-переходов полупроводниковых элементов
и изоляции. Обычные разрядники, эффективные для защиты от ат-
мосферных перенапряжений, не всегда успевают сработать и защи-
тить оборудование при воздействии компонента Е1.
Следует отметить, что комптоновская модель, описанная в [4],
основана на некоторых предположениях, которые не следуют из
принципов существующей электродинамики и поэтому подвергает-
ся сомнению некоторыми авторами. Тем не менее эта модель счита-
ется сегодня общепринятой (другой просто нет).
Классическая электродинамика Дж. Томпсона предполагала
лишь волновую природу света. Под действием такой волны, пада-
ющей на электрон, он должен колебаться с частотой, равной часто-
те поля (то есть длине волны падающего света) и излучать вторич-
ные (рассеянные) волны той же частоты. То есть при «томпсонов-
ском» рассеянии в этом процессе не должны присутствовать волны
какой-то другой частоты. Однако при исследовании Артуром Комп-
тоном (рис. 2.3) рассеяния рентгеновских лучей на парафине он об-
наружил, что рассеянные в парафине рентгеновские лучи имеют
большую длину волны, чем падающие рассеянные лучи, то есть
наряду с излучением первоначальной длины волны было зареги-
стрировано также излучение с большей длиной волны.
Рис. 2.3. Лауреат Нобелевской премии по физике
Артур Холли Комптон (Arthur Holly Compton)
91
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Теоретическое объяснение этому явлению было дано А. Комп-
тоном (а затем и независимо от него П. Дебаем) на основе корпус-
кулярной теории света, предложенной А. Эйнштейном в 1905 г.
Действительно, если принять, что световое излучение представляет
собой поток частиц (корпускул) - фотонов, то эффект Комптона
есть результат упругого столкновения рентгеновских корпускул-
фотонов со свободными электронами вещества. У легких атомов
рассеивающих веществ электроны слабо связаны с ядрами атомов,
поэтому их можно считать свободными. В процессе столкновения
фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соот-
ветствии с законами сохранения энергии. При этом потеря фотоном
части энергии регистрируется в эксперименте как уменьшение ча-
стоты излучения (увеличение длины волны). Это увеличение длины
волны получило название «комптоновского смещения». За это от-
крытие, подтверждающее двойственную (корпускулярно-волновую)
теорию света, А. Комптон был удостоен 1927 г. Нобелевской пре-
мии по физике.
Е2 - это «промежуточный» по скорости нарастания и длитель-
ности компонент ЭМИ, возникающий как вторичный эффект дви-
жения комптоновских электронов в магнитном поле Земли. По сво-
им параметрам компонент Е2 имеет много общего с электромагнит-
ными импульсами атмосферного происхождения (то есть близ-
кой молнией). Напряженность поля Е2 может достигать 100 В/м.
Из-за сходства параметров компонента Е2 с молнией и наличия хо-
рошо отработанных технологий защиты от молний считается, что
защита от компонента Е2 не представляет проблемы.
ЕЗ (или магнитогидродинамический эффект ЭМИ ЯВ) - это
компонент, очень сильно отличающийся от двух других основных
компонентов ЭМИ. Это очень «медленный» импульс, длящийся
десятки - сотни секунд и обусловленный смещением и последую-
щим восстановлением магнитного поля Земли. Компонент ЕЗ имеет
сходство с геомагнитной бурей, вызванной очень интенсивной сол-
нечной вспышкой. Геомагнитные индуцированные токи - это токи,
протекающие в земле, вызванные геомагнитными возмущениями
в магнитосфере Земли. В основе компонента ЕЗ лежат магнитогид-
родинамические эффекты взаимодействия плазмы продуктов ядер-
ного взрыва и разогретого ионизированного воздуха с магнитным
полем Земли.
92
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
Рис. 2.4. Две стадии магнитогидродинамического
эффекта ЭМИ ЯВ [5]:
а) «взрывная волна», б) «вспучивание»
б)
Различают две стадии этого эффекта, называемые в зарубежной
литературе Blast Wave («взрывная волна») и Heave («вспучивание»),
с отличающимися механизмами образования и длительностью,
рис. 2.4.
Рис. 2.5. Изменение напряженности горизонтальной составляющей
электрического поля на поверхности Земли в результате
воздействия компонента ЕЗ ЭМИ ЯВ: слева - импульс, зарегистрированный
во время испытательного взрыва по проекту Starfish Prime;
справа - стандартный импульс
(в соответствии со стандартом IEC 61000-2-9 [1])
Первая стадия с длительностью до 1-10 с. обусловлена разле-
том больших плазменных субстанций, образующихся при взрыве
93
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
в разреженном воздухе (на большой высоте) и в присутствии маг-
нитного поля Земли. При этом происходит сложное взаимодействие
между ионами плазмы, магнитным полем, гамма- и рентгеновским
излучениями, сопровождающееся образованием вихревого электри-
ческого поля. Эти физические эффекты приводят к сильному сме-
щению магнитного поля Земли, которое тем сильнее, чем мощнее
энергия взрыва и высота взрыва над поверхностью Земли. На вто-
рой стадии происходит вспучивание и быстрый подъем вверх рас-
каленных в результате взрыва и сильно ионизированных масс воз-
духа, то есть фактически плазмы. Пересечение ионизированной
плазмой силовых линий магнитного поля Земли сопровождается
поляризацией воздушного слоя и генерацией мощного электриче-
ского поля, которое, в свою очередь, формирует сильные циркули-
рующие токи в ионосфере. Процессы эти относительно медленные.
Длительность этой фазы взрыва составляет 10-300 сек.
Результатом всех этих процессов в разреженной атмосфере яв-
ляется возникновение у поверхности Земли относительно медленно
изменяющегося электрического поля с напряженностью в едини-
цы - десятки вольт на километр (рис. 2.5).
Несмотря на небольшую напряженность электрического поля,
вызванного компонентом ЕЗ ЭМИ ЯВ, оно наводит в протяженных
металлических предметах (трубах, рельсах, проводах ЛЭП) доволь-
но сильные электрические токи очень низкой частоты (менее 1 Гц),
94
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
то есть квазипостоянные токи, которые представляют опасность для
силового электрооборудования, не предназначенного для работы с
постоянными токами (трансформаторы, генераторы).
Следует отметить, что при всей его опасности и для электрон-
ного, и для силового электротехнического оборудования, энергия
ЭМИ ЯВ не такая уж и высокая и составляет менее 1 % от энергии,
выделяющейся при ядерном взрыве (ЯВ). Во всяком случае, энергия
ЭМИ ЯВ меньше энергии, выделяющейся при ударе молнии
(рис. 2.6). Поэтому с 80-х годов прошлого столетия в ряде стран
мира усиленно работают над созданием так называемого «Супер-
ЭМИ» ядерного заряда с усиленным выходом электромагнитного
излучения. Работы ведутся в основном в двух направлениях: за счет
создания вокруг заряда специальной оболочки из вещества, допол-
нительно испускающего у-излучение (рентгеновские фотоны) высо-
кой энергии при облучении его нейтронами ядерного взрыва,
а также за счет фокусировки у-излучения. По расчетам специали-
стов, с помощью Супер-ЭМИ можно будет значительно усилить
компонент Е1, за счет чего создать напряженность поля у поверхно-
сти Земли порядка сотен и даже тысяч киловольт на метр. Причем
военные и не скрывают, что главными целями такого ЭМИ оружия
в будущих конфликтах будут системы государственного и военного
управления, а также национальная инфраструктура, включающая
системы электро- и водоснабжения, связи.
ВЫСОТНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ
ЭПИЦЕНТР ВЗРЫВА
Рис. 2.7. Образование импульса электрического поля у поверхности земли
при высотном ядерном взрыве
95
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рисунок 2.7 (с английским текстом) кочует из одного отчета
в другой, из одного стандарта - в другой, однако первоисточником
его является советский секретный отчет № AD-A955391 [6], напи-
санный 40 лет тому назад (рис. 2.8).
during the time between collisions in the rare-
field medium. The accelerated electrons produce
the characteristic synchrotron radiation with a
large high-frequency content. The peak ampli-
tude of the electric field near the surface may be
quite large, a feu tens of thousands of volts/
meter for high bursts. Figure 7-13 illustrates the
basic geometry of this burst.
Та? а
(pw
Рис. 2.8. Страница из частично рассекреченного
(точнее, «вычищенного», sanitized version, с зачеркнутыми грифами
Top Secret вверху и внизу каждой страницы)
отчета № AD-A955391, глава 7 которого посвящена ЭМИ ЯВ
и его характеристикам
96
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
Поскольку наиболее опасным для электронного и электротех-
нического оборудования по общему признанию является компонент
Е1, рассмотрим его свойства и параметры более подробно.
Оказалось, что в атмосфере существует некая область
(deposition region), расположенная на высоте 20-40 км (стратосфе-
ра) в которой происходит образование максимального количества
электронов от рентгеновского излучения, воздействующего на эту
зону сверху, и от вторичных электронов, выбитых из атомов возду-
ха комптоновскими электронами (рис. 2.7). Каждый комптоновский
электрон обладает энергией около 1 млн электрон-вольт (MeV)
и производит на своем пути в воздухе около 30 000 вторичных
пар «электрон - ион» из атомов воздуха, которые и образуют эту
электропроводную область [7].
Рис. 2.9. Увеличение зоны образования комптоновских электронов
с увеличением мощности заряда и высоты его подрыва:
вверху для заряда 1 МТ, внизу - 10 МТ [8]
97
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Эта зона остается практически неизменной по высоте для заря-
дов различной мощности, но ее радиус существенно расширяется
с увеличением мощности заряда и высоты его подрыва (рис. 2.9) [8].
Однако плотность воздуха на разных высотах разная, и это не
может не сказаться на свойствах возникающего импульса электри-
ческого поля. Оказалось, что при большой высоте подрыва ядерно-
го заряда (ЯЗ) в сильно разреженной атмосфере количество атомов
воздуха мало и, следовательно, количество образующихся свобод-
ных электронов также мало. Кроме того, путь пробега этих свобод-
ных электронов до зоны образования комптоновских электронов
настолько велик, что большинство из них успевают на этом пути
преобразоваться, и поэтому импульс электрического поля у поверх-
ности земли получается ослабленным. И наоборот, при низком ЯВ
в плотных слоях атмосферы, то есть ниже слоя образования комп-
тоновских электронов, количество этих электронов снижено, путь
свободных электронов к поверхности земли сильно затруднен
и также сопровождается усиленной рекомбинацией, что, опять-
таки, приводит к ослаблению импульса электрического поля у по-
верхности земли. По некоторым данным, попавшим в открытые от-
четы, существует некая оптимальная высота ЯВ, при которой
напряженность электрического поля у поверхности земли макси-
мальна (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Зависимость напряженности электрического поля
компоненты Е1 у поверхности земли от высоты ЯВ
98
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
Но поскольку рентгеновское излучение от точки взрыва рас-
пространяется по прямой и не следует за кривизной Земли, то ради-
ус зоны воздействия ЭМИ ограничивается расстоянием от точки
взрыва до горизонта. Совершенно очевидно, что с увеличением вы-
соты ЯВ будет увеличиваться и зона влияния ЭМИ ЯВ на наземное
электрооборудование (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Зависимость зоны влияния ЭМИ ЯВ от высоты взрыва
Рис. 2.12. Зависимость напряженности электрического поля ЭМИ ЯВ
от высоты взрыва и мощности ядерного заряда
99
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Однако зона влияния - это еще не зона поражения, так как од-
новременно с расширением зоны влияния ЭМИ ЯВ за счет увели-
чении высоты взрыва происходит ослабление электрического поля
у поверхности земли.
Кроме того, совершенно очевидно, что эта напряженность
электрического поля будет в сильной степени зависеть также
и от мощности ядерного заряда (рис. 2.12). Более того, из графика
на рис. 2.12 хорошо видно, что и оптимальная высота взрыва не
есть величина постоянная. Она увеличивается с увеличением мощ-
ности ядерного заряда. Но и это еще далеко не все. Эксперимен-
тальные измерения напряженности электрического поля на различ-
ных расстояниях от эпицентра взрыва дали очень странную картин-
ку (рис. 2.13) [6]. Вопреки ожиданиям и здравому смыслу, оказа-
лось, что непосредственно в эпицентре взрыва напряженность поля
минимальна (зона А), а максимальное его значение получается
где-то в стороне от эпицентра (зона В на рис. 2.13).
СЕВЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ ПОЛЮС
Рис. 13. Распределение напряженности электрического поля
компоненты Е1 ЭМИ ЯВ на различном удалении от эпицентра
(для ЯВ, произведенных на высотах от 100 до 500 км
с эпицентром, расположенным между 30 и 60 градусами
северной широты) [6]
100
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
Причем не только амплитуда напряженности электрического поля
имеет разные значения в этих приземных областях, но также форма
и длительность импульса Е1 (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Форма и длительность импульса электрического поля
компоненты Е1 в различных зонах на поверхности земли
Рис. 15. Стандартная форма импульса Е1 ЭМИ ЯВ [6]
101
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Поэтому для общего применения была рассчитана некая усреднен-
ная кривая составляющей Е1 (рис. 2.15), которая и применяется се-
годня как стандартная кривая импульса Е1 с временными парамет-
рами 2,5/23 нс и амлитудой 50 кВ/м (рис. 2.15). Что такое 2,5/25 нс?
Это некая условная величина, характеризующая форму импульса.
Она представляет собой отношение времени нарастания импульса
(передний фронт), рассчитываемое как время, в течение которого
величина импульса возросла с 10 до 90% (2,5 нс) амплитудно-
го значения, к ширине импульса на уровне половины амплитуды
(23 нс, а в некоторых стандартах - 25 нс), см. рис. 2.16.
Рис. 16. К пояснению величины, называемой «ширина импульса на уровне
половины амплитуды» (FWHM - full width at half maximum)
Рис. 2.17. Форма ЭМИ ЯВ, предложенная в разное время
различными авторами
102
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
Однако рассчитана она была далеко не сразу. Различные авто-
ры выдавали существенно различающиеся между собой параметры
импульса (рис. 2.17, табл. 1).
Таблица 2.1
Параметры ЭМИ ЯВ, предложенные
в разное время различными авторами
Источник Параметр Bell Labs 1960 А [9] Baum 1992 В [10] Leuthauser 1994 С [И] VG95371-10 1995 D[12] IEC 61000- 2-9 1996 E[l]
Амплитуда, кВ/м 50 50 60 65 50
Передний фронт, нс 4,6 2,5 1,9 0,9 2,5
Ширина импульса на уровне половины амплитуды, нс 184 23 23,8 24 23
Плотность энергии, Дж/м 0,891 0,114 — 0,196 0,114
Но в конце концов была принята версия, изложенная в стандар-
тах MIL-STD-464A и IEC 61000-2-9, то есть импульс Е1 ЭМИ ЯВ
приобрел общепринятую форму, показанную на рис. 2.15.
Однако и здесь не все так просто, ведь энергия импульса
в значительной степени зависит от формы импульса. То есть мень-
шая амплитуда импульса в зоне А на рис. 2.13 еще не говорит
о том, что и энергия импульса в этой зоне будет меньшей. Из ис-
следования, выполненного в [13] следует, что скорее всего эта энер-
гия не уменьшится (рис. 2.18), поскольку более широкие и поло-
гие импульсы малой амплитуды обладают такой же энергией,
как и более короткие и крутые импульсы с большой амплитудой.
Здесь, правда, следует отметить, что указанные авторами [13] зна-
чения F (Fall Time) - задний фронт или время спада импульса,
не используются для обозначения параметров ЭМИ ЯВ (также,
как и грозового импульса), а используется параметр, называемый
«ширина импульса на уровне половины амплитуды». Более того,
даже если допустить использование величины времени спада
103
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
импульса (это время, в течение которого величина сигнала снижа-
ется от 90 до 10 % амплитуды), то даже и в этом случае приведен-
ные на этом графике значения никак не соответствуют самим гра-
фикам. Обращение ко всем трем авторам статьи [12] с просьбой
объяснить ситуацию не дали результата: ни один из авторов не со-
изволил ответить.
Рис. 2.18. Расчетные импульсы ЭМИ ЯВ разной формы
с одинаковой энергией
Рис. 19. Распределение напряженности электрического поля
по частотному диапазону при разложении в ряд Фурье
стандартного импульса Е1
104
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
Разложение в ряд Фурье стандартной кривой импульса Е1
(рис. 2.19) по данным [3], показывает, что в диапазоне частот от
10 кГц до 1 МГц напряженность электрического поля остается от-
носительно постоянной и максимальной, но быстро уменьшается
(почти в 10 раз) при увеличении частоты от 1 МГц до 100 МГц
В довольно необычной, но наглядной форме частотный диа-
пазон ЭМИ ЯВ представлен в [14] (рис. 2.21).
Рис. 2.21. Частотный диапазон ЭМИ ЯВ по версии [13]
105
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Поэтому частотный диапазон ЭМИ ЯВ стандарт IEC 61000-2-9
[1] определяет в пределах 100 кГц - 100 МГц, в котором выделяется
96 % энергии импульса (рис. 2.20). А если сузить энергетический
диапазон до 90 %, то частотный диапазон ЭМИ ЯВ сузится до преде-
лов 100 кГц - 10 МГц (рис. 2.22) [15].
Рис. 2.22. Распределение энергии в спектре электромагнитного
импульса для высотного ядерного взрыва (по данным [15])
Такое существенное сжатие частотного диапазона ЭМИ ЯВ
по сравнению с некоторыми утверждениями, в которых частотный
диапазон ЭМИ ЯВ простирается до 1 ГГц, очень важно, поскольку
этим диапазоном определяются важнейшие характеристики защит-
ных материалов, элементов и предлагаемых технических решений,
а также требования к ним. Очевидно, что и на частоте 1 ГГц обна-
руживается какая-то часть спектра ЭМИ ЯВ, однако вклад этой
части в суммарную энергию импульса настолько незначителен,
что им можно пренебречь.
Но все же с чем связана такая странная форма (рис. 2.13) рас-
пределения электрического поля от эпицентра ЯВ? Поскольку
в процессе образования ЭМИ самую непосредственную роль иг-
рает магнитное поле Земли, то ответ на этот вопрос очевиден: маг-
нитное поле Земли. Оказывается, магнитное поле Земли имеет
106
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
довольно занимательную структуру и форму. Во-первых, магнит-
ные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами
и имеют тенденцию к медленному перемещению. Во-вторых, ве-
личина магнитного поля различна в разных точках земной поверх-
ности. Чем оно слабее, тем меньше будет интенсивность ЭМИ ЯВ.
В-третьих, векторы горизонтальной и вертикальной составляющих
индукции магнитного поля имеют определенные углы.
Рис. 2.23. Карта изолиний общего магнитного поля
(в микротеслах - рТ) на поверхности Земли
Угол между географическим и магнитным меридианами
в определенной точке земной поверхности, который показывает от-
личие между показаниями магнитного компаса и истинным направ-
лением на север в данной точке земной поверхности, называется
магнитным склонением. Угол, на который отклоняется стрелка
компаса под действием магнитного поля Земли в вертикальной
плоскости, называется магнитным наклонением. В северном полу-
шарии указывающий на север конец стрелки отклоняется еще
и вниз (то есть к поверхности Земли), в южном — вверх. Для изме-
рения магнитного наклонения используют специальный прибор -
инклинатор.
На рис. 2.23 показана карта изолиний интенсивности общего
магнитного поля на поверхности Земли. Изолиния представляет
107
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
собой линию, в каждой точке которой измеряемая величина сохра-
няет одинаковое значение.
Поскольку, как было показано выше, в процессе образова-
ния ЭМИ ЯВ непосредственно участвует магнитное поле Земли,
а оно, как известно, отличается своей неравномерностью, то по рас-
четам, представленным в [16], получается, что один и тот же по
мощности и высоте подрыва ядерный заряд будет создавать у по-
верхности земли электромагнитные импульсы, существенно отли-
чающиеся по амплитуде электрического поля и по энергии в зави-
симости от положения (геомагнитной широты) эпицентра взрыва
(рис. 2.24).
t, ns
Рис. 2.24. Изменение напряженности электрического поля ЭМИ ЯВ
в зависимости от широты в северном полушарии
для заряда мощностью 10 кт и высоты подрыва 200 км
В соответствии с расчетами, выполненными в [17] с помощью
специальной программы МСНП, которая предназначена для имита-
ции физических процессов рассеяния комптоновских электронов,
были получены данные об амплитуде ЭМИ ЯВ в эпицентре взрыва
при подрыве боеприпаса мощностью 1 Мт на высоте 100 км при
различном удалении эпицентра от экватора (табл. 2).
108
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
Таблица 2.2
Зависимость амплитуды ЭМИ ЯВ в эпицентре взрыва
в зависимости от его удаления от экватора (1 Мт, 100 км)
Расстояние эпицентра взрыва от экватора Амплитуда ЭМИ ЯВ, В/м
50 км севернее 2 866
26 км севернее 11 447
экватор 20 777
57,7 км южнее 35 494
100 км южнее 40 042
173 км южнее 40 227
247 км южнее 37 071
290 км южнее 34 802
514 км южнее 30 796
Еще больше осложняет дело тот факт, что рассматриваемая до
сих пор форма импульса ЭМИ ЯВ с параметрами 2,5/25 (2,5/23) нс
относится к импульсу напряжения, прикладываемого к аппаратуре.
Но импульс тока, который начинает протекать под действием этого
приложенного импульса напряжения, имеет совершенно другую
форму: 10/100 нс (IEC 61000-5-3, IEC 61000-2-10), см. рис. 2.25.
Рис. 2.25. Стандартная форма импульса тока ЭМИ ЯВ
Форма импульса тока будет очень сильно зависеть от характера
нагрузки, то есть индуктивности и емкости цепи тока. Очевидно,
109
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
что при изменении длины кабеля (провода) будут изменяться и его
параметры, и форма импульса тока, протекающего по нему, а также
и амплитуда этого тока (рис. 2.26) [18].
Рис. 2.26. Изменение амплитуды тока, протекающего в кабеле
под влиянием ЭМИ ЯВ в зависимости от длины кабеля (от 1 м до 10 м)
Однако для упрощения дела была принята некая усредненная
стандартная форма импульса тока с параметрами 10/100 нс.
Рис. 2.27. Влияние глубины залегания кабеля в земле на форму импульса
тока, наведенного стандартным ЭМИ ЯВ (50 кВ/м)
для грунта с проводимостью о = 10'2 мОм/м [3]
110
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
Еще сложнее обстоит дело с электрическими кабелями, прохо-
дящими в земле, поскольку грунт является полупроводящей средой,
частично отражающей падающую на него электромагнитную волну,
а частично шунтирующей ЭМИ. Очевидно, что степень влияния
грунта на ослабление ЭМИ ЯВ, действующего на кабели, будет су-
щественно зависеть от его электропроводности, а также от глубины
залегания кабелей (рис. 2.27) [3].
Из всего вышеизложенного должно быть понятно, что приня-
тые в стандартах значения, описывающие ЭМИ ЯВ, являются очень
сильно усредненными и обобщенными и на самом деле очень дале-
ки от реальных значений, которые могут иметь место в реальных
условиях для реальных электроустановок. Единственное, что при
этом успокаивает, так это то, что в большинстве случаев в стандар-
тах указаны значения, соответствующие наиболее тяжелому слу-
чаю, и в реальных условиях воздействия ЭМИ ЯВ на аппаратуру
будут слабее описанных в стандартах.
ADMINISTRATIVE
NOTICE
NOT MEASUREMENT
SENSITIVE
MIL-STD-2169B
NOTICE 1
19 January 2012
DEPARTMENT OF DEFENSE
INTERFACE STANDARD
HIGH-ALTITUDE ELECTROMAGNETIC PULSE (HEMP) ENVIRONMENT
The standard is classified and requests for this document shall be referred to the Defense
Threat Reduction Agency. 8725 John J. Kingman Road, Stop 6201. Ft. Belvoir, VA
22060. The point of contact is Mr. Michael Rooney at michael.rooney@dtra.mil.”
Custodians:
Army - AV
Navy’ - SH
Air Force - 11
DISA-DC5
Preparing Activity:
DTRA-DS
Рис. 2.28. Сведения о стандарте MIL-STD-2169DB,
выдаваемые архивом США по запросу
111
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Тем не менее для военных целей еще в 1985 г. Министерством обо-
роны США был разработан специальный стандарт MIL-STD-2169,
который с тех пор неоднократно пополнялся и корректировал-
ся и в котором все многообразие рассмотренных выше взаимосвя-
зей представлено в виде номограмм, позволяющих рассчитывать
влияние ЭМИ ЯВ на объекты, расположенные в различных усло-
виях. К сожалению, этот стандарт до сих пор является секретным
(рис. 2.28).
Литература к главе 2
1. IEC 61000-2-9 Electromagnetic compatibility (EMC) Part 2: Envi-
ronment - Section 9: Description of HEMP environment - Radiated
disturbance, 1996.
2. Акбашев Б. Б., Балюк H. В., Кечиев Л. Н. Защита объектов теле-
коммуникаций от электромагнитных воздействий - М.: Грифон,
2013.-472 с.
3. Report №ЕР 1110-3-2 Electromagnetic Pulse (EMP) and Tempest
Protection for Facilities, Engineering Department of the Army,
Washington, 1990.
4. Louis W. Seiler, Jr. A Calculational Model for High Altitude EMP.
Air Force Institute of Technology. Report AD-A009208. Wright-
Patterson Air Force Base, Ohio. March 1975.
5. Study to Access the Effects of Magnetohydrodinamic Electromag-
netic Pulse on Electric Power Systems. - Report ORNL/sub-
83/43374/1/v, Oak Ridge National Laboratory, 1985.
6. Philip J. Dolan’s Capabilities of Nuclear Weapons, DNA-EM-1 chapter
7, page 7-1 (change 1 page updates, 1978), report AD-A955391.
7. Report AD-A144408. Evaluation of Methodologies for Estimating
Vulnerability to Electromagnetic Pulse Effect. Washington, 1984.
8. Glasstone S., Dolah P. J. The Effect of Nuclear Weapons. - US De-
partment of Defense, Energy Research and Development Admin-
istration, Washington, 1977.
9. EMP Engineering and Design Principles, Electrical Protection De-
partment, Bell Telephone Laboratories, 1975.
10. С. E. Baum. From the Electromagnetic Pulse to High-Power Elec-
tromagnetics. - Proc. IEEE, Vol. 80, No. 6, June 1992, pp. 789-817.
112
Глава 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
И. К-D. Leuthauser. A Complete EMP Environment Generated by
High-Altitude Nuclear Bursts: Data and Standardization. - Theoreti-
cal Note 364, Air Force Phillips Laboratory, February 1994.
12. VG95371-10 from Bundesamt fur Wehrtechnik und Beschaffung,
Germany (replaces Edition 1993-08).
13. Ghandehari M. B., Lotfi-Neyestanak A. A., Naser-Moghadasi M.
Electromagnetic Pulse Coupling Inside a Rectangular Enclosure with
an Apperture // Journal of Electromagnetic Analysis and Applica-
tions. - 2011. - № 3. - Pp. 84-89.
14. Viel J. Testing for Immunity to EMP. - Compliance, 2010, 1 Jule.
15. High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP Testing. Test Opera-
tion Procedure (TOP 01-02-620)// U. S. Army Test and Evaluation
Command. - 2011. - November 10.
16. Leuthauser K. D. A Complete EMP Environment Generated by
High-Altitude Nuclear Bursts, Theoretical Note 363, October 1992.
17. Meng C. Numerical Simulation of the HEMP Environment// IEEE
Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 2013. - Vol. 55,
№3.-Pp. 440-445.
18. Jianguo Z., Xin Z. Coupling Effect of Transmission Lines by HEMP
Based on CST. - General Assembly and Scientific Symposium
(URSI GASS), 16-23 Aug., 2014, Beijing, China.
113
Глава 3. ИМИТАТОРЫ ЭМИ ЯВ
3.1. Принцип действия имитаторов ЭМИ ЯВ
После подписания СССР, США и Великобританией в 1963 г.
Договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере,
космическом пространстве и под водой (который в последствие был
расширен до безусловных рамок Договором о всеобъемлющем за-
прещении ядерных испытаний 1996 года), ведущие мировые держа-
вы начали интенсивно разрабатывать и строить имитаторы ЭМИ ЯВ
для испытаний своих систем вооружения. Поскольку наиболее
сильное воздействие на чувствительную электронную аппаратуру
систем управления, связи, навигации оказывает составляющая Е1
ЭМИ ЯВ и от нее сложнее всего защитить эту аппаратуру, то имен-
но для воспроизведения этого воздействия и создавались такие
имитаторы.
Рис. 3.1. Монтаж одного из первых исследовательских имитаторов
ЭМИ ЯВ в США
114
Глава 3. Имитаторы ЭМИ ЯВ
Современный типовой имитатор ЭМИ ЯВ состоит из двух ос-
новных частей: источника высоковольтных импульсов и антенной
системы, формирующей импульс электрического поля (соответ-
ствующий составляющей Е1) в рабочем объеме имитатора, в кото-
ром размещен испытуемый объект (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Типовая конструктивная схема имитатора ЭМИ ЯВ
В качестве источника высоковольтных импульсов используется
обычно генератор импульсных напряжений (ГИН), собранный
по схеме Маркса.
Рис. 3.3. Упрощенная электрическая схема и настольный
экспериментальный действующий макет генератора Маркса:
С1-С4 - конденсаторы; G1-G3 - разрядники; R2-R6 - резисторы,
выравнивающие распределение напряжений на конденсаторах
Этот генератор содержит набор высоковольтных конденса-
торов, заряжаемых параллельно от внешнего источника высокого
115
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
напряжения, и управляемых разрядников, соединенных таким обра-
зом, что в момент пробоя этих разрядников конденсаторы оказыва-
ются соединенными последовательно и на выходных электродах
генератора образуется напряжение, равное сумме напряжений всех
конденсаторов (рис. 3.3). На фотографии макета генератора Маркса
(рис. 3.3) хорошо видны небольшие искры на многочисленных раз-
рядных промежутках и одна мощная электрическая дуга между
главными электродами.
Реальные ГИНы по схеме Маркса выполнены по такой же про-
стой схеме, как и настольный макет, но содержат, конечно, значи-
тельно более крупные и дорогие элементы (рис. 3.4).
КОНДЕНСАТОРЫ
Рис. 3.4. Реальный ГИН по схеме Маркса
ГИНы на напряжения в несколько миллионов вольт представ-
ляют собой довольно внушительные конструкции (рис. 3.5).
Для уменьшения размеров ГИНов их иногда размещают в
больших ваннах из изоляционного материала, заполненных транс-
форматорным маслом, или в специальных герметичных камерах,
заполненных элегазом (шестифтористая сера, SF6).
116
Глава 3. Имитаторы ЭМИ ЯВ
Рис. 3.5. ГИНы на напряжение в несколько миллионов вольт
Разрядники в таких конструкциях выполняются с пневматиче-
ским или гидравлическим приводом, позволяющим регулировать
расстояние между электродами разрядников, то есть напряжение их
пробоя, и, таким образом, амплитуду результирующего выходного
импульса ГИН.
3.2. Классификация имитаторов ЭМИ ЯВ
Антенные системы имитаторов ЭМИ ЯВ отличаются большим
разнообразием и в соответствии со стандартом IEC 61000-4-32
условно подразделяются на три типа:
- волноводные (guided-wave);
- дипольные (dipole);
- гибридные (hybrid).
Вообще-то говоря, впервые такая классификация была предло-
жена известным в мире специалистом в этой области, доктором
наук Карлом Эдвардом Баумом (Dr. Carl Edward Baum), научным
117
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
сотрудником Лаборатории вооружений военно-воздушных сил
США, расположенной на авиабазе Киртланд в Альбукерке (Air
Force Weapons Lab., Kirtland Air Force Base, Albuquerque), и лишь
потом вошла в стандарт. Под руководством К. Э. Баума (рис. 3.6),
были спроектированы и построены многие американские имитато-
ры ЭМИ ЯВ.
Рис. 3.6. Карл Э. Баум
Волноводные имитаторы имеют и другие названия, применя-
ющиеся в технической литературе, например:
- two parallel plate transmission line (двухплатная параллельная
линия передачи);
- open, parallel-plate waveguide (открытый волновод с парал-
лельными платами) и др.
Следует отметить, что в другом стандарте (IEC 61000-4-25) то-
го же комитета SC77C той же Международной электротехнической
комиссии предлагается совершенно иная классификация, основан-
ная на очень небольших различиях в параметрах генерируемо-
го импульса, таких как время его нарастания (передний фронт)
и ширина. Согласно IEC 61000-4-25, в имитаторе типа I передний
фронт импульса составляет 2,5 ±0,5 нс, его ширина - в пределах
25-75 нс, частотный диапазон - 1-200 МГц. В имитаторе типа II
118
Глава 3. Имитаторы ЭМИ ЯВ
передний фронт импульса - 2-10 нс, ширина - 25-500 нс, частот-
ный диапазон 1-100 МГц. Данный вариант классификации не по-
лучил распространения среди специалистов, поэтому будем да-
лее использовать классификацию, предложенную в стандарте IEC
61000-4-32.
3.3. Имитаторы ЭМИ ЯВ западных стран
Волноводные антенные системы являются наиболее простыми
по конструкции и самыми распространенными в мире. На рис. 3.2
выше была приведена конструктивная схема имитатора именно с
такой антенной системой. Реальные конструкции имитаторов очень
похожи на эту упрощенную схему (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Имитатор ЭМИ ЯВ волноводного типа
В этом имитаторе нижняя так называемая плата образова-
на металлической сеткой, залитой в бетонное основание, а верхняя
плата - рядами натянутой проволоки, поддерживаемой изолиро-
ванными стойками. Имитатор этого типа создает вертикальное
электрическое поле (между платами), причем на него не влияет от-
ражение волны от поверхности земли. Это последнее обстоятель-
ство важно для испытаний объектов, находящихся высоко над
119
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
поверхностью земли в момент воздействия ЭМИ ЯВ, таких как са-
молеты и ракеты. В то же время испытание в таком имитаторе
наземных объектов, на которые в реальных условиях будет воздей-
ствовать излучение ЭМИ ЯВ, отраженное от поверхности земли,
является не совсем полноценным.
Рис. 3.8. Имитатор дипольного типа
Частичное отражение падающей волны от поверхности земли
и воды происходит в другой разновидности имитаторов, так назы-
ваемых имитаторах дипольного типа (рис. 3.8), которые использу-
ются в основном для испытаний наземного оборудования, а также
самолетов, находящихся на аэродромах во время воздействия ЭМИ
ЯВ (рис. 3.8) и кораблей (рис. 3.9). Как видно из рис. 3.9, имитатор
находится сбоку и на некотором расстоянии от испытуемого объек-
та. Это позволяет имитировать не только вертикальную, но также
и частично горизонтальную составляющую ЭМИ ЯВ. Дипольные
симуляторы значительно менее эффективно преобразуют энергию
импульса в электрическое поле.
120
Глава 3. Имитаторы ЭМИ ЯВ
Рис. 3.9. Дипольный имитатор типа EMPRESS II (США),
расположенный на передвижной морской платформе (барже),
во время тестирования боевого корабля ВМС США
Рис. 3.10. Конструкция гибридного имитатора
(принадлежит компании RAFAEL, Израиль)
121
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 3.11. Испытание самолета и вертолета
на гибридном имитаторе
Поскольку такие имитаторы воспроизводят в основном верти-
кальную составляющую поля, то они часто обозначаются как VPD
(Vertical Polarized Dipole).
122
Глава 3. Имитаторы ЭМИ ЯВ
Третий тип имитатора - гибридный (рис. 3.10), который позво-
ляет имитировать горизонтальную составляющую компонента Е1,
а также отраженную от поверхности земли волну ЭМИ ЯВ. Однако,
поскольку основной его функцией является все же имитация гори-
зонтальной составляющей Е1, этот тип имитаторов получил назва-
ние HPD (Horizontal Polarized Dipole).
Рис. 3.12. Некоторые из открытых отчетов
по имитаторам ЭМИ ЯВ
123
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Как можно видеть из конструкции этого имитатора, он содер-
жит генерирующий модуль, подвешенный в центре на тросах,
и подключенные к нему с двух сторон излучающие антенны в фор-
ме длинных цилиндров. Эта разновидность имитаторов использует-
ся в основном для симуляции воздействия ЭМИ ЯВ на самолеты
и вертолеты в полете, когда в реальных условиях велика доля гори-
зонтальной составляющей (рис. 3.11). Поскольку сам генератор им-
пульсов в таком имитаторе поднят над поверхностью земли, его
мощность довольно ограничена и существенно меньше, чем мощ-
ность других типов имитаторов. Очевидно, по этой причине таких
симуляторов в мире немного.
С изобретением имитаторов ЭМИ ЯВ и началом их практиче-
ского использования появилось и огромное количество отчетов,
выполненных в основном военными исследовательскими лабора-
ториями и посвященных расчётам параметров и характеристик
этих имитаторов. Сегодня все эти отчеты доступны в открытых ар-
хивах США для желающих пополнить свои знания в этой области
(рис. 3.12).
Крупнейший в мире имитатор ЭМИ ЯВ был разработан и по-
строен в США в 1970-х годах и вступил в строй в начале 1980 г.
Разработка велась Лабораторией военно-воздушных сил США,
являющейся одной из составных частей базы военно-воздушных
сил, расположенной в г. Киртланд, штат Нью-Мексико (Air Force
Weapons Laboratory - AFWL at Kirtland Air Force Base). По первым
буквам от словосочетания AFWL Transmission Line Aircraft
Simulator этот имитатор получил название ATLAS. В то время
эта установка была еще совершенно секретной и поэтому имела
второе название TRESTLE. Огромная платформа этого симулято-
ра (рис. 3.13), на которой свободно размещался стратосферный
стратегический бомбардировщик В-52, была выполнена полностью
из дерева (15 тыс. кубометров отборной высокопрочной древе-
сины), чтобы исключить отражение электромагнитной волны от
металлических частей конструкции и имитировать электромагнит-
ное поле ЭМИ ЯВ, действующее на самолет в полете. Даже кре-
пежные болты в этой конструкции были выполнены из очень проч-
ного дерева. Отражение от земли сводилось на нет за счет располо-
жения рабочего объема имитатора на большой высоте от поверхно-
сти земли.
124
Глава 3. Имитаторы ЭМИ ЯВ
Рис. 3.13. Крупнейший в мире имитатор ЭМИ ЯВ ATLAS
во время испытания стратегического бомбардировщика В-52.
На верхнем снимке справа виден грузовик, приближающийся к самолету,
по размерам которого можно судить о размерах имитатора.
Вокруг испытательной площадки видны стойки с натянутыми
между ними излучающими антеннами
125
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Длина и ширина рабочей площадки этого имитатора составляет
300 метров, а высота - около 200 м.
3.4. Имитаторы ЭМИ ЯВ, имеющиеся в России
и на Украине
В России крупные имитаторы ЭМИ ЯВ были построены в трех
организациях: в 12 ЦНИИ Министерства обороны (Сергиев Посад),
в филиале 26 ЦНИИ Министерства обороны (Санкт-Петербург,
ул. Гангутская, 1) и в ВЭИ им. Ленина (Москва, ул. Красноказар-
менная, 12).
О 12 ЦНИИ МО мы уже рассказывали выше. А что такое
26 ЦНИИ МО? Оказывается, сам по себе этот институт не имеет
никакого отношения ни к физике, ни к атомному проекту, ни
к ЭМИ ЯВ. Это научно-исследовательский институт, относящийся
к военно-строительному комплексу, а его Ленинградский филиал
был когда-то Центральной научно-исследовательской лабораторией
военно-морского флота СССР, а потом даже самостоятельным
12 НИИ ВМС. В 1961 г. кому-то пришла в голову довольно стран-
ная идея: превратить самостоятельное научно-исследовательское
учреждение, занимающееся изучением взрывов, высоковольт-
ной импульсной техникой, воздействием ЭМИ ЯВ на судовое
электрооборудование и другими физическими проблемами воен-
ной направленности, в филиал военного проектно-строительного
института (26 ЦНИИ МО, г. Балашиха, Московской обл., мкр.
им. Гагарина, 31). Потом и весь 26 ЦНИИ вместе со своим
санкт-петербургским филиалом стал филиалом 31 Государственно-
го проектно-строительного института специального строительства
Министерства обороны РФ (созданного по директиве Генштаба
Красной Армии № Орг/5/315546 от 22.12.1944 под названием «Цен-
тральный проектный инженерный институт Красной Армии»,
Москва, Смоленский бульвар, д. 19, стр. 1), см. рис. 3.14. Сегодня
этот «несчастный» филиал называется «Научно-исследовательский
центр 26 Центрального научно-исследовательского института
МО РФ». Этот НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ имеет собственный поли-
гон ударных и электромагнитных воздействий, расположенный
в поселке Песочный Выборгского района Ленинградской области.
126
Глава 3. Имитаторы ЭМИ ЯВ
Рис. 3.14. Государственный проектный институт специального
строительства МО РФ
На этом полигоне расположен очень крупный имитатор ЭМИ
ЯВ, подходящий для испытаний даже стратегических межконти-
нентальных ракет (рис. 3.15).
Рис. 3.15. Симулятор ЭМИ ЯВ НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ типа SEMP 12-3
(по классификации стандарта МЭК 61000-4-32) длиной 170 м
127
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Слева в конце имитатора виден мощный генератор Маркса, имею-
щий вид высокой башни цилиндрической формы.
В дополнение к ЦНИИ-12 и НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ такого ро-
да имитатор имеется в России также и в Высоковольтном научно-
исследовательским центре Всероссийского электротехнического
института - ВНИЦ ВЭИ им. Ленина (Москва, ул. Краснока-
зарменная, 12). Сам имитатор называется «Аллюр», и расположен
он на полигоне ВНИЦ ВЭИ около г. Истра, Московская область
(рис. 3.16).
Рис. 3.16. Имитатор ЭМИ ЯВ ВНИЦ ВЭИ
128
Глава 3. Имитаторы ЭМИ ЯВ
Относительно небольшой по размерам имитатор ЭМИ ЯВ
имеется также в Государственном ракетном центре им. Академика
В. П. Макеева - АО «ГРЦ Макеева», (г. Миасс, Челябинская об-
ласть, Тургоякское шоссе, 1), см. рис. 3.17.
Рис. 3.17. Имитатор ЭМИ ЯВ АО «ГРЦ Макеева» К107.0100.000.
Слева виден многокаскадный генератор Маркса
Этот холдинг является в России головным разработчиком жид-
костных и твердотопливных ракетных комплексов стратегического
назначения. Он был создан решением Совета Министров СССР от
16 декабря 1947 г. на базе завода № 66 в г. Златоуст (Златоустов-
ский машиностроительный завод) как «Специальное конструктор-
ское бюро по ракетам дальнего действия» с лабораториями и опыт-
ным цехом, с 1948 г. - Специальное конструкторское бюро № 385
(СКБ-385). В 1955 году СКБ-385 переводится в город Миасс Челя-
бинской области. Сегодня в состав АО «ГРЦ Макеева» входят:
АО «Красноярский машиностроительный завод», АО «Миасский
машиностроительный завод», ОАО «НИИ Гермес», АО «Злато-
устовский машиностроительный завод».
Имитатор АО «ГРЦ Макеева» позволяет создавать электромаг-
нитный импульс с напряженностью поля до 200 кВ/м. Судя по раз-
мерам рабочего объема этого имитатора и размерам генератора
129
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Маркса, на нем можно испытывать лишь отдельные электронные
блоки, но не ракеты.
В странах бывшего СССР такие имитаторы, кроме Российской
Федерации, были построены также на Украине, и принадлежат
они Научно-исследовательскому и проектно-конструкторскому
институту «Молния» (НИПКИ «Молния») Национального техни-
ческого университета «Харьковский политехнический институт»
(г. Харьков, ул. Шевченко, 47), а сам испытательный комплекс рас-
положен в поселке Андреевка (Балаклейский район Харьковской
области).
Рис. 3.18. Имитаторы ЭМИ ЯВ испытательного комплекса
НИПКИ «Молния»
История этого института начинается с 1954 г., когда специаль-
ным постановлением Совета Министров на базе кафедры передачи
электроэнергии была создана Научно-исследовательская лаборатория
техники высоких напряжений и преобразователей тока (НИЛ ТВН
и ПТ). В 1974 году НИЛ ТВН и ПТ был преобразован в Особое
конструкторское бюро высоковольтной импульсной техники -
ОКБ ВИТ. На полигоне ОКБ ВИТ проводились полномасштабные
натурные испытания космической, авиационной и военной техники.
130
Глава 3. Имитаторы ЭМИ ЯВ
Полигон работал в три смены, и для проживания представителей
многочисленных предприятий, сопровождавших свою технику на
испытаниях, на его территории пришлось дополнительно построить
гостиницу и столовую. Именно здесь прошло, в частности, первое
(и сначала неудачное) испытание системы управления стратегиче-
ской межконтинентальной ракеты Р-36 (15А14), получившей по
классификации НАТО индекс SS-18 («Сатана»), созданной на пред-
приятии п/я 67 (сегодня НПО «Хартрон», г. Харьков). В 2007 году
НИПКИ «Молния» даже проводил исследования по защите от мол-
ний авиационных конструкций из полимерных композитных мате-
риалов по контракту с американской компанией «Боинг».
Среди различных имитаторов НИПКИ «Молния» имеются
и очень крупные, например, ГИНТ-12-30 длиной 254 м.
Некоторые технические параметры крупных стационарных
имитаторов ЭМИ ЯВ приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Некоторые технические параметры крупных
стационарных имитаторов ЭМИ ЯВ,
имеющихся в разных странах
Тип имитатора Страна Год Напряже- ние генератора (МВ) Напряжен- ность поля (кВ/м) Передний фронт импульса (нс) Длина имитатора (м)
ВОЛНОВОДНЫЕ
ALECS США Сере- дина 1960-х 1 100 10 100
APES 1970 4 >100 6 189
Atlas-1 (TRESTLE) Начало 1980-х 6-8 50 20 400
VPBW 2005 - 50 1-2 161
NOTES 2005 1 100 3-5 85
ERU-2M Россия 1982 1 100 2,5-25 30
SEMP 6M-2M 1982 6 100 9 80
Pulse M Начало 1990-х 0,6 100 5 15
SEMP 12-3 1992 2,4 30 >20 170
SEMP 1.5 1998 1,5 20-100 5-12 100
IEMP-10 Украина 1970 2,5 140 20-40 ПО
GIN 1.6-5 1976 1,6 150 5-10 48
IEMI M5M (2 variants) 1992 2,5 0,7 330 20 40 5-10 23
GINT 12-30 1992 4,5 120 5-10 254
131
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Продолжение таблицы 3.1
EPES Швейца- рия 1989 0,8 100 8 55
SEMIRAMIS 1991 0,1 62 10 10
VERIFY 1999 0,6 100 1 20
INSIEME Начало 1990-х 1 100 4 120
SIEM-2 Франция 1972 2,8 100 10 180
SSR 1986 2 100 1-5 106
France Telecom 1996 0,8 75 2,5 50
RAFAEL Израиль 1989 2 200 5 130
DM-1200 Китай 1985 1,2 120 10 54
TDRI Япония 1999 0,3 50 6 3,6
EMIS-III-TL Голлан- дия 1992 0,5 50 10 50
DIESES Германия 1981 1 100 1-7 120
SAPIENS-2 Швеция 1990 1 50 5 90
NEMP Чехия 2004 0,45 40-50 2,5-5 30
DREMPS Канада Сере- дина 1990-х 0,6 55 5 100
ДИПОЛЬНЫЕ
VPD-I США Начало 1970-х 1,6 10 5 -
EMPRESS-I Начало 1970-х 1,5 3 8-15 -
EMPRESS-II Конец 1980-х 7 25 10 -
(VPD-II) Конец 1970-х 4 36 10 -
US Navy VPD Начало 1980-х - - 5 -
EMIS-III-VPD Г оллан- дия Начало 1980-х 0,5 2 5 -
VPD Г ермания 2001 0,4 10 1,2 —
ГИБРИДНЫЕ
TEMPS & AESOR США Начало 1970-х 7 52 4-12 300
ATHAMAS-II- HPD (USAF) Сере- дина 1970-х 4 33 8-12 150
ATHAMAS-I - - - - -
US Navy-HPD Сере- дина 1970-х 5 46 2 150
DPH Франция 1980 4 50 1-5 150
RRAFAEL HPD Израиль 1991 0,6 9 5 30
132
Глава 3. Имитаторы ЭМИ ЯВ
Окончание таблицы 3.1
SPERANS Швеция 1984 0,2 4 2,5 150
NEMPS Швейца- рия 1985 4 60 10 60
WIS Г ермания 1999 0,36 10 1,2 30
3.5. Компактные имитаторы ЭМИ ЯВ
В последнее время актуальность крупных имитаторов ЭМИ ЯВ
значительно уменьшилась в связи с возможностью осуществления
полноценной компьютерной симуляции ЭМИ ЯВ без дорогостоя-
щих натурных испытаний. В то же время на рынке появились отно-
сительно недорогие (100-150 тыс. долларов) компактные имитато-
ры ЭМИ ЯВ, предназначенные для лабораторных испытаний
(рис. 3.19) относительно небольших по размерам электронных
устройств (рис. 3.20).
Рис. 3.19. Схема лабораторного испытательного стенда
с компактным имитатором ЭМИ ЯВ
133
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 3.20. Компактные лабораторные имитаторы ЭМИ ЯВ:
сверху вниз: Elite Electronic Engineering Inc (США);
Montena (Швейцария); Applied Physical Electronics (США)
134
Глава 4. УЯЗВИМОСТЬ ЭЛЕКТРОННОГО
ОБОРУДВАНИЯ К ЭМИ ЯВ
«...Наша уязвимость увеличивается ежедневно
вместе с расширением нашего использования электроники
и ростом нашей зависимости от нее
в наших гражданских и военных секторах.»
Д-р Вильям Грэхем,
Председатель Комиссии Конгресса США по ЭМИ ЯВ
4.1. Электронное оборудование - важнейший компонент
современной инфраструктуры страны
Сегодня уже невозможно представить какую-либо часть ин-
фраструктуры страны без электронного оборудования, основанного
на микропроцессорных системах и компьютерах - особенно такие
критические ее части, как электроснабжение, водоснабжение и ка-
нализация, связь, транспортные сети. Современное электронное
оборудование работает с электрическими сигналами намного более
низкого уровня, чем силовое электротехническое оборудование
начала прошлого века или даже электронное оборудование преды-
дущего поколения на основе электровакуумной техники, а также
имеет на много порядков более сложную и разветвленную внутрен-
нюю архитектуру. Это обусловило резкое повышение уязвимости
современного электронного оборудования к ЭМИ ЯВ, а вместе
с ним и уязвимости всей инфраструктуры страны.
В связи с этим понятно и то внимание, которое уделяется элек-
тронному оборудованию при рассмотрении вопросов, касающихся
влияния ЭМИ ЯВ на инфраструктуру. Так, например, в основопола-
гающем отчете Комиссии Конгресса США по воздействию ЭМИ
ЯВ на критические части инфраструктуры страны вопросы уязви-
мости электронного оборудования рассматриваются в первую оче-
редь. Собственно говоря, и начинается отчет с анализа уязвимости
именно такой электронной системы. Первая глава этого объемного
многостраничного отчета называется «Система СКАДА. Влияние
уязвимости системы СКАДА на критическую инфраструктуру» [1].
СКАДА (Supervisory Control And Data Acquisition — SCADA) -
135
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
это программно-аппаратный комплекс, предназначенный для си-
стем сбора, обработки, отображения и архивирования информации
в реальном времени в сложных и разветвленных системах различ-
ного назначения, компоненты которых работают автономно в авто-
матическом режиме и располагаются в удаленных или труднодо-
ступных местах, - например, системы электро- и водоснабжения.
По данным, приведенным в этом отчете, проверка компьютеров,
локальных сетей и компьютерного сетевого оборудования обще-
го назначения показала, что при длине соединительных кабелей
от 7 до 60 м величина наводимых в них токов может доходить
до 100-700 А, при этом все компьютерное оборудование гарантиро-
ванно выводится из строя. В ходе проверки выявилась неэффектив-
ность многократного дублирования и резервирования оборудования,
несоответствие объемов рационального резерва и номенклатуры зап-
частей, численности эксплуатационных подразделений и др.
В отчете комиссии отмечается, что при воздействии ЭМИ мо-
жет быть выведена из строя значительная часть электронного обо-
рудования гражданских систем связи и телекоммуникаций, при
этом системы мобильной связи будут выведены из строя в значи-
тельно большей степени, чем обычные линии связи. Даже слабый
уровень ЭМИ приведет к отказу систем мобильной связи на не-
сколько дней, а проводных линий связи - на несколько часов.
Оценки были произведены на разработанной модели поражения от
ЭМИ и последующего восстановления системы мобильной связи.
В отчете дана оценка устойчивости к ЭМИ современных элек-
тровозов, которые оснащены микропроцессорной системой управ-
ления. В новых моделях имеется три компьютера управления всеми
подсистемами. Даже выход из строя одного из них вынудит локо-
мотив остановиться. Сбой в работе его оборудования начинается
при напряженности электрического поля ЭМИ 4-8 кВ/м, а гаранти-
рованный выход из строя наступает при 20-40 кВ/м. По заключе-
нию комиссии, восстановления железнодорожного сообщения по-
сле ремонта оборудования можно ожидать через несколько дней
или недель, а при необходимости замены поврежденных компью-
терных систем на это потребуется несколько месяцев.
По данным, полученным в ходе испытаний 37 легковых
автомашин выпуска 1986-2002 годов и 18 грузовых машин произ-
водства 1991-2003 годов на воздействие стандартного ЭМИ ЯВ
136
Глава 4. Уязвимость электронного оборудования к ЭМИ ЯВ
с напряженностью электрического поля до 50 кВ/м оказалось,
что около 10 % автомобилей сразу выйдут из строя и, что наиболее
вероятно, с аварийными последствиями, при значениях напряжен-
ности электрического поля 25-30 кВ/м и более. В крупных городах
из строя выйдут также центры управления дорожным движением,
что усложнит ситуацию. Отключение электроэнергии приведет
к отключению большинства светофоров.
Можно было бы еще долго перечислять подробности всеобще-
го коллапса, который наступит при воздействии ЭМИ ЯВ на инфра-
структуру целой страны, однако значительно больший интерес для
специалистов с точки зрения понимания процессов, происходящих
в электронной аппаратуре и возможных путей ее защиты, представ-
ляет, по нашему мнению, рассмотрение более конкретных вопросов
на уровне элементной базы электронной аппаратуры.
4.2. Восприимчивость электронных компонентов
к ЭМИ ЯВ
В течение последних 50 лет было выполнено довольно много ин-
тересных исследований, посвященных уязвимости ЭМИ ЯВ отдель-
ных электронных компонентов, а также интегральных микросхем,
микропроцессоров, микроконтроллеров, компьютеров и компьютер-
ных сетей. Приведем результаты некоторых из этих исследований.
В дискретных электронных компонентах, таких как диоды,
транзисторы, конденсаторы, резисторы и др., нарушения работо-
способности в результате электромагнитного воздействия являются,
как правило (но не всегда!), необратимыми и связаны с разрушени-
ем их внутренней структуры под действием импульса обратного
приложенного напряжения или импульса прямого тока, превыша-
ющих определенные пороговые значения.
В техническом отчете, написанном сотрудниками Лаборатории
военно-воздушных сил США [2], подробно анализируются различ-
ные теоретические модели процесса пробоя полупроводниковой
структуры диодов и транзисторов, показана ограниченность тех
или иных моделей, их критика. Получили распространение две ос-
новные модели: термическая (модель Wunsch - Bell) и электротер-
мическая (модель Ward и модель Baruch - Budenstein), названные по
именам их авторов. В отчете отмечено, что термическая модель
137
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Wunsch-Bell недостаточно точно отражает физические процессы,
протекающие при пробое в полупроводниковой структуре: в част-
ности, когда речь идет о наносекундах, попытки применения моде-
ли Wunsch - Bell являются некорректными. Однако признано зна-
чимым то, что при быстром снижении мощности воздействующего
импульса ниже некоторого порогового предела полупроводниковый
прибор может восстановить свою работоспособность.
Таким образом, в полупроводниковых элементах и (что более
важно и актуально) в электронных устройствах, содержащих эти
элементы, возможны два вида нарушения работоспособности: обра-
тимое (сбой) и необратимое (отказ), см. рис. 4.1.
При сбое не происходит физического разрушения внутренней
структуры полупроводникового прибора или микросхемы, и рабо-
тоспособность полностью восстанавливается через некоторое время
задержки автоматически, без участия человека, или вручную, при
перезагрузке системы (если речь идет о компьютерной системе).
Рис. 4.1. Сбои и отказы в полупроводниковых приборах
и устройствах на их основе
под действием внешнего воздействующего импульса
При отказе происходит физическое разрушение внутренней
структуры полупроводникового устройства, связанное с разруше-
нием р-я-переходов (расплавлением) полупроводниковой структуры,
(рис. 4.2) [3] или пробоем изоляции между отдельными элементами
в интегральных схемах (рис. 4.3) [4]. При отказе работоспособность
устройства не может быть восстановлена, и поэтому требуется заме-
на отказавшего элемента (устройства).
138
Глава 4. Уязвимость электронного оборудования к ЭМИ ЯВ
Рис. 4.2. Пробой и расплавление полупроводниковых структур
микропроцессора под воздействием электромагнитного импульса 7.5/180 нс
(снимки сделаны с помощью микроскопа)
Рис. 4.3. Отказ интегральной микросхемы серии 7400 (логического
элемента И-НЕ на транзисторах Шоттки), вызванный пробоем
между точками Р1 и Р2 схемы и закорачиванием резистора R1
139
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
По нашему мнению, чисто теоретические споры о более или
менее корректном описании физики процессов при отказе полупро-
водниковой структуры диодов и транзисторов имеют лишь теоре-
тический, но отнюдь не практический интерес, поскольку разбросы
параметров, получаемые в результате экспериментов даже для од-
нотипных групп диодов и транзисторов, настолько велики, что сво-
дят на нет значимость теоретических споров о точности той или
иной модели. В качестве подтверждения на рис. 4.4 приведены экс-
периментальные данные, полученные в [5] для широко распростра-
ненного биполярного транзистора общего применения типа 2N2222,
выпускаемого десятки лет многими фирмами.
Рис. 4.4. Разбросы параметров отказов группы транзисторов типа 2N2222
в процессе реальных испытаний
Совершенно очевидно, что при таком значительном разбросе
экспериментальных данных точность той или иной теоретической
модели не имеет никакого практического значения.
140
Глава 4. Уязвимость электронного оборудования к ЭМИ ЯВ
В любом случае повреждения полупроводниковых диодов и
транзисторов связаны в той или иной степени с температурными
процессами и разрушением р-я-переходов, поэтому совершенно
очевидно, что мощность импульса, разрушающего полупровод-
никовую структуру, будет зависеть от длительности (ширины)
этого импульса. Такие экспериментально полученные зависимости
для различных типов полупроводниковых приборов приведены
на рис. 4.5 [5].
Рис. 4.5. Зависимость мощности разрушающего импульса
от его длительности (для диодов и транзисторов с максимальным рабочим
напряжением 40-500 В и током 0,1-1 А)
Совершенно очевидно, что область на графике на рис. 4.5, в ко-
торой происходит разрушение транзисторов или диодов определен-
ного типа, - это не прямая линия, а действительно некая область,
в которой с определенным разбросом расположены многочислен-
ные точки, соответствующие экспериментальным данным, анало-
гично тому, как это показано на рис. 4.4. Прямыми линиями обо-
значены лишь некие очень усредненные и обобщенные тренды,
определяемые этими точками.
141
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
4.3. Восприимчивость микросхем к ЭМИ ЯВ
В более сложных микроэлектронных элементах, например, ин-
тегральных микросхемах, помимо необратимых повреждений име-
ют место также и сбои в работе (рис. 4.6) [6], которые в действи-
тельности часто встречаются на практике, в отличие от очень ред-
ких сбоев в работе дискретных полупроводниковых элементов.
ТТЛ — «И-НЕ»
ТТЛ — «НЕ»
Рис. 4.6. Сбои и отказы различных типов логических микросхем
под действием импульса внешнего электрического поля
Интересный момент заключается в принципиально различной
реакции микросхем с транзисторами, выполненных по технологии
КМОП (комплементарная структура «металл - оксид - полупровод-
ник»; англ.: CMOS - complementary metal - oxide - semiconductor),
от микросхем с биполярными транзисторами. У микросхем на бипо-
лярных транзисторах (в отличие от КМОП) практически не наблю-
дается сбоев в работе, а сразу наступают необратимые повреждения
142
Глава 4. Уязвимость электронного оборудования к ЭМИ ЯВ
(об этой особенности биполярных транзисторов упоминалось вы-
ше). Схемы с использованием КМОП-технологии изобрёл в 1963
Фрэнк Вонлас (Frank Wanlass) из компании Fairchild Semiconductor.
В настоящее время скорость переключения, плотность монтажа
и энергопотребление, обеспечиваемые КМОП-технологией, являются
недостижимыми в технологиях, основанных на биполярных транзи-
сторах. Поэтому логические микросхемы на КМОП-транзисторах
в настоящее время почти полностью вытеснили микросхемы на би-
полярных транзисторах. Это означает, что сбои в работе логических
микросхем под воздействием импульса внешнего электрического
поля в настоящее время являются более актуальными, чем ранее.
Относительно высокую устойчивость отдельно взятых микро-
схем к импульсу внешнего электрического поля можно объяснить
малыми геометрическими размерами микросхем и малыми расстоя-
ниями между выводами. При малых расстояниях разность потенциа-
лов между токоведущими элементами, подвергнутыми влиянию им-
пульса внешнего электрического поля, будет относительно неболь-
шой. Однако если учесть, что под действием ЭМИ ЯВ на внешних
проводах и кабелях, подключенных ко входам электронных приборов
(в том числе и микросхем), наводятся высокие напряжения, которые
будут напрямую приложены ко входам и выходам микросхем, то по-
ложение дел становится значительно более серьезным. В табли-
це 4.1 [7] приведены данные об отказах микросхем различных типов
при прямом приложении напряжения к их входам. В этих экспери-
ментах изменялась амплитуда и длительность прикладываемых им-
пульсов. Эти значения были зафиксированы. Остальные значения
(ток, мощность, энергия) не были жестко зафиксированы и зависели
от амплитуды прикладываемого напряжения и длительности импуль-
сов. Их значения получались в результате измерений.
Как видно из приведенных данных, отказы микросхем насту-
пают при относительно небольших напряжениях, намного меньших
тех реальных напряжений, которые могут возникнуть под действи-
ем ЭМИ ЯВ в случае отсутствия надлежащей защиты от импульс-
ных перенапряжений. Кроме того, можно также заметить, что вос-
приимчивость микросхем к импульсу приложенного напряжения
снижается с уменьшением его длительности.
Как показано в [8], разбросы параметров, определяющих раз-
рушение полупроводниковых приборов под действием коротких
143
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
импульсов напряжения, подчиняются логарифмически нормально-
му (или логнормальному) распределению (рис. 4.7).
Таблица 4.1
Параметры повреждающих импульсов, приложенных
к выводам микросхем некоторых типов
8Т15 Линейный драйвер Ширина импульса
8Т17 Приемник 25 нс 100 нс 1 мкс
8Т15 Выходы Напряжение, В 150 140 60
Импульс тока, А 9 2 0,55
Мощность, Вт 1350 280 33
Энергия, мкДж 33,7 28 33
8Т16 Вход Напряжение, В 220 175 125
Импульс тока, А 1,5 0,8 0,14
Мощность, Вт 330 140 17,5
Энергия, мкДж 8,25 14 17,5
5404 Биполярные ТТЛ Ширина импульса
54L30 Маломощные ТТЛ 25 нс 100 нс 1 мкс
5404 Напряжение, В 120 50 30
Импульс тока, А 3 1 0,5
Мощность, Вт 360 50 15
Энергия, мкДж 9 5 15
54L30 Напряжение, В 90 50 20
Импульс тока, А 4 2 0,8
Мощность, Вт 360 100 16
Энергия, мкДж 9 10 16
рА747 Биполярный Ширина импульса
операционный усилитель 25 нс 100 нс 1 мкс
рА747 Вход Нет повреждений до напряжения 500 В
рА747 Выход Напряжение, В 65 100 200
Импульс тока, А 6,5 9 12
Мощность, Вт 422 900 2400
Энергия, мкДж 10,5 90 2400
144
Глава 4. Уязвимость электронного оборудования к ЭМИ ЯВ
Продолжение таблицы 4.1
Ширина импульса
КМОП С04000-серия 25 нс 100 нс 1 мкс
CD4001A Вход Напряжение, В 350 150 60
Импульс тока, А 10 7 1,2
Мощность, Вт 3500 1050 72
Энергия, мкДж 87,5 105 72
CD4016 Вход Напряжение, В 150 120 20
Импульс тока, А 2 4 2
Мощность, Вт 300 480 40
Энергия, мкДж 7,5 48 40
CD4049 Выход Напряжение, В 150 25 12
Импульс тока, А 15 6 3
Мощность, Вт 2250 150 36
Энергия, мкДж 56,2 15 36
CD4050 Выход Напряжение, В 170 60 20
Импульс тока, А 13 7,5 3
Мощность, Вт 2210 450 60
Энергия, мкДж 55,2 45 60
CD4050 Вход Напряжение, В 120 60 24
Импульс тока, А 4 4 2
Мощность, Вт 480 240 48
Энергия, мкДж 12 24 48
CD4071 Вход Напряжение, В 80 150 250
Импульс тока, А 5,2 0,3 0,4
Мощность, Вт 416 45 100
Энергия, мкДж 10,4 4,5 100
В данном случае речь идет об импульсном напряжении, напря-
мую приложенном к выводам микросхемы. Из данных, представ-
ленных на рис. 4.7, можно видеть существенное увеличение выдер-
живаемого микросхемой до повреждения напряжения при умень-
шении длительности воздействующего импульса, что хорошо со-
гласуется и с рис. 4.5, и с данными табл. 4.1. Однако из рис. 4.7
можно также заметить, что разброс уровней повреждающего
напряжения достаточно большой. И весь этот разброс относится
лишь к микросхеме одного типа.
145
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 4.7. Логнормальное распределение повреждений микросхем
7400 серии импульсами напряжения длительностью
44 и 0,44 микросекунды
4.4. Восприимчивость микропроцессоров к ЭМИ ЯВ
Значительно более низкую электрическую прочность имеют
микропроцессоры. Вообще, тенденция развития электроники - это
беспрерывное уменьшение размеров отдельных элементов, рост
плотности внутреннего монтажа и сложности интегральных схем
146
Глава 4. Уязвимость электронного оборудования к ЭМИ ЯВ
и микропроцессоров, уменьшение изоляционных слоев и, как след-
ствие, снижение рабочего напряжения. В течение многих лет этот
тренд хорошо описывался так называемым законом Мура (Мора)
[9], сформулированным в 1965 году одним из учредителей компа-
нии Intel Гордоном Муром (Gordon Moor).
1971 1980 1990 2000
2011
Рис. 4.8. Рост числа транзисторов на кристалле
микропроцессора в течение 40 лет.
Вертикальная ось имеет логарифмическую шкалу, поэтому
прямая линия соответствует экспоненциальному закону
Этот закон гласит, что количество транзисторов в микро-
процессорах удваивается примерно каждые два года, а их произво-
дительность растет экспоненциально (рис. 4.8). Этот закон дей-
ствует уже десятки лет. Более подробные данные по микропро-
цессорам до уровня Pentium III [3] представлены на рис. 4.9
и 4.10 [6].
147
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Процессор (Intel) Тактовая частота, МГц Техноло- гическая норма, мк Рабочее напряжение, В Количество транзис- торов
8088 5 >1,5 12 28 000
80286 10 1,5 5 130000
80386DX20 20 1,5 5 275000
80486DX25 25 1 5 1 200 000
80486DX33 33 1 5 1 200 000
P80486DX266 66 0,6 5 1 200 000
Pentium 1 75 0,6 3,3 3 300 000
Pentium 1 100 0,6 3,3 3 300 000
Pentium MMX 200 0,35 2,8 4 500 000
Pentium II 266 0,28 2,5 7 500 000
Pentium III 450 0,25 2 9 500 000
Pentium III 500 0,18 2 28 000 000
Нарушение функционирования (сбои)
Рис. 4.9. Данные о микропроцессорах (до Pentium III включительно)
и уровнях импульсного электрического поля,
вызывающего сбои в их работе
148
Глава 4. Уязвимость электронного оборудования к ЭМИ ЯВ
АТХ
Рис. 4.10. Увеличение вероятности сбоя
в работе микропроцессоров с переходом
от более старого поколения к более новому
Для сравнения: микропроцессор Intel Pentium IV НТ 661, Bl
работает на частоте 3 600 МГц, имеет напряжение питания 1,25 В
при технологической норме 0,065 микрон (технологическая норма
определяет минимальный размер элементов, которые могут быть
сформированы на полупроводниковой пластине в процессе фотоли-
тографии, лежащей в основе производства микропроцессоров).
Огромная плотность элементов на единице площади кристал-
ла приводит к такому же огромному тепловыделению и, соответ-
ственно, к необходимости проектирования особо эффективной си-
стемы охлаждения. Это и другие ограничения, по-видимому, приве-
дут вскоре к замедлению роста количества транзисторов и наруше-
нию закона Мора. Однако уже достигнутый сегодня уровень по
плотности монтажа элементов (а значит, по изоляционным расстоя-
ниям между ними), по уровню напряжения питания и рабочей ча-
стоте говорят сами за себя: уязвимость к ЭМИ ЯВ современных
микропроцессоров стала намного большей, чем была 20-30 лет то-
му назад.
149
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Дальнейшие исследования в этой области показали, что вос-
приимчивость микропроцессоров к внешнему электромагнитному
импульсу зависит в значительной степени также от частотных ха-
рактеристик импульса (рис. 4.11) [3].
Рис. 4.11. Изменение вероятности сбоя в работе платы Rocky-518 HV
с процессором Pentium-MMX 233 МГц
с изменением частотных параметров импульса
Как видно из рис. 4.11, восприимчивость микропроцессора
к короткому импульсу с высокой скоростью нарастания переднего
фронта (характерному больше для сверхширокополостного (СШП)
импульса, генерируемого специальными направленными источ-
никами излучения, чем для более длинного импульса ЭМИ ЯВ
с заметно меньшей скоростью нарастания переднего фронта) зна-
чительно выше. Несмотря на меньшую энергию СШП-импульса,
эффективность его воздействия по энергии и напряжению на типо-
вую электронную систему оказывается большей. Для СШП-
импульса первые сбои начинают происходить при напряженности
12 кВ/м, в то время как для ЭМИ ЯВ - при 30 кВ/м. Из этого в [3]
делается вывод о том, что мерой наводимой энергии является не
общая энергия импульса, а энергия в определенном частотном ин-
тервале.
150
Глава 4. Уязвимость электронного оборудования к ЭМИ ЯВ
4.5. Восприимчивость компьютеров к ЭМИ ЯВ
Еще большую восприимчивость к ЭМИ ЯВ имеют сложные
системы на основе микропроцессоров, такие как компьютеры.
Рис. 4.12. Амплитуды импульсов разрушающего электрического
поля (7.5/180 нс) для различных частей персонального компьютера
Однако при испытаниях отдельно стоящих персональных ком-
пьютеров, снабженных стандартным металлическим кожухом, вы-
полняющим роль достаточно эффективного экрана, ослабляющего
внешнее электромагнитное поле, в [3] были получены очень высо-
кие значения амплитуды импульса этого поля, вызывающего отказы
(рис. 4.12). Размер материнской платы намного превышает размеры
отдельных элементов компьютера, поэтому и разность потенциалов,
возникающая на ней при воздействии импульса внешнего электри-
ческого поля, намного превышает разность потенциалов между вы-
водами небольших по размеру элементов.
Совершенно очевидно, что при переходе от отдельно стоящего
и защищенного экранирующим кожухом компьютера к компьютер-
ной сети с ее протяженными кабелями связи ситуация будет карди-
нально иной (рис. 4.13) [3].
Как можно видеть из приведенного анализа, восприимчивость
электронной аппаратуры к ЭМИ ЯВ в очень сильной степени зави-
сит как от разброса параметров компонентов даже одного и того же
типа, так и от изменения внешних условий и воздействующих
151
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
параметров импульса. А это означает, что заранее спрогнозировать
степень уязвимости электронной аппаратуры в реальных условиях
ЯВ просто невозможно. Отсюда следует еще один вывод о том, что
реальные испытания определенного типа электронного устройства
на испытательном стенде, симулирующем ЭМИ ЯВ, могут быть
применимы, а их результаты - интерпретированы лишь для кон-
кретного испытуемого образца изделия и не могут быть распро-
странены на подобные изделия других типов, даже схожих с испы-
туемыми по своим параметрам и выполняемым функциям.
Рис. 4.13. Уровень восприимчивости (сбои в работе) простейшей
компьютерной сети для разной конфигурации сети и используемых кабелей
Еще один важный вывод, который можно сделать из проведен-
ного выше анализа, заключается в том, что устойчивость отдельно
взятых электронных компонентов к импульсу внешнего электриче-
ского поля очень высока и намного превышает реальное поле ЭМИ
ЯВ. Проблема заключается в том, что это поле индуцирует значи-
тельные напряжения в протяженных проводах и кабелях, и уже они,
будучи подключенными к электронной аппаратуре, и представляют
152
Глава 4. Уязвимость электронного оборудования к ЭМИ ЯВ
для нее серьезную угрозу. Поэтому основные усилия по защите
электронного оборудования от ЭМИ ЯВ должны быть направлены
на предотвращение проникновения в нее импульса высокого
напряжения контактным способом, через подключенные кабели.
Литература к главе 4
1. Report of the Commission to Assess the Threat to the United States
from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack. Critical National Infra-
structures. 2008.
2. Yee J. H., Orvis W. J. Martin L. C. Theoretical Modeling of EMP
Effects in Semiconductor Junction Devices. - Report AFWL-TR-82-
91, Air Force Weapon Laboratory, Kirtland Air Force Base, 1983.
3. Camp M., Garbe H. Susceptibility of Personal Computer Systems to
Fast Transient Electromagnetic Pulses // IEEE Transactions on Elec-
tromagnetic Compatibility. - 2006. - Vol. 48, № 4. - Pp. 829-833.
4. Camp M., Garbe H., Nitsh D. Influence of the Technology on the De-
struction Effects of Semiconductors by Impact of EMP and UWB
Pulses / IEEE International Symposium on Electromagnetic Compat-
ibility, 19-3 Aug. 2002, Minneapolis, USA, pp. 87-92.
5. Wunsch D. C., Bell B. R. Determination Failure Levels of Semicon-
ductor Diodes and Transistors Due to Pulse Voltages // IEEE Trans-
actions on Nuclear Science. - 1968. - Vol. 15, issue 6. - Pp.244-259.
6. Nitsh D., Camp M., Sabath F.,Haseborg J. L., Garbe H. Susceptibil-
ity of Some Electronic Equipment to HPEM Threats // IEEE Transac-
tions on Electromagnetic Compatibility. - 2004.- Vol. 46, №3.-
Pp. 380-389.
7. Van Keuren E. Effects of EMP Induced Transients on Integrated Cir-
cuits. - IEEE International Symposium on Electromagnetic Compati-
bility, 7-9 Oct., 1975, San Antonio, TX, USA
8. Jenkins C. R., Durgin D. L. An Evaluation of IC EMP Failure Statis-
tic// IEEE Transactions on Nuclear Science. - 1977. - Vol. 24,
№6.-Pp. 2361-2364.
9. Moore G. E. Cramming More Components onto Integrated Circuits //
Electronics. — 1965. - April 19. - Pp. 114-117.
153
Глава 5. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ДЛЯ ЗАЩИТЫ АППАРАТУРЫ ОТ ЭМИ ЯВ
5.1. Испытания маломощных защитных элементов
при низких импульсных напряжениях
В Западной технической литературе принято деление защища-
емой аппаратуры на два вида: front-door coupling и back-door
coupling, которые определяются как аппаратура, на которую внеш-
нее электромагнитное излучение воздействует напрямую, и аппара-
тура, на которую воздействует электромагнитное излучение, про-
никшее через «заднюю дверь», то есть через несовершенные экра-
нирующие оболочки, зазоры, вводы и т.д. Поскольку оборудование
подстанций расположено в монтажных шкафах, а шкафы - в здани-
ях, ослабляющих внешнее излучение, мы будем рассматривать
в дальнейшем лишь back-door coupling.
Интересные данные о способности некоторых наиболее рас-
пространенных защитных элементов выполнять свои защитные
функции автор обнаружил в лекции профессора П. К. Скоробо-
гатова (рис. 5.1) и хотел было уже привести ссылку на эту лекцию,
как на первоисточник.
Лекция X
Воздействие электромагнитных
импульсов на РЭА, ПП и ИС
Скоробогатов П.К., д. т.н., профессор
Рис. 5.1. Петр Константинович Скоробогатов - доктор технических наук,
профессор факультета автоматики и электроники МИФИ,
автор более двухсот научных трудов и изобретений,
в том числе более десяти учебных пособий, и его лекция
154
Глава 5. Электронные компоненты для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
Однако некоторые странные моменты в этой лекции заставили
автора проверить авторство материала, представленного от своего
имени профессором Скоробогатовым. Оказалось, что наши подозре-
ния были не напрасными, и эта лекция уважаемого профессора в ча-
сти средств защиты от импульсных перенапряжений оказалась пол-
ной копией дипломной работы Тони Нильссона (Tony Nilsson) - сту-
дента Шведского университета Линкопинг (Linkoping University),
см. рис. 5.2, на что в лекции, естественно, ссылок не было. В даль-
нейшем Т. Нильссон публиковал свои работы как сотрудник компа-
нии SAAB Communication, а также Шведского оборонного исследо-
вательского агентства (Swedish Defense Research Agency - FOI).
Итак, приведем некоторые интересные результаты эксперимен-
тов, полученные Тони Нильссоном. Прежде всего, необходимо дать
точное определение параметру, называемому «временем реакции
защитного элемента». Согласно цитируемой работе, это интервал
времени с момента подачи импульса перенапряжения на защитный
элемент и до момента, когда этот импульс будет срезан (рис. 5.3).
Linkopings universitet
Investigation of Limiters For HPM and LJVVB
Front-door Protection
Master thesis performed in Electronics Systems
by
Tony Nilsson
T ITH-TSY-EX-O6G7 16--SF
Linkdping 2006-11-10
Supervisor: Dr Mats Backstrom
Examiner: Ass. Prof. Kent Palmkvist
Linki»pmg. November 10. 2006.
Рис. 5.2. Дипломная работа Тони Нильссона
155
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 5.3. К определению времени реакции защитного элемента
В работе описано исследование времени реакции стандартно-
го варистора типа EV18N0402L с напряжением срабатывания
(breaking voltage) 46-60 В, максимальным остаточным напряжением
(clamping voltage) 110 В и емкостью около 20 пф, предназначенного
для поверхностного монтажа (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Время реакции стандартного варистора типа EV18N0402L
на короткий импульс приложенного напряжения
Как можно видеть из рис. 5.4, амплитуда напряжения на вари-
сторе не остается равной амплитуде приложенного импульса, даже
156
Глава 5. Электронные компоненты для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
такого короткого, а снижается до уровня его напряжения срабаты-
вания. Вместе с тем амплитуда этого напряжения значительно
меньше того значения, которое должно было остаться на сработав-
шем варисторе (110 В). Это можно объяснить тем обстоятельством,
что остаточное напряжение на варисторе (clamping voltage) норми-
руется при протекании через него импульса тока определенной ам-
плитуды. Для варистора типа EV18N0402L этот ток равен 10 А.
Если по результатам эксперимента оказалось, что амплитуда оста-
точного напряжения значительно меньше нормируемого, то это
может означать, что ток через варистор был в эксперименте намно-
го меньше нормируемого. Сдвиг по фазе между приложенным им-
пульсом и импульсом на варисторе можно объяснить емкостью
и индуктивностью монтажа и самого варистора, которые хоть и ма-
лы, но все же влияют на импульс наносекундного диапазона. При
такой интерпретации, определение, данное в работе Т. Нильссона
относительно времени реакции защитного элемента, представляется
не совсем корректным.
Если рассматривать back-door coupling, то есть тот факт, что
импульс перенапряжения поступает к чувствительной аппаратуре
через кабели, обладающие в реальности значительно большей, чем
в эксперименте, индуктивностью и емкостью, то очевидно, что ре-
альный входной импульс ЭМИ ЯВ не будет таким крутым и корот-
ким. Да и сами варисторы, используемые для защиты чувствитель-
ных входов электронной аппаратуры, размещенной в шкафах, будут
значительно более крупными и мощными, чем используемый в экс-
перименте миниатюрный элемент поверхностного монтажа (SMD),
и будут иметь большую емкость.
Рис. 5.5. Мощные блочные варисторы некоторых типов
157
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Еще более мощные блочные варисторы (рис. 5.5) сами по себе
имеют значительную емкость, частично поглощающую энергию
импульса. При практическом использовании таких варисторов важ-
но, чтобы они были расположены как можно ближе к защищаемому
объекту и подключались к нему с помощью коротких проводников
с минимальной индуктивностью.
Вторым защитным элементом, подвергнутым испытаниям, был
газовый разрядник типа CG75L на напряжение пробоя (как указано
в работе Т. Нильссона) 75 В (рис. 5.6).
Как видно из рис. 5.6, газовый разрядник на номинальное
напряжение 75 В в эксперименте Т. Нильссона вообще не срабаты-
вает при подаче на него напряжения 130 В. На основании этого
в работе Т. Нильссона делается вывод о том, что газовые разрядни-
ки вообще не пригодны для защиты оборудования от коротких им-
пульсов.
Рис. 5.6. Реакция газового разрядника типа CG75L
на короткий импульс приложенного напряжения
Соглашаясь с тем, что газовые разрядники - действительно
весьма сомнительные элементы для защиты от ЭМИ ЯВ, следует
отметить, что Т. Нильссон неверно оценил параметры испытуемого
158
Глава 5. Электронные компоненты для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
элемента. Так, например, используемый в исследовании разрядник
типа CG75L при номинальном напряжении 75 В имеет значительно
большие значения пробивного напряжения при воздействии им-
пульса с высокой крутизной переднего фронта (рис. 5.7), доходящие
до 400 В (при 100 В/мкс) и даже до 600 В (при 1 000 В/мкс).
Совершенно очевидно, что при таких напряжениях пробоя этот
разрядник просто не мог сработать при подаче на него крутого
и короткого импульса с амплитудой 130 В. То есть дело здесь вовсе
не в большом времени срабатывания газового разрядника (что само
по себе имеет место), а в существенном возрастании напряжения
пробоя с ростом крутизны импульса.
Part Number Device Specifications (at 25°C)
DC Breakdown in Volts (©lOOV/sl Impulse Break- down in Volts (@100V/|js) Impulse Break- down In Volts (@1 Kv/psec)
MIN |typ| |max MAX
CG75 60 75 90 400 650
CG2350 SN 280 350 420 750 900
CG2600 SN1 480 600 720 woo 1400
Рис. 5.7. Параметры напряжения пробоя (Breakdown in Volts)
некоторых типов газовых разрядников (из каталога производителя)
Незнание этой особенности газовых разрядников и, как следствие,
некорректно поставленный эксперимент простительны для студента,
но не для профессора Московского инженерно-физического институ-
та, использующего этот материал в учебном процессе.
Что касается перспектив использования этих элементов для
защиты от ЭМИ ЯВ, имеющего крутизну переднего фронта намного
большую, чем 1 кВ/мкс, то она представляется нам весьма сомни-
тельной даже без учета большого времени реакции этих элементов,
поскольку их порог срабатывания оказывается слишком большим
для надежной защиты электронного оборудования, особенно рабо-
тающего при напряжении 220/250 В и 380/400 В.
159
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Другие компоненты, исследованные в работе Т. Нильссона, не
являются достаточно мощными для использования в качестве эле-
ментов защиты электронного оборудования энергосистем, и поэто-
му мы их не рассматриваем.
5.2. Испытания маломощных защитных элементов
при повышенных импульсных напряжениях
Еще одной интересной публикацией, рассматривающей сравни-
тельную эффективность различных элементов, используемых для за-
щиты от ЭМИ ЯВ, является статья сотрудников Южно-Корейского
Национального университета Инхеон (INHA University) и Южно-
Корейского исследовательского оборонного агентства [1].
ш
1200- ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
1 ГЕНЕРАТОРА
-600-
1-----1-----1-----1----1-----1-----1-----1----1-----1-----1----1-----г
1 2 3 4 5 6
ВРЕМЯ, НС
Рис. 5.8. Реакция газового разрядника
на приложенный импульс большой амплитуды
Авторы этой статьи исследовали такие же элементы: газовый
разрядник, оксидно-цинковый варистор (Metal-Oxide Varistor - MOV)
и супрессор на базе лавинного диода (TVS-diode), однако отнеслись
160
Глава 5. Электронные компоненты для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
к экспериментам намного более серьезно, в частности, они учли су-
щественное возрастание напряжения пробоя газового разрядника при
приложении к нему импульса с высокой крутизной переднего фронта
и поэтому использовали в эксперименте генератор тестовых импуль-
сов с амплитудой выше 1 000 В. Несмотря на это, результаты экспе-
римента оказались такими же, как и у Т. Нильссона: газовый разряд-
ник просто не срабатывал и никак не защищал объект (рис. 5.8),
а напряжение на нем полностью повторяло выходное напряжение
генератора тестовых импульсов с небольшим сдвигом фазы, обу-
словленным емкостью индуктивностью присоединения.
Однако теперь, при достаточно высоком приложенном напряже-
нии, это происходило по причине слишком большого времени реакции
разрядника на приложенный импульс. Это лишний раз подтверждает
неприменимость газового разрядника для защиты от ЭМИ ЯВ.
Рис. 5.9. Реакция варистора типа LVSL20260C
на импульс приложенного напряжения
При испытании варистора типа LVSL20260C (этот тип указан
в [1]) были получены кривые, представленные на рис. 5.9. Этот
161
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
варистор имеет напряжение срабатывания (breakdown voltage)
30,9 - 40,9 В, остаточное напряжение (clamping voltage) 67 В, ем-
кость 300 пф.
И, наконец, на рис. 5.10 приведен график, полученный при ис-
пытании супрессора на основе лавинного диода. Для этого экспе-
римента был выбран супрессор малой мощности типа SMAJ15A
(рис. 5.10). Этот супрессор имеет напряжение срабатывания
16,7-18,5 В, остаточное напряжение 24,4 В и емкость около
300-400 пф (очень приблизительно).
Рис. 5.10. Реакция супрессора типа SMAJ15A на основе лавинного диода
на импульс приложенного напряжения
Сравнивая осциллограммы напряжения на варисторе и диод-
ном супрессоре (рис. 5.9 и 5.10), можно заметить, что амплитуда
напряжения на супрессоре достигает 600 В, в то время как ампли-
туда напряжения на варисторе достигает лишь 400 В. Из этого
наблюдения авторы статьи [1] делают вывод о преимуществе вари-
стора над диодным супрессором, не обращая никакого внимания
162
Глава 5. Электронные компоненты для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
на то, что эти значения (600 и 400 В) совершенно не соответствуют
ни напряжениям срабатывания этих элементов (breakdown voltage),
ни остаточным напряжениям (clamping voltage) и превышают их
в десятки раз. Уже одно лишь это должно было насторожить авто-
ров. Но, к сожалению, этого не произошло.
Дело в том, что первый всплеск напряжения на защитном эле-
менте (то есть варисторе или супрессоре) с максимальной ампли-
тудой возникает вне всякой связи со временем реакции защитного
элемента, а его реальный момент срабатывания (обозначен на ос-
циллограммах кружком) происходит примерно с одинаковой за-
держкой и для варистора, и для диодного супрессора. Эта задержка
обусловлена емкостью элементов и свойством емкости поглощать
энергию импульса, а значение амплитуды напряжения первого им-
пульса на этих элементах не имеет никакого отношения к их быст-
родействию, напряжению срабатывания или остаточному напряже-
нию и обусловлено лишь поглощающей способностью емкости.
Для сравнения обратимся к осциллограмме напряжения на га-
зовом разряднике (рис. 5.8), из которой видно, что амплитуда
напряжения на разряднике почти такая же, как амплитуда напряже-
ния генератора импульсов. Это обусловлено тем, что емкость (сле-
довательно, и поглощающий эффект) газового разрядника на два
порядка меньше емкости и варистора, и супрессора.
В реальных условиях эксплуатации емкость защитного элемен-
та может быть полностью заряжена напряжением рабочей цепи,
в которую включен этот элемент, и поэтому никакого поглощающе-
го эффекта этой емкости уже не будет. Кроме того, в ряде цепей
(особенно работающих на повышенных частотах, например, в си-
стемах связи и телекоммуникаций) большая емкость защитного
элемента вообще недопустима. Из этого следует, что никакого
реального преимущества варистора над диодным супрессором при
использовании их для защиты от короткого импульса напряжения
с высокой крутизной переднего фронта (как у ЭМИ ЯВ) на самом
деле нет и выводы, полученные в [1], ошибочны. К тому же, именно
супрессоры на основе лавинного диода, а вовсе не варисторы, при-
меняются для защиты чувствительных электронных схем от стати-
ческого электричества, разряды которого имеют высокую крутизну
переднего фронта, а время нарастания последнего лежит в наносе-
кундном диапазоне, весьма близком к ЭМИ ЯВ.
163
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Анализ других публикаций в технической литературе, содер-
жащих сравнительную оценку способности варисторов и TVS-
диодов защищать от коротких импульсных перенапряжений нано-
секундного диапазона, показывает, что все они отдают предпочте-
ние TVS-диодам как более быстродействующим элементам.
Ha-пример, в [2] TVS-диоды отнесены к быстродействующим
защитным элементам, а варисторы - к медленнодействующим.
В [3] TVS-диоды отнесены к быстродействующим элементам,
а варисторы - к «умеренно быстрым». В [4] приведены вообще
фантастические данные о быстродействии TVS-диодов - 0,01 нс,
при этом отмечается, что варисторы срабатывают примерно
в 50-100 раз медленнее. В [5] утверждается, что TVS-диоды име-
ют значительно более высокое быстродействие. В подтверждение
этому в [6] приводятся такие значения для времени реакции эле-
ментов: 80 мкс у варистора и 5 нс у диода на основе лавинного
эффекта. Однако из неопубликованных в открытой печати отчетов
автору известно об экспериментальных исследованиях пригодно-
сти варисторов для защиты от ЭМИ ЯВ и о полученных положи-
тельных результатах этих исследований, вопреки многочисленным
опубликованным утверждениям о недостаточном быстродействии
варисторов.
Очень многое во всех этих исследованиях зависит от реаль-
ных условий испытаний, когда даже небольшой отрезок провода
или длинный вывод элемента существенно влияет на парамет-
ры прикладываемого к защитному элементу импульса и на его
способность защитить аппаратуру от этого импульса. А ведь в ре-
альных условиях, когда защитные элементы будут расположены
в типовых шкафах и подключены ко входам защищаемой аппа-
ратуры посредством отрезков проводов, имеющих существен-
ную для такого короткого импульса индуктивность, ее влияние
становится неизбежным и должно быть принято во внимание при
сравнительной оценке эффективности защитных элементов разных
видов.
В связи с существующей неопределенностью и отсутствием
однозначно подтвержденных данных автором были проведены
самостоятельные исследования.
164
Глава 5. Электронные компоненты для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
5.3. Испытания мощных защитных элементов в условиях,
приближенных к реальным
В реальных условиях эксплуатации расположенного в метал-
лических шкафах электронного оборудования, ко входам и выходам
которого подключены длинные кабели, параметры цепей, подвер-
гающиеся воздействию ЭМИ ЯВ, будут совершенно не такими, как
в стерильных лабораторных условиях, описанных выше.
В связи с этим нами были проведены собственные исследова-
ния на макете, конструкция которого хоть как-то отражает реальные
условия (рис. 5.11).
Рис. 5.11. Внешний вид макета с установленными испытуемыми
элементами и схема испытаний
В процессе испытаний на макете менялся испытуемый защит-
ный элемент (варистор - MOV и супрессор - TVS) и длина соеди-
нительного проводника (0,1 и 1,0 м).
165
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 5.12. Осциллограммы, полученные при испытании двух типов
защитных элементов: TVS-диода (TVS) и варистора (MOV)
на макете с короткими проводниками (длиной 0,1 м);
RT - rise time (время нарастания переднего фронта импульса)
166
Глава 5. Электронные компоненты для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
Исследовался варистор типа B72220S0600K101 с номинальным
напряжением 60 В (85 В на постоянном токе), остаточным напря-
жением 165 В, емкостью 3 600 пф, а также эквивалентный ему по
мощности диодный супрессор типа PTVS10-076-TH с напряжением
срабатывания 85-95 В, остаточным напряжением 140 В и емкостью
5 600 пф.
В макете использовались широко применяемые в шкафах с ап-
паратурой клеммные колодки, монтажный провод, печатная плата,
соответствующая по размерам реальной конструкции, на которой
будут установлены в шкафу защитные элементы (варисторы или
TVS-диоды).
Совершенно очевидно, что при такой конструкции макета его
высокочастотные параметры (емкость, индуктивность, волновое
сопротивление) очень далеки от совершенных и от согласованных
с выходом генератора импульсов и входом осциллографа. В связи
с этим оказалась практически невозможной одновременная запись
на импульсном осциллографе сигнала, подаваемого с генератора,
и сигнала, остающегося на защитном элементе, таким образом,
чтобы эти сигналы позволяли оценить свойства защитных элемен-
тов и сравнить их между собой, как это планировалось заранее.
Поэтому в процессе испытания сначала записывался калибровоч-
ный импульс с выпаянным из печатной платы защитным элемен-
том. Потом защитный элемент возвращался на место и повторно
проводилась запись сигнала без внесения каких бы то ни было из-
менений в схему или переключения в ней. Полученные осцилло-
граммы показаны на рис. 5.12.
Калибровочный импульс, подаваемый на макет без защитного
элемента, сохранял высокую скорость нарастания (rise time - RT)
в диапазоне единиц наносекунд, хотя длительность импульса уве-
личилась до сотни наносекунд. Оба испытуемых защитных элемен-
та срезали амплитуду входного импульса до уровня, примерно со-
ответствующего их напряжению срабатывания. При этом скорость
нарастания амплитуды импульса на этих элементах претерпела
существенные изменения и уменьшилась примерно в 5 раз, что
можно, по-видимому, объяснить влиянием емкости самих защитных
элементов.
На рис. 5.13 представлены результаты испытаний защитных
элементов с длинным проводом на входе.
167
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
ВРЕМЯ, нс
Рис. 5.13. Осциллограммы испытаний двух типов защитных элементов:
супрессора (TVS) и варистора (MOV) на макете
с длинными проводниками (длиной 1 м);
RT - rise time (время нарастания импульса)
168
Глава 5. Электронные компоненты для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
Как и прежде, оба защитных элемента успевают сработать и
ограничить амплитуду входного импульса. Уровень ограничения
напряжения несколько возрос по сравнению с предыдущим экспе-
риментом, что связано с увеличением амплитуды напряжения вход-
ного импульса и, соответственно, тока, протекающего через защит-
ные элементы после их срабатывания.
И, наконец, последним испытывался варистор с длинным прово-
дом (рис. 5.14). Испытания проводились с увеличенной до 2 кВ ам-
плитудой тестового импульса. Из полученной осциллограммы можно
заметить, что остаточное напряжение на варисторе значительно ниже
амплитуды приложенного импульса (2 кВ), что означает, что вари-
стор успешно сработал и срезал этот импульс.
Рис. 5.14. Осциллограммы работы варистора при воздействии
испытательного импульса с амплитудой 2 кВ; FWHM
(Full Width at Half Maximum) - ширина импульса на половине амплитуды
Однако нельзя не заметить, что амплитуда остаточного напря-
жения на варисторе впервые в эксперименте превысила, причем
существенно, нормируемое в справочных данных значение (165 В).
Что это означает? Для ответа на этот вопрос нужно разобраться с
тем, что такое остаточное напряжение (clamping voltage) на импуль-
сном защитном элементе, нормируемое производителем для каждо-
го типа элемента. По логике, это должно быть то напряжение, кото-
рое остается на защитном элементе после его срабатывания, то есть
то напряжение, которое будет прикладываться к защищаемому этим
элементом оборудованию.
169
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Таблица 5.1
Значения тока, используемые производителями
для измерения остаточного напряжения (clamping voltage)
на варисторах и TVS-диодах
Тип элемента Макс, амплитуда тока для стандартного импульса 8/20 мкс Амплитуда тока, используемого для измерения остаточного напряжения (для импульса 8/20 мкс) Амплитуда тока, используемого для измерения остаточного напряжения, в процентах от заявленной макс, амплитуды тока
MOV
V5E50P 800 5 0,6
MOV-20D680K 2 000 20 1
V20E50P 10 000 100 1
B72225S4301K101 20 000 150 0,8
V25S300P 22 000 100 0,5
В722240В0321К101 40 000 300 0,8
V321BA60 50 000 200 0,4
TVS
TClamp2512N 120 100 83
SP03-6 150 100 67
АК1 (серия) 1 000 1 000 100
АКЗ (серия) 3 000 3 000 100
PTVS-3 (серия) 3 000 3 000 100
PTVS-10 (серия) 10 000 10 000 100
АК15 (серия) 15 000 15 000 100
Именно так и есть. Но тогда как объяснить существенное уве-
личение этого самого clamping voltage в нашем эксперименте отно-
сительно значения, записанного в паспортных данных варистора?
Оказывается, поскольку характеристики варисторов весьма
далеки от идеальных, производители пошли на маленькую хитрость
и приводят в справочных данных значения clamping voltage для
тока, значительно меньшего (на один процент и меньше) того, на
который рассчитан варистор (табл. 5.1). А поскольку падение
напряжения на защитном элементе зависит от тока, протекающего
по нему, то совершенно очевидно, что для малых значений тока
и clamping voltage будет небольшим.
170
Глава 5. Электронные компоненты для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
В описанном выше эксперименте импульс тока, протекающий
через варистор при подаче на него напряжения 2 кВ, превысил то
значение тока, при котором производитель измерял clamping voltage,
и поэтому реальное остаточное напряжение на варисторе оказалось
больше нормируемого. Но ведь из этого следует, что в реальных
условиях эксплуатации при заранее неизвестной амплитуде тока,
который будет протекать через варистор после его срабатывания,
невозможно заранее знать, какое напряжение останется на нем,
то есть на защищаемом оборудовании! При импульсных токах в не-
сколько килоампер, на которые рассчитаны мощные варисторы,
остаточное напряжение на них может достигать нескольких кило-
вольт! А в случае воздействия мощного ЭМИ ЯВ эффективность за-
щиты, построенной на основе варисторов, оказывается вообще не-
предсказуемой, причем вне всякой связи с их быстродействием.
ВАХ
Рис. 5.15. Вольтамперные характеристики низковольтных
защитных элементов: TVS-диода и варистора (MOV),
также группы из 6 параллельно включенных варисторов (6 х MOV)
Но в случае с TVS-диодами такой проблемы не существует, по-
скольку, за редким исключением специальных типов диодов, про-
изводители указывают в паспортных данных значение остаточного
напряжения при протекании через них максимального импульсного
171
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
тока, на который они рассчитаны (см. табл. 5.1). Кстати, использо-
вание такого неодинакового подхода к варисторам и TVS-диодам
закреплено в стандартах [7, 8], поэтому придраться к производите-
лям в этой ситуации нельзя. С другой стороны, стандарты эти были
написаны более 30 лет тому назад, когда на рынке присутствовали
лишь маломощные TVS-диоды и стабилитроны на основе лавинно-
го эффекта. По-видимому, пришло время откорректировать эти
стандарты в связи с появлением новых технологий и новых элемен-
тов, чтобы привести параметры различных видов защитных элемен-
тов к «общему знаменателю», понятному для пользователей.
В [9] показано, что даже использование группы из параллельно
включенных варисторов (рис. 5.15), не спасает дело, из чего следует
однозначное преимущество мощных TVS-диодов, но их стоимость,
почти в 100 раз превышающая стоимость варисторов...
ФЭ, 6 штук
Рис. 5.16. Установка ферритовых элементов (ФЭ)
в шкафу с электронной аппаратурой:
слева - до установки, справа - после установки
А что, если попытаться ограничить ток, протекающий через вари-
стор при его срабатывании, и тем самым уменьшить падение напряже-
ния на нем? При этом техническое решение должно быть не чисто
172
Глава 5. Электронные компоненты для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
теоретическим, а практически приемлемым для реализации в шкафах
с электронной аппаратурой и должно перекрывать весь частотный
диапазон ЭМИ ЯВ.
Такое решение было найдено в виде разборных ферритовых
фильтров в пластмассовой арматуре с защелкой, свободно устанав-
ливаемых на многожильных контрольных кабелях, заходящих
в шкафы с аппаратурой без их разрезания (рис. 5.16).
Рис. 5.17. Схема испытательного стенда, используемого
при исследовании совместной работы варистора и набора
из шести ферритовых элементов
Отобранные ферритовые фильтры (или ферритовые элементы -
ФЭ) были смонтированы на описанном выше макете и испытаны
совместно с варистором (рис. 5.17).
173
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Результаты испытаний показывают достаточно сильное поло-
жительное влияние ферритовых элементов на эффективность рабо-
ты варисторов (рис. 5.18).
ВРЕМЯ, нс
Рис. 5.18. Напряжение на варисторе (MOV)
без ферритовых элементов (вверху) и с ферритовыми элементами (внизу)
174
Глава 5. Электронные компоненты для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
Выводы по главе 5
1. Результаты исследования показывают, что и варисторы, и су-
прессоры (TVS-диоды) на основе лавинного эффекта с точки
зрения быстродействия являются элементами, пригодными для
использования в качестве одного из основных средств для защи-
ты промышленного электронного оборудования, расположенно-
го в шкафах, от воздействия ЭМИ ЯВ.
2. Газовые разрядники непригодны для этой цели.
3. Мощные TVS-диоды являются более качественными и надеж-
ными элементами защиты, чем варисторы, но их очень высокая
стоимость при массовом применении заставляет искать альтер-
нативу.
4. Альтернативой могут служить дешевые варисторы в сочетании
с дешевыми ферритовыми элементами, установленными на кон-
трольном кабеле до варисторов.
5. Дополнительные ферритовые элементы, установленные на кон-
трольном кабеле, позволяют снизить крутизну переднего фронта
и амплитуду тока, протекающего через защитный элемент после
его срабатывания, и, соответственно, снизить падение напряже-
ния на нем, существенно повышая эффективность защиты обо-
рудования варистором.
6. Параметры ФЭ и типы, наиболее подходящие для данного при-
менения, требуют отдельного исследования (см. главу 10).
7. Для особо ответственной и чувствительной электронной аппа-
ратуры рекомендуется использовать значительно более дорогие,
но и более качественные защитные элементы на основе TVS-
диодов.
Литература к главе 5
1. Han S. М., Huh С. S., Choi J. S. A Validation of Conventional Pro-
tection Devices in Protecting EMP Threats. - Progress in Electro-
magnetic Research, 2011, Vol. 119, pp. 253-263.
2. Protection Technology Comparison Chart. - Protek Devices, 2013.
3. TND335/D. Transient Overvoltage Protection, ON Semiconductor,
Semiconductor Components Industries, LLC, 2008.
175
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
4. AN 1826/0104. Transient Protection Solution: Transit™ diode ver-
sus Varistor /Bremond A., Karoui C. - STMicroelectronics.
5. Goldman S. J. Selecting Protection Devices: TVS Diodes vs. Metal-
Oxide Varistors, Power Electronics, June 1, 2010.
6. Catalog EMP Connectors Inc., USA, California, 2005
(www.conesys.com/catalogs/EMP/empcatl.pdf).
7. IEEE Std. C62.33-1982. Test Specifications for Varistor Surge-
Protective Devices, 1882.
8. IEEE Std. C62.35-1987. Test Specifications for Avalanche Junction
Semiconductor Surge-Protective Devices, 1987.
9. Howell T. Comparing Circuit Protection Technologies for 48 V DC
in High Surge Environments. - Protection Engineers Group Con-
ference, Dallas, March 14-16, 2017.
176
Глава 6. ВНЕШНЯЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОННОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМ ОТ ЭМИ ЯВ
6.1. Введение
Электронное оборудование энергосистем: микропроцессорные
устройства релейной защиты (МУРЗ), программируемые логиче-
ские контроллеры (ПЛК), системы автоматики, телемеханика, связь
и прочее, монтируется, как правило, в специальных монтажных
шкафах и подключается к системе заземления; шкафы расположены
в зале управления (релейный зал); этот зал - в здании подстанции.
Такой же «слоеной» должна быть и защита этого электронного обо-
рудования от разрушительного воздействия электромагнитного им-
пульса высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ). Каждый из этих
«слоев» - например, системы заземления электронной аппаратуры;
ЭМИ-фильтры, подключаемые ко входам такой аппаратуры; прин-
ципы и средства защиты монтажных шкафов - требует отдельного
рассмотрения [1-3]. В данной главе рассматриваются проблемы
обеспечения защиты здания подстанции и зала управления, которые
определяются в данном тексте как «внешняя защита».
Почему в дополнение к этим упомянутым выше «слоям» тре-
буется еще один «слой» - внешняя защита? Обусловлено это не-
сколькими причинами.
Во-первых, обеспечить высокую эффективность защиты от
ЭМИ ЯВ только с помощью одного какого-то «слоя» бывает очень
сложно, а часто и вообще невозможно, поскольку ЭМИ ЯВ - это
и электрическое поле в воздухе с очень высокой напряженностью
(до 50 кВ/м у поверхности земли), и импульс высокого напряжения,
прикладываемый непосредственно ко входам электронной аппара-
туры, и мощные наводки на системе заземления, проникающие
прямо на чувствительные электронные элементы и др.
Во-вторых, отдельно взятые электронные устройства, напри-
мер, МУРЗ или ПЛК, не являются изолированными на электроэнер-
гетическом объекте (например, на подстанции или электростан-
ции), а соединены со множеством других устройств, часто распо-
ложенных на большом расстоянии друг от друга. Обеспечение вы-
сокоэффективной защиты каждого отдельно взятого электронного
устройства в такой ситуации может оказаться слишком дорогим
177
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
для практической реализации по сравнению с «внешней защитой»
целого зала или даже здания за счет использования специальных
строительных материалов.
Целью данной главы является рассмотрение существующих
возможностей по защите от ЭМИ ЯВ целых зданий или залов
и оценка эффективности такой защиты.
6.2. Анализ способности традиционных строительных
материалов ослаблять электромагнитное излучение
Практически значимые экспериментальные исследования спо-
собности различных строительных материалов ослаблять электро-
магнитное излучение были проведены в 90-х годах прошлого века
американским Национальным институтом стандартов и технологий.
В 1997 г. был выпущен полный отчет с результатами испытаний [4].
Таблица 6.1
Эффективность ослабления электромагнитного
излучения некоторыми распространенными
строительными материалами
Материал Вносимое затухание, дБ
500 МГц 1 ГГц
Бетон толщиной: • 102 мм 7-11 11-14
• 203 мм 17-25 22-28
• 305 мм 3145 33-45
Железобетон толщиной 203 мм: • диаметр стержня 19 мм, шаг 70 мм 26 30
• диаметр стержня 19 мм, шаг 140 мм 23 27
Полые бетонные блоки толщиной: • 203 мм 8 12
• 406 мм 13 17
• 609 мм 26 28
Сухие бревна диаметром: • 38 мм 2 3
• 76 мм 1,5 3
• 152 мм 4,5 6
Кирпичная кладка толщиной: • 1 кирпич (89 мм) 0 3,5
• 2 кирпича (178 мм) 3,5 5,5
• 3 кирпича (267 мм) 4 7
178
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
К сожалению, частотный диапазон, используемый в испытани-
ях, не охватывает полный диапазон частот ЭМИ ЯВ (100 кГц -
100 МГц), однако полученные данные (табл. 6.1) достаточны для
приближенной общей оценки ситуации.
Рис. 6.1. Железобетон с различной арматурой
Таблица 6.2
Вносимое затухание для образцов бетона
с различным в л агосо держанием
Параметры бетонов Вносимое затухание, дБ (раз), для частоты
200 МГц 500 МГц 1 ГГц
Влагосодержание, % 0,2 5,5 12 3(1,41) 11 (3,55) 18(7,94) 4(1,58) 18(7,94) 32 (39,8) 4(1,58) 20(10) 35 (56,2)
Кратность изменения затухания для фиксированной частоты при изменении влагосодержания с 0,2 до 12 % 5,6 25,2 8,75
Средняя кратность изменения вносимого затухания при изменении влагосодержания с 0,2 до 12 % 13,2
Вполне ожидаемо, что наилучшими результатами обладает ар-
мированный железобетон, хотя усиление его экранирующей спо-
собности по сравнению с обычным (не армированным) бетоном не
так уж и велико, как можно было бы предполагать (напомним, что
20 дБ соответствует ослаблению амплитуды излучения в 10 раз).
179
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Таблица 6.3
Вносимое затухание для железобетона
с шагом сетки 100 мм
и прутками арматуры различного диаметра
Параметры ЖБ Вносимое затухание, дБ (раз), для частоты
100 МГц 200 МГц 500 МГц 1 ГГц
Диаметр прутков арматуры, мм 10 30 50 25 (17,8) 40(100) 70 (316) 20(10) 35 (56,2) 60(1000) 12 (3,98) 30(31,6) 55 (562) 5(1,78) 20(10) 45 (178)
Кратность изменения затухания для фиксированной частоты при изменении диаметра прутков от 10 до 30 мм 18 100 141 100
Средняя кратность изменения вносимого затухания при изменении диаметра прутков от 10 до 30 мм 90
Таблица 6.4
Вносимое затухание для железобетона
различной толщины с шагом сетки 100 мм
и прутками арматуры диаметром 20 мм
Параметры ЖБ Вносимое затухание, дБ (раз), для частоты
100 МГц 500 МГц 1 ГГц
Толщина бетона, мм 600 1 000 1 500 60(1000) 60(1000) 60(1000) 25 (17,8) 30(31,6) 40(100) 15 (5,62) 22 (12,6) 30(31,6)
Кратность изменения затухания для фиксированной частоты при изменении толщины бетона с 600 до 1 500 мм 1 5,6 5,6
Средняя кратность изменения вносимого затухания при изменении толщины бетона с 600 до 1 500 мм 4
Очевидно, что изменение параметров как самого бетона, так и
его арматуры (рис. 6.1) может сильно повлиять на экранирующие
свойства здания. Каким образом? Ответ на этот вопрос дают ре-
зультаты многочисленных исследований [5-8].
180
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
В таблицах 6.2 - 6.7 приведены некоторые обобщенные данные,
отражающие влияние изменения различных параметров наиболее
распространенного строительного материла на его экранирующие
свойства.
Таблица 6.5
Вносимое затухание для железобетона
толщиной 1 000 мм с вл агосо де ржанием 12 %
с одним и двумя слоями арматуры с шагом сетки 100 мм
и прутками арматуры диаметром 20 мм
Параметры ЖБ Вносимое затухание, дБ (раз), для частоты
100 МГц 500 МГц 1 ГГц
Количество слоёв арматуры: один слой два слоя 70 (3160) 110(316000) 55 (562) 65 (1780) 40(100) 42 (126)
Кратность изменения затухания для фиксированной частоты при переходе от одного слоя арматуры - к двум слоям 100 3,2 1,26
Средняя кратность изменения вносимого затухания при переходе от одного слоя арматуры - к двум слоям 35
Таблица 6.6
Вносимое затухание для усиленного железобетона
с различным расстоянием между двумя слоями арматуры
с шагом сетки 100 мм и прутками диаметром 20 мм
Параметры ЖБ Вносимое затухание, дБ (раз), для частоты
100 МГц 500 МГц 1 ГГц
Расст. между двумя слоями арматуры, мм 30 100 200 20(10) 25 (178) 25 (178) 27 (22,4) 40(100) 40(100) 45 (178) 58 (251) 65 (1780)
Кратность изменения затухания для фиксированной частоты при изменении расстояния между двумя слоями арматуры от 30 до 200 мм 17,8 4,5 10
Средняя кратность изменения вносимого затухания при изменении расстояния между двумя слоями арматуры от 30 до 200 мм 10,8
181
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Представленные в таблицах 6.1 - 6.6 результаты могут быть ис-
пользованы для анализа и оценки степени влияния того или иного па-
раметра бетона на эффективность экранирования и выбора наиболее
подходящих для конкретных условий средств повышения эффек-
тивности экранирования. Сравнение результатов эксперименталь-
ных исследований, представленных различными авторами, показало
достаточно хорошее совпадение (расхождение не превышает 15 %).
Вместе с тем необходимо понимать, что данные, полученные экспери-
ментальным путем, соответствуют лишь конкретному материалу,
находящемуся в конкретных условиях. Реальные материалы и реаль-
ные условия эксплуатации этих материалов могут очень существенно
отличаться от использованных в эксперименте, что влечет за собой
существенное изменение эффективности экранирования. Причем эти
изменения могут появляться и медленно изменяться даже для одного
и того же материала с течением времени, что связано, например,
с естественным постепенным уменьшением влагосодержания нового
бетона, которое довольно существенно влияет на эффективность экра-
нирования (табл. 6.2).
6.3. Композитные строительные материалы
с повышенной электропроводностью
Композитные материалы с повышенной электропроводностью,
специально предназначенные для электромагнитного экранирова-
ния, были впервые разработаны и исследованы еще в 70-х годах
прошлого века (то есть около 50 лет тому назад) [6, 7]. За прошед-
шее с тех пор время появилось много новых композитных строи-
тельных материалов, в основном на основе бетона с различными
добавками, повышающими его электропроводность и, следователь-
но, экранирующую способность. Такие материалы разработаны
в Китае, Индии, США, России и многих других странах, а результа-
ты их тестирования представлены в многочисленных публикациях,
например, в [8-16].
В качестве добавок в бетон используются электропроводная
пудра, в основном угольная, графитовая и металлическая, угольные
нити, углеродные нанотрубки, коротко нарезанные кусочки сталь-
ной проволоки. Рецептуры таких композитных строительных мате-
риалов запатентованы во многих странах (патенты США: 2868659,
182
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
3207705, 5346547, 5422174, 6214454, 6503318, 6821336, 7578881,
8067084, 8617309, 8968461, 9278887 и др.; патенты России: 2545585,
2345968, 2234175, 2405749, 2291130 и др.; патенты Китая: 1282713,
1293012, 1298663, 1844025, 101030454, 1313410, 103979853 и др.)
Массовая доля графитоугольной смеси может доходить до
25-35 %, а в некоторых рецептурах даже до 75 % от общего веса
материала. Понятно, что такая большая доля графита и углерода
в бетонной смеси, во-первых, обуславливает довольно высокую
стоимость конечного продукта, а во-вторых, заметно снижает его
механическую прочность.
В России в качестве электропроводного наполнителя для стро-
ительных материалов в последние годы стало модным использова-
ние шунгита. Шунгит - это природный минеральный композит, со-
стоящий из высокодисперсных кристаллических силикатных частиц
в аморфной углеродной матрице (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Природный шунгит
Добывают шунгит в Зажогинском месторождении (Республи-
ка Карелия). Строительные материалы на основе магнезиально-
шунгитовых смесей производятся в России компанией «Альфапол»
(патент России № 2233255). В качестве строительных материа-
лов используют шунгитовую породу группы III, представляю-
щую собой природный композит, состоящий из 26-30 % углерода
и 56-60 % силикатных частиц. Как строительный материал шунги-
товые смеси наносят на поверхности экранируемого помещения
183
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
в качестве отделки. Для повышения эффективности экранирования
возможно использование многослойного экранирования путем соче-
тания штукатурного состава с металлической сеткой. По утвержде-
нию разработчиков, стоимость штукатурных шунгитовых смесей со-
измерима со стоимостью обычных строительных материалов.
Испытания радиоэкранирующих свойств материала в широком
диапазоне частот [17-19] были выполнены на макете стены, выпол-
ненной из фанеры с нанесенным на нее слоем шунгитовой штука-
турки марки «Альфапол ШТ-1» толщиной 15 мм (табл. 6.7).
Таблица 6.7
Эффективность экранирования шунгитовой штукатурки марки
«Альфапол ШТ-1»
Частотный диапазон, МГц 3-30 30-300 300-1 200
Вносимое затухание, дБ 6-10 8-14 12-16
Сухая смесь состоит из порошка природного шунгита, активно-
го оксида магния в виде порошка магнезитового каустического
(MgO) и модифицирующей добавки. Для приготовления штукатур-
ки сухую смесь перемешивают с водным раствором бишофита
(MgCl2).
Рис. 6.3. Штукатурка шунгитовая марки
РЭС-1, производимая украинским
предприятием «Рудус»
Аналогичную штукатурку марки РЭС-1 выпускает и украин-
ская фирма «Рудус» по цене 1,5 доллара США за 1 кг сухой смеси
в комплекте с жидким полимерным раствором (рис. 6.3).
На основе шунгита разработан и защитный бетон. Однако адге-
зия между частицами шунгита и цементным камнем практически от-
сутствует, и при перемешивании порошка шунгита с цементом очень
трудно получить однородную смесь, поэтому эти частицы можно
рассматривать как условные поры в цементном монолите. В связи
с этим для приготовления бетонной смеси используют специальный
184
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
магнезиальный цемент (10%), имеющий более высокую адгезию к
шунгиту (85 %). Магнезиальный цемент - разновидность строитель-
ного вяжущего материала на основе оксида магния. Последний,
в свою очередь, получают из магнезита (распространённый минерал,
карбонат магния MgCO3) путём прокаливания при высокой темпера-
туре с последующим помолом.
К сожалению, стоимость такого бетона неизвестна, а и его
экранирующие свойства представлены в рекламных материалах не-
точно и невнятно.
В Университете штата Небраска (США) была разработана
усовершенствованная рецептура электропроводного строительного
железобетона (Пат. США 8968461, 9278887), см. табл. 8, реклами-
руемого как материал, специально предназначенный для защиты
от ЭМИ ЯВ.
Таблица 6.8
Состав электропроводного строительного железобетона
по пат. США 8968461 и 9278887
Компоненты Процентное содержание
Цемент 1 класса 20,9
Дымчатый кварц 1,1
Песок и гравий или таконитовый песок 20,1
Таконит гранулированный 23,5
Угольная пыль (размер частиц до 0,7 мм) 2,0
Угольная пыль (размер частиц до 2 мм) 5,6
Уголь молотый (размер частиц до 10 мм) 8,0
Графитовая пудра (размер частиц до 0,15 мм) 1,2
Вода 10,1
Нарезанная стальная проволока (2,5 см) 3,3
Нарезанная стальная проволока (3,8 см) 2,7
Стальная стружка 1,0
Суперпластификатор 0,4
Таконит, составляющий 23 % этой бетонной смеси, - это желе-
зистый микрокварцит, одна из форм железной руды. В рецептуре не
отражено, что речь идет об армированном стальной сеткой в не-
сколько слоев бетоне.
185
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Из анализа компонентов этого строительного материала можно
заметить, что ничего революционного и принципиально нового
в его рецептуре не содержится, однако авторы этих патентов (ос-
новной автор - профессор факультета гражданского строитель-
ства Университета Небраски-Линкольна, д-р Christopher Y. Tuan)
развернули мощнейшую рекламную компанию по всему миру, ре-
кламируя непревзойденные, по их мнению, свойства их уникально-
го строительного материала (названного ими ЕМВЗ), создали от-
дельную маркетинговую компанию, занимающуюся продвижением
на рынок этого материала, получили соответствующие инвестиции
в этот проект.
Рис. 6.4. Процесс строительства защищенного здания
из материала ЕМВЗ
Основное преимущество этого материала, по утверждению его
автора, - это меньшая на 60 % по сравнению с аналогами стоимость
материала и увеличенная на 28 % прочность бетона. По данным ав-
тора патента, ему удалось снизить стоимость его материала до
300 долларов США за один кубический ярд (около 0,8 куб. метра),
186
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
в то время как стоимость обычного бетона составляет 120 долларов
за один кубический ярд.
В процессе возведения здания из этого композитного материа-
ла (рис. 6.4) заливка арматуры производится послойно, поскольку
в каждом слое содержится определенный наполнитель.
В рекламном буклете [20] приводится уникальная для строи-
тельных материалов характеристика (рис. 6.5), но из этого буклета
невозможно узнать удельное затухание, вносимое материалом,
то есть неизвестно, для какой толщины материала приведен график
и неизвестно содержание воды в материале, для которого приведен
график, а ведь содержание воды в бетоне существенно меняется по
мере его высыхания, и синхронно с этим меняется и его сопротив-
ление, а значит, и экранирующая способность (табл. 6.9) [21].
Рис. 6.5. Рекламируемая характеристика электропроводного бетона
типа ЕМВЗ (верхний график) и требования к экранированию
для защиты от ЭМИ ЯВ по стандарту MIL-STD-188-125-1
Из личной беседы автора с руководителями компании Omni-
Threat Structures, представляющей этот материал на рынке, выяс-
нилось, что удельное затухание, вносимое материалом, состав-
ляет ЮдВ/инч (~4 дБ/см), что является не таким уж и выдаю-
щимся результатом. Данными об изменении электропроводности
187
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
и эффективности экранирования в зависимости от содержания воды
в материале представители компании не располагают.
Таблица 6.9
Изменение сопротивления бетона во времени [21]
Сопротивление, Ом • м 10 дней 2 месяца 2 года Кратность увеличения сопротивления за 2 года
Обычный бетон 38 265 720 19
Электропроводный бетон типа А 2,3 6,0 95 41
Электропроводный бетон типа Б 2,0 5,2 38 19
Следует отметить, что если характеристика, представленная на
рис. 6.5, соответствует действительности, то это означает, что эф-
фективность экранирования электромагнитного излучения новым
бетоном близка к эффективности экранирования защищенных от
ЭМИ ЯВ помещений листовой медью, которая широко применяется
для внутренней облицовки (рис. 6.6).
Рис. 6.6. Защищенные от ЭМИ ЯВ помещения,
облицованные внутри листовой медью
Высокая электропроводность меди обуславливает ее хорошую
способность отражать падающую не нее электромагнитную волну,
особенно в области относительно низких частот (100 кГц - 100 МГц),
характерных для ЭМИ ЯВ (рис. 6.7).
188
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
Рис. 6.7. Эффективность экранирования электромагнитных полей
листовой медью, используемой
для облицовки защищенных помещений
Рассмотренный выше электропроводный бетон также обладает
повышенной электропроводностью, и, исходя из характеристики,
представленной в рекламном материале (рис. 6.5), его экранирую-
щие свойства обусловлены его способностью отражать электромаг-
нитную волну.
Обычно для проверки эффективности экранирования помеще-
ния внутри него размещают приемник излучения с направленной
антенной, а снаружи, напротив этой антенны, устанавливают пере-
датчик со второй направленной антенной. По разности излученного
и принятого сигналов определяют его степень ослабления, обуслов-
ленную экранирующим эффектом стены (рис. 6.8).
189
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 6.8. Измерение эффективности экранирования помещений
Облицованные медью стены дают отличный результат измере-
ний. Хороший результат был получен при измерении таким же ме-
тодом и для нового американского бетона.
Но здесь возникают по меньшей мере два вопроса.
Первый: обычная электронная аппаратура энергообъектов вы-
держивает напряженность электромагнитного поля 10 В/м в соот-
ветствии с обычными стандартами по электромагнитной совмести-
мости. Это значит, что для обеспечения допустимого для электрон-
ной аппаратуры уровня напряженность поля должна быть снижена
с 50 кВ/м до 10 В/м, то есть в 5 000 раз. Но 100 дБ (и даже более),
обеспечиваемое этим строительным материалом на значительном
участке частотного диапазона - это 100 000 раз! Нужна ли такая
защита на практике, учитывая, что предлагаемый строительный ма-
териал стоит втрое дороже обычного (а с учетом более сложной
технологии строительства - возможно, что намного больше)?
Второй вопрос касается характеристики материала, вернее, его
способности ослаблять электромагнитное излучение за счет отраже-
ния падающей на него волны. Проблема здесь в том, что такой рас-
пространенный метод защиты помещений от ЭМИ ЯВ неприемлем
190
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
для электроэнергетики, поскольку на объектах электроэнергетики
источники электромагнитного излучения, в том числе и похожего
на ЭМИ ЯВ, расположены не только снаружи помещений, но также
и внутри них. Внутренними источниками излучения являются мно-
гочисленные кабели, заходящие из внешнего пространства в защи-
щенные помещения. Количество таких кабелей слишком велико для
того, чтобы каждую жилу этих кабелей можно было бы пропускать
через специальный дорогостоящий фильтр ЭМИ ЯВ. Электромаг-
нитная волна, излученная кабелем внутри экранированного помеще-
ния, отразится от поверхности облицованных стен (потолка, пола)
и упадет на чувствительное электронное оборудование, расположен-
ное в этом защищенном помещении. Более того, поскольку углы от-
ражения могут быть самыми непредсказуемыми, может произойти
даже усиление излучения и концентрация электромагнитной энергии
в области чувствительного электронного оборудования.
К сожалению, все распространенные экранирующие листовые
электропроводные материалы: пленки, ткани, краски, лаки и т. п.,
обладают свойством отражать падающую на них электромагнитную
волну (собственно говоря, именно этим свойством и обусловлена их
защитная способность). Поэтому они могут быть пригодны для за-
щиты небольшой группы электронных приборов, расположенных
в закрытом объеме с защищенными от переизлучения кабелями-
внутри, например, шкафов с электронной аппаратурой и фильтрами,
установленными на заходящих извне кабелях. Такие шкафы, хоро-
шо отражающие падающую на них электромагнитную волну, могут
обеспечить высокоэффективную защиту электронного оборудова-
ния при условии отсутствия источника излучения внутри.
А что же делать с большими помещениями, внутри которых
находится много видов высокочувствительной аппаратуры и захо-
дит извне большое количество кабелей? Оказывается, и для такой
ситуации имеется решение.
6.4. Материалы,
поглощающие электромагнитное излучение
В [22-24] описано множество рецептур строительных мате-
риалов с радиопоглощающими свойствами. Общими недостатка-
ми таких материалов является их недостаточная эффективность
191
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
на низких частотах (единицы - десятки мегагерц), сложность при-
готовления смесей, высокая стоимость. А рецептуры на основе по-
рошка феррита, разработанные в Японии, которые обеспечивают
высокую эффективность поглощения на низких частотах, оказыва-
ются слишком дорогими для массового применения.
Из теории распространения электромагнитных волн известно,
что пористые материалы имеют низкий коэффициент отражения
ЭМИ за счет близких значений волнового сопротивления поверхно-
сти материала и окружающего воздуха. Поэтому пористые строи-
тельные материалы являются весьма перспективными для исполь-
зования в качестве радиопоглощающих материалов.
В патенте России 2234175 описан радиопоглощающий пори-
стый бетон, состоящий из высокопористых стеклянных или кера-
мических гранул, покрытых ферритом и (или) электропроводящим
материалом из ферритового и (или) электропроводящего порошка
с добавлением связующего. В патенте 102627436 предложено сме-
шивать цемент с кусочками пористой пемзы и добавлять в него
технический углерод (1-2 %).
Рецептура одного из лучших пористых бетонов описана в патенте
России 2545585, в котором предлагается выполнять радиозащитный
строительный бетон на основе цемента, песка и пористого гранулиро-
ванного наполнителя. Радиопоглощающие свойства бетона обуслов-
лены добавкой углеродсодержащего радиопоглощающего наполните-
ля, представляющего собой структурированный гель (до 40 % от объ-
ема цемента), состоящий из 5-10 % водного раствора поливинилового
спирта (51-63 %), лигносульфоната натрия (4-7 %), 25%-ного раствора
аммиака (9-12 %) и электротехнического углерода (24-30 %).
Удельное (на 1 см толщины) бетона поглощение, приведенное
в патенте, показывает неплохие свойства этого материала (рис. 6.9),
если он будет иметь достаточно большую толщину. Во всяком слу-
чае, вносимое этим бетоном затухание ничуть не хуже широко раз-
рекламированного американского бетона.
В патенте РФ 1840794 радиопоглощающие свойства бето-
на предложено усиливать за счет модификации керамзита - обыч-
ного строительного материала, применяемого в качестве наполни-
теля бетона. Для этой цели гранулы керамзита покрывают (путем
окунания) двумя слоями специальной суспензии с последующей
сушкой при температуре 80-90 градусов.
192
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
Рис. 6.9. Удельное поглощение бетона по пат. РФ 2545585
Состав суспензии: вода (81,5%), сульфанол (1,9%), сажа
(11,9%), жидкое стекло (4,7 %). Состав суспензии обеспечивает со-
держание сажи в готовом покрытии 50 %. По данным разработчика,
гранулы радиопоглощающего керамзита обеспечивают многократное
переотражение падающей электромагнитной волны, вызывая тем са-
мым полное ее поглощение. Коэффициент отражения такого радио-
поглощающего материала не более 10 %, поглощающая способность
материала превышает 0,6 Вт/см2 (к сожалению, без указания частот-
ного диапазона).
Но не только бетоны могут обладать радиопоглощающими
свойствами. На рынке представлены и другие строительные мате-
риалы, обладающие такими свойствами.
Одним из них является материал под названием «Керамопен»
(Сегашореп™), см. рис. 6.10, разработанный российской компанией
«Керапен».
193
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 6.10. Радиопоглощающий строительный материал
на основе вспененной керамики «Керамопен»
Этот материал на основе стеклокристаллической пенокерамики
обладает затуханием более 30 дБ при отражении не более 5 %
от плоской поверхности (-13 дБ). В дополнение к этому Керапен
имеет низкое водопоглощение (менее 1 %) и хорошие теплоизоля-
ционные свойства.
Рис. 6.11. Пеностекло в виде строительных блоков и гранул
Другой разновидностью вспененного строительного материала
с радиопоглощающими свойствами является пеностекло (foam glass).
Радиопоглощающие свойства пеностекла обеспечиваются пористой
структурой материала и наличием углеродсодержащего компонента,
используемого в качестве газообразователя в процессе производства
194
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
пеностекла (патенты России 2255058, 2255059 и др.), Пеностеколь-
ные материалы обладают такими важными преимуществами по от-
ношению к традиционным поглотителям, как прочность и небольшой
вес (рис. 6.11).
Мировым лидером по выпуску пеностекла является фирма
Pittsburgh Coming (США), она выпускает пеностекольный продукт
под маркой Foamglas. Крупными производителями пеностекла яв-
ляются также китайская компания Gansu Pengfei insulation materials
Co. Ltd., Гомельский стекольный завод в Беларуси, ICM Glass
в России и др.
Рецептуры, свойства, технологии производства, результаты испы-
тания пеностекла описаны в многочисленных источниках, например,
в [25-27].
Стоимость панелей из пеностекла размером 600x450x50 мм
компании Pittsburgh Coming составляет около 30 долларов США
за 1 кв. м.
С целью дополнительного усиления радиопоглощающих
свойств пеностекла в него добавляют оксид цинка, графит и некото-
рые другие химические элементы [25]. Пеностекло получают спека-
нием этой смеси при температуре 750 °C в течение 30 мин. с после-
дующим охлаждением. Получаемый материал показал минималь-
ный коэффициент отражения -15,6 дБ на частоте 12,0 и 12,4 ГГц.
Поглощающую способность получаемого материала предлагается
контролировать изменением количества вводимого оксида цинка.
Пеностекло в виде гранул (рис. 6.10), покрытых углеродосо-
держащим материалом в дополнение к углероду, содержащемуся
в самих гранулах, используется для засыпки между стенками из
тонкого изоляционного материала, вплоть до микрогофрокартона.
Полученные облицовочные панели крепятся на стенках защищае-
мого помещения. По данным Инженерно-маркетингового центра
Концерна «Вега», представляющего эту технологию, на частоте
4 ГГц такая панель обеспечивает удельное ослабление электромаг-
нитного поля не менее 6 дБ на сантиметр толщины слоя засыпки,
что позволяет снижать уровень электромагнитного поля в 1 000 раз
при толщине слоя в 5 см [28].
Гранулированное пеностекло без дополнительного покрытия уг-
леродом стоит около 140 долларов США за 1 куб. м. К сожалению,
на запрос автора о стоимости панелей с засыпкой гранулированным
195
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
пеностеклом со специальным дополнительным покрытием ответа из
концерна «Вега» не поступило.
Наиболее эффективным радиопоглощающим материалом для
диапазона частот, соответствующих ЭМИ ЯВ, является феррит.
Феррит - магнитный материал, представляющий собой химические
соединение окислов металлов: феррит никеля (NiFe2O4), феррит
цинка (ZnFe2O4) и др., которые производятся искусственным путем
в качестве магнитных материалов. Поликристаллические ферриты
производят по керамической технологии. Из ферритового порошка,
синтезированного из смеси исходных ферритообразующих компо-
нентов и связующего вещества, прессуют изделия нужной формы,
которые подвергают затем спеканию при температурах от 900
до 1500 °C на воздухе или в специальной газовой атмосфере.
Радиопоглощающий материал из феррита выпускается в виде
облицовочных плиток, которые крепятся на стенах внутри помеще-
ния. Стандартные плитки имеют размеры 100x100 мм. Некоторые
производители формируют из таких плиток готовые облицовочные
панели размерами 300x300 мм и даже 600x600 мм. Такие панели
обладают отличными поглощающими свойствами в требуемом диа-
пазоне частот (рис. 6.12).
Рис. 6.12. Облицовочные панели из феррита
и их типовая характеристика
Такие панели выпускаются многими компаниями, например,
ETS-Lindgren, Samwha Electronics, Holland Shielding Systems BV,
Fire-Rite Products Corp., Riken Environmental System Co., Global
196
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
EMC UK Ltd, Cuming Microwave Corp., Amidon Associates, Inc., Pio-
neer EMC Ltd., Siepel и др.
К сожалению, стоимость таких панелей довольно высока.
Например, панель размером 300x300x5,5 мм стоит свыше 50 долла-
ров США, а панель размером 600x600x6,7 мм обойдется потребите-
лю уже в 220 долларов. Одна плитка размером 100x100 мм у раз-
личных производителей стоит от 6 до 9 долларов США. При такой
стоимости вряд ли можно рассчитывать на широкое применение
этого материала для облицовки стен помещений электростанций
и подстанций. Однако этот материал можно использовать для изго-
товления радиопоглощающих перегородок внутри шкафов с особо
чувствительной и ответственной электронной аппаратурой.
6.5. Еще один метод снижения напряженности
электрического поля ЭМИ ЯВ в помещениях энергосистем
с электронной аппаратурой
Как уже отмечалось выше, электромагнитное излучение ЭМИ
ЯВ, проникающее извне сквозь стены в помещения с электронной
аппаратурой на объектах электроэнергетики, - это далеко не един-
ственный источник излучения, негативно воздействующий на элек-
тронную аппаратуру. Дополнительным и очень мощным источни-
ком является импульсное электромагнитное поле, переизлучаемое
сотнями кабелей, заходящими в помещение с электронной аппара-
турой из внешнего пространства. Такие кабели работают как антен-
ны, абсорбирующие энергию ЭМИ ЯВ с большой территории
и подводящие ее в помещение с электронной аппаратурой. Устано-
вить дорогостоящие фильтры ЭМИ ЯВ на каждой жиле каждого из
сотен многожильных кабелей невозможно. Однако можно суще-
ственно снизить уровень излучаемого кабелями импульса и без
использования этих фильтров. Для этого нужно закрыть кабели
электромагнитными экранами непосредственно с места их ввода
в защищаемое помещение. В качестве таких экранов целесообразно
использовать сплошные (неперфорированные) кабельные лотки
(рис. 6.13).
197
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 6.13. Неперфорированные кабельные лотки,
предотвращающие переизлучение с кабелей,
заходящих из внешнего пространства в защищаемое помещение
Рис. 6.14. Конструктивные элементы для закрытых
неперфорированных кабельных лотков
На рынке широко представлены как сами неперфорированные
кабельные лотки с крышками, так и всевозможные конструктивные
элементы к ним (рис. 6.14), выполненные из алюминия, оцинкован-
ной стали, из стали с однослойным порошковым напылением за-
щитного изоляционного слоя, из оцинкованной стали с дополни-
тельным порошковым напылением.
Лучшими защитными свойствами на частотах ЭМИ ЯВ обладают
стальные лотки. Стоимость стальных оцинкованных (толщина ста-
ли 1,2 мм) лотков составляет от 2 до 15 долларов США за 1 метр дли-
ны (в зависимости от ширины и высоты). Стальные лотки с порошко-
вым напылением изоляционного покрытия стоят несколько дороже.
Например, такой лоток размерами 50x50x1,2 мм стоит около 4 долла-
ров США за метр длины, а лоток размерами 200x50x1,2 мм - свыше
7 долларов за метр.
198
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
Более дешевые пластмассовые лотки с металлическим напыле-
нием не годятся для этой цели, так как из-за очень тонкого слоя
напыленного металла работают лишь на очень высоких частотах,
лежащих далеко за пределами частотного диапазона ЭМИ ЯВ.
Отражение электромагнитного импульса, излучаемого силовы-
ми кабелями, расположенными в металлическом лотке, во внутрен-
нее пространство лотка может привести к неблагоприятному воз-
действию этого излучения на соседние контрольные кабели, распо-
ложенные в этом же лотке и подключенные к электронной аппара-
туре. Поэтому силовые и контрольные кабели должны быть проло-
жены в разных лотках, а сами контрольные кабели должны быть
разделены на группы и размещены в отдельных секциях секциони-
рованных кабельных лотков (рис. 6.15).
Рис. 6.15. Секционированные кабельные лотки
В тех случаях, когда применение жестких кабельных лотков
неудобно, можно использовать гибкие металлорукава, особенно для
контрольных кабелей небольшого сечения (рис. 6.16).
Рис. 6.16. Гибкие электромагнитные экраны из металлорукава
199
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
6.6. Снижение влияния ЭМИ ЯВ на электронную
аппаратуру за счет архитектурных решений зданий
По данным, представленным в [29], современные здания из
обычного строительного бетона и металлизированного стекла
(широко используемого для отражения ультрафиолетового и ин-
фракрасного излучения) ослабляют электромагнитное излучение на
13-14 дБ сильнее, чем старые здания, и это ослабление достигает
значений 20-25 дБ в диапазоне частот от 800 МГц до 18 ГГц.
К сожалению, этот частотный диапазон находится довольно далеко
от диапазона частот ЭМИ ЯВ, однако в более ранней публика-
ции [30], в которой речь идет не о самых современных зданиях
из железобетона, для диапазона частот 1-100 МГц указано ослабле-
ние электромагнитного поля 20-25 дБ, а для частоты 100 кГц-
10-15 дБ.
В стандарте IEC 61000-4-36 [31] представлена в виде тренда,
полученного на основе многочисленных измерений, экранирую-
щая способность железобетонных зданий в зависимости от частоты
излучения, в том числе для диапазона частот, соответствующего
ЭМИ ЯВ (рис. 6.17).
Рис. 6.17. Тренд экранирующей способности железобетонных
зданий в зависимости от частоты излучения (IEC 61000-4-36)
Из рис. 6.17 можно видеть, что в диапазоне частот, характерном
для ЭМИ ЯВ (105-108 Гц), затухание, вносимое зданием, может
200
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
изменяться в 2 000 раз от начала до конца частотного диапазона!
При таких изменениях точные измерения затухания по конкретным
зданиям мало что дадут. По-видимому, можно воспользоваться
некими усредненными данными для минимального затухания, харак-
терного для максимальной частоты. Если в качестве такой макси-
мальной частоты принять частоту 10 МГц (в диапазоне 100 кГц -
10 МГц выделяется 90 % энергии ЭМИ ЯВ), то минимальное затуха-
ние, которое можно принять в расчет, составит 20 дБ.
Дальнейшего снижения проникающего электромагнитного из-
лучения можно достичь путем размещения ответственного элек-
тронного оборудования во внутренних помещениях зданий, не
имеющих внешних стен и окон (рис. 6.18).
Рис. 6.18. Пример плана этажа здания
с внутренним защищенным помещением А
Причем это защищенное помещение не должно иметь окон
и должно быть снабжено металлическими дверями с уплотнениями
по периметру из электропроводной резины. Внутренняя поверх-
ность стен этого помещения может быть облицована панелями не-
большой толщины (3-4 см) с радиопоглощающим порошком.
Другой вариант: изготовление стен этого внутреннего изолирован-
ного помещения из радиопоглощающих блоков пеностекла.
6.7. Заключение
Ни один из описанных выше известных методов внешней защи-
ты помещений с электронной аппаратурой от ЭМИ ЯВ не является
идеальным точки зрения эффективности и стоимости. Поэтому
наиболее разумным, по нашему мнению, является комплексная
201
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
защита, реализуемая за счет совместного использования недорогих
строительных материалов с нужными свойствами, каждый из кото-
рых обеспечивает частичную защиту, например: бетона с усиленной
металлической арматурой - в качестве материала, частично отража-
ющего падающую на его внешнюю поверхность электромагнитную
волну; панелей с недорогим радиопоглощающим порошком - в каче-
стве внутренних облицовочных панелей; секционированных метал-
лических кабельных лотков - в качестве экранов, защищающих
внутреннее пространство помещений от переизлучения с кабелей,
заходящих с внешнего пространства. Также желательно размещение
высокочувствительной и ответственной электронной аппаратуры во
внутренних помещениях здания, не содержащих окон и снабженных
металлическими дверями, и монтаж такой аппаратуры в специальных
металлических шкафах с радиопоглощающими ферритовыми пере-
борками внутри.
В любом случае потребитель должен взвесить все «за» и «против»
того или иного варианта организации внешней защиты с учетом своих
финансовых возможностей. Материл, представленный в данном раз-
деле, должен помочь ему в выборе оптимального решения.
Литература к главе 6
1. Гуревич В. И. Проблемы заземления электронной аппаратуры
электроэнергетических объектов // Компоненты и технологии. -
2017.-№4.-С. 106-111.
2. Гуревич В. И. Применение LC-фильтров для защиты оборудо-
вания от электромагнитного импульса: реальная необходимость
или инерция мышления? // Компоненты и технологии. - 2017. -
№ 7. - С. 44-47.
3. Гуревич В. И. Принципы повышения устойчивости электронной
аппаратуры на объектах электроэнергетики к ЭМИ ЯВ // Авто-
матизация и IT в электроэнергетике. - 2018. - № 3.
4. NISTIR 6055. Electromagnetic Signal Attenuation in Construction
Materials, NIST Construction Automation Program, Report No. 3,
National Institute of Standards and Technology, 1997.
5. Hyun S.Y., Du J.K., Lee H.J., Lee K. W., et all, Analysis of Shield-
ing Effectiveness of Reinforced Concrete Against High-Altitude
Electromagnetic Pulse // IEEE Transactions on Electromagnetic
Compatibility, 2014, Vol. 56, No. 6, pp. 1488-1496.
202
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
6. Allen L., Walker W. F., Siarkiewicz К. R. An Investigation of the
Electromagnetic Properties of Advanced Composite Materials. -
International Symposium on Electromagnetic Compatibility, IEEE-
1976, pp. 174-179.
7. Casey K. F. Electromagnetic Shielding by Advanced Composite
Materials. - Final report AFWL-PD-76-174 prepared by Kansas
State University for Air Force Weapons Laboratory, Kirtland Air
Force Base, New Mexico, 1997, 144 p.
8. Chiou J.-M., Zheng Q., Chung D. D. L. Electromagnetic Interference
Shielding by Carbon Fiber Reinforced Cement// Composites, 1989,
Vol. 20, No. 4, pp. 379-380.
9. Chung D. D. L. Electrically Conductive Cement-Based Materials //
Advances in Cement Research, 2004, Vol. 16, No. 4, pp. 167-176.
10. S. Wen S., Chung D. D. L. Electromagnetic Interference Shielding
Reaching 70 dB in Steel Fiber Cement// Cement and Concrete
Research, 2004, Vol. 34, No. 2, pp. 329-332.
11. Fei G., Bihua Z., Cheng G., Hailin C. Analysis of Shielding Effec-
tiveness of Conductive Cement-based Materials in HEMP Environ-
ment. - International Conference on Microwave and Millimeter
Wave Technology, Nanjing, China, 2008.
12. Ogunsola A, Reggiani U., Sandrolini L. Shielding Properties of Conduc-
tive Concrete against Transient Electromagnetic Disturbances. - IEEE
International Conference on Microwaves, Communications, Antennas
and Electronics Systems (IEEE COMCAS 2009), Tel Aviv, Israel,
2009.
13. Muthusamy S., Chung D. D. L. Carbon-Fiber Cement-Based Materi-
als for Electromagnetic Shielding// ACI Materials Journal, 2010,
Vol. 107, No. 6, pp. 602-610.
14. Krause A. P., Nguyen L., Yuan C. Y., Blasey J. D. Conductive
Concrete: A Shielding Construction Material // Journal of Radiation
Effects. Research and Engineering (JRERE), 2013, Vol. 31, No. 1,
pp. 151-157.
15. Giri d. V., Tesche F. M. Electromagnetic Attenuation through
Various Types of Buildings. - Asia-Pacific Symposium on Electro-
magnetic Compatibility (APEMC), Melbourne, 2013.
16. Venkatraman K., Tamizharasan V. Electrically Conductive Concrete //
International Journal of Innovative Research in Science, Engineering
and Technology (IJIRSET), 2015, Vol. 4, Issue 8, pp. 6738-6743.
203
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
17. Исследования эффективности экранирования электромагнитных
полей диапазона частот 10 кГц-1,2 ГГц магнезиально-шунгитовой
строительной смесью «АЛЬФАПОЛ-ШТ-1». Отчет. - Санкт-
Петербургский филиал ФГУП «Научно-технический центр
„Атлас” ФСБ России». Санкт-Петербург, 2005.
18. Байдин Ф. Н., Никитина В. Н., Сафронов Н. Б. Электрофизические
характеристики и радиоэкранирующие свойства магнезиально-
шунгитовых композиционных строительных материалов /Сбор-
ник докладов 10-й Российской научно-технической конференции
по электромагнитной совместимости технических средств и элек-
тромагнитной безопасности - СПб., 2006, с. 292-294.
19. Никитина В. Н., Ляшко Г. Г., Поцелуева Л.Н., Радиоэкрани-
рующие свойства магнезиально-шунгитовых строительных ма-
териалов. - Ежегодник Российского национального комитета по
защите от неионизирующих излучений. - М.: РУДН, 2006,
с. 109-113.
20. EMP Shielding Shotcrete Structures for Multi-Threat Protection. -
Omni-Threat Structures, An American Business Continuity Group
Company, Miami, 2017.
21. Yehina S., Qaddoumi N., Hassan M, Sewaked B. Conductive
Concrete for Electromagnetic Shielding Applications // Advances
in Civil Engineering Materials, 2014, Vol. 3, No. 1, pp. 270-290.
22. Bowen G., Donghai D., LeFan W., Jiayu W., Rui X. The Electro-
magnetic Wave Absorbing Properties of Cement-Based Composites
Using Natural Magnetite Powders as Absorber // Material Research
Express, 2017, No. 4, pp. 1-6.
23. Смирнов Д. О. Композиционные радиопоглощающие материалы
на основе ферримагнитных соединений. Дисс. канд. техн, наук,
Московский энергетический институт, Москва, 2009.
24. Hongtao G., Shunhua L., Yuping D., Ji C. Cement Based Electro-
magnetic Shielding and Absorbing Building Materials // Cement
& Concrete Composites, 2006, No. 28, pp. 468-474.
25. Chen K., Li X., Lv D., Yu F., Yin Z., Wu T. Study on microwave
absorption properties of metal-containing foam glass. - Materials
Science and Engineering, 2011, vol. 176, pp. 1239-1242.
26. Казьмина О. В., Верещагин В. И., Абияка А. Н. Пеностеклокри-
сталлические материалы на основе природного и техногенного
сырья. Томск, изд-во ТПУ, 2014. - 246 с.
204
Глава 6. Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ
27. Душкина М. А. Разработка составов и технологии получения
пеностеклокристаллических материалов на основе кремнеземи-
стого сырья. - Дисс. канд. техн, наук, Томский политехнический
университет,Томск, 2015, 197 с.
28. Гульбин В. Н., Колпаков Н. С., Александров Ю. К., Поливкин В. В.
Радиозащитные строительные материалы// Наукоемкие техноло-
гии. - 2014. - Том 15, № 3. - С. 17-25.
29. Rodrigues L. I., Nguyen Н. С., Jorgensen Т. К., Sorensen Т. В., Мо-
gensen Р. Radio Propagation into Modem Buildings: Attenuation
Measurement in the Range from 800 MHz to 18 GHz. - Vehicular
Technology Conference (VTC Fall), 2014 IEEE 80th.
30. Буга H. H., Конторович В. Я., Носов В. И. Электромагнитная
совместимость радиоэлектронных средств. - М.: Радио и связь,
1993,240 с.
31. IEC 61000-4-36 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-36:
Testing and measurement techniques - IEMI immunity test methods
for equipment and systems, 2014.
205
Глава 7. ПРОБЛЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ
АППАРАТУРЫ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ
7.1. Типы электромагнитных помех
Обычно выделяют четыре основных типа помех:
• кондуктивные
• индуктивные;
• емкостные;
• электростатические.
Кондуктивные помехи распространяются при наличии непо-
средственного электрического контакта между электрическими це-
пями и делятся на два вида:
• помехи типа «провод - земля», напряжение которых прило-
жено между каждым из проводников и землей; они еще
называются несимметричными, синфазными, общего вида;
• помехи типа «провод - провод», напряжение которых при-
ложено между отдельными электрическими цепями или
между элементами одной и той же электрической цепи; они
еще называются симметричными, противофазными, диффе-
ренциальными.
Синфазные помехи, в отличие от дифференциальных, как пра-
вило, не приводят к сбоям в процессе работы электронного оборудо-
вания, но могут полностью вывести из строя такое оборудование из-
за электрического пробоя внутренней изоляции (или р-я-переходов)
в микросхемах и микропроцессорах. С другой стороны, если элек-
тронное оборудование полностью изолировано от земли, то импуль-
сные помехи и перенапряжения относительно земли (синфазные
несимметричные помехи общего вида) никак не могут повлиять на
это оборудование, подобно тому, как высокое напряжение относи-
тельно земли не мешает птицам спокойно сидеть на высоковольтных
проводах. Дифференциальные же помехи вообще не имеют отноше-
ния к наличию или отсутствию заземления.
Что касается индуктивных помех, распространяющихся по-
средством электромагнитных полей, то, как известно, эффективная
защита от помех такого типа осуществляется путем размещения
206
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
чувствительной электронной аппаратуры внутри замкнутых ме-
таллических оболочек («клетка Фарадея»), роль которых призваны
выполнять корпуса электронных приборов. Как известно, заземле-
ние «клетки Фарадея» никак не влияет на эффективность ослабле-
ния ею индуктивных помех.
С емкостными помехами дело обстоит несколько сложнее, по-
скольку помехи этого типа распространяются через емкостные свя-
зи между проходящими рядом проводами, между близко располо-
женными металлическими корпусами, а также между перечислен-
ными элементами и землей. Заземление экранов проводов и метал-
лических корпусов (впрочем, как и снижение емкости) позволяет
устранить емкостные помехи синфазного типа и практически
не влияет на емкостные помехи дифференциального типа.
Статические помехи могут возникать в результате накопления
статического заряда на изолированном от земли корпусе и возни-
кающих в результате этого периодических пробоев на землю. За-
земление корпуса позволяет предотвратить накопление статическо-
го заряда. Однако для устранения электростатических (и даже ча-
стично емкостных помех) синфазного типа вовсе не требуется
наличия низкоомного заземления, достаточно соединить корпус
с системой заземления через высокомный резистор с сопротивлени-
ем 0,1-1 ГОм.
Совершенно очевидно также, что заземление корпусов электрон-
ных приборов, например, микропроцессорных устройств релейной
защиты (МУРЗ), никак не способно повлиять на помехи всех типов,
проникающие на внутренние электронные элементы по кабелям и
проводам, подключенным к МУРЗ. Тем не менее внутренняя «земля»
электронной схемы во многих типах МУРЗ, выполняющая роль цепи
«нулевого (опорного) потенциала», обычно конструктивно соединена
с металлическим корпусом, а через него и с внешней системой зазем-
ления. Иногда для чувствительной электроники используют отдель-
ный контур заземления, соединенный в одной точке с общим конту-
ром заземления (signal reference subsystem), что принципиально не ме-
няет сущности заземления. При этом предполагается, что многочис-
ленные электронные устройства, имеющие электрические и информа-
ционные связи между собой, будут обладать общим нулевым (опор-
ным) потенциалом, предотвращающим сбои в работе высокочувстви-
тельной электроники из-за электромагнитных помех, создающих
207
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
дополнительную разность потенциалов между цепями нулевого по-
тенциала, если их не заземлить. Такая практика, по свидетельству [1],
«обеспечивает опорный потенциал для релейной защиты и другого
оборудования и помогает защитить оборудование и персонал
от мощных высокочастотных воздействий». Это общепринятый
подход и общая практика обеспечения ЭМС электронной аппарату-
ры. Однако, как отмечается в [2], «Множество проблем с электро-
магнитными помехами возникают по той причине, что разработчи-
ки считают заземление идеальным и не уделяют достаточно внима-
ния реальным характеристикам систем заземления»
7.2. Проблемы конвенциональных систем заземления
Не является секретом, что потенциал системы заземления от-
носительно земли может повышаться при разрядах молнии. Вместе
с тем считается, что если между всеми электронными устройствами
будет сохраняться общий потенциал системы заземления, то есть не
будет возникать разность потенциалов между цепями «нулевого
потенциала» различных устройств, то это повышение общего по-
тенциала и отличие его от нуля, происходящее одновременно во
всех устройствах, не способно будет вызвать нарушения в работе
этих устройств.
^////////////////////////////////////////////Z
СИСТЕМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ ПОДСТАНЦИИ
Рис. 7.1. Схема многоточечного заземления МУРЗ
с использованием эквипотенциальной поверхности
208
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
Рис. 7.2. Устройство заземления МУРЗ
с использованием эквипотенциальной поверхности:
1 - МУРЗ в металлических корпусах;
2 - заземляющие медные шинки;
3 - элемент конструкция металлического шкафа,
выполняющего роль эквипотенциальной поверхности
209
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
На этом предположении основана вся теория заземления, пред-
писывающая сохранять минимальными сопротивления элементов
системы заземления, применять эквипотенциальные поверхности
и другие меры, направленные на то, чтобы предотвратить возмож-
ность появления разности потенциалов между цепями «нулевого
потенциала» различных устройств, удаленных друг от друга и по-
этому заземленных в разных точках, но имеющих электрические
и информационные связи между собой.
На практике это реализуется для большинства электронных
устройств, используемых в электроэнергетике, например таких, как
микропроцессорные устройства релейной защиты (МУРЗ), выпол-
нением их в металлических корпусах и монтаже внутри металличе-
ских шкафов. Современная правильно спроектированная (в соот-
ветствии с традиционными подходами) система заземления таких
устройств выполняется многоточечной с использованием эквипо-
тенциальной поверхности (рис. 7.1). В качестве эквипотенциальной
поверхности могут использоваться металлические элементы кон-
струкций релейных шкафов (рис. 7.2).
Рис. 7.3. Печатная плата МУРЗ со специальными участками
печатного монтажа (1 и 2), контактирующими с заземленным
корпусом посредством специальной пружины
Во многих конструкциях МУРЗ функциональные модули,
расположенные на отдельных печатных платах, имеют специаль-
ные зачищенные и покрытые слоем серебра участки печатных
проводников увеличенной ширины. При установке платы в корпусе
210
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
они приходят в соприкосновение со специальными пружинами,
обеспечивающими контакт этих печатных проводников с зазем-
ленным корпусом МУРЗ (рис. 7.3). Эти участки печатных провод-
ников соединены с цепями внутренней «земли» электронной
схемы, выполняющей роль цепи «нулевого (опорного) потенциа-
ла». Таким образом, высокочувствительные элементы электронных
схем оказываются напрямую соединены с внешней системой зазем-
ления.
При этом никогда не рассматривается вопрос о том, что проис-
ходит в отдельно взятом электронном устройстве при повыше-
нии потенциала цепи «нулевого потенциала». Дело в том, что лю-
бая электронная схема содержит множество нелинейных элемен-
тов и элементов, обладающих емкостью и индуктивностью, соеди-
ненных с цепью «нулевого потенциала». Поэтому при импульс-
ном повышении потенциала этой цепи напряжения в различных
точках электронной схемы не возрастут полностью синхронно. Это
можно наглядно представить как пластину с установленными
на ней грузами с разной массой, прикрепленными к пластине по-
средством пружин с различной жесткостью. При плавном подъеме
этой пластины (то есть при плавном увеличении потенциальной
энергии), потенциальная энергия всех установленных на ней эле-
ментов увеличивается синхронно. Но при резком подъеме пласти-
ны произойдет несинхронное изменение положения и потенциаль-
ной энергии элементов, а если они были при этом механически
соединены между собой, то возможно даже разрушение этих соеди-
нений. То есть даже наличие эквипотенциальной поверхности
и сохранение нулевой разности между цепями «нулевого потенциа-
ла» различных устройств еще не гарантирует отсутствие сбоев
в работе высокочувствительной электронной аппаратуры.
В реальных же условиях эксплуатации электронной аппарату-
ры, расположенной на объектах большой площади, очень сложно,
а иногда и вообще невозможно обеспечить условие сохранения ну-
левой разности потенциалов между цепями «нулевого потенциала»
различных устройств, особенно в случае, когда система заземления
работает как антенна (рис. 7.4). Такая ситуация характерна для тер-
риторий крупных энергетических и промышленных предприятий,
таких как электростанции и подстанции, нефтеперерабатывающие
комплексы и др.
211
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 7.4. Воздействие высокого напряжения на входные порты электронной
аппаратуры, расположенной в заземленных корпусах на значительном
расстоянии друг от друга при воздействии
составляющей Е1 ЭМИ ЯВ на систему заземления
По данным, представленным в [3], в ситуации, когда множе-
ство электрических аппаратов и отдельных электронных устройств
расположены на значительном удалении друг от друга и заземлены
в местах их расположения, неизбежно появление высокой разности
потенциалов между точками заземления, которая при разрядах мол-
нии может доходить до 10 кВ и более.
Если два МУРЗ расположены на значительном расстоянии друг
от друга и их порты связи соединены между собой через Ethernet
(рис. 7.4), то напряжение будет прикладываться к этим наименее
защищенным от импульсов высокого напряжения узлам МУРЗ.
По свидетельству [4], «чем больше площадь территории защищае-
мого объекта, тем больший потенциал для проблем». Здесь следует
отметить, что использование системы Ethernet с витыми парами мно-
гожильного медного кабеля сегодня все чаще приходит на смену
дорогой оптоволоконной линии связи в релейной защите. Это обще-
мировая тенденция, направленная на сокращение затрат в электро-
энергетике. По причине низкой защищенности портов связи, они не
испытываются (в отличие от остальных входов и выходов МУРЗ)
повышенным импульсным напряжением вообще (стандарты IEC
60255-5, 60255-22-5) или испытываются пониженным напряже-
нием (стандарты IEC 60255-22-1, 60255-22-4). По свидетельству [3],
уровень импульсных перенапряжений, возникающий при разрядах
молнии, приложенный к изоляции цепей электронной аппаратуры,
212
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
превосходит в несколько раз принятые уровни устойчивости элек-
тронной аппаратуры промышленного назначения. В основопола-
гающем стандарте на системы заземления для электронной ап-
паратуры [5] отмечается следующее: «При воздействии молнии или
при аварийных ситуациях в энергосистеме разность потенциалов
между электронным оборудованием и заземленными объектами
может быть настолько существенной, что будет представлять
угрозу электробезопасности или повреждения электронной аппара-
туры».
В связи с этим возникает вопрос о том, насколько вообще
необходимо такое функциональное заземление МУРЗ? Ведь со-
вершенно очевидно, что реально существующие системы заземле-
ния вовсе не являются эквипотенциальной поверхностью с нуле-
вым потенциалом, который требуется для надежной работы элек-
тронных цепей, и не играют роль обратного провода, необходимо-
го для возврата каких-то сигналов к МУРЗ. Тем более что все
входные и выходные цепи МУРЗ (за исключением портов связи)
хорошо изолированы от земли и от других электроустановок: цепи
питания - посредством трансформатора внутреннего источника
питания, аналоговые входы - изоляцией внутренних трансформа-
торов тока и напряжения, логические входы - посредством оптро-
нов, выходная цепь - изоляцией выходных электромеханических
реле. К тому же работоспособность внутренних электронных це-
пей МУРЗ никак не связана с наличием или отсутствием внешнего
заземления. Что же касается эффективности защиты чувствитель-
ных электронных цепей МУРЗ от воздействия внешних электро-
магнитных полей с помощью металлического корпуса, призванно-
го играть роль так называемой «клетки Фарадея», то эта эффек-
тивность никак не зависит от наличия или отсутствия заземления.
То есть заземление корпуса МУРЗ никак не влияет на эффектив-
ность экранирующего эффекта корпуса. С другой стороны, если
сигналы помех поступают на электронные цепи МУРЗ, располо-
женные внутри корпуса, по кабелям, то каким образом заземление
его корпуса предотвратит воздействие этих помех (особенно по-
мех дифференциального типа)? Ответ очевиден: никак! Более то-
го, на основании вышеизложенного можно утверждать, что функ-
циональное заземление корпусов МУРЗ лишь усугубляет ситуа-
цию и снижает помехоустойчивость релейной защиты, поскольку
213
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
реальные уровни перенапряжений, которые могут прикладываться
через цепи заземления к различным, даже хорошо изолированным
внутренним цепям удаленных друг от друга МУРЗ, могут суще-
ственно превышать допустимые уровни, даже без учета портов
связи с их ослабленным уровнем изоляции.
Таким образом, с одной стороны, современные электронные
устройства, применяемые в электроэнергетике, не требуют для сво-
ей работы наличия функционального заземления. С другой сто-
роны, заземление электронной аппаратуры часто рассматривается
как основная мера ее защиты от электромагнитных помех, то есть
как обязательное условие нормального ее функционирования
в реальных условиях эксплуатации при воздействии электромаг-
нитных помех. Чего стоит одно лишь название публикации [6],
ставящей знак равенства между электромагнитной совместимостью
(Electromagnetic Compatibility - ЕМС) и заземлением для систем
автоматики и управления. По свидетельству [7]: «в течение многих
десятилетий существует огромное количество мифов вокруг тер-
мина «заземление», как при разработке схем, так и в вопросах
электромагнитной совместимости».
Вышеизложенное невольно заставляет задуматься о том,
насколько вообще традиционные взгляды на заземление электрон-
ной аппаратуры верны даже вне всякой связи с ЭМИ ЯВ.
7.3. Различия между молнией и ЭМИ ЯВ
Электромагнитный импульс (ЭМИ), возникающий при ударе
молнии (ЭМИ М) в объекты, находящиеся под потенциалом земли,
будь то отдельно стоящее дерево, вышка, здание или штырь мол-
ниеотвода - природное явление, хорошо известное на протяжении
всей истории человечества и хорошо изученное в последнее столе-
тие, благодаря чему давно разработаны и широко применяются на
практике методы и средства защиты от него.
Но разряды молнии не единственный источник мощных элек-
тромагнитных воздействий на электронные устройства. В последнее
время стала актуальной проблема защиты электроэнергетических
систем от так называемых преднамеренных дистанционных де-
структивных воздействий, наиболее мощным из которых является
электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ).
214
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
Деструктивное воздействие обоих типов ЭМИ на объекты
аналогично и обусловлено двумя факторами: очень высокой ам-
плитудой импульса напряжения, прикладываемого к объекту,
и большим импульсным током, протекающим через этот объект,
со всем связанным с этими двумя факторами широким спектром
вторичных опасных и разрушительных для электронной и элек-
тротехнической аппаратуры проявлений ЭМИ. Такая схожесть по-
следствий деструктивного воздействия этих явлений на объекты
привела к тому, что традиционные методы и средства защиты от
молнии стали распространять и на ЭМИ ЯВ. Например, такие как
основополагающий принцип защиты от молнии - обязательное
заземление объектов через минимально возможное сопротивление
или использование разрядников и фильтров, отводящих энергию
импульса на землю.
Но так ли это на самом деле? Действительно ли характеристики
и свойства ЭМИ М и ЭМИ ЯВ настолько близки, что методы
и средства защиты от них могут быть идентичными?
Характер воздействия ЭМИ ЯВ на систему заземления суще-
ственно отличается от воздействия разряда молнии «по спектраль-
ной плотности энергии, переднему фронту импульса, уровню то-
ков, повторяемости импульсов и покрываемой зоны действия» [8].
ЭМИ М - это электрический пробой газового промежутка (возду-
ха) между двумя электродами, между которыми имеется высокая
разность потенциалов (до миллиарда вольт): облаком и землей (или
с объектом, расположенным на земле и имеющим потенциал земли),
см. рис. 7.5. В результате этого пробоя в воздухе возникает высоко-
температурный (до 30 000 градусов Цельсия) плазменный электропро-
водный канал, через который происходит разряд накопившегося заря-
да. Ток этого разряда может достигать 100-200 тысяч ампер и более.
ЭМИ ЯВ - это мощная электромагнитная волна, создающая
объемное электрическое поле, охватывающее большую площадь
и воздействующее на объекты на удалении в сотни и тысячи ки-
лометров от эпицентра взрыва, обусловленное перемещением
в пространстве огромного объема заряженных частиц: электронов
и ионов, образовавшихся в результате сложных физических про-
цессов, возникающих при ядерном взрыве в атмосфере. Поэтому
сравнивать между собой эти совершенно разные физические явле-
ния вообще некорректно.
215
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Структура электрического поля ЭМИ ЯВ, как отмечалось вы-
ше, очень неоднородна и условно подразделяется на три составля-
ющие: El, Е2 и ЕЗ. Е1 - очень короткий импульс электрического
поля с длительностью 2/25 нс и с напряженностью у поверхности
земли, достигающей 50 кВ/м. Е2 - более слабый импульс электри-
ческого поля с длительностью в единицы - десятки миллисекунд.
ЕЗ - очень длинный импульс электрического поля низкого напря-
жения, связанный с процессами в ионосфере, который может длить-
ся до нескольких минут и обуславливает появление значительных
квазипостоянных токов в протяженных электропроводящих средах,
таких как рельсы, трубы, кабели и провода.
Рис. 7.5. Зона поражения молнии и ЭМИ ЯВ
Наиболее мощным, разрушительным и сложным с точки
зрения защиты от него является импульс Е1 с его вертикальной
и горизонтальной составляющими, поэтому в дальнейшем под ЭМИ
ЯВ будем понимать импульс EL
ЭМИ ЯВ имеет гораздо меньшую энергию, чем ЭМИ М (рис. 7.6)
и существенно меньшую длительность импульса (рис. 7.7), но из-за
охвата огромной площади и одновременного воздействия на тысячи
объектов является гораздо более опасным, чем ЭМИ М.
Как отмечалось выше, ЭМИ М и ЭМИ ЯВ распространяются в
пространстве и достигают поверхности земли совершенно разными
способами. Если с распространением ЭМИ М по ионизированному
каналу в виде единичного или даже разветвленного шнура все более
или менее понятно, то с ЭМИ ЯВ все обстоит намного сложнее.
216
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
Во-первых, форма электрического поля ЭМИ ЯВ у поверхно-
сти земли формируется под влиянием магнитного поля Земли и яв-
ляется достаточно неоднородной.
Рис. 7.6. Спектральная плотность энергии ЭМИ молнии
и высотного ядерного взрыва
217
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Во-вторых, электромагнитная волна достигает поверхности
земли под определенным углом, и поэтому электрическое поле
у поверхности земли имеет вертикальную и горизонтальную со-
ставляющие.
В-третьих, часть электромагнитной энергии, падающей под уг-
лом на поверхность земли, отражается от нее и может суммировать-
ся с энергией, падающей на землю.
ЭМИ ЯВ / молния
1. ЭМИ ЯВ НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ
ПРОБОЕМ В ВОЗДУХЕ
2. ОТСУТСТВУЮТ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ И
ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДЫ
3. ОТСУТСТВУЕТ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ
МЕЖДУ ЭМИ ЯВ И ЗЕМЛЕЙ
4. ОБХОДНОЙ БАЙПАС НЕ ЯВЛЯЕТСЯ
СРЕДСТВОМ ЗАЩИТЫ
5. СИСТЕМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ РАБОТАЕТ КАК
АНТЕННА, ТО ЕСТЬ КАК ИСТОЧНИК
ВЫСОКОГО ПОТЕНЦИАЛА
6. ЗЕМЛЯ НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ОБЛАСТЬЮ
НУЛЕВОГО ПОТЕНЦИАЛА
ОБЛАКО
ОТРИЦАТЕЛЬНЫИ"ЭЛЕКТРОД_
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОД
7. РАЗРЯДНИК НЕ ЗАЩИЩАЕТ ОТ
ВЫСОКОГО ПОТЕНЦИАЛА
Рис. 7.8. Основные принципиальные отличия между ЭМИ ЯВ
и ЭМИ М и средствами защиты от них
218
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
В-четвертых, если при попадании молнии в молниеотвод и си-
стему заземления ставится задача снизить до минимума сопротив-
ление элементов системы заземления с тем, чтобы снизить падение
напряжения на токопроводящих элементах при протекании через
них тока молнии, то в случае ЭМИ ЯВ импульс высокого напряже-
ния прикладывается одновременно ко всем элементам системы за-
земления, выполняющим роль огромной антенны, абсорбирующей
энергию с большой площади.
Чем меньше сопротивление элементов этой антенны и чем
больше ее размеры, тем выше ее абсорбционная способность и тем
большая часть энергии доставляется напрямую к аппаратуре, под-
ключенной к этой «антенне». Речь идет об импульсном напряжении
с амплитудой в сотни киловольт.
Основные принципиальные отличия ЭМИ М и ЭМИ ЯВ пока-
заны на рис. 7.8.
Уже из одного лишь рассмотрения этих различий между ЭМИ
М и ЭМИ ЯВ возникает уверенность в совершенно различном их
воздействии на объекты, находящиеся на поверхности земли.
Действительно, если взять, например, металлический штырь
длинной 10 метров, один конец его забить вертикально в землю
и разместить на этом штыре датчик тока, то при попадании молнии
в верхний свободный конец этого штыря датчик зарегистрирует
протекание по штырю импульса тока большой амплитуды, посколь-
ку заземленный конец штыря имеет нулевой (условно) потенциал,
а верхний конец приобретает высокий относительно земли потен-
циал молнии.
Если же нижний конец такого же штыря хорошо изолировать
от поверхности земли и установить так же вертикально, то в этом
случае в штыре не будет никакого тока, даже если предположить,
что молния попала в него, поскольку отсутствует разность потенци-
алов между концами штыря (различными емкостями концов штыря
относительно земли можно пренебречь ввиду их малости).
При воздействии на такой же изолированный штырь ЭМИ ЯВ
между концами штыря возникнет высокая разность потенциалов
(теоретически десятки киловольт), и датчик тока зафиксирует
протекание через штырь импульса тока достаточно большой ам-
плитуды. Более того, высокая разность потенциалов возникнет
между концами штыря, даже если расположить его горизонтально
219
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
поверхности земли. Что изменится, если один конец такого гори-
зонтального штыря заземлить? Участие земли может несколько
усложнить картину, поскольку ЭМИ ЯВ приникает в грунт и созда-
ет в нем разность потенциалов. Этот эффект учитывают в моделях
высоковольтных линий электропередач (ЛЭП) с заземленной
нейтралью при изучении воздействия на них ЭМИ ЯВ. В такой мо-
дели напряжение на открытом конце линии относительно земли бу-
дет зависеть от высоты проводов ЛЭП над землей, их протяженно-
сти и проводимости грунта [9]. Однако такая модель не соответ-
ствует рассматриваемому примеру, в котором заземление одного
конца штыря не может повлиять не разность потенциалов между
ними. Такой же эффект даст заземление отдельного электронного
объекта, например, электронного прибора, установленного в шкафу
управления, размещенного в зале управления энергообъекта с под-
ключенными к нему полностью изолированными контрольными
кабелями. Разность потенциалов, возникающая на концах этих ка-
белей под действием ЭМИ ЯВ и приложенная ко входам электрон-
ного прибора, не имеет никакого отношения к земле и ее потенциа-
лу (если пренебречь емкостями на землю). Иными словами, такой
кабель с разностью потенциалов на концах будет работать как ис-
точник импульсного напряжения, изолированный от земли, при-
мерно как заряженный аккумулятор в изолированном корпусе.
Что произойдет при заземлении одного из полюсов аккумулятора?
А ровным счетом ничего, ни с аккумулятором, ни с изолированным
потребителем, получающим питание от этого аккумулятора. Так
почему же что-то должно измениться при заземлении объекта, под-
вергнутого воздействию ЭМИ ЯВ? Это очень важный, принципи-
альный вопрос, от которого напрямую зависит эффективность за-
щиты оборудования от ЭМИ ЯВ. В соответствии с [10]: «Состав-
ляющая Е1 ЭМИ ЯВ эффективно взаимодействует также и с ко-
роткими кабелями (1—10 метров), присоединенными к оборудова-
нию (цепи питания и управления), и может наводить в них значи-
тельные напряжения и токи, которые будут подведены вовнутрь
оборудования». Как можно видеть, в этой цитате нет вообще упо-
минания о заземлении.
О наличии существенных отличий между молнией и ЭМИ ЯВ
упоминается также в ряде других источников. Например, в [И]
прямо говорится о том, что «заземление» обычно трактуется как
220
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
часть цепи, имеющей относительно низкое полное сопротивле-
ние по отношению к локальной поверхности земли. Для защиты от
ЭМИ ЯВ обычная система заземления, которая соответствует
этому определению, может, однако, не быть оптимальной, а мо-
жет быть намного хуже, чем даже отсутствие заземления».
В [12] отмечается, что «технические средства, используемые для
защиты оборудования от импульсов молнии с пологим передним
фронтом, не являются достаточно эффективными для защиты
от импульсов ЭМИ ЯВ с крутым передним фронтом». В [13] от-
мечается: «В идеале заземление должно поддерживать единый по-
тенциал всех компонентов системы. На практике, однако, ввиду
возможных петель индуктивности, емкостных связей, сопротив-
ления элементов присоединения к заземлению, наводок на заземле-
нии, как на антенне, и других явлений, высокие потенциалы могут
появиться в системе заземления. Поэтому правильный выбор кон-
цепции системы заземления очень важен в философии защиты от
ЭМИ ЯВ». К сожалению, далее констатации факта и в этом доку-
менте дело не пошло и никаких специальных систем заземления,
способных разрешить противоречие между необходимостью иметь
заземление и опасностью, которую представляет собой система за-
земления при воздействии ЭМИ ЯВ, не предлагается. Еще более
категорично звучит утверждение авторов [14], прямо указывающих
на отрицательное влияние заземления на работу электронной аппа-
ратуры: «Если не принять специальных мер, оба типа заземлите-
лей - и внутренний, и наружный - могут стать главными источ-
никами наводок, вызванных ЭМИ. Наружные заземлители вообще
не могут служить в качестве «отводов» для ЭМИ, поскольку по-
следний широко распределен в пространстве и глубоко проникает
в землю. При этом отсутствие замкнутого контура наружного
заземления еще не исключает возможности появления наводок
от ЭМИ». Аналогичный по своей сущности вывод приводится так-
же и в [8]: «ЭМИ ЯВ может индуцировать очень большие токи
и напряжения в «антенну», образованную системой заземления.
Эти токи и напряжения системы заземления представляют серь-
езный риск повреждения электронных компонентов...».
Противоречивость ситуации в этом вопросе ярко отражена в
фундаментальном труде [15] объемом свыше 1 000 страниц. Само за
себя говорит уже одно только название раздела 4.1.1: «Заземление
221
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
может и не быть решением; скорее, оно может быть частью
проблемы». А на стр. 935 приведены два противоречащих один дру-
гому тезиса:
1. «Целью заземления является перенаправление наведенных
ЭМИЯВ токов в землю».
2. «Первичным эффектом ЭМИ ЯВ является наведение высо-
ких напряжений или токов во всех протяженных системах
и проводниках, таких как линии электропередач, кабели,
антенны, а также системы заземления».
Из первого тезиса следует, что система заземления является
приемной емкостью, поглощающей энергию ЭМИ ЯВ, а из второго
следует, что система заземления является источником высокого
напряжения, подводящим энергию ЭМИ ЯВ к заземленной аппара-
туре.
К сожалению, достаточно сложно экспериментально проверить
влияние заземления на группу шкафов с электронной аппаратурой,
соединенных между собой контрольными кабелями, на крупных ста-
ционарных испытательных стендах, моделирующих ЭМИ ЯВ. Такие
стенды содержат мощный импульсный генератор Маркса, выход ко-
торого подключен к двум электродам. Один из этих электродов вы-
полнен в виде заземленной металлической сетки в основании стенда,
а второй - также в виде металлической сетки, расположенной на изо-
ляторах над первой сеткой на высоте 5-20 м. Тестовый импульс вы-
сокого напряжения прикладывается с выхода генератора между эти-
ми двумя электродами, то есть между землей и верхним электродом.
В такой схеме испытаний хорошее заземление экранов
и металлических оболочек шкафов испытываемого оборудова-
ния всегда будет выполнять роль эффективного средства защиты
от ЭМИ ЯВ. Такая модель больше подходит для испытания на воз-
действие молнии, чем на воздействие ЭМИ ЯВ.
7.4. Заземление электрооборудования
как основное средство защиты от ЭМИ ЯВ
Несмотря на все вышеизложенное, необходимость обязатель-
ного заземления всех видов электронного и электротехнического
оборудования обосновывается как основное средство защиты
222
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
от ЭМИ ЯВ во всех без исключения стандартах, как гражданских,
так и военных, во всех наставлениях и рекомендациях. Но почему,
если система заземления не является для ЭМИ ЯВ, в отличие от
разряда молнии, противоположным электродом с противополож-
ным потенциалом, а объемный заряд, образованный ЭМИ ЯВ у по-
верхности земли, не имеет отношения к электрическому заряду
земли?!
В соответствии с [16]: «Причины для заземления различны,
и было бы слишком самонадеянным пытаться точно установить
правила заземления без учета этих причин и целей. Эти причины
и цели обычно основаны на необходимости функционального зазем-
ления аппаратуры и безопасности персонала. В проекте системы
заземления может быть добавлен еще один аспект - устойчи-
вость к ЭМИ ЯВ, но причины и цели заземления остаются при
этом неизменными. Основная цель заземления электронной аппа-
ратуры состоит в том, чтобы установить устойчивый опорный
потенциал, относительно которого формируются напряжения
питания и управляющих сигналов».
Именно такие соображения и являются причиной стандартных
рекомендаций о стандартных методах заземления во всех докумен-
тах, имеющих отношение к ЭМИ ЯВ. Однако, как было показано
выше, во многих случаях система заземления вовсе не является
«устойчивым опорным потенциалом». Наоборот, совершенно оче-
видно, что разветвленная и распределенная по большой площади
система заземления играет роль огромной антенны для ЭМИ ЯВ,
абсорбирующей энергию с большой площади и доставляющей
ее через цепи заземления прямо к чувствительной электронной
аппаратуре. Конечно, эта энергия будет ослаблена частично элек-
тропроводным грунтом, но даже той ее части, которая проникнет
в систему заземления, будет вполне достаточно для того, чтобы
привести к опасному подъему потенциала непосредственно в элек-
тронных цепях высокочувствительной микропроцессорной аппара-
туры (например, микропроцессорных устройств релейной защиты -
МУРЗ):
- «Расчеты наводок от ЭМИ ЯВ на горизонтальные проводни-
ки, расположенные в грунте на территории подстанции,
дают значения в 10 кВ, а в некоторых случаях они могут
достигать и 20 кВ» [10].
223
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
- «Под «заземлением» обычно понимают часть цепи, имеющей
относительно низкое полное сопротивление по отношению
к местной поверхности земли. Реальные системы заземле-
ния, подпадающие под это определение, однако, могут
быть далеко не оптимальными и поэтому могут быть бо-
лее вредными с точки зрения защиты от ЭМИ ЯВ, чем во-
обще отсутствие заземления» [11].
- «Система заземления может рассматриваться как потен-
циально опасная часть, способствующая проникновению
помехи от ЭМИЯВ в защищенную систему» [16].
- «Многие элементы оборудования могут эффективно рабо-
тать как абсорбирующие и передающие энергию ЭМИ ЯВ,
например, такие как системы электропитания, телефон-
ные линии, антенны, расположенные в земле кабели, а так-
же системы заземления» [13];
- «Заземление не обеспечивает непосредственную защиту от
ЭМИ ЯВ...» (стр. 5-3) и далее: «Заземление требуется для
защиты от ЭМИЯВ» (стр. 5-5) [13];
- «Заземленные металлические структуры, как и сама система
заземления, работают как антенны, абсорбирующие высо-
кочастотную энергию» [17].
7.5. Проблема использования устройств защиты
от ЭМИ ЯВ
с Pi
. ~ . — rnooocn — .
Ill
L-C C-L
Рис. 7.9. Упрощенные схемы различных типов LC-фильтров ЭМИ ЯВ
и устройств защиты от импульсных перенапряжений
с параллельными элементами, отводящими энергию импульса
на входе схемы на землю
224
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
Устройства защиты от импульсных перенапряжений, предна-
значенные для защиты от ЭМИ ЯВ, включаются обычно между за-
щищаемыми цепями и системой заземления (рис.7.9).
Фильтры, специально предназначенные для защиты от ЭМИ
ЯВ, содержат элементы, отводящие энергию импульса со входов на
землю (рис. 7.10). Поэтому многие конструкции фильтров выпол-
нены с одним входным выводом, одним выходным выводом и за-
земленным корпусом (рис. 7.10), то есть предназначены для защиты
чувствительных входов аппаратуры только от импульсов, имеющих
повышенную амплитуду относительно земли, и обеспечивают отвод
энергии только со входа на землю.
Но если система заземления не является областью обратного
или нулевого потенциала для ЭМИ ЯВ, то куда же будет отводиться
энергия импульса? И если одновременно с импульсом высокого
напряжения на входе фильтра или устройства защиты от перена-
пряжений возникнет такой же импульс и на электроде заземления,
то как этот фильтр сможет ослабить ЭМИ ЯВ? Вопрос, на который
производители фильтров не дают ответа...
Рис. 7.10. Фильтры, предназначенные для защиты
от импульсов ЭМИ ЯВ,
приложенных ко входам аппаратуры относительно земли
225
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
7.6. Новый метод заземления электронной аппаратуры,
расположенной в шкафах
Если заземление создает так много проблем, так, может быть,
электронную аппаратуру вообще лучше не заземлять? Ведь неспро-
ста в отчете специализированной рабочей группы С4.206 СИГРЭ,
посвященном защите электронного оборудования энергосистем от
преднамеренных электромагнитных воздействий [18], заземление
электронной аппаратуры вообще не рассматривается. Такой вариант
заземления (вернее, «незаземления») рассматривается в техниче-
ской литературе под названием «плавающей земли» (floating
ground), например, в базовом американском военном стандарте на
системы заземления MIL-HDBK-419A [19], откуда он перекочевал и
в другие военные стандарты и наставления, например, в [13]. Об
этом варианте заземления в документах [19 и 13] говорится следу-
ющее: «Эффективность плавающей земли зависит от степени ее
реальной изоляции от расположенных вблизи электропроводящих
частей оборудования, то есть, чтобы быть эффективной, плава-
ющая земля должна реально „парить в воздухе”. На объектах
большой площади часто бывает трудно создать такую полностью
изолированную систему, но даже если такая система и была со-
здана, очень трудно ее сохранить. В дополнение к этому плаваю-
щая земля имеет и другие ограничения. Например, статический
заряд, часто накапливающийся в изолированных электронных це-
пях, может при разряде представлять серьезную опасность, осо-
бенно если такие цепи расположены вблизи высоковольтных линий
электропередачи. Поэтому большинство видов современного элек-
тронного оборудования, питающегося от внешних источников пи-
тания, имеет нулевой опорный потенциал в виде заземления. Еще
одной проблемой плавающей земли является опасность выноса вы-
сокого потенциала на электронные цепи при повреждениях в сило-
вых цепях, а также при воздействии разряда молнии. Не будучи
соединенными в единое целое, части конструкции могут приобре-
сти высокую разность потенциалов, сопровождающуюся пробоем
и электрической дугой».
В противоположность этим утверждениям, специалисты фир-
мы Associated Power Technologies (APT) - одного из лидирующих
производителей мощных источников питания - считают [20],
226
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
что: «Системы заземления являются источником целого набора
проблем... Темная сторона систем заземления заключается в том,
что они могут прервать функционирование электронной систе-
мы... Небольшие контуры заземления инжектируют шум в элек-
тронные системы и приводят к прерыванию или нарушениям связи
в каналах передачи данных, таких как интерфейсы RS-232 или
GPIB. Большие контуры заземления могут повредить электрон-
ное оборудование и даже могут представлять опасность с точки
зрения техники безопасности при протекании через них больших
токов».
На основании проведенного в [20] анализа эти специалисты
приходят к выводу о предпочтительности «плавающей земли» для
электронных систем, подчеркивая, что такой подход является стан-
дартом для продукции, выпускаемой этой компанией.
Рис. 7.11. Предлагаемая система заземления:
«специальная плавающая земля»:
1 - металлические шкафы с электронной аппаратурой;
2 - электронные приборы;
3 - медная шина, образующая изолированную локальную область общего
потенциала (местная земля);
R- высокоомные высоковольтные резисторы (1 Гом);
S - рубильник, с электроблокировкой двери шкафа; L - дроссель;
G - система заземления энергетического объекта
227
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Так где же выход из этой противоречивой ситуации?
Решением проблемы, по нашему мнению, может быть исполь-
зование специальной (усовершенствованной) «плавающей земли»
рис. 7.11, то есть локальной области общего потенциала (местной
земли), образованной, например, специальной медной шиной 3,
расположенной на изоляторах в металлическом шкафу 1 с установ-
ленной электронной аппаратурой 2 (рис. 7.12).
Рис. 7.12. Пример реализации системы заземления
«специальная плавающая земля»:
1 - металлоконструкция шкафа;
2-электронное устройство, например, МУРЗ;
3 - медная шина, образующая локальную область
нулевого потенциала; 4 - изоляторы; 5 - кожух-экран; б - дроссель;
7 - рубильник; 8- высоковольтный высокомегаомный резистор
Рис. 7.13. Кожух-экран (экранирующая оболочка) для медной шины
228
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
Пример реализации системы заземления «специальная плава-
ющая земля» показан на рис. 7.12. Изолированные (с минимальной
емкостью от шкафа) с помощью изоляторов 4 отдельные корпуса
каждого электронного устройства 2 должны быть соединены с этой
медной шиной 3. Медные шины различных шкафов, расположен-
ных на небольшом расстоянии друг от друга в одном помещении,
должны быть соединены вместе внешней медной шиной, располо-
женной коаксиально в экранированном кожухе 5 (рис. 7.13).
Локальная область нулевого потенциала должна быть соедине-
на с внешней системой заземления лишь через высоковольтный вы-
сокомегаомный резистор 8 (рис. 7.12) с сопротивлением 0,1-1 ГОм
(рис. 7.14), препятствующий накоплению статического заряда на
корпусах электронных устройств.
Рис. 7.14. Высоковольтные высокомегаомные резисторы
Как было показано выше, большинству современных электрон-
ных устройств не требуется наличие функционального заземления,
поэтому предложенное выше решение не будет влиять на работо-
способность электронной аппаратуры. Что касается защитного за-
земления, роль которого в данной концепции сводится к обеспече-
нию безопасности персонала при возникновении внутреннего по-
вреждения аппаратуры или кабелей в шкафу, сопровождающихся
повреждением изоляции и выносом опасного потенциала, то эта
проблема может быть решена несколькими мерами.
Во-первых, сам металлический шкаф может быть заземлен через
мощный высокочастотный дроссель, намотанный медной шиной и
обладающий очень низким сопротивлением для постоянного тока
и тока частотой 50 Гц, но высоким сопротивлением для грозового
229
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
импульса и особенно высоким для очень короткого импульса ЭМИ
ЯВ (рис. 7.15).
Рис. 7.15. Мощные высокочастотные дроссели
Во-вторых, шкаф должен быть снабжен трехфазным рубильни-
ком с мощными контактами и рукояткой, выведенной из шкафа
(рис. 7.16), который замыкается на время работ, проводимых персо-
налом, с оборудованием, находящимся внутри шкафа.
Рис. 7.16. Мощные трехполюсные рубильники с видимым разрывом цепей
Один контакт используются для соединения изолированной
внутренней медной шины с внешней системой заземления, второй -
для прямого соединения шкафа с внешней системой заземления,
третий - для отключения блокировки двери шкафа, позволяющей
открыть дверь только после замыкания рубильника.
230
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
Рис. 7.17. Двухполюсный рубильник с блок-контактом
Возможно также использование для этих целей двухполюсного
рубильника с дополнительным блок-контактом (рис. 7.17).
В дополнение ко всему, если есть такая необходимость, может
быть использовано переносное заземление, накладываемое на изо-
лированную внутреннюю медную шину при работах внутри шкафа,
однако, по нашему мнению, такая мера является уже излишней.
Однако период времени, когда персонал непосредственно ра-
ботает с включенным МУРЗ, несоизмеримо мал по сравнению
с общим периодом работы МУРЗ. Отсюда следует вполне есте-
ственная идея обеспечить заземление МУРЗ только в короткие про-
межутки времени, связанные с работой персонала в непосредствен-
ном контакте с ними, причем обеспечить такое временное заземле-
ние можно автоматически. Технически эта идея может быть реали-
зована достаточно просто путем использования так называемых пу-
тевых (другие названия - конечных или концевых) выключателей,
установленных на двери релейного шкафа и обеспечивающих за-
земление корпусов МУРЗ и контроллеров при открывании этой
двери. Современные путевые (концевые) выключатели - высокона-
дежные, хорошо защищенные от механических повреждений
и неблагоприятных воздействий окружающей среды изделия, пред-
ставленные на рынке сотнями различных типов (рис. 7.18). Они
широко применяются в ответственных промышленных системах,
на транспорте, в авиации, в военной технике, а также в систе-
мах, обеспечивающих безопасность персонала. Различные типы
этих выключателей обеспечивают коммутацию тока 10-16 А
при напряжении 400- 690 В и содержат от одного замыкающего
(размыкающего) контакта до нескольких групп переключающих
231
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
контактов. Для повышения надежности заземления корпусов МУРЗ
при открывании двери релейного шкафа могут быть использованы
два концевых выключателя, контакты которых соединены парал-
лельно. Для обеспечения большей электрической прочности кон-
тактного промежутка при воздействии электромагнитного импульса
следует выбирать выключатели на максимально высокое рабочее
напряжение (660-690 В). Можно также соединить два внутренних
контакта выключателя последовательно (если есть два однотипных
контакта).
При использовании подключаемого заземления вместо посто-
янного все металлические корпуса электронных приборов должны
быть соединены с помощью отрезка гибкой медной шинки с общей
металлической шиной, расположенной в шкафу и изолированной от
шкафа с помощью небольших пластмассовых изоляторов. Эта об-
щая шина соединена с шиной заземления шкафа через контакты
концевого выключателя, замыкающиеся при открывании двери.
Рис. 7.18. Концевые выключатели различных типов
При этом следует иметь в виду, что речь идет о заземлении не
токоведущих частей, которые могут находиться под напряжением
232
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
в рабочем режиме, а о дополнительной мере защиты изолированно-
го от источников опасного напряжения корпуса МУРЗ. В этой
связи запрет Правил устройства электроустановок (ПУЭ) на вклю-
чение коммутационных аппаратов в цепь заземления этих корпусов
вряд ли можно считать распространяющимся на рассматриваемый
случай.
Рис. 7.19. ЭМИ ЯВ и его спектр, полученный из преобразований Фурье
233
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Тем не менее в некоторых отдельных случаях, если это будет
признано оправданным, может быть использовано дополнительное
заземление перед началом работы в релейном шкафу: так называе-
мого временного переносного заземления, предусмотренного ПУЭ.
Это заземление обеспечивается соединением вручную посредством
изолированного провода с разъемным соединением упомянутой
общей металлической шины с шиной заземления шкафа на время
выполнения работ в открытом шкафу.
Некоторую проблему создает неизбежное наличие емкостных
связей между всеми рассматриваемыми выше элементами и землей.
На высоких частотах эти емкости имеют малое сопротивление
и поэтому снижают эффективность изоляции от земли.
На практике очень сложно рассчитать емкость всех устройств,
находящихся в шкафу и связывающих их между собой кабелей,
но можно произвести прикидочный расчет хотя бы корпуса шкафа и
МУРЗ на землю. Простейший расчет для шкафа с размерами по се-
чению 0,5x0,5 м, установленного на изоляторах высотой 10 см над
металлическим заземленным полом, дает величину емкости около
25 пФ. Корпус МУРЗ размерами 25x25 см, отделенный от шкафа
изолятором толщиной 1 см и шириной 1 см, будет иметь емкость
около 10 пФ. Эти две последовательно включенные емкости дают
суммарную емкость МУРЗ на землю около 7 пФ (с некоторым запа-
сом можно принять 10 пФ).
Сами по себе эти значения емкости ни о чем еще не говорят,
поскольку важно, на какой именно частоте эти емкости работают.
А вот с частотой - проблема. Разложение в ряд Фурье стандартного
по форме импульса ЭМИ ЯВ дает довольно широкий спектр частот
(рис. 7.19).
По данным стандарта IEC 61000-2-9 [21], 96 % всей энергии
ЭМИ ЯВ приходится на частотный диапазон 100 кГц - 100 МГц,
а 90 % всей энергии - на частотный диапазон 100 кГц - 10 МГц
[22]. Для максимальной частоты 100 МГц получим значение ем-
костного сопротивления всего лишь 160 Ом, что, конечно же, недо-
статочно для того, чтобы заявлять об эффективности предложен-
ных мер по изоляции электронного оборудования от земли. Вместе
с тем, если продолжить двигаться по спектру в сторону меньших
значений частот, то для той же емкости получим уже 1,6 кОм
234
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
для частоты 10 МГц, 16 кОм для частоты 1 МГц и 160 кОм для
частоты 100 кГц.
Рис. 7.20. Зависимость тока, индуцируемого ЭМИ ЯВ
в проводнике длиной 10 м, от сопротивления цепи
Это уже достаточно высокие значения сопротивлений, вноси-
мых в контур по сравнению с принятым сегодня прямым соедине-
нием с минимальным сопротивлением. Они способны существенно
ослабить воздействие ЭМИ ЯВ на аппаратуру (рис. 7.20).
Для дальнейшего повышения эффективности «изоляции» чув-
ствительного электронного оборудования от земли можно рас-
смотреть вопрос о целесообразности создания общей области ну-
левого потенциала у электронного оборудования, расположенного
в разных шкафах, и проверить его работоспособность при отсут-
ствии медной шины 3. По предварительным данным, работа со-
временного электронного оборудования с полностью изолирован-
ными входами и выходами не должна зависеть от наличия или от-
сутствия такого общего нулевого потенциала. Что касается МУРЗ,
то для полной его изоляции необходимо перевести все каналы свя-
зи на оптику.
Совместное использование этих двух мероприятий: изоляция
от земли (хотя бы даже частичная из-за мешающих емкостных
связей) и перевод системы связи между МУРЗ, расположенными
в разных шкафах, на оптику, позволят получить максимальный
эффект.
235
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Литература к главе 7
1. Report ORNL/Sub/83-43374/2. Impact of Nominal Nuclear Elec-
tromagnetic Pulse on Electric Power Systems. - Oak Ridge National
Laboratory, 1991, 94 p.
2. Duff W. G. Designing Electronic Systems for EMC: Grounding for
the Control of EMI. - Interference Technology, November 6, 2011.
3. Кузнецов M. Б., Матвеев M. В. Защита от вторичных проявлений
молнии и обеспечение ЭМС МП аппаратуры на объектах нефте-
газовой отрасли // Энергоэксперт. - 2007. - № 2. - С. 61-65.
4. Whitaker J. С. Electronic Systems Maintenance Handbook, Second
Edition - CRC Press (Taylor & Francis Group), Boca Raton - New
York - London, 2001, 624 p.
5. IEEE Std. 1100-2005. IEEE Recommended Practice for Powering
and Grounding Electronic Equipment, 2005, 589 p.
6. Barreto R. M. EMC = Grounding on Automation and Control Systems.
Applications to Eliminate Electromagnetic Interference in Industrial
Plants // Interference Technology. - 2013. - March 19. - Pp. 14-19.
7. Armstrong K. Planes Need to be Grounded to Something? //
Interference Technology. - 2013. - July 1.
8. Pamphlet No. 1110-3-2 Electromagnetic Pulse (EMP) and Tempest
Protection for Facilities. Engineering and Design. Department of the
Army, U.S. Army Corps of Engineers, 1990, 467 p.
9. Scharfman W. E., Vance E. F. Electromagnetic Pulse Coupling and
Propagation to Power Lines: Theory and Experiments. - Final report
AFWL-TR-73-287, Stanford Research Institute, 1974.
10. High-Impact, Low-Frequency Event Risk to the North American
Bulk Power System. A Jointly-Commissioned Report of North
American Electric Reliability Corp., and U. S. Department of Ener-
gy, November 2009 Workshop. - NERC, 2010.
11. The Effects of Nuclear Weapons. - U. S. Department of Defense and
Energy Research & Development Administration, 1977, 660 p.
12. AD-A009 228 Electromagnetic-Pulse Handbook for Electric Power
Systems. Stanford Research Institute, 1975, 341 p.
13. TM 5-690 Grounding and Bounding in Command, Control, Commu-
nications, Computer, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance
(C4ISR) Facilities. Headquarters Department of the Army, Washing-
ton, DC, 2002.
236
Глава 7. Проблемы заземления электронной аппаратуры
14. Ricketts L. W., Bridges J. Е., Miletta J. EMP Radiation and Protec-
tive Techniques. - Wiley, New York - London - Sydney - Toronto,
1976,380 р.
15. Joffe E. B., Lock K. S. Grounds for Grounding. A circuit-to-System
Handbook. - IEEE Press, Wiley, 2010, 1064 p.
16. Vance E. F. Electromagnetic-pulse Handbook for Electric Power
Systems. - Report AD-A009 228, Stanford Research Institute, for
Defense Nuclear Agency, 1975, 341 p.
17. Nelson S. D., Larson D. J., Kirkendall B. A. Project FOOTPRINT:
Substation modeling and simulations for El pulses. - Report
LLNL-TR-741344 Lawrence Livermore National Laboratory,
contract DE-AC52-07NA27344, 2017.
18. Protection of High Voltage Power Network Control Electronics
Against Intentional Electromagnetic Interferences (IEMI). Report
WG C4.206 CIGRE, 2014, 27 p.
19. MIL-HDBK-419A Grounding, Bonding, and Shielding for Electron-
ic Equipment and Facilities, U. S. Department of Defense, 1987,
404 p.
20. To Float or Not to Float? Analysis of a Floating vs. Grounded Out-
put. Associated Power Technologies Inc.
(www.aptsources.com/resources/pdf/Floating%20Output.pdf).
21. IEC 61000-2-9 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2: Envi-
ronment - Section 9: Description of HEMP environment - Radiated
disturbance.
22. Jianguo Z., Xin Z. Coupling Effect of Transmission Lines by HEMP
Based on CST. - General Assembly and Scientific Symposium
(URSI GASS), 16-23 Aug., 2014, Beijing, China.
237
Глава 8. ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА КОНТРОЛЬНЫХ
КАБЕЛЕЙ ДЛЯ ЗАЩИЩЕННЫХ
ОТ ЭМИ ЯВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
8.1. Введение
Защита электрооборудования от ЭМИ ЯВ - комплексная про-
блема, включающая применение специальных экранированных мон-
тажных шкафов, фильтров, ограничителей импульсных перенапря-
жений и др. [1,2]. Однако локальная защита такого оборудования на
уровне отдельного шкафа или даже здания и помещения наталкива-
ется на серьезную проблему, сводящую на нет все усилия. И эта про-
блема - контрольные кабели, распределенные на объектах электро-
энергетики на широких площадях и выполняющие роль огромных
антенн, абсорбирующих энергию ЭМИ ЯВ с большой площади и до-
ставляющих во внутреннее пространство защищенных помещений
и шкафов, прямо на входы чувствительной электронной аппаратуры.
Поэтому для защищенных от ЭМИ ЯВ объектов электроэнергетики
должны применяться лишь специальные кабели, в противном случае
все усилия по защите аппаратуры будут сведены на нет.
8.2. Обзор конструкций
и особенностей экранированных контрольных кабелей
Совершенно очевиден и не требует никаких дополнительных
объяснений тот факт, что низковольтные низкочастотные кон-
трольные кабели для рассматриваемого применения (в идеале
и силовые тоже) должны быть экранированными. Проблема заклю-
чается в том, что существует большое разнообразие конструкций
экранированных кабелей, и далеко не все они способны обеспечить
наилучшую защиту от ЭМИ ЯВ. Поэтому целесообразно рассмот-
реть различные конструкции низковольтных экранированных кабе-
лей и их особенности.
Прежде всего, следует отметить, что для экранирования кабе-
лей используются два вида экранов:
1. фольговый (Foil) - изготовленный из тонкой (30-100 мкм)
медной или алюминиевой фольги или из напыленного
238
Глава 8. Проблемы выбора контрольных кабелей
на тонкую пластмассовую ленту металла (обычно это алю-
миний) в виде одиночной ленты, которой обмотан кабель,
или в виде набора из нескольких отдельных лент, перекры-
вающих друг друга;
2. плетеный (Braid) - изготовленный из переплетенных между
собой (поэтому часто называемый «французской косичкой»)
тонких медных (часто луженных) проволочек и имею-
щий вид сплошного гибкого рукава, натянутого на кабель
(рис. 8.1). Толщина такого экрана намного больше, чем
экрана из фольги.
Рис. 8.1. Плетеный экран (оплетка) кабеля вида
«французская косичка»
Характеристики этих двух видов экранов различны (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Экранирующие свойства двух видов экранов
Так, например, на относительно низких частотах экран из
фольги малоэффективен, поскольку при таких частотах глубина
239
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
проникновения электромагнитной волны в металл намного больше
толщины фольги. Однако на высоких частотах экран из фольги ока-
зывается намного эффективнее оплетки, поверхностное сопротив-
ление которой слишком большое для высокой частоты.
Рис. 8.3. Требуемая эффективность экранирования оборудования,
защищенного от ЭМИ ЯВ, по стандарту MIL-STD-188-125-1 [3]
А поскольку стандарт STD-188-125-1 [3] (рис. 8.3) требует эф-
фективного экранирования оборудования, защищенного от ЭМИ
ЯВ, в достаточно широком диапазоне частот, то становится очевид-
ным, что ни один из видов экранов не удовлетворяет этим требо-
ваниям.
К счастью, существует очень много разновидностей комбини-
рованных экранов, сочетающих преимущества обоих видов экранов
(рис. 8.4).
Помимо различий в конструкции, экраны контрольных кабелей
имеют также различие в способе размещения внутри кабеля отдель-
ных изолированных жил, что тоже влияет на степень защищенности
кабеля от электромагнитных помех. Для повышения этой защищен-
ности отдельные пары кабелей многократно перекручивают между
собой по всей длине кабеля (рис. 8.5).
240
Глава 8. Проблемы выбора контрольных кабелей
- 40 dB
~ 80 dB
~100dB
Рис. 8.4. Различные конструкции экранированных низковольтных кабелей
и приблизительные усредненные и обобщенные значения
эффективности экранирования:
а, b - с однослойным экраном (1); с, d, е - с двухслойным
комбинированным экраном: с фольгой (2) и оплеткой (1);
f и h - с трехслойным и четырехслойным комбинированными экранами;
i - с четырехслойной оплеткой; О - наружная оболочка кабеля,
5 - внутренняя межэкранная изоляция
241
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 8.5. Экранированный контрольный кабель с витыми парами
Рассмотренные выше особенности конструкций кабелей часто
отражают в их маркировке:
- UTP (Unshielded Twisted Pair) - неэкранированные витые
пары без экрана;
- F (Foiled) - кабель с внешним общим экраном из фольги;
- F/UTP (Foiled/ Unshielded Twisted Pair) - кабель с внешним
общим экраном из фольги и с неэкранированными витыми
парами;
- FTP (Foiled Twisted Pair) - кабель без внешнего экрана, но с
экранированными фольгой витыми парами;
- U/FTP (Unshielded overall/ Foiled Twisted Pair) - то же, что
и в предыдущем случае;
- STP (Shielded Twisted Pair) - кабель без внешнего экрана,
но с экранированными оплеткой витыми парами;
- S/FTP (Screened overall/ Foiled Twisted Pair) - кабель с об-
щим внешним экраном в виде оплетки и с витыми парами
с отдельными фольгированными экранами;
- F/FTP (Foiled/ Foiled Twisted Pair) - кабель с общим внеш-
ним экраном из фольги и с витыми парами с отдельными
фольгированными экранами;
- SF/FTP (Screened Foiled/ Foiled Twisted Pair) - кабель с
двойным внешним экраном (оплетка + фольга) и с экрани-
рованными фольгой витыми парами.
- SF/UTP (Screened Foiled/Unshielded Twisted Pair) - кабель с
двойным внешним экраном (оплетка + фольга) и с неэкра-
нированными витыми парами.
- SF (Screened Foiled) то же, что и в предыдущем случае.
242
Глава 8. Проблемы выбора контрольных кабелей
Другие конструкции кабелей встречаются довольно редко, и
в основном это не контрольные, а коаксиальные высокочастотные
кабели.
Еще две важные конструктивные особенности экранированных
контрольных кабелей относятся к качеству внешней оплетки, кото-
рая может более плотной или менее плотной (рис. 6).
Рис. 8.6. Внешние оплетки кабелей с различной плотностью
заполнения, выраженной в процентах
Совершенно очевидно, что чем выше плотность оплетки, тем
лучше ее экранирующая способность. Максимально возможная
плотность заполнения оплетки составляет 95 %.
Вторая конструктивная особенность оплетки связана с ее по-
верхностным сопротивлением: чем оно ниже, тем выше экраниру-
ющая способность. Поэтому высококачественные оплетки выпол-
няют из луженой меди, которую можно отличить по цвету (цвет
олова) от нелуженой (цвета меди).
В связи с большим разнообразием конструкций кабелей, а так-
же в связи с тем, что в существующих электроустановках на объек-
тах электроэнергетики применяются различные типы кабелей, воз-
никает вопрос о возможности измерения эффективности экраниро-
вания кабелей.
243
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
8.3. Измерение эффективности экранирования
контрольных кабелей
Метод измерения эффективности экранирования кабелей опи-
сан в стандарте IEC 62153-4-4 [4] и основан на измерении отноше-
ния мощности высокочастотного сигнала, поданного от внешнего
генератора на токоведущую жилу кабеля к мощности сигнала, из-
лучаемого в специальную закрытую камеру с внешней поверхности
экрана кабеля.
NVA
Рис. 8.7. Схема испытания эффективности экранирования кабелей
по стандарту 62153-4-4
244
Глава 8. Проблемы выбора контрольных кабелей
Для измерения отношения поданного на кабель и измеренного
сигнала удобно использовать векторный анализатор цепей - VNA
(Vector Network Analyzer), содержащий генератор высокочастотно-
го сигнала (порт 1) и приемник (порт 2) ослабленного экраном сиг-
нала (рис. 8.7). Стоимость одного из наиболее дешевых VNA типа
Planar TR 1300/1, работающего с внешним компьютером (он необ-
ходим для работы и с самим VNA, и со специальной программой,
рассчитывающей затухание, вносимое экраном кабеля на основе
данных, переданных с VNA), составляет 2 900 долларов.
Рис. 8.8. Комплект испытательных трубок типа СоМеТ 90/1
с комплектом фиксаторов и соединителей компании Bedea (Rosenberger)
для испытания эффективности экранирования кабелей с внешним
диаметром от 6 до 22 мм
245
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Судя по схеме испытательной установки, представленной на
рис. 8.7 (а это, фактически, металлическая трубка с двумя специ-
альными фиксаторами и соединителями на концах), ее стоимость не
должна быть значительной.
Оказалось, что это не так. Комплект трубок различной длины
с комплектом соединителей (рис. 8.8) и компьютерной программой
для расчета затухания, вносимого экраном, продается по цене около
20 000 долларов. Очевидно, что такая высокая стоимость обуслов-
лена отсутствием конкурентов на рынке, поскольку такой измери-
тельный комплект выпускает единственная немецкая компания Ве-
dea в кооперации с немецкой же компанией Rosenberger. Нечто по-
добное рекламируется также японской компанией Кеусош (под
маркой SEM03), но она не отвечает на направляемые ей запросы по
этому оборудованию.
Если подсчитать, во что обойдется такая испытательная уста-
новка в полном комплекте (с VNA и компьютером), то возникает
серьезное сомнение в целесообразности ее приобретения. И нужно
ли вообще точное знание эффективности экранирования кабелей,
особенно с учетом того, что стандартный метод измерения и ис-
пользуемые расчетные формулы предусматривают испытание сим-
метричного коаксиального кабеля с одной центральной токоведу-
щей жилой одним экраном. Какова будет точность измерения кабе-
ля сложной конструкции, имеющего в дополнение к внешнему
экрану еще и изолированные от него экраны витых пар? К сожале-
нию, на этот вопрос не удалось получить четкого и однозначного
ответа от производителя.
С учетом вышеизложенного можно рекомендовать использо-
вать лишь приблизительную оценку эффективности экранирования
кабелей по описанным выше конструктивным особенностям и их
свойствам.
8.4. Выбор контрольных кабелей
Совершенно очевидно, что для заказа новых кабелей для про-
ектируемых объектов должны быть выбраны исключительно ка-
бели с двойным (как минимум) экранированием типов S/FTP,
SF/FTP, SF/UTP или SF с плотностью заполнения внешней оплетки
(обязательно луженой!) не менее 85 %. Такие кабели выпускаются
246
Глава 8. Проблемы выбора контрольных кабелей
многими крупными компаниями, такими как Belden, Hosiwell, DDA,
Helukabel, Elettrotekkabel, Huanghe Cable Group и многими другими.
Кроме того, многие кабельные компании предлагают изготовление
кабелей по требованиям заказчика, поэтому если не удалось подо-
брать кабель одного из указанных выше типов с требуемым сечением
и количеством жил, то такой кабель можно заказать в индивидуаль-
ном порядке.
Что касается уже проложенных кабелей на старых объектах,
подлежащих защите от ЭМИ ЯВ, то в этом случае должна быть
оценена приблизительная эффективность экранирования этих ста-
рых кабелей по описанным выше критериям и принято решение
о целесообразности замены этих кабелей новыми, но лишь на кри-
тически важных объектах с критически важной аппаратурой.
При этом необходимо учитывать недопустимость одновременного
использования защищенных и незащищенных кабелей, подключен-
ных к различным входам одной и той же аппаратуры или заведен-
ных в один и тот же шкаф управления (релейной защиты).
Еще один важный параметр, который необходимо учитывать
при выборе кабеля, хотя он и не имеет отношения к эффективности
экранирования (но является одним из показателей надежности ка-
беля) - это электрическая прочность изоляции кабеля. Для защи-
щенных от ЭМИ ЯВ электроустановок изоляция кабеля должна вы-
держивать одноминутное испытательное напряжение не менее 2 кВ
переменного тока между токоведущими жилами, а также между
ними и общим наружным экраном. Такая изоляция, как правило,
выдерживает без повреждений короткие импульсы с длительностью
менее 1 мкс (как импульс ЭМИ ЯВ) и амплитудой до 8 кВ. По тре-
бованиям стандарта IEC 61000-4-25 [5] импульсным напряжением
с такой амплитудой должно испытываться оборудование, разме-
щенное внутри обычного производственного помещения из железо-
бетона при воздействии ЭМИ ЯВ.
8.5. Выводы по главе 8
Использование экранированных контрольных кабелей в элект-
роустановках, подлежащих защите от ЭМИ ЯВ, является важней-
шим требованием. В связи с большим разнообразием экранирован-
ных кабелей, имеющихся сегодня на рынке, становится актуальной
247
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
проблема правильного их выбора. Этот выбор может быть основан
либо на точных измерениях эффективности экранирования различ-
ных образцов кабелей с помощью специальных измерительных
приборов, либо на приблизительной оценке, основанной на инфор-
мации об особенностях различных конструкции кабелей. В связи
с высокой стоимостью набора приспособлений и приборов для из-
мерения эффективности экранирования и неполным соответствием
стандартного метода измерения некоторым важнейшим конструк-
циям кабелей, рекомендуется использовать второй метод оценки.
Приведенные в статье сведения о конструкциях экранированных
кабелей, их особенностях, маркировке и оценочной эффективности
экранов позволяют потребителю свободно ориентироваться во всем
многообразии видов и типов контрольных кабелей, представленных
на рынке, и правильно их выбирать.
Литература к главе 8
1. Гуревич В. И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты:
проблемы и решения. - М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 256 с.
2. Гуревич В. И. Защита оборудования подстанций от электромаг-
нитного импульса. - М.: Инфра-Инженерия, 2016. - 302 с.
3. MIL-STD-188-125-1 High -Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP)
Protection for Ground Based C41 Facilities Performing Critical.
Time-Urgent Mission. Part 1 Fixed Facilities, 2005.
4. IEC 62153-4-4 Metallic communication cable test methods. - Part
4 4: Electromagnetic compatibility (EMC) - Shielded screening at-
tenuation, test method for measuring of the screening attenuation as up
to and above 3 GHz.
5. IEC 61000-4-25 Electromagnetic compatibility (EMC). - Part 4-25:
Testing and measurement techniques. - HEMP immunity test meth-
ods for equipment and systems.
248
Глава 9. ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭКРАНОВ КОНТРОЛЬНЫХ
КАБЕЛЕЙ
9.1. Введение
Не утихают споры относительно количества точек заземления
экранов контрольных кабелей. Этими спорами заполнены много-
численные форумы специалистов, причем на разных языках, стра-
ницы профессиональных журналов. Почему? Наверное, потому, что
практический опыт эксплуатации оборудования намного богаче чи-
сто теоретических рассуждений и на практике встречаются случаи,
когда лучшие результаты получаются при одностороннем заземле-
нии экранов, но встречаются и случаи, когда лучше работает дву-
стороннее заземление.
9.2. Принципы экранирования
Экранирование является общепризнанной мерой повышения
помехоустойчивости аппаратуры.
V
Рис. 9.1. Принцип действия металлического экрана:
1 - металлическая перегородка (экран);
2 - энергия электромагнитной волны, падающая на экран;
3 - часть энергии, отраженная от поверхности экрана;
4 - часть энергии, отраженная от пограничного слоя,
образованного стенкой экрана и внешней средой;
5 - часть энергии, преобразованная в ток в металле;
б - остаточная часть энергии, проникающая через экран
в защищаемую зону
249
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
В общем виде электромагнитный экран представляет собой ме-
таллическую перегородку (барьер) между источником электромаг-
нитного излучения и защищаемой зоной (рис. 9.1).
Как можно видеть из этого рисунка, часть 3 энергии 2, падаю-
щей на экран, отражается обратно в пространство от наружной по-
верхности, другая часть, 4, проникает вовнутрь металла и отражает-
ся от пограничного слоя, образованного стенкой экрана и внешней
средой, еще одна часть энергии, 5, преобразуется в электрические
токи внутри металла, а оставшаяся после всех этих превращений
часть энергии б все-таки проникает в защищаемую зону в виде по-
мехи.
9.3. Типы помех и варианты заземления экранов кабелей
Заземление экранов контрольных кабелей считается эффектив-
ной мерой ослабления этих помех. Существуют две основные кон-
цепции заземления экранов контрольных кабелей: с одной стороны
кабеля и с двух сторон кабеля (рис. 9.2).
с III
X
С III L HI
1
Рис. 9.2. Общепринятые варианты заземления экранов контрольных
кабелей: с одной стороны кабеля, защищающий от емкостных наводок (С),
и с двух сторон, защищающий от емкостных (С) и индуктивных (L) наводок
Очевидно, что эти два варианта обладают различными особен-
ностями и характеристиками по отношению к различным видам
помех. Различают четыре основных типа помех:
• кондуктивные
• емкостные;
• индуктивные;
• электростатические.
250
Глава 9. Заземление экранов контрольных кабелей
Каждый из этих типов помех подразделяются на два вида:
• помехи типа «провод - земля», напряжение которых прило-
жено между каждым из проводников и землей - они еще
называются несимметричными, синфазными, общего вида;
• помехи типа «провод - провод», напряжение которых при-
ложено между отдельными электрическими цепями или
между элементами одной и той же электрической цепи - они
еще называются симметричными, противофазными, диффе-
ренциальными.
Кондуктивные помехи распространяются при наличии непо-
средственного электрического контакта между электрическими це-
пями, и поэтому экранирование контрольных кабелей никак не свя-
зано с этим видом помех в электрических цепях.
Емкостные помехи распространяются через емкости между
центральными жилами кабеля и землей, между экраном и землей,
между экраном и центральными жилами. Заземление экрана кабеля
в одной или двух точках шунтирует емкость между экраном и зем-
лей, но также приближает «землю» к центральной жиле, увеличивая
емкость между ней и землей, что лишь облегчает проникновение
емкостной помехи из земли на центральные жилы. Однако, кроме
помех, распространяемых по цепям земли, имеются помехи от со-
седних кабелей, от проводов высокого напряжения, от мощных вы-
соковольтных коммутационных аппаратов и других источников
электромагнитных помех. Если эти помехи являются синфазными,
то есть создающими потенциал относительно земли, то заземление
экрана кабеля в одной точке позволяет полностью избавиться от
таких помех. Например, если в общем кабельном лотке проложен
неэкранированный кабель, на жилах которого периодически возни-
кают значительные импульсные напряжения относительно земли,
то заземление экрана рядом расположенного контрольного кабеля
в одной точке позволяет эффективно защитить центральные жи-
лы контрольного кабеля от импульсных помех со стороны неэкра-
нированного кабеля. Но если упомянутые импульсные напряжения
в неэкранированном кабеле вызывают протекание по нему импуль-
сных токов (наиболее распространенный случай), создающих во-
круг него импульсное магнитное поле (индуктивная помеха диффе-
ренциального типа), то совершенно очевидно, что заземление в од-
ной точке экрана контрольного кабеля, расположенного рядом,
251
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
не даст никакого эффекта, и в центральных жилах контрольного
кабеля будет наведена помеха. Заземление экрана в двух точках по
концам кабеля позволяет создать замкнутый контур для наведенно-
го в экране тока через систему заземления и таким образом суще-
ственно ослабить влияние индуктивной помехи на центральные жи-
лы контрольного кабеля.
Статические помехи, возникающие в результате накопления
статического заряда на хорошо изолированных от земли частях ап-
паратуры с последующим пробоем на землю, не представляют угро-
зы для кабелей, поскольку через реально существующие сопротив-
ления изоляции на землю такой заряд свободно стекает на землю
и не накапливается.
Из рассмотренных выше примеров видно, что заземление экра-
нов контрольных кабелей в одной точке позволяет защитить цен-
тральные жилы лишь от емкостных помех синфазного (относитель-
но земли) типа, тогда как заземление на концах кабеля позволяет
защитить центральные жилы от всех типов помех. По-видимому,
исходя из приведенных выше соображений, в большинстве случаев
рекомендуется использовать именно такой метод заземления экра-
нов контрольных кабелей.
9.4. Проблемы и противоречия
Но если бы все было так просто! На самом деле, система зазем-
ления вовсе не идеальна. Если кабель достаточно длинный, а проте-
кающий через систему заземления ток значительный, то между точ-
ками заземления экрана, расположенными на большом расстоянии
друг от друга, возникает высокая разность потенциалов. По данным
[1], эта разность потенциалов в реальных системах заземления при
ударах молнии может достигать 10 кВ и более. И это еще не самое
страшное. При воздействии на всю систему заземления (как на
огромную антенну) распределенного на большой площади электри-
ческого поля электромагнитного импульса высотного ядерного
взрыва (ЭМИ ЯВ) с напряженностью поля у поверхности зем-
ли, доходящей до 50 кВ/м, разность потенциалов в точках присо-
единения экранов длинных кабелей может достигать многих десят-
ков киловольт. Это напряжение, приложенное напрямую (то есть
контактным способом) к экрану, вызовет протекание через него
252
Глава 9. Заземление экранов контрольных кабелей
импульса тока большой амплитуды, индуцирующего значительный
ток в центральных жилах кабеля, подключенных непосредственно
к электронным элементам оборудования.
Так какой же в таком случае вариант заземления экранов кон-
трольных кабелей предпочтительнее?
Большинство официальных документов, таких как стандарты,
руководящие указания, инструкции как гражданского, так и военно-
го назначения [2-8], однозначно устанавливают способ заземле-
ния экранов с двух сторон кабеля. Несмотря на известность всех
этих документов, среди специалистов во всех странах мира, зани-
мающихся практической эксплуатацией электронного оборудова-
ния энергосистем (в частности, микропроцессорных устройств
релейной защиты - МУРЗ), не утихают споры относительно ко-
личества точек заземления экранов контрольных кабелей. Этими
спорами заполнены многочисленные форумы специалистов, при-
чем, на разных языках, страницы профессиональных журналов.
Почему? Наверное, потому, что практический опыт эксплуатации
оборудования намного богаче чисто теоретических рассужде-
ний, и на практике встречаются случаи, когда лучшие результа-
ты получаются при одностороннем заземлении экранов, но встре-
чаются и случаи, когда лучше работает двустороннее заземление.
В чем тут дело?
Личные контакты автора с ведущими в мире специалистами
в этой области, авторами фундаментальных монографий [9-11],
не смогли в достаточной мере прояснить ситуацию. Поэтому автор
попытался самостоятельно проанализировать ситуацию и найти от-
вет на поставленный в заголовке вопрос.
Результатом подробного анализа многих десятков публика-
ций по этой теме, включая фундаментальные труды, в которых во-
просы заземления экранов кабелей рассмотрены очень подробно
и всесторонне (например, в [И] это отдельная глава 7 объемом
119 страниц), стал неутешительный вывод о том, что единого уни-
версального ответа на поставленный в заголовке статьи вопрос нет
и быть не может в принципе. Более того, не представляется воз-
можным даже сформулировать какие-то четкие общие рекоменда-
ции по выбору того или иного способа заземления экранов, доступ-
ные и пригодные для практического применения персоналом энер-
госистем.
253
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
9.5. Факторы, влияющие на эффективность
заземления экранов
Такая ситуация сложилась по той причине, что имеющиеся
наставления, рекомендации, статьи и даже стандарты, рекоменду-
ющие какой-то определенный тип заземления экрана контрольных
кабелей, обосновывают выбор лишь на основе очень ограниченного
количества факторов из обширной их совокупности, условно при-
нимая одни из них и пренебрегая другими, тогда как все они реаль-
но влияют на помехоустойчивость электронной аппаратуры. Отсю-
да и непрекращающиеся споры в среде энергетиков о предпочтени-
ях того или иного способа заземления экранов и ссылки на личный
опыт, часто противоположный опыту других участников обсужде-
ния. О каких факторах идет речь?
1. Чувствительность различных видов электронной аппаратуры
к помехам различных типов, частоты, длительности, ампли-
туды не одинакова, поэтому одна помеха может вызвать сбой
в работе аппаратуры, а другая, даже намного более мощная,
но имеющая другую частоту или длительность импульса,
может не вызвать сбой той же аппаратуры. Из этого также
следует, что одна и та же помеха, проникшая по различным
жилам многожильного кабеля на входы различных электрон-
ных устройств, может вызвать сбой одних устройств и не за-
тронуть другие.
2. Имеет место влияние импульсных токов, протекающих по
экрану одного кабеля, на токи, протекающие в центральной
жиле этого кабеля; в экранах соседних кабелей, проложен-
ных параллельно в общем кабельном лотке; влияние токов в
центральных жилах неэкранированных кабелей на токи
в экранах экранированных кабелей, если оба типа кабелей
уложены в общем лотке.
3. Различные типы кабельных лотков- металлические или
пластмассовые с металлическим напылением, открытые
или закрытые - по-разному ослабляют электромагнитные
помехи.
4. Имеет место существенная зависимость таких параметров
экрана, как его индуктивное сопротивление протекающему
через него току, а также емкостное сопротивление между
254
Глава 9. Заземление экранов контрольных кабелей
центральными жилами и экраном, между центральными
жилами и землей, между экраном и землей, от частоты по-
мехи или длительности и крутизны переднего фронта им-
пульсной помехи.
5. Различные типы экранов - одно-, двух-, трех-, четырехслой-
ные (рис. 9.3), только из витых проволок, только из фольги,
комбинированные: из витых проволок и фольги - обладают
различной экранирующей способностью на различных ча-
стотах.
Рис. 9.3. Кабели с двойным (а), тройным (Ь)
и четверным (с) комбинированным (оплетка-фольга)
экранированием
6. Имеется также взаимосвязь между толщиной экрана и ча-
стотой помехи, поскольку в зависимости от этой часто-
ты электромагнитная волна помехи может проникать
в экран на различную глубину (так называемый скин-слой),
соизмеримую с толщиной экрана (0,1-0,2 мм), см. табл. 9.1.
255
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Таблица 9.1
Глубина проникновения электромагнитной волны в медь
Частота, МГц Глубина проникновения, мм
0,001 2,09
0,01 0,66
0,1 0,21
1,0 0,066
10 0,02
100 0,0066
1 000 0,0021
7. Экранирующая способность экрана зависит также от степе-
ни заполнения поверхности защищаемого провода экраном.
Выпускаются экраны с заполнением от 60 до 95 %. То есть
одна и та же помеха может совершенно по-разному влиять
на аппаратуру в зависимости от конкретного типа применя-
емого кабеля.
8. Длина экранированного кабеля влияет на абсорбирующую
способность экрана при воздействии на него волны элек-
тромагнитного поля, причем особенно важно соотношение
длины этой волны и длины кабеля. То есть помехи различ-
ной частоты (электромагнитные волны различной длины)
по-разному влияют на один и тот же кабель, и, наоборот,
одна и та же помеха по-разному будет влиять на кабели раз-
личной длины.
9. Состояние, тип и параметры системы заземления очень
сильно влияют на эффективность работы заземленных экра-
нов кабелей. Выше уже было рассмотрено в качестве при-
мера подключение экрана длинного кабеля с двух сторон
к реальной (а не теоретической) системе заземления.
10. Близость кабеля или даже отдельных его участков к источ-
никам помех и его ориентация по отношению к этим источ-
никам играет немаловажную роль в общей картине.
Из рассмотрения этого даже ограниченного перечня факторов,
влияющих на эффективность работы экранов контрольных кабелей,
становится понятным, что для однозначного выбора того или иного
варианта заземления экрана просто-напросто не хватает данных.
256
Глава 9. Заземление экранов контрольных кабелей
И отсутствие даже части данных, например, параметров импульс-
ных помех, воздействующих на конкретный кабель, делает невоз-
можным принятие однозначного решения. Становится очевидным
также, что даже общая теоретическая расчетная модель (если бы ее
удалось построить) будет бесполезной на практике из-за отсутствия
исходных данных для конкретных условий. Поэтому, по нашему
мнению, вывод об эффективности того или иного метода заземле-
ния экранов контрольных кабелей может быть сделан лишь на ос-
нове опыта эксплуатации конкретных типов оборудования в кон-
кретных условиях.
Рассмотрим еще один аспект этой темы, а именно вопрос о том,
что считать «опасной» помехой для электронного оборудования
энергосистем. Например, является ли опасной помеха в виде еди-
ничного импульса длительностью несколько миллисекунд (молния)
или несколько наносекунд (ЭМИ ЯВ) для такого распространенного
вида электронного оборудования энергосистем, как микропроцес-
сорное устройство релейной защиты (МУРЗ) с типовым быстродей-
ствием 2CML0 миллисекунд? Вряд ли, поскольку за столь короткое
время действия помехи она не сможет кардинально повлиять на от-
носительно длительный процесс обработки информации и выработ-
ки необходимой функции в МУРЗ. Но что если эта «помеха» будет
иметь амплитуду в десяток киловольт? Здесь уже речь идет не о
сбое в программе обработки информации, а о безвозвратном повре-
ждении внутренних электронных компонентов. Эти два вида
наиболее мощных, но коротких помех, как это было показано выше,
проникают в контрольный кабель чисто контактным путем из си-
стемы заземления на экран (при его двухстороннем заземлении),
а дальше уже индуктивным способом с экрана на внутренние жилы.
Из этих рассуждений следует, что сами по себе короткие импульс-
ные помехи, длительностью соответствующие разряду молнии или
ЭМИ ЯВ, не страшны для электронной аппаратуры (по крайней ме-
ре, для МУРЗ), если их амплитуда будет оставаться низкой.
9.6. Предлагаемый метод заземления экранов
На основе этих рассуждений предлагается необычный метод за-
земления экрана контрольного кабеля, заключающийся в его зазем-
лении с двух сторон, но с одной стороны - через высокочастотный
257
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
дроссель, обладающий определенным индуктивным сопротивле-
нием (рис. 9.4).
— ------ aU ------ —
Рис. 9.4. Предлагаемый вариант заземления экранов контрольных кабелей
На первый взгляд, это предложение противоречит всем кано-
нам, утверждающим, что даже незначительное увеличение индук-
тивного сопротивления цепи заземления экрана снижает эффектив-
ность экранирования на высоких частотах. Но ведь с этим никто и
не спорит: действительно, при включении в цепь заземления дрос-
селя эффективность экранирования на высоких частотах (то есть
при очень коротких импульсах) от индуктивных наводок (не пред-
ставляющих серьезную опасность) будет ниже. Но зато наиболее
опасная мощная помеха, проникающая на экран контактным путем
из системы заземления, будет существенно подавлена.
В качестве высокочастотного дросселя в этом варианте зазем-
ления могут быть использованы как устройства обычной конструк-
ции (рис. 9.5), включаемые в рассечку провода, соединяющего
экран с системой заземления, так и разборные ферритовые кольца
в пластмассовом держателе с защелкой (рис. 9.6), одеваемые на
провод и не требующие его разрыва.
Рис. 9.5. Высокочастотные дроссели традиционной конструкции
258
Глава 9. Заземление экранов контрольных кабелей
Рис. 9.6. Ферритовые кольца в пластмассовых держателях с защелкой
Несмотря на свою простоту и дешевизну, эти ферритовые
кольца, а по существу, фильтры, обладают хорошей способностью
ослаблять высокочастотный ток (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Типовые зависимости полного сопротивления (Z) ферритового
фильтра от частоты для некоторых типов ферритов
Однако в случае использования ферритовых колец необходимо
учитывать некоторые их специфические особенности, описанные
в [12]. Для получения требуемой частотной характеристики можно
на одном проводе закрепить несколько колец из ферритов различ-
ных марок.
259
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
По эффективности защиты от маломощных помех предложен-
ный метод заземления экранов контрольных кабелей занимает про-
межуточное положение между двумя базовыми вариантами, и по-
этому в некоторых конкретных случаях он может работать лучше
одного из традиционных способов заземления, а в некоторых -
хуже. Однако во всех случаях использование заградительного вы-
сокочастотного дросселя позволит предотвратить проникновение
в кабель наиболее мощных и опасных помех со стороны системы
заземления, вызванных молнией и ЭМИ ЯВ.
При наличии в экране постоянной низкочастотной наводки
(обычно это довольно мощная помеха частотой 50 Гц), вызываю-
щей усиленный нагрев экрана, можно использовать известный ме-
тод ограничения низкочастотного тока в экране путем включения
конденсатора в заземляющий проводник экрана (рис. 9.8), в допол-
нение к предложенному выше дросселю.
Рис. 9.8. Комбинированное заземление экрана контрольного кабеля
с помощью емкости и индуктивности, образующих полосовой фильтр
Такой комбинированный полосовой фильтр, содержащий по-
следовательно включенные емкость и индуктивность, будет эффек-
тивно подавлять в экране как низкочастотные индуктивные навод-
ки, так и очень короткие мощные импульсные помехи кондуктивно-
го типа со стороны системы заземления.
Литература к главе 9
1. Кузнецов М. Б., Матвеев М. В. Защита от вторичных проявлений
молнии и обеспечение ЭМС МП аппаратуры на объектах нефте-
газовой отрасли // Энергоэксперт. - 2007. - № 2. - С. 61-65.
260
Глава 9. Заземление экранов контрольных кабелей
2. СТО 56947007-29.240.044-2010 «Методические указания по обес-
печению электромагнитной совместимости на объектах электро-
сетевого хозяйства», Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС»,
2010.
3. РД 34.20.116-93 «Методические указания по защите вторичных
цепей электрических станций и подстанций от импульсных по-
мех», РАО «ЕЭС России, 1993.
4. IEEE Std. 1100-2005. IEEE Recommended Practice for Powering and
Grounding Electronic Equipment, 2005, 589 p.
5. TM 5-690 Grounding and Bounding in Command, Control, Commu-
nications, Computer, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance
(C4ISR) Facilities. Headquarters Department of the Army, Washing-
ton, DC, 2002.
6. MIL-HDBK-419A Grounding, Bonding, and Shielding for Electronic
Equipment and Facilities, U. S. Department of Defense, 1987, 404 p.
7. MIL-HDBK-1857 Grounding, Bonding and Shielding Design Prac-
tice, U. S. Department of Defense, 1998, 176 p.
8. Theory of Shielding and Grounding of Control Cables to Reduce
Surges. - General Electric Company, Power System Management
Business Department, 1973.
9. Tsaliovich A. Electromagnetic Shielding Handbook for Wired and
Wireless EMC Applications. - Springer, New York, 1999, 682 p.
10. Tsaliovich A. Cable Shielding for Electromagnetic Compatibility. -
Springer, New York, 1995, 469 p.
11. Joffe E. B., Lock K. S. Grounds for Grounding. A Circuit-to-System
Handbook. - Wiley, Chichester, UK, 2010, 1065 p.
12. Гуревич В. И. Ферритовые фильтры// Компоненты и техноло-
гии.-2015.-№ 10.-С. 16-18.
261
Глава 10. ФИЛЬТРЫ ЭМИ ЯВ
10.1. Введение
Защита современной электронной аппаратуры, в частности,
в электроэнергетике, от электромагнитного импульса высотного ядер-
ного взрыва является важной и актуальной проблемой современного
этапа развития техники по многим причинам, рассмотренным ранее
[1]. Основными официально признанными методами защиты от воз-
действия ЭМИ ЯВ на высокочувствительную аппаратуру являются
тщательное электромагнитное экранирование самой аппаратуры и
подключенных к ней внешних кабелей, а также подавление импульса
посредством специальных фильтров (рис. 10.1), через которые осу-
ществляется связь аппаратуры с внешними устройствами и системами.
Рис. 10.1. Типовая схема силового фильтра ЭМИ ЯВ,
состоящая из набора LC-звеньев
Современный рынок таких фильтров представлен сегодня десят-
ками типов, производимых многочисленными компаниями: ETS-
Lindgren, МРЕ, Meteolabor-EMP, European EMC Products Ltd., Captor
Corp., LCR Electronics, API Technologies, Astrodyne TDI Corp., Fi-Coil,
EMI Solutions Pvt. Ltd, RFI Corp, и др. Казалось бы, в чем проблема:
хочешь защитить свою аппаратуру от ЭМИ ЯВ? Установи такие
фильтры и спи спокойно! Но вот вопрос, действительно ли можно
спать спокойно после установки таких фильтров?
262
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
10.2. Действительно ли фильтры защищают
от электромагнитного импульса?
При попытке выбрать фильтр, способный эффективно подавлять
ЭМИ ЯВ, неожиданно сталкиваешься с проблемой: все перечисленные
выше компании рекламируют свои фильтры как высокоэффективные
средства защиты от ЭМИ ЯВ и при этом ссылаются на соответствие
этих фильтров военному стандарту MIL-STD-188-125 [2], однако при
этом они указывают параметры испытательных импульсов, которым
были подвергнуты фильтры, существенно отличающиеся от указанных
в стандарте. Так, например, вышеуказанный стандарт предусматривает
испытания импульсами тока 20/500 нс определенной амплитуды
на нагрузку 60 Ом, тогда как фильтры испытываются производителя-
ми импульсами тока 8/20 мкс на нагрузку 1 Ом. Почему? Да потому,
что импульс 8/20 мкс - это стандартный импульс, воспроизводимый
всеми видами испытательной аппаратуры, предназначенной для испы-
тания на устойчивость к разряду молнии, тогда как для испытания им-
пульсами тока 20/500 нс на нагрузку 60 Ом требуется специальная
весьма дорогостоящая аппаратура, которой нет у производителей
фильтров. Об этой проблеме прямо говорится в [3].
Еще одна странность заключается в том, что MIL-STD-188-125
предусматривает испытания объекта импульсами тока в двух ре-
жимах: при протекании тока между всеми объединенными вместе
входами и землей (common mode) и между каждым входом отдель-
но и землей (wire-to-ground mode). Однако при высотном ядер-
ном взрыве импульс высокого напряжения может прикладываться
не только между входами аппаратуры и землей (этот режим в дру-
гих стандартах обозначен как «common mode»), но и между различ-
ными входами изолированной от земли аппаратуры («differential
mode»). Стандарт MIL-STD-188-125 не предусматривает таких испы-
таний, они рассматриваются в других стандартах. Кроме того, в тре-
бованиях по испытанию фильтров речь идет об испытательном им-
пульсе тока, а не об импульсе приложенного напряжения. В связи с
этим некоторые компании, рекламирующие свои фильтры как филь-
тры ЭМИ ЯВ, вообще не снабжают их элементами ограничения им-
пульсных напряжений, ссылаясь все на тот же MIL-STD-188-125, но
при этом утверждают, что поскольку их фильтры прошли испытания
импульсом тока с амплитудой в несколько тысяч ампер и признаны
263
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
соответствующими стандарту MIL-STD-188-125, то это значит, что
они обеспечивают полноценную защиту от ЭМИ ЯВ. Действительно,
в этом стандарте ограничители импульсных напряжений представле-
ны как совершенно самостоятельные элементы, не имеющие отно-
шения к фильтрам (рис. 10.2).
Рис. 10.2. Устройство вводной коробки для подключения внешнего кабеля
к защищенному от ЭМИ ЯВ объекту (по версии MIL-STD-188-125)
При таком подходе фильтры действительно не обязаны защи-
щать от перенапряжений на входах. Вот только можно ли тогда
утверждать, что эти самые фильтры являются полноценной защитой
от ЭМИ ЯВ? Очевидно, понимая проблему, многие производители
все же снабжают свои фильтры элементами защиты от импульсных
перенапряжений, установленными на входах. По их мнению, теперь
такие фильтры с полным правом можно называть фильтрами защи-
ты от ЭМИ ЯВ.
Однако при внимательном рассмотрении защитных элементов,
применяемых в этих фильтрах, возникают серьезные сомнения в их
264
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
эффективности. Наиболее распространенные и дешевые ограничи-
тели импульсных напряжений, применяемые в фильтрах, это газо-
вые разрядники и оксидно-цинковые варисторы (рис. 10.3). Газовые
разрядники являются относительно «медленными» элементами, хо-
рошо справляющимися с подавлением стандартных импульсов
8/20 мкс, но не успевающими сработать при воздействии короткого
импульса высокого напряжения Е1 ЭМИ ЯВ с параметрами 2/25 нс
[4] (или 5/50 нс по данным [5]). Потребитель же, прочитав, что вы-
бранный им фильтр предназначен для защиты от ЭМИ ЯВ и прошел
испытания импульсами тока 8/20 мкс в полном соответствии с во-
енным стандартом MIL-STD-188-125, вряд ли будет искать этот
стандарт и проверять, а действительно ли это тот самый ЭМИ ЯВ.
Рис. 10.3. Фильтры компании МРЕ с защитными элементами на входе,
в качестве которых применяются варисторы (VDR)
и газовые разрядники (GDT)
Однако предъявлять претензии производителям рано. В [6] пря-
мо говорится о том, что установленные в фильтрах защитные элемен-
ты, оказывается, вообще не предназначены для защиты от ЭМИ ЯВ,
а являются элементами защиты от разрядов молнии и коммутацион-
ных перенапряжений. Вот так: в фильтрах для защиты от ЭМИ ЯВ
применяются ограничители напряжения, предназначенные для за-
щиты от... молнии, но не от ЭМИ ЯВ! Тем не менее некоторые типы
265
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
фильтров компании МРЕ названы в рекламных проспектах фильтра-
ми, специально предназначенными для защиты от компонента Е1.
Однако внимательный анализ параметров этих фильтров показал, что
они ничем, кроме названия в заголовке, не отличаются от всех
остальных фильтров этой компании, проверенных на воздействие им-
пульсов, соответствующих разрядам молнии, а не компоненту Е1
ЭМИ ЯВ. В противном случае нужно будет признать, что параметры
разряда молнии ничем не отличаются от параметров компонента Е1,
что на самом деле совершенно не соответствует действительности.
В некоторых публикациях утверждается, что быстродействие
защитных элементов на основе лавинного диода (TVS-diode)
намного превышает быстродействие обычных варисторов. Поэтому
возникло сомнение в обоснованности применения варисторов в ка-
честве элементов, способных эффективно защищать от очень ко-
роткого ЭМИ ЯВ. В дискуссии автора с представителем компании
МРЕ по поводу обоснованности применения варисторов в филь-
трах, предназначенных для защиты от ЭМИ ЯВ, был выдвинут один
новый довод. Представитель компании заявил, что, несмотря на то,
что варистор сам по себе не очень быстрый элемент, в соединении
с LC-элементами фильтра его эффективность становится достаточ-
ной для защиты от компонента EL Однако в ряде публикаций на
эту тему [7-8] утверждается обратное, а именно то, что присоеди-
нение к защитному элементу даже коротких внешних проводников,
обладающих очень малой индуктивностью, снижает его быстродей-
ствие. Оказывается, что время реакции защитного элемента на при-
ложенный к нему импульс напряжения очень сильно зависит и от
конструкции корпуса этого элемента, и от формы (длины) его выво-
дов [7-8]. Более того, в [8] утверждается, что именно конструкция
и длина внешних выводов определяет время реакции защитного
элемента. Зная это, производители защитных элементов часто ука-
зывают в рекламных материалах время реакции не полностью со-
бранного элемента в корпусе с выводами, а лишь материала, ис-
пользуемого для изготовления этого защитного элемента [8]. Вме-
сте с тем производители работают над усовершенствованием кон-
струкции выводов защитных элементов, и некоторые их них доби-
ваются существенных успехов [9].
Из изложенного выше становится понятным, что получить объ-
ективные данные о быстродействии того или иного типа защитного
266
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
элемента можно только проведя собственные независимые испы-
тания готовых изделий, предлагаемых на рынке, хотя некоторые
косвенные данные о результатах таких испытаний [10] позволяют
произвести предварительную сравнительную оценку. Так, например,
по утверждению [10], динамическое сопротивление и время реакции
защитного элемента на основе лавинного диода почти в 10 раз мень-
ше, чем варистора. Тот факт, что для защиты электронной от аппара-
туры от высоковольтных электростатических разрядов (а это наносе-
кундный диапазон, то есть наиболее близкий по временному пара-
метру к ЭМИ ЯВ) применяются защитные элементы на основе ла-
винных диодов, а не варисторов, вроде бы подтверждает такой вы-
вод. С другой стороны, продолжающееся широкое применение вари-
сторов в фильтрах ЭМИ ЯВ, производимых множеством различных
компаний, заставляет с осторожностью относиться к столь катего-
ричным выводам о непригодности варисторов и требует проведения
дополнительных исследований.
Еще одной проблемой, связанной с использованием элементов
защиты от импульсных напряжений, является схема включения этих
элементов, принятая в большинстве фильтров (рис. 10.1), при кото-
рой каждый такой элемент включен между входом и заземленным
корпусом фильтра. При таком включении получается, что между
двумя отдельными входами фильтра оказывается последовательно
включенным двойной набор элементов (соответственно, обладающий
другими параметрами) по сравнению с элементами, включенными
между каждым входом и землей.
Технические требования по устойчивости аппаратуры к таким
напряжениям и методы ее испытаний описаны в стандартах IEC
61000-4-4 [5] и IEC 61000-4-25[11]. Под испытательным импульсом
такого напряжения подразумевается так называемый Electrical Fast
Transient (EFT) - быстрый импульс, параметры которого и методика
испытаний описаны в стандарте IEC 61000-4-4. Методика выбора
параметров испытательных импульсов на основе этих стандартов
для конкретного примера - микропроцессорного устройства релей-
ной защиты (МУРЗ), изложена в [12]. Для данного устройства ам-
плитуда импульсного напряжения EFT составила 8 кВ.
По нашему мнению, таким испытаниям должны подвергаться
и фильтры с элементами защиты от импульсных напряжений, пред-
назначенные для защиты от ЭМИ ЯВ, в дополнение к испытаниям,
267
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
предусмотренным стандартом MIL-STD-188-125, причем с прило-
жением испытательных напряжений как между входами и землей,
так и между отдельными входами.
10.3. О частотном диапазоне фильтров
Еще одна проблема связана с амплитудно-частотной характе-
ристикой фильтров. Типовая характеристика высококачественного
фильтра, рекламируемого в качестве элемента защиты от ЭМИ ЯВ,
приведена на рис. 10.4.
ЧАСТОТА
Рис. 10.4. Типовая амплитудно-частотная характеристика
фильтров ЭМИ ЯВ, рекламируемых компанией ETS-Lindgren
Как видно из рис. 10.4, частотный диапазон таких фильтров про-
стирается аж до 40 ГГц. Разумеется, чем шире частотный диапазон
фильтра, тем он дороже. Здесь возникает вопрос, не является ли та-
кой широкий частотный диапазон лишь рекламным трюком, предна-
значенным для оправдания высокой стоимости фильтра, ведь по дан-
ным стандарта IEC 61000-2-9 основная энергия ЭМИ ЯВ (а точнее,
96 %) выделяется в частотном диапазоне 100 кГц - 100 МГц.
Еще одной особенностью общепринятой схемы включения от-
дельных внутренних элементов фильтров между каждым входом
и землей является не только двойное остаточное напряжение на эле-
ментах защиты от импульсных напряжений, о чем упоминалось выше,
но и половинная емкость (две последовательно включенные емкости)
268
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
и двойная индуктивность, включенные между входами по сравнению
с индуктивностью и емкостью между каждым входом и землей.
Отсюда следует, что частотные характеристики фильтров для им-
пульса, приложенного между входами, будут не такими, как для им-
пульса, приложенного между входом и землей. Насколько эти харак-
теристики будут приемлемы для защиты от ЭМИ ЯВ?
10.4. Обоснованность применения фильтров
для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ
Использование специальных LC-фильтров считается сегодня
настолько обычным основным и обязательным средством защиты
всех типов электрического и электронного оборудования от ЭМИ
ЯВ, что ни у кого уже не возникает и тени сомнения в обоснованно-
сти применения таких фильтров. Десятки промышленных компаний
производят сегодня сотни типов таких фильтров (рис. 10.5).
Рис. 10.5. Некоторые типы фильтров ЭМИ,
выпускаемых различными компаниями
Причем рекомендуемая область применения таких фильтров
не ограничивается лишь электронной аппаратурой связи, управле-
ния и контроля, а распространяется также и на силовое электрообо-
рудование (рис. 10.6).
Такая общая практика широкого использования фильтров во
всех видах оборудования, подлежащего защите от ЭМИ, и наличие
269
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
на рынке фильтров на любой вкус, включая и фильтры, выполнен-
ные в виде проходного изолятора, фильтры, встроенные в много-
контактные разъемы и т.д., обычно не оставляет сомнения у разра-
ботчика защищенной аппаратуры в необходимости использования
таких фильтров.
Рис. 10.6. Мощные ЭМИ фильтры для силовых цепей на токи 800 и 1 200 А
И вот на рынке появляются даже дизель-генераторы, снабжен-
ные фильтрами ЭМИ (рис. 10.7).
Рис. 10.7. Дизель-генератор компании EMP Engineering,
снабженный мощным ЭМИ фильтром
270
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
Каким же образом такие фильтры обеспечивают защиту оборудо-
вания от ЭМИ? Для того чтобы разобраться в этом вопросе, нужно
четко понимать, что представляет собой ЭМИ ЯВ (рис. 10.8).
Спектральная плотность напряженности эл. поля
Напряженность эл. поля, кВ/м
(В/м) /Гц
Рис. 10.8. Параметры импульса ЭМИ ЯВ (его компоненты Е1)
в соответствии со стандартами IEC 61000-2-9, IEC 61000-2-10,
IEC 61000-2-11, IEC 61000-2-13 и MIL-STD-461F
271
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Из анализа характеристик, представленных на рис. 10.8, можно
видеть, что ЭМИ ЯВ представляет собой комбинированную помеху,
воздействующую на аппаратуру и высоким напряжением, и высо-
кой частотой. Из этого следует, что фильтры ЭМИ должны защи-
щать аппаратуру и от импульсного перенапряжения, и от воздей-
ствия высокочастотной помехи. Однако большинство фильтров
ЭМИ имеет очень ограниченное рабочее напряжение, не превыша-
ющее нескольких сотен вольт, тогда как амплитуда напряжения
ЭМИ, которое может быть наведено на кабелях и приложено ко
входам электронной аппаратуры, достигает десятков киловольт. По
этой причине, как отмечалось выше, фильтры должны снабжаться
дополнительной защитой от импульсного перенапряжения большой
амплитуды, как это и предусмотрено стандартом MIL-STD-188-125
(рис. 10.2).
Казалось бы, все вышесказанное вполне логично и лишь под-
тверждает общепризнанный подход к защите аппаратуры от воз-
действия ЭМИ ЯВ, основанный на повсеместном использовании
фильтров. Однако если учесть, что импульсные перенапряжения
и высокочастотные помехи - это два совершенно разных по своим
физическим свойствам воздействия, которые имеют разную степень
опасности для оборудования и защита от которых осуществляется
совершенно разными техническими средствами, то возникает серь-
езное сомнение в обоснованности широко распространенного мне-
ния о необходимости повсеместного применения фильтров как ос-
новного средства защиты оборудования от ЭМИ. Рассмотрим два
этих аспекта отдельно друг от друга.
10.5. Защита аппаратуры от высокочастотных помех,
инициируемых ЭМИ ЯВ
Известно, что все современное промышленное и энергетическое
оборудование проходит проверку на соответствие требованиям стан-
дартов по электромагнитной совместимости (ЭМС). И эти стандарты
предусматривают проверку устойчивости аппаратуры к воздействию
высокочастотного излучения, а также высокочастотного напряже-
ния, прикладываемого ко входам аппаратуры (между различными
входами и между объединенными входами и корпусом). Например,
стандарт IEC 61000-4-12 предусматривает проверку аппаратуры
272
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
приложением высокочастотного напряжения частотой 1 МГц и ам-
плитудой 2,5 кВ. Стандарты IEC 61000-4-4 и IEC 61000-4-5 преду-
сматривают приложение к цепям проверяемой аппаратуры коротких
импульсов (то есть высокочастотного сигнала) с амплитудой до 4 кВ.
Стандарт IEC 61000-4-3 предусматривает проверку устойчивости
аппаратуры на воздействие радиочастотного излучения в диапазоне
частот вплоть до 2 ГГц. То есть, что касается высокочастотных по-
мех, то стандартные требования к аппаратуре должны обеспечивать
ее устойчивость к таким помехам, в том числе к помехам, вызванным
ЭМИ ЯВ. Некоторые параметры импульсной помехи, производимой
ЭМИ, отличаются от параметров помех, которые симулируются во
время испытания на соответствие требованиям стандартов ЭМС, -
в частности, речь идет о значительно более коротком импульсе поме-
хи ЭМИ по сравнению с длительностью стандартного импульса, ис-
пользуемого при обычных испытаниях ЭМС. Однако вероятность
того, что обычная аппаратура релейной защиты, контроля и управле-
ния, применяемая в промышленности и в электроэнергетике, успеш-
но прошедшая испытания на помехоустойчивость по стандартам
ЭМС, откажет в работе при воздействии на нее непериодического
единичного и очень короткого импульса ЭМИ (если его амплитуда
будет ограниченной) - ничтожно мала. Тем более что параметры ис-
пытательных воздействий на устойчивость к наиболее проблематич-
ному «быстрому импульсу» ЭМИ - EFT (Electrical Fast Transient)
отличаются от параметров EFT при обычных испытаниях на элек-
тромагнитную совместимость (ЭМС) лишь большей амплитудой те-
стовых импульсов. А ведь в соответствии с требованиями обычных
гражданских стандартов вся электронная аппаратура промышленного
назначения обязана пройти испытания на ЭМС, то есть обязана
выдерживать импульсы, аналогичные по параметрам ЭМИ ЯВ, если
их амплитуда не будет превышать оговоренной в этих стандартах
величины.
Из изложенного следует, что специальные дополнительные
фильтры, предназначенные по своей конструкции и характеристи-
кам для подавления периодической высокочастотной помехи, не
нужны для защиты от очень короткого единичного электромагнит-
ного импульса, если его амплитуда будет ограничена другими сред-
ствами.
273
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
10.6. Защита аппаратуры от импульсных
перенапряжений, создаваемых ЭМИ ЯВ
Совершенно иная ситуация имеет место с защитой от импульс-
ного напряжения значительной амплитуды, прикладываемого к це-
пям аппаратуры при воздействии ЭМИ ЯВ. Существующие требо-
вания по ЭМС и применяемые методы проверки на соответствие
этим требованиям даже близко не приближаются к реальным уров-
ням перенапряжений, которым будет подвергнута аппаратура при
воздействии ЭМИ. Однако для защиты от импульсных перенапря-
жений существуют давным-давно известные и широко распростра-
ненные методы и технические средства для их реализации. Напри-
мер такие, как оксидно-цинковые варисторы (рис. 10.10).
Некоторое преимущество перед варисторами в части быстро-
действия имеют так называемые диодные супрессоры (TVS -
transient voltage suppressor) на основе лавинных диодов (avalanche
diodes), см. рис. 10.11.
Рис. 10.10. Некоторые типы мощных варисторов для защиты
от импульсных перенапряжений цепей переменного и постоянного тока
Рис. 10.11. Некоторые типы особо мощных диодных супрессоров
274
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
Варисторы и супрессоры характеризуются так называемым
остающимся (или остаточным) напряжением (clamping voltage),
то есть напряжением, которое остается на варисторе и на присоеди-
ненном к нему параллельно защищаемом объекте после срабатыва-
ния варистора. С учетом того, что обычные стандарты ЭМС требуют
от промышленной аппаратуры устойчивости к воздействию импуль-
сных перенапряжений с амплитудой 2,5—4 кВ, мощные варисторы
(или супрессоры) с остающимся напряжением 500-600 вольт обеспе-
чат надежную защиту аппаратуры от воздействия ЭМИ ЯВ и без
применения фильтров ЭМИ. Почему это так важно?
Потому что:
• фильтры ЭМИ имеют высокую стоимость, особенно сило-
вые фильтры, рассчитанные на большие токи;
• при большом количестве цепей, требующих защиты, при
стандартном подходе потребуется и большое количество
фильтров ЭМИ, которые занимают большой объем, далеко
не всегда имеющийся в наличии;
• фильтры ЭМИ включаются в разрез многожильных кон-
трольных и силовых кабелей, что при наличии большого ко-
личества цепей существенно затрудняет установку фильтров
и делает эту работу дорогой и сложной.
Использование маленьких недорогих варисторов (или даже бо-
лее дорогих диодных супрессоров), подключаемых не в разрез,
а параллельно защищаемым объектам для защиты контрольных
и силовых цепей от воздействия ЭМИ, существенно упрощает
и удешевляет такую защиту.
10. 7. Ферритовые фильтры
В отдельных случаях при использовании особо чувствительной
к помехам электронной аппаратуры возможно применение филь-
тров, которые можно рассматривать как некое дополнительное
средство защиты. Для вновь вводимых в эксплуатацию видов аппа-
ратуры в качестве таких дополнительных средств защиты может
быть рекомендовано применение сплошных массивных ферритовых
колец и цилиндров, через которые пропускаются контрольные ка-
бели при монтаже в шкафах. Для существующих электроустановок
с подключенными контрольными кабелями это слишком сложно
275
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
и трудоемко, и поэтому для таких электроустановок могут быть ис-
пользованы менее эффективные по своим параметрам, но не требу-
ющие наличия неподключенных контрольных кабелей разборные
ферритовые кольца (цилиндров) в пластмассовой арматуре, одевае-
мые снаружи на защищаемый кабель и фиксируемых защелкой
(рис. 10.12) [13].
Такие фильтры существенно отличаются от описанных выше
LC-фильтров своей простотой, низкой стоимостью, доступностью
и удобством монтажа, не требующего разрезания каждой жилы
многожильных кабелей. Разборное ферритовое кольцо (или даже
несколько таких колец) может быть очень просто одето на много-
жильный кабель, и при этом оно будет действовать сразу на все жи-
лы этого кабеля.
Рис. 10.12. Разборные ферритовые кольца, одеваемые на кабель
для дополнительной защиты от электромагнитных помех
особо чувствительной электронной аппаратуры
Импеданс одновитковой катушки, образованной участком кон-
трольного кабеля, пропущенного через ферритовое кольцо, очень мал
для низкочастотных рабочих сигналов и для переменного тока про-
мышленной частоты и очень велик для высокочастотных (импульс-
ных) сигналов в определенном диапазоне частот, зависящем от коли-
чества витков, материала и геометрических размеров кольца. В ре-
зультате импульсный ток, протекающий по жилам контрольного
кабеля после срабатывания защитного элемента, ограничивающего
276
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
амплитуду импульса на уровне нескольких сотен вольт, будет огра-
ничен повышенным импедансом этих жил к короткому импульсу
тока. Таким образом, ферритовые фильтры можно рассматривать как
некое доступное и недорогое дополнение к защитным элементам,
ограничивающим амплитуду ЭМИ ЯВ.
Таблица 10.1
Частотные характеристики фильтров
на основе ферритовых элементов,
выпускаемых различными компаниями
Название компании Частотный диапазон выпускаемых фильтров, МГц
Fire-Rite Products Corp. 0,2-1000
Ferrishield 30-2450
Ferroxcube 0,2-200
Kitagawa Inc. 0,15-100
Murata Миниатюрные для печатных плат
NEC/Tokin 0,1-300
Parker Chomerics 30-200
Laird 30-2 000
TDK 10-500
Leader Tech, Inc 1-2 450
Wurth Elektronik 1-1 000 и миниатюрные для печатных плат
Emicore Corp. 0,1-1 000
Затухание, вносимое такими фильтрами, невелико по сравне-
нию с LC-фильтрами, однако и оно может пригодиться в качестве
дополнения к ограничителю амплитуды ЭМИ для чувствительной
электронной аппаратуры.
Приведенные в табл. 10.1 частотные диапазоны относятся не
к какому-то конкретному типу фильтра, а указывают лишь область
частот, в пределах которых работает та или иная компания. Частот-
ные диапазоны конкретных типов фильтров в действительности
намного уже указанных в табл. 10.1 диапазонов. В качестве примера
на рис. 10.13 указаны частотные диапазоны материалов различных
типов, используемых для производства ферритовых элементов (ФЭ)
в компании Fire-Rite Products Corp.
277
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
1 10 100 1000
ЧАСТОТА, МГц
Рис. 10.13. Частотные диапазоны различных типов материалов
(обозначены номерами), используемых в производстве ФЭ
в компании Fire-Rite Products Corp
Несмотря на свою кажущуюся простоту и невысокую стои-
мость (5-10 долларов США), ферритовые фильтры не так просты,
как это может показаться. Их эффективность зависит от очень мно-
гих параметров: типа материала, эквивалентной частоты импульса
тока, который нужно ослабить, геометрических размеров феррито-
вого элемента, количества витков провода, пропущенного через не-
го, величины постоянной составляющей тока, протекающего в про-
воде, температуры и др.
Частотные свойства фильтра зависят от нескольких параметров,
в первую очередь от типа материала ФЭ. Для частотного диапазона
от 0,1 до 10 МГц используется, как правило, марганец-цинковые фер-
риты (Мп - Zn) с магнитной проницаемостью ц = 600-20 000, а для
диапазона 1МГц - 2,45 ГГц - никель-цинковые ферриты (Ni-Zn)
с магнитной проницаемостью ц = 15-2 000. В процессе производства
используются также различные смеси ферритов, позволяющие полу-
чить неплохие характеристики в расширенном спектре частот.
Помимо частотных характеристик важнейшим параметром
фильтра на основе ФЭ является его полное сопротивление, которым
и определяется степень подавления помехи.
Полное сопротивление фильтра на основе ФЭ в значительной
степени определяется типом используемого материала, а также ра-
бочей частотой (рис. 10.14).
278
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
Рис. 10.14. Зависимость полного сопротивления фильтра на основе ФЭ
от типа материала и частоты
Поскольку фильтры на основе ФЭ обладают индуктивностью,
емкостью и активным сопротивлением (рис. 10.15), то оказывается,
что частотные характеристики и полное сопротивление фильтра
зависят также и от геометрических размеров ФЭ, в частности, от его
длины (рис. 10.16).
Как можно видеть из рис. 10.16, фильтры на основе ФЭ боль-
шей длины всегда обладают и большим полным сопротивлениям
при остальных равных параметрах, что объясняется большим ин-
дуктивным сопротивлением фильтров с длинными ФЭ.
Полное сопротивление фильтров на основе ФЭ в значительной
степени зависит также и от количества витков провода, пропущен-
ного через ФЭ (рис. 10.17).
279
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 10.16. Зависимость полного сопротивления Z фильтра от длины L
ферритовых элементов, выполненных из материалов двух типов (43 и 61)
компании Fire-Rite Products Corp.
Рис. 10.17. Типичная зависимость полного сопротивления фильтра
от количества витков (обозначены цифрами 1-3),
пропущенных через ФЭ
280
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
При дальнейшем увеличении частоты помехи фильтры с не-
сколькими витками провода оказываются уже менее эффективны-
ми, чем фильтры с одним витком.
Еще одно довольно неприятное свойство фильтра на основе ФЭ
заключается в наличии зависимости его свойств от величины постоян-
ной составляющей тока, протекающего через него (рис. 10.18). Это
влияние обусловлено изменением магнитных свойств ФЭ при наличии
постоянной составляющей в токе.
Рис. 10.18. Влияние постоянной составляющей в токе фильтра
на его характеристики
Наличие индуктивности и емкости в схеме замещения фильтра
(рис. 10.15) обуславливает опасность возникновения резонанса при
определенных частотах, когда вместо ослабления сигнала помехи
произойдет ее усиление - что является еще одним неприятным
свойством такого фильтра.
Как же правильно выбрать фильтр для эффективной защиты
от ЭМИ ЯВ при наличии такого большого количества факторов,
влияющих на его параметры? Непросто. Особенно если учесть от-
сутствие стандартов, описывающих процедуру измерения парамет-
ров таких фильтров, и использование различными производителя-
ми различных методик для таких измерений, что делает практиче-
ски несопоставимыми параметры фильтров, изготовленных различ-
ными производителями.
281
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Следует признать, что данные производителей могут быть ис-
пользованы лишь для предварительного отбора фильтров, после
которого должно быть проведено испытание эффективности подав-
ления помехи выбранными фильтрами во всем интересующем по-
требителя диапазоне частот и токов.
Рис. 10.19. Принцип проверки эффективности фильтров на основе ФЭ
Такое испытание может быть реализовано на установке, со-
держащей генератор помехи с реальными параметрами (по меньшей
мере с реальным частотным диапазоном) и приемное устройство,
в качестве которого может служить осциллограф, анализатор спек-
тра и даже электронный вольтметр с расширенным частотным диа-
пазоном. Генератор соединяется с входом приемного устройства
с помощью кабеля с установленными на нем фильтрами
(рис. 10.19). Наиболее удобно такое испытание проводить с помо-
щью векторного анализатора цепей (VNA), содержащего и источ-
ник, и приемник сигналов в одном приборе.
Такое исследование эффективности фильтров на основе ФЭ не-
которых типов для диапазона частот 300 кГц - 100 МГц было вы-
полнено автором с использованием векторного анализатора цепей
типа Planar TR1300/1, подключенного к компьютеру (рис. 10.20).
В качестве ФЭ использовались разборные ферритовые кольца
в пластмассовой арматуре с защелками типа Star-Tec Snap 74271222
немецкой компании Wurth Elektronik, предназначенные для монта-
жа на многожильном контрольном кабеле с внешним диаметром
до 12 мм. Эти ФЭ нормируются производителем для диапазона ча-
стот 1 МГц - 1 ГГц и имеют стоимость около 6 долларов США.
Выполненное исследование показало, что эффективности оди-
ночного ФЭ явно недостаточно для сколько-нибудь эффективного
подавления помехи и лишь три однотипных ФЭ, установленных по-
следовательно на кабеле, вносят заметное затухание на уровне около
10 дБ (ослабление помехового сигнала в 3 раза по току и в 10 раз по
мощности) в диапазоне частот 10 МГц - 100 МГц. Однако, как видно
282
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
из полученных зависимостей, для эффективного подавления помехи
в диапазоне более низких частот использования только этих ФЭ явно
недостаточно.
Рис. 10.20. Эффективность фильтров
на основе высокочастотных ФЭ
Поэтому было бы вполне логичным для повышения общей эф-
фективности фильтра дополнить его ФЭ, специально предназначен-
ными для работы в именно диапазоне низких частот. Обычно нижняя
граница частотного диапазона таких ФЭ нормируется производителя-
ми в пределах 150-300 кГц, а верхняя - около 30-100 МГц. Однако,
несмотря на множество различных характеристик ФЭ, приводимых
производителями в каталогах, остается неизвестной способность этих
ФЭ подавлять помеху в определенном частотном диапазоне, что и по-
требовало проведения собственных измерений.
Измерение степени затухания, вносимого низкочастотными
ФЭ, было выполнено по описанной выше методике, а результаты
представлены на рис. 10.21.
283
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 10.21. Эффективность фильтров на основе одного,
двух и трех низкочастотных ФЭ
В качестве низкочастотных ФЭ были испытаны разборные
ферритовые кольца в пластмассовой арматуре с защелками типа
0475164181 из материала типа 75 компании Fair-Rate, предназначен-
ные для монтажа на многожильном контрольном кабеле с внешним
диаметром до 12 мм. Эти ФЭ нормируются производителем для диа-
пазона частот 200 кГц - 30 МГц и имеют стоимость около 10 долларов
США.
Для наглядности на рис. 10.22 представлена результирую-
щая характеристика трех последовательно установленных на кабе-
ле низкочастотных ФЭ вблизи нижней границы частотного диа-
пазона.
Рис. 10.22. Результирующая характеристика трех последовательно
установленных на кабеле низкочастотных ФЭ типа 0475164181
вблизи нижней границы частотного диапазона (до 10 МГц)
284
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
Как видно из рис. 10.22, наибольшее затухание низкочастотные
ФЭ вносят как раз в том диапазоне частот, в котором высокочастот-
ные ФЭ оказываются неэффективными, что, на первый взгляд, под-
тверждает сделанный ранее вывод о целесообразности совместного
использования на одном защищаемом кабеле и высокочастотных, и
низкочастотных ФЭ. Полученная при испытании характеристика
для полного набора из последовательно установленных на кабеле
шести ФЭ показана на рис. 10.23.
ЧАСТОТА, МГц
Рис. 10.23. Эффективность фильтра на основе комбинации из трех
высокочастотных и трех низкочастотных ФЭ
После получения образцов ФЭ типа M93RS260130295 китайской
компании Emicore Corp., рекламируемых компанией как элементы из
нового материала (М93), специально разработанного для среднего
диапазона частот, сравнительные испытания были продолжены уже
и с этими образцами (рис. 10.24).
285
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
ЧАСТОТА, МГц
ЧАСТОТА, МГц
Рис. 10.24. Затухание в диапазоне частот до 10 МГц,
вносимое комплектами из трех штук ФЭ различных типов
Как видно из полученных частотных характеристик (рис. 10.24),
эти новые образцы компании Emicore Corp, обладают не самыми
лучшими параметрами в области низких частот, однако прослежива-
ется также тенденция увеличения вносимого затухания этими образ-
цами при увеличении частоты свыше 10 МГц, в то время как у образ-
цов других типов заметно снижение затухания.
По аналогии с выполненным ранее исследованием предполага-
лось, что сочетание трех новых образцов с тремя низкочастотными
286
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
ФЭ компаний Fair-Rate или Wurth Elektronik позволит получить са-
мый лучший результат.
Действительно, добавление к трем ФЭ компании Emicore Corp,
трех низкочастотных ФЭ компаний Fair-Rate или Wurth Elektronik
(рис. 10.25) позволяет существенно скорректировать характеристи-
ки исходных образцов, и это хорошо видно на рис. 10.25.
Рис. 10.25. Корректировка результирующей характеристики фильтра
на основе трех ФЭ компании Emicore Corp с добавлением трех
низкочастотных ФЭ компаний Fair-Rate (вверху) и Wurth Elektronik (внизу)
Из рис. 10.25 видно, что низкочастотные ФЭ компании Fair-Rate
эффективнее ФЭ компании Wurth Elektronik в диапазоне частот
до 1 МГц.
Также было выполнено сравнительное испытание образцов в пол-
ном диапазоне частот (табл. 10.2, рис. 10.26).
Как можно видеть из полученных данных, образцы компании
Emicore Corp, показывают лучшие результаты для полного диапазона
частот, несмотря на то, что на начальном участке диапазона частот
лучшие результаты показали ФЭ компании Fair-Rite Products Corp.
287
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Таблица 10.2
Затухание, вносимое ФЭ различных типов
и в различных комбинациях. В скобках указано количество ФЭ
Частота, МГц Вносимое затухание, дБ
Emicore M93RS260130 295-ОВЗ (6) Emicore M93RS260130295- ОВЗ (3) + Fair-Rite 0475264181(3) Emicore M93RS26013029 5-ОВЗ (3) + Wurth Elektronik 74272722 (3) Fair-Rite 0475264181 (3) + Wurth Elektronik 74271722 (3)
0,5 -4,0 -6,3 -3,9 -4,0
1,0 -8,5 -12,3 -9,1 -11,6
10 -19,4 -15,5 -15,7 -11,2
50 -19,5 -14,3 -14,5 -12
100 -18 -10,2 -10,4 -10,4
То есть шесть ФЭ одного и того же типа компании Emicore Corp,
оказались, на удивление, лучшим вариантом по сравнению с комбина-
циями из трех низкочастотных и трех высокочастотных ФЭ различных
типов.
Обеспечиваемое комплектом ФЭ компании Emicore Corp, зату-
хание в широком частотном диапазоне на уровне не менее 18 дБ
соответствует ослаблению сигнала помехи в 8 раз по амплитуде
и в 60 раз по мощности, что можно признать вполне удовлетвори-
тельным, если учесть, что речь идет об очень дешевых и доступных
для широкого применения элементах.
Вполне возможно, что комплект из шести среднечастотных ФЭ
американской компании Fair-Rite Products Corp., выполненных из
материала типа 31, окажется не хуже комплекта из шести ФЭ ки-
тайской компании Emicore Corp. Однако, поскольку речь идет
о промышленном, а не военном применении, а также об очень
большом количестве ФЭ, то в такой ситуации ценовой фактор
начинает играть первостепенную роль. Стоимость ФЭ китайского
производства намного меньше стоимости ФЭ американского произ-
водства при очень хорошем качестве. Кроме того, многие амери-
канские компании, работающие в области электромагнитной совме-
стимости или производящие продукцию, имеющую отношение к
этой области, имеют различные ограничения на поставку такой
продукции в другие страны и требуют от покупателя официального
288
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
подтверждения того, что их продукция не будет иметь никакого от-
ношения ни к военной области, ни к ядерному оружию.
Рис. 10.26. Затухание в полном диапазоне частот,
вносимое комплектами из шести штук ФЭ различных типов
289
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Понятно, что в ситуации с применением ФЭ для защиты от
ЭМИ ЯВ получить такие элементы будет затруднительно.
Помимо чувствительной электронной аппаратуры, в которой
могут быть низкоомные входы, применение ФЭ актуально также во
всех случаях, когда защищаемый объект (даже сильноточный) име-
ет низкое внутреннее сопротивление, - например, батарея аккуму-
ляторов. При приложении к такому объекту импульса напряжения,
инициированного ЭМИ ЯВ, падение напряжения на самом объекте
может оказаться недостаточным для срабатывания параллельно
включенного варистора, однако ток, протекающий через такой объ-
ект, может оказаться весьма значительным из-за его низкого внут-
реннего сопротивления. Однако использовать ферритовые фильтры
в сильноточных цепях постоянного тока нельзя из-за упомянутого
выше эффекта насыщения. В этой ситуации последовательно с за-
щищаемым объектом необходимо включить специальный дроссель,
рассчитанный для работы при больших токах, сопротивление кото-
рого пренебрежимо мало на постоянном токе, но велико для высо-
кочастотного сигнала (для короткого импульса). В главе 12 рас-
смотрены практические примеры применения таких дросселей.
Как было показано выше в главе 5, применение ФЭ позволяет
также гарантировать эффективную работу дешевых мощных вари-
сторов вместо очень дорогих мощных супрессоров (TVS-diodes), что
само по себе является важнейшим положительным свойством ФЭ.
10.8. Выводы по главе 10
Какой потребитель, пожелавший защитить свое электронное
оборудование от ЭМИ ЯВ, будет так глубоко «копать»? Почему он
не должен поверить утверждениям компании-производителя о вы-
сокой эффективности ее продукции? А если даже и не поверит,
то все равно не сможет в большинстве случаев самостоятельно про-
верить реальную эффективность «работы» такого фильтра. Понят-
но, какова будет эффективность защиты его ответственной аппара-
туры фильтром, если в критической ситуации последний окажется
неспособным защитить от ЭМИ ЯВ.
Сегодня ситуация такова, что каждый производитель сам реша-
ет, включать или не включать ограничители импульсного напряже-
ния в состав фильтров; использовать или не использовать дешевые,
290
Глава 10. Фильтры ЭМИ ЯВ
но не подходящие по своим параметрам элементы; испытывать
фильтры стандартным «грозовым» импульсом или импульсом с па-
раметрами, оговоренными в военном стандарте. Кто там будет про-
верять!
Сложившееся положение дел - следствие отсутствия специаль-
ного стандарта, оговаривающего требования к конструкции и к пара-
метрам фильтров ЭМИ ЯВ, методам их испытаний, критериям каче-
ства функционирования. Такая ситуация является, по нашему мне-
нию, недопустимой, учитывая важность проблемы, и требует неза-
медлительного исправления.
Из всего вышесказанного следует, что, вопреки распространенной
практике, для защиты электрической и электронной аппаратуры
в промышленности и в электроэнергетике от ЭМИ ЯВ в качестве од-
ного из базовых средств лучше подходят вовсе не специальные доро-
гостоящие фильтры. Достаточно применить в качестве таких средств
обычные элементы для защиты от импульсных перенапряжений, типа
варисторов или диодных супрессоров, что в совокупности с другими
известными средствами и методами позволит значительно упростить
и удешевить защиту оборудования от ЭМИ ЯВ, а главное, даст уве-
ренность в том, что аппаратура надежно защищена и никакие «сюр-
призы» от рекламируемых фильтров не повлияют на эту надежность.
Что касается особо чувствительной электронной аппаратуры или
силовых цепей с очень низким внутренним сопротивлением, то в этих
случаях защита от импульсных перенапряжений может быть дополне-
на ограничителями импульсных токов, выполненных на основе ферри-
товых элементов или мощных высокочастотных дросселей.
При использовании ФЭ более высокое быстродействие диодных
супрессоров по сравнению с варисторами (о чем утверждается в неко-
торых публикациях) отходит на второй план, поскольку при наличии
ФЭ импульс высокого напряжения растягивается во времени и кру-
тизна его переднего фронта существенно уменьшается (как показано
в главе 5), поэтому можно гарантировать надежную работу дешевых
варисторов. При этом ФЭ из разряда вспомогательных переходят
в разряд основного средства защиты, применяемого во всех случаях
использования варисторов как обязательный элемент на многожиль-
ном контрольном кабеле, дополняющий варисторы, установленные на
каждом из входов аппаратуры с подключенными жилами этого кон-
трольного кабеля.
291
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Литература к главе 10
1. Гуревич В. И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты:
проблемы и решения. - М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 256 с.
2. MIL-STD-188-125-1 High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP)
Protection for Ground-Based C4I Facilities Performing Critical,
Time-Urgent Missions; Part 1: Fixed Facilities.
3. A. J. Nalhorczyk, HEMP Filter Design to Meet MIL-STD-188-125
PCI Test Requirements. - IEEE. 10-th International Conference
“Electromagnetic Interference & Compatibility”, 26-27 Nov., 2008,
pp. 205-209.
4. MIL-STD-46 IF Requirements for the Control of Electromagnetic
Interference Characteristics of Subsystems and Equipment, 2007.
5. IEC 61000-4-4 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-4:
Testing and measurement techniques - Electrical fast transient/burst
immunity test, 2012.
6. Application Notes Cat. 1: HEMP Filter Maintenance and Monitor-
ing. Rev.l. MPE Ltd., December, 2012.
7. Surge Protective Device Response Time, Application Note 9910-
0003A, Schneider Electric, August 2011.
8. Power Quality Surge Protective Devices (SPD), Application Notes:
Response Time ratings, DET-733 (8/10), General Electric.
9. Surface Mount Power TVS Diodes Deliver Optimal Protection for
Power Supply. Application Note, Bourns, Inc, 7/14.e/ESD1435.
10. S. J. Goldman, Selecting Protection Devices: TVS Diodes vs. Metal-
Oxide Varistors, Power Electronics, June 1, 2010.
11. IEC 61000-4-25:2001 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part
4-25: Testing and measurement techniques - HEMP immunity test
methods for equipment and systems.
12. Гуревич В. И. Проблемы тестирования микропроцессорных реле
защиты на устойчивость к преднамеренным электромагнитным
деструктивным воздействиям // Компоненты и технологии. -
2O14.-№ 12.-С. 161-168.
13. Гуревич В. И. Ферритовые фильтры// Компоненты и техноло-
гии.-2015.-№ 10.-С. 16-18.
292
Глава 11. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИЗОЛИРУЮЩИЕ
ИНТЕРФЕЙСЫ
11.1. Введение
Высоковольтные изолирующие интерфейсы на герконах -
относительно новый вид разработанных автором [1] изолирующих
интерфейсов, который получил название «геркотроны». Как
и все другие виды изолирующих высоковольтных интерфейсов [2],
они предназначены для передачи дискретных команд управления,
защиты и сигнализации между разнопотенциальными частями ап-
паратуры. Рабочее напряжение, на которое рассчитаны эти устрой-
ства, составляет от 10 до 100 кВ постоянного тока между входом
и выходом. По принципу действия геркотроны представляют собой
быстродействующие герконовые реле с высоковольтной изоляцией
между обмоткой (вход) и герконом (выход).
В свое время геркотроны (под различными местными цифро-
выми шифрами) широко применялись во многих видах военной
и специальной электрофизической аппаратуры.
При рассмотрении вопросов защиты от ЭМИ ЯВ, характеризу-
ющегося возникновением импульсных напряжений в десятки кило-
вольт, приложенных между различными частями аппаратуры, гер-
котроны могут оказаться весьма полезными элементами.
11.2. Высоковольтное звено для аппаратуры передачи
дискретных команд релейной защиты
и противоаварийной автоматики
В устройствах релейной защиты и автоматики (РЗ и А) исполь-
зуется значительное количество дискретных команд (то есть команд
типа «включить-выключить», формируемых так называемыми «су-
хими контактами») и передаваемых между отдельными устрой-
ствами РЗ и А, а также между этими устройствами и исполнитель-
ными аппаратами (выключателями, разъединителями и др.) в пре-
делах одной подстанции или между удаленными подстанциями. Эти
команды передаются посредством специальных каналов связи.
Между удаленными подстанциями каналы связи обеспечива-
ются проводами высоковольтных линий электропередач (ЛЭП)
293
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
и двумя комплектами высокочастотных приемо-передатчиков,
подключаемых к ЛЭП с двух сторон через специальные устрой-
ства присоединения (power-line carrier). В проводах, предназна-
ченных для строительства новых ЛЭП, часто заложены в специ-
альных стальных защитных оболочках оптические волокна, ис-
пользуемые в качестве каналов связи между удаленными подстан-
циями. Используются также и шифрованные радиорелейные ли-
нии связи, а в последние годы и связь через сети Ethernet (Ethernet-
based communications).
ioMirror E3210
BB FOCUS
Рис. 11.1. Коммуникационные устройства для передачи дискретных команд
РЗ и А, выполненные на различных принципах
Подключение устройств РЗ и А к аппаратуре дальней связи,
а также местная связь между различными устройствами в пределах
294
Глава 11. Высоковольтные изолирующие интерфейсы
одной подстанции осуществляются, как правило, через специаль-
ные коммуникационные устройства, выполненные на различных
принципах (рис. 11.1).
Так, например, одни из них предназначены для преобразования
дискретных входных сигналов, формируемых «сухими контакта-
ми», в кодированный оптический сигнал с дальнейшей передачей
его по оптическому волокну и последующим декодированием
и восстановлением дискретных сигналов типа «сухого контакта»
(рис. 11.2), другие используют местную сеть Ethernet в качестве
канала связи.
Г ними
выходы
Рис. 11.2. Схема организации коммуникационного звена
по оптоволоконному кабелю (fiber-optic link)
В чем преимущество оптического коммуникационного звена
перед обычным многожильным контрольным медным кабелем?
Очевидно, что, во-первых, это экономия меди, а во-вторых, повы-
шенная помехоустойчивость оптоволоконного кабеля к внешним
электромагнитным помехам по сравнению с обычным контроль-
ным кабелем. Казалось бы, все предельно ясно и логично. На самом
же деле, далеко не все так очевидно и так логично. Нет, никаких
сомнений в высокой помехоустойчивости оптического волокна
295
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
и в его низкой стоимости нет. Проблема совсем в другом: в том,
что в действительности мы имеем дело вовсе не с отдельно взятым
оптическим волокном, а комплексом аппаратуры, в котором опти-
ческое волокно лишь одна из составляющих. Две других составля-
ющих - это кодирующее и декодирующее устройства этого ком-
плекса. А они совсем не так дешевы и не так уж помехоустойчивы
к внешним электромагнитным воздействиям [3], не говоря уже
о надежности сложной микропроцессорной техники. То, что эта
техника достаточно сложна, можно убедиться из рис. 11.1. По
меньшей мере три микропроцессора видны на печатных платах
мультиплексора FOCUS, упоминаемого в [3]. С другой стороны,
правильно выбранный контрольный кабель с правильно заземлен-
ным экраном [4] может обеспечить не меньшую помехоустойчи-
вость, чем оптическое волокно. Сегодня на рынке предлагаются
многожильные контрольные кабели (рис. 11.3), состоящие из набо-
ра витых пар, каждая из которых снабжена собственным экраном.
Кроме этого кабель снабжен общим экраном из фольги, поверх ко-
торой наложен еще один экран из витых медных жил с заполнением
не менее 85 %, защищенный снаружи пластиковой оболочкой.
Рис. 11.3. Многожильный контрольный кабель серии IBI0508P (Hosiwell)
с набором из 8 витых пар с индивидуальными экранами каждая
и общим двухслойным экраном
Что касается надежности, то доказывать более высокую надеж-
ность медного кабеля по сравнению со сложнейшим микропроцес-
сорным устройством, наверное, не требуется. Однако оптическое
волокно обеспечивает еще и гальваническую развязку соединяемых
цепей, в то время как обычный, даже тщательно экранированный
кабель, - нет.
296
Глава 11. Высоковольтные изолирующие интерфейсы
Проблема обеспечения гальванической развязки высокого
уровня в системах РЗ и А становится особенно актуальной в по-
следнее время в связи с необходимостью обеспечения устойчивости
электронной аппаратуры энергосистем к электромагнитному им-
пульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ) [5, 6], характеризуе-
мого очень высокой напряженностью электрического поля у по-
верхности земли, которая достигает 50 кВ/м.
Совместить высокую надежность передачи дискретных команд
РЗ и А с высоким уровнем гальванической развязки цепей можно
с помощью высоковольтных изолирующих интерфейсов на герко-
нах (геркотронов), разработанных автором (рис. 11.4).
Рис. 11.4. Высоковольтные изолирующие интерфейсы на герконах,
предназначенные для работы с импульсными напряжениями
между входом и выходом до 50 кВ
Изначально эти устройства разрабатывались для военной
и электрофизической аппаратуры [1] с учетом требований военно-
го стандарта MIL-STD-202 к электрическим и электронным компо-
нентам и поэтому имеют повышенную надежность. Разработано
множество конструкций этих устройств с различными свойствами,
параметрами и функциональными возможностями [2], однако для
297
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
рассматриваемого применения пригодны геркотроны простейшего
типа (рис. 11.5), содержащие геркон и катушку управления, разде-
ленные высоковольтной изоляцией или снабженные дополнительно
мощным коммутирующим элементом для прямого управления ка-
тушкой отключения высоковольтного выключателя.
Рис. 11.5. Схемы и применяемые элементы двух простейших типов
геркотронов: вверху-для передачи маломощных дискретных сигналов
между устройствами РЗ и А, внизу - с увеличенной мощностью
для непосредственного управления катушкой отключения выключателя.
RS - геркон; VS - высоковольтный тиристор; Ru - варистор
На рис. 11.6 показан один из вариантов применения геркотро-
нов для высоковольтной изоляции входных и выходных цепей
устройств РЗ и А (на примере микропроцессорного устройства ре-
лейной защиты - МУРЗ) от внешних цепей при передаче и приеме
дискретных команд. В этом случае геркотроны используются
вместо оптоэлектронных коммуникационных звеньев совместно
с многожильным медным контрольным кабелем с комбинирован-
ным многослойным экраном, заземленным с одной стороны через
298
Глава 11. Высоковольтные изолирующие интерфейсы
конденсатор, а с другой через высокочастотный дроссель в соответ-
ствии с рекомендациями, предложенными в [4].
Рис. 11.6. Пример применения геркотронов для высоковольтной изоляции
входных и выходных цепей микропроцессорного устройства релейной
защиты (МУРЗ) от внешних цепей при передаче и приеме дискретных
команд: IM - входной модуль с набором геркотронов; ОМ - выходной
модуль с набором геркотронов, TVS - дополнительные элементы защиты
(мощные двунаправленные диодные супрессоры) от проникновения
импульсных перенапряжений в шкаф релейной защиты
Все кабельные вводы в шкафы, по которым передаются дис-
кретные команды между устройствами РЗА и А, дополнительно за-
щищены мощными двунаправленными диодными супрессорами
TVS (рис. 11.6).
Планируемое применение диодных супрессоров (transient
voltage suppressor diodes - TVS-diodes), а не обычных варисторов,
для защиты электронной аппаратуры было обусловлено некото-
рыми публикациями в научно-технической литературе, доказы-
вающими значительно более высокое быстродействие диодных
супрессоров по сравнению с варисторами. Ранее диодные супрессо-
ры выпускались лишь на небольшие мощности и использовались
299
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
для защиты электронных элементов на печатных платах, но сегодня
две лидирующие в мире компании, Bourns и Littelfuse, уже предла-
гают мощные защитные элементы на основе диодных супрессоров
(рис. 11.7).
15 kA, 58V
PTVS15-058С АК15-058С
10 kA, 430V
Рис. 11.7. Мощные двунаправленные диодные супрессоры
на напряжения 58 В, ток 15 кА и 430 В, ток 10 кА, производимые
компаниями Bourns (слева) и Littelfuse (справа)
Как было показано выше в главе 5, несмотря на более высокое
быстродействие диодных супрессоров, отмечаемое в технической
литературе, обычные дешевые варисторы также пригодны для за-
щиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ.
Внутри геркотронов тем более могут быть использованы вари-
сторы, имеющие меньшие размеры, чем супрессоры, что немало-
важно для миниатюрных геркотронов. Кроме того, в геркоторонах,
даже снабженных дополнительным мощным тиристором, нет высо-
кочувствительных низковольтных электронных компонентов, кото-
рые требовали бы применения особо быстродействующих диодных
супрессоров.
Применение предлагаемого технического решения в системах
РЗ и А позволит повысить устойчивость к ЭМИ ЯВ аппаратуры пе-
редачи дискретных команд.
300
Глава 11. Высоковольтные изолирующие интерфейсы
11.3. Применение высоковольтных изолирующих
интерфейсов при испытаниях аппаратуры
на устойчивость к ЭМИ ЯВ
Рис. 11.8, а. Конструкция компактного геркотрона на импульсное напряже-
ние 50 кВ с регулируемым порогом срабатывания, выполненного по схеме
с эксцентричным перемещением геркона относительно полюсов
катушки управления: 1 - выступающая часть поворотного корпуса-ампулы;
2 - крепежные фланцы; 3 - ферромагнитный сердечник; 4 - винт-фиксатор;
5 - катушка с обмоткой; 6 - выводы катушки; 7 - полюса сердечника;
8 - винты крепления полюсов; 9 - геркон; 10 - изоляционные проставки;
11 - магнитный шунт
301
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Высоковольтные изолирующие интерфейсы (геркотроны) мо-
гут иметь и более сложную конструкцию, чем показанная на
рис. 11.5.
Рис. 11.8, б. Геркотрон на импульсное напряжение 70 кВ с регулируемым
порогом срабатывания, реализованным по конструктивной схеме
с герконом, расположенным вне катушки,
продольная ось которого образует угол с продольной осью катушки:
1 - пластмассовая капсула грибообразной формы с гнездом для геркона;
2 - заливочный эпоксидный компаунд полости корпуса с катушкой;
3 - катушка; 4 - ферромагнитный сердечник;
5 - геркон; 6 - пластмассовая гайка;
7 - заливочный эпоксидный компаунд поворотного корпуса с герконом;
8 - гайка-фиксатор поворотного корпуса;
9 - выводы геркона; 10 - поворотный корпус геркона
302
Глава 11. Высоковольтные изолирующие интерфейсы
В частности, устройства с внешним видом, соответствующим
рис. 11.4, могут иметь и регулируемый порог срабатывания, то есть
выполнять функцию токового реле, контролирующего уровень
тока, протекающего в высокопотенциальной цепи, с передачей сиг-
нала о превышении заранее заданного порога непосредственно на
потенциал земли (рис. 11.8). Такое регулирование осуществляется
поворотом изолированной ампулы с герконом (7 - на рис. 11.8, а;
10 - на рис. 11.8, 6) вокруг своей оси с последующей фиксацией
ее положения с помощью фиксатора (4 - на рис. 11.8, а; 8 - на
рис. 11.8, б).
Возможность использования этих устройств в качестве датчиков
тока с регулируемым порогом срабатывания делает их особо
привлекательными элементами при создании макета системы
оборудования, установленного на стенде ЭМИ ЯВ для испытаний
(см. главу 3). Контроль состояния различных устройств, входящих
в состав этого макета и расположенных в зоне действия ЭМИ, может
осуществлятся с помощью вспомогательного электронного обо-
рудования, вынесенного из зоны действия ЭМИ, только при наличии
элементов высоковольтной гальванической развязки, рассчитанных на
десятки киловольт. Геркотроны с регулируемым и нерегулируемым
порогом срабатывания могут существенно облегчить эту задачу,
особенно при испытании устройств релейной защиты.
11.4. Конструктивные особенности высоковольтных
изолирующих интерфейсов
В устройствах, описанных выше, применены элементы повы-
шенной надежности. Например, миниатюрные вакуумные герконы
(табл. 11.1), тиристор типа GS60-16iol, который при своих неболь-
ших габаритах может коммутировать (кратковременно) ток до 75 А
(импульсный ток до 1 500 А), максимальное напряжение 1 600 В.
Время срабатывания геркотрона - 1 мс (или чуть более из-за
индуктивности катушки управления) - достаточно мало для того,
чтобы как-то отрицательно повлиять на работу устройств РЗ и А,
но слишком велико для того, чтобы ложно сработать под действием
мощного, но очень короткого импульса ЭМИ ЯВ.
303
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Таблица 11.1
Параметры некоторых типов
высоковольтных вакуумных миниатюрных герконов,
подходящих для применения в геркотронах
Параметр или тип геркона MRA 5650G KSK 1А75 HYR 2016 HYR15 59 MARR 5 KSK 1А85
Тип контакта NO NO NO NO NO NO
Коммутируемое напряжение, В 1 000 1 000 1 000 1 500 1 000 1 000
Коммутируемый ток, А 1 0,5 1 0,5 0,5 1
Коммутируемая мощность, Вт 100 10 25 10 10 100
Пробивное напряжение, В 1 500 1 500 2 500 1 500 2 000 4 000
Время замыкания, мс 0,6 0,5 0,8 0,4 0,75 1,0
Время размыкания, мс 0,05 ОД 0,3 0,2 о,3 0,1
Размеры, мм: D L 2,75 21 2,3 14,2 2,6 21 2,3 14,2 2,66 19,7 2,75 21
Чувствительность, ампер-витков 20-60 15^10 15-70 15-50 17-38 20-60
То есть кроме функции высоковольтной гальванической раз-
вязки, геркоторон выполняет также функцию заградительного
фильтра, не пропускающего на входы электронных устройств ре-
лейной защиты и автоматики мощные сигналы помех длительно-
стью менее 1 мс.
Изоляционные элементы конструкций всех рассмотренных ти-
пов геркоторонов рекомендуется выполнять из литьевого термопла-
стика типа ULTEM-1000 (Polyetherimide - PEI) - полупрозрачного
материала янтарного цвета, обладающего отличной совокупностью
механических, температурных (от -55 до +170 °C) и электрических
(33 кВ/мм, tg8 = 0,0012) свойств, малой водопоглощаемостью
(0,25 % за 24 часа), высокой стойкостью к излучениям различных
типов, относительно хорошей адгезией к эпоксидным компаундам.
304
Глава 11. Высоковольтные изолирующие интерфейсы
А в качестве заливочного эпоксидного компаунда - STYCAST
2651-40 (Emerson & Cumming) - двухкомпонентный компаунд чер-
ного цвета, обладающий хорошими диэлектрическими свойствами
(18 кВ/мм, tg5 = 0,02), малой водопоглощаемостью (0,1 % за 24 ча-
са), широким интервалом рабочих температур (от -75 до +175 °C)
очень низкой вязкостью в жидком состоянии и хорошей адге-
зией к металлам и пластикам. Этот компаунд имеет близкий
к ULTEM-1000 коэффициент линейного расширения, что немало-
важно при работе реле в широком интервале температур. В качестве
отвердителя должен применяться CATALYST-11.
Следует иметь в виду, что заливать геркон непосредственно
эпоксидным компаундом нельзя. Его нужно предварительно по-
крыть слоем демпфирующего материала, компенсирующего меха-
нические напряжения, возникающие в процессе отверждения эпок-
сидного компаунда.
Литература к главе 11
1. Gurevich V. Protection Devices and Systems for High-Voltage
Applications. - Marcel Dekker, New York - Basel, 2003.
2. Гуревич В. И. Высоковольтные устройства автоматики на гер-
конах. - Хайфа, 2000.
3. Гуревич В. И. Оптоэлектронные трансформаторы: панацея или
частное решение частных проблем // Вести в электроэнергети-
ке. - 2010. -№ 2.
4. Гуревич В. И. Заземление экранов контрольных кабелей: есть ли
решение проблемы? // Релейная защита и автоматизация. -
2017.-№4.
5. Гуревич В. И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты.
Проблемы и решения. - М.: Инфра-Инженерия, 2014.
6. Гуревич В. И. Защита оборудования подстанций от электромаг-
нитного импульса. - М.: Инфра-Инженерия, 2016.
305
Глава 12. ПРИНЦИПЫ ПОВЫШЕНИЯ
УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ,
СМОНТИРОВАННОЙ В ШКАФАХ
12.1. Ведение
На электростанциях и подстанциях применяются сотни видов
сложнейшего электронного оборудования: микропроцессорных
устройств релейной защиты (МУРЗ), устройств автоматики, теле-
механики и связи, без которых невозможно функционирование со-
временной электроэнергетики. Все эти виды аппаратуры выполне-
ны на основе микроэлектроники и микропроцессорной техники,
очень чувствительной к внешним электромагнитным воздействиям
и особенно к таким мощным и разрушительным, как электромаг-
нитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ), создающий
у поверхности земли импульсное электрическое поле с напряжен-
ностью до 50 кВ/м. В связи с расширяющимся применением микро-
электронной и микропроцессорной техники в электроэнергетике
постоянно возрастает и уязвимость электроэнергетики - основы
инфраструктуры любой страны мира, к ЭМИ ЯВ. Это хорошо по-
нимают и военные, совершенствуя методы создания ЭМИ на не-
ядерном принципе, а также пытаясь увеличить мощность ЭМИ при
высотном (40-400 км) ядерном взрыве. Подрыв ядерного боеприпа-
са на такой высоте не имеет прямого воздействия на людей,
но способен надолго вывести из строя инфраструктуру страны
и поэтому является очень привлекательным для военных. В такой
ситуации резко возрастает актуальность разработки методов
и средств защиты чувствительной электронной аппаратуры на объ-
ектах электроэнергетики от ЭМИ ЯВ.
12.2. Новые шкафы для электронной аппаратуры
Электромеханические реле защиты на старых электростанциях
и подстанциях монтировалась обычно на специальных панелях, об-
ращенных к персоналу лицевой стороной, и имели открытую обрат-
ную сторону, на которой осуществлялся монтаж цепей (рис. 12.1).
При переходе на микропроцессорные устройства (МУРЗ) та-
кой принцип монтажа был вначале сохранен и использовался для
306
Глава 12. Принципы повышения устойчивости электронной аппаратуры в шкафах
монтажа и других видов электронной аппаратуры. Но вскоре на-
чал применяться принцип размещения электронной аппаратуры
в специальных шкафах. Сегодня именно такой принцип монта-
жа электронной аппаратуры считается наиболее перспективным,
удобным и оправданным. Ряды чистых, красивых шкафов - типич-
ная картина современного релейного зала подстанции или электро-
станции.
Рис. 12.1. Панели релейной защиты на электромеханической (вверху)
и микропроцессорной (внизу) основе
307
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 12.2. Современный способ монтажа
электронной аппаратуры в шкафах
Проблема, однако, заключается в том, что за этой внешней
красотой отсутствует необходимая функциональность, поскольку
такие красивые шкафы со стеклянными дверями (рис. 12.2) совер-
шенно не обеспечивают защиты электронной аппаратуры, располо-
женной внутри, от электромагнитных воздействий, хотя наличие
специального закрытого шкафа по своему замыслу предполагает за-
щиту внутреннего пространства от неблагоприятных внешних воз-
действий.
Вместе с тем сегодня на рынке широко представлены металли-
ческие шкафы (рис. 12.3) специальной конструкции, обеспечиваю-
щие существенное ослабление электромагнитного излучения.
Стандартные шкафы из листовой стали, не содержащие окон
или щелей, уже существенно ослабляют ЭМИ. Однако использова-
ние оцинкованных монтажных панелей для изготовления шкафов,
а также специальных электропроводных уплотнителей и прокладок
существенно повышает эффективность таких шкафов, поскольку
покрытие цинком позволяет выровнять потенциалы на большой
площади (удельное сопротивление стали 0,103-0,204 Ом х мм2/м,
308
Глава 12. Принципы повышения устойчивости электронной аппаратуры в шкафах
а удельное сопротивление цинка 0,053-0,062 Ом х мм2/м). Еще бо-
лее низким сопротивлением (0,028 Ом х мм2/м) обладает алюминий.
Рис. 12.3. Металлические шкафы специальной конструкции,
обеспечивающие существенное ослабление электромагнитного излучения
Поэтому некоторые компании выполняют моноблочные шкафы
из специального сплава Aluzinc-150 (Aluzinc® - зарегистрированная
торговая марка концерна Arcelor) - это сталь, имеющая покрытие, на
55 % состоящее из алюминия, на 43,4 % - из цинка и на 1,6 % - из
кремния). Поверхность шкафа с таким покрытием обеспечивает вы-
сокую степень отражения падающей на него волны электромагнит-
ного излучения. Шкафы из такого материала производит и постав-
ляет во многие страны компания Sarel (сегодня - Schneider Electric
Ltd., Великобритания). Аналогичные шкафы, предназначенные
для защиты от ЭМИ, выпускаются сегодня и другими компаниями:
309
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
R.F. Installations, Universal Shielding, Eldon, Equipto Electronics, ATOS,
MFB, European EMC Products, Amco Engineering, Addison, Line
Technics, Efore, Raymond EMC, ETS-Lindgren, Delancer Shielding,
Holland Shielding Systems, Trusted Systems и многими другими. Тако-
го рода шкафы обычно ослабляют излучение на 80-90 дБ на частотах
100 кГц - 1 ГГц. Многие из таких шкафов являются достаточно до-
рогими массивными и тяжелыми конструкциями (рис. 12.3), которые
больше подходят для защиты военного оборудования, чем для при-
менения в гражданском секторе. Однако выпускаемые в большом
количестве защищенные монтажные шкафы компании Schneider
Electric являются вполне приемлемым вариантом и, несмотря на
свою простоту и доступность, обладают неплохими характеристи-
ками (рис. 12.4).
Рис. 12.4. Простой защищенный монтажный шкаф компании Schneider
Electric из сплава Aluzinc® и его характеристики:
1 - ослабление вертикальной составляющей электромагнитного поля;
2 - ослабление горизонтальной составляющей
12.3. Модернизация существующих шкафов
со стеклянными дверями
Приведенные выше рекомендации по использованию специ-
альных монтажных шкафов применимы для новых проектов, но не
могут быть использованы на уже существующих подстанциях
с установленными незащищенными монтажными шкафами. Как же
310
Глава 12. Принципы повышения устойчивости электронной аппаратуры в шкафах
быть в этом случае? К счастью, и для этого случая на рынке имеют-
ся сегодня все необходимые материалы, с помощью которых можно
существенно повысить степень защищенности установленных мон-
тажных шкафов без необходимости их полной замены.
В первую очередь, необходимо сделать стекло на дверях не-
прозрачным для электромагнитного излучения. Для этого имеется
несколько возможностей:
• замена стеклянной двери на металлическую;
• замена обычного стекла на электропроводное стекло;
• нанесение на обычное стекло специальных электропровод-
ных покрытий.
На рынке достаточно широко представлены электропроводные
прозрачные стекла (а точнее, стекла с электропроводным внешним
слоем), выпускаемые многими компаниями, например, Latech™,
Visiontek Systems, Holland Shielding Systems B.V., Techinstro и мно-
гими другими. Такие стекла получают с помощью специальных до-
бавок в поверхностный слой стекла в процессе его производства.
Обычно используются несколько типов легирующих добавок: окись
индия (indium tin oxide - ITO), окись фтора (fluorine-doped tin oxide -
FTO), реже окись цинка (doped zinc oxide). Выпускаются также
и полимерные электропроводные панели на основе полиацетилена,
полианилина, полипиррола, политиофена и др. [1].
Рис. 12.5. Экранирующий эффект стекол с промежуточным
слоем из медной сетки (1)
и стекол электропроводящим внешним слоем (2)
311
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Наибольшим экранирующим эффектом обладают трехслойные
стекла с внутренним слоем из тонкой медной сетки, выпускаемые
компанией Holland Shielding Systems B.V. (рис. 12.5).
Альтернативой могут служить всевозможные электропроводя-
щие лаки, краски, спреи, также широко представленные на рынке
(рис. 12.6), которые можно свободно нанести на стеклянные двери.
Рис. 12.6. Электропроводные лаки, краски и спреи
Дополнительной мерой повышения защищенности шкафов
с электронной аппаратурой должна быть установка по периметру
дверей специальных прокладок из электропроводной резины
(рис. 12.7).
Рис. 12.7. Прокладки из электропроводной резины для дверей
312
Глава 12. Принципы повышения устойчивости электронной аппаратуры в шкафах
При наличии в шкафах вентиляционных жалюзи, те должны
быть снабжены специальными панелями (рис. 12.8), состоящими из
густой металлической сетки или из набора металлических трубок
с определенным соотношением между диаметром и длиной
(так называемые «запредельные волноводы»), пропускающих поток
воздуха, но препятствующих проникновению электромагнитной
волны.
Рис. 12.8. Защищенные от проникновения электромагнитного излучения
вентиляционные панели
Блоки с ячеистой структурой (запредельными волноводами),
как на рис. 12.8 (слева), являются более предпочтительными, так
как значительно меньше засоряются пылью. Они выполнены из
набора сваренных по длине трубок круглого или прямоугольного
(иногда шестиугольного) сечения.
Как известно, полая металлическая трубка может служить вол-
новодом, по которому может проходить высокочастотная электро-
магнитная волна. Но для того, чтобы такая трубка стала волново-
дом, она должна иметь вполне определенные геометрические раз-
меры, связанные с длинной волны. Если эта трубка (волновод) име-
ет другие размеры, то она вносит очень существенные затухания,
доходящие до 80-100 дБ, то есть фактически не пропускает через
себя электромагнитную волну. Такие волноводы, не пропускающие
электромагнитные волны с частотой ниже определенного значения
(называемого частотой среза) называются запредельными. Размеры
запредельных волноводов (в нашем случае это размеры трубок,
из которых изготовлены блоки ячеистой структуры) рассчитывают-
ся по известным формулам (рис. 12.9).
Как видно из кривых, приведенных на рис. 12.9 (получен-
ных в [2] по результатам расчета по этим формулам), свойство
313
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
запредельных волноводов ослаблять электромагнитное излуче-
ние сохраняется в широком диапазоне частот вплоть до часто-
ты среза. Для обеспечения надежной работы запредельного волно-
вода его частота среза должна быть выбрана с полуторакрат-
ным запасом по отношению к максимальной рабочей частоте.
Рис. 12.9. Зависимость коэффициента ослабления
электромагнитного излучения (К) запредельными волноводами
от их геометрических размеров и частоты:
L - длина волновода круглого сечения; D - диаметр волновода;
f- частота излучения; fc - частота среза
Кроме перечисленных выше мер, внутреннее пространство
шкафа желательно разделить на несколько секций с установкой
алюминиевых разделительных панелей между ними с минималь-
ным количеством небольших отверстий (вырезов) под кабели.
Описанные выше меры повышения устойчивости шкафов
к ЭМИ в полной мере относятся и к шкафам с оборудованием си-
стем электропитания, содержащим зарядно-подзарядные агрегаты,
конверторы и др., которые часто выполнены в шкафах вообще без
дверей или снабжены большим количеством незащищенных венти-
ляционных жалюзи.
314
Глава 12. Принципы повышения устойчивости электронной аппаратуры в шкафах
12.4. Усовершенствование кабельных вводов в шкафы
Защищенный от электромагнитного излучения шкаф - очень
важная, но не единственная проблема, которую приходится решать
для защиты высокочувствительного электронного оборудования.
а)
Ь)
Рис. 12.10. Два основных принципа ввода кабелей в шкаф:
а) внешние кабели проходят через весь шкаф и подключаются
непосредственно к клеммам электронного оборудования;
Ь) внешние кабели подключаются к промежуточным клеммам
на входе шкафа
315
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Еще одной проблемой являются многочисленные контрольные
и силовые кабели, входящие в шкаф. Эти кабели работают как
антенны, абсорбирующие энергию ЭМИ ЯВ с большой территории
и доставляющие ее во внутреннее пространство шкафа, а также
непосредственно на входы чувствительной электронной аппарату-
ры. Поэтому такие кабели приводят к необходимости решения
как минимум еще двух проблем: защиты внутреннего пространства
шкафа от переизлучения с входящих в него извне кабелей
и их экранов (если они экранированы), а также защита непосред-
ственно входов электронной аппаратуры. И если для вновь проек-
тируемого энергообъекта можно заранее заложить в проект специ-
альные шкафы, экранированные кабели, предусмотреть наиболее
эффективное расположение аппаратуры внутри шкафов, установку
дополнительных средств защиты этой аппаратуры от ЭМИ ЯВ,
то для находящихся в эксплуатации объектов ситуация более слож-
ная, поскольку ни менять шкафы, ни менять кабели нет возможно-
сти. Остановимся на рассмотрении именно этого случая как наибо-
лее сложного.
В шкафах управления, релейной защиты и связи используются
два основных принципа ввода кабелей (рис. 12.10): когда внешние
кабели проходит через весь шкаф и подключаются непосредственно
к клеммам электронного оборудования и когда внешние кабели
подключаются к промежуточным клеммам на входе шкафа. В со-
ставе общих жгутов, заходящих в шкафы, могут находиться кабели
и экранированные, и не экранированные; кабели, по которым пере-
даются сигналы высокой частоты, и кабели, по которым передаются
аналоговые сигналы постоянного тока; а также кабели питания по-
стоянным и переменным током. Проблема заключается невозмож-
ности использования какого-то одного общего для всех кабелей
средства защиты ввиду разного типа сигналов, проходящих по этим
кабелям. Поэтому первым шагом должно быть разделение общего
жгута на отдельные группы жгутов с однотипными сигналами. Да-
лее, если мы имеем дело с вариантом, приведенном на рис. 12.10, а.
то необходимо отдельное экранирование каждой из выделенных
групп внешних кабелей, проходящих внутри шкафа, с помощью
накладного гибкого экрана, содержащего электропроводную ткань
с продольной застежкой типа змейки (производитель - Kemtron)
316
Глава 12. Принципы повышения устойчивости электронной аппаратуры в шкафах
или путем обматывания отдельных кабельных жгутов с помощью
электропроводной ленты с клеевым слоем (рис. 12.11).
Рис. 12.11. Гибкий накладной экран с застежкой типа «молния»,
содержащий электропроводную ткань (вверху)
и различные типы электропроводной ленты на основе меди,
алюминия и графита, снабженные клеевым слоем (внизу)
Отверстия в полу шкафов в месте ввода кабелей должны быть
плотно закрыты электропроводной тканью (рис. 12.12). Если эти
отверстия имеют большую площадь, то под тканью должна быть
установлена металлическая решетка, удерживающая ткань.
Рис. 12.12. Электропроводные ткани
Кабели питания постоянного или переменного тока являются
одними из самых проблемных с точки зрения электромагнитной
317
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
совместимости и поэтому должны быть снабжены средствами за-
щиты, обеспечивающими максимальную степень ослабления ЭМИ.
Такими средствами являются высокочастотные дроссели, врезае-
мые в плюсовую и минусовую жилу (или фазу и нейтраль),
см. рис. 12.13, а также ограничители импульсных перенапряжений.
Эти дроссели имеют небольшие габариты и должны быть раз-
мещены в месте ввода кабеля в шкаф (то есть на полу шкафа) под
покровом электропроводной ткани. Эти дроссели (табл. 12.1,
рис. 12.13) имеют очень низкое сопротивление постоянному току
(миллиомы) и высокий импеданс для короткого импульса ЭМИ.
Стоимость одного такого дросселя, капсулированного эпоксидным
компаундом, составляет около 100 долларов США.
Рис. 12.13. Дроссели, производимые фирмой CWS, с геликоидальной
обмоткой и сердечником из специального сплава для ослабления импульса
ЭМИ в кабеле питания: слева - открытый, справа - капсулированный
эпоксидным компаундом
Таблица 12.1
Основные параметры высокочастотного дросселя для цепей
питания шкафов с электронной аппаратурой управления,
контроля, релейной защиты и телекоммуникации
Тип Максимальный длительный ток, А Индук- тивность при полном токе, pH Сопротивление (импеданс) Размеры, мм
постоян- ному току, шО на частоте 1 МГц, кО на частоте 1 ГГц, МО
ЕК55246- 341М- 40АН 40 162 14,5 1,0 1,0 58x58 х 35
318
Глава 12. Принципы повышения устойчивости электронной аппаратуры в шкафах
Необходимая для эффективного подавления индуктивность
этих дросселей рассчитывается с учетом ее снижения при протека-
нии через них постоянного тока. Это влияние является причиной,
по которой рекомендуется использовать специальный тип дросселя
(рис. 13.13), требующий разрезания кабеля, а не какой-то другой,
который такого разрезания не требует. Для варианта 12.10, b это не
представляет никакой проблемы, а в варианте 12.10, а потребуется
разрезание кабеля в месте его ввода в шкаф для подключения дрос-
селя. Однако, учитывая, что речь идет всего лишь о двух жилах, это
не должно стать проблемой также и для варианта 12.10, а. Зато для
других групп кабелей с низкочастотными сигналами (в диапазоне
до нескольких килогерц) и с аналоговыми сигналами постоянного
тока (4-20 мА), с малыми токами промышленной частоты, с логи-
ческими сигналами релейной защиты можно с успехом использо-
вать разборные ферритовые фильтры, не требующие разрезания ка-
белей (рис. 12.14).
Рис. 12.14. Разборные ферритовые фильтры,
не требующие разрезания кабелей
319
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Причем эти фильтры должны устанавливаться в месте ввода
кабеля в шкаф, то есть на его полу и под электропроводной тканью.
Особенности таких фильтров и методика их выбора описаны выше
в главе 10. Здесь лишь уместно напомнить, что речь идет о группе
из нескольких фильтров, одеваемых на одну и ту же группу кабе-
лей. Шесть таких фильтров обеспечивают достаточно эффективное
ослабление ЭМИ.
Таблица 12.2
Параметры ферритовых фильтров с максимальным
внутренним диаметром для установки на контрольных кабелях,
входящих в защищенные шкафы
Каталожный номер Вид фильтра Макс, диаметр кабеля, мм Частотный диапазон, МГц Мин. импеданс £1 Макс, импеданс, £1 Стои- мость, долл. США
Fair-Rite Corp.
0475176451 Два полуцилиндра в пластмассо- вой оболочке с защелкой 18 0,2-5,0 30 130 17
0431176451 18 1-300 47 380 8
0461176451 18 100-1 000 ПО 480 9
0431177081 25 1-250 45 375 13
2631181381 Два полуцилиндра 35 1-300 60 530 13
Wurth Elektronik
74271251 Два полуцилиндра в пластмассо- вой оболочке с защелкой 25 10-1 000 ПО 160 31
Laird
LFB360230- 300 Неразборный цилиндр (кольцо) 23 0,5-5 24 19 4
28B1417- 200 23 25-300 52 230 1,7
28B2400- 000 35,5 25-300 60 285 6
Ферритовые фильтры с требуемыми параметрами выпускаются
многими компаниями. Особый интерес представляют фильтры,
имеющие максимальный внутренний диаметр, поскольку много-
жильные контрольные кабели иногда имеют довольно внушитель-
ный диаметр. Кроме того, использование фильтров для группы жил
(кабелей) является наиболее экономичным. В таблице 12.2 приведе-
ны данные для таких фильтров с максимальным внутренним диа-
метром и с требуемым частотным диапазоном, производимых раз-
личными компаниями.
320
Глава 12. Принципы повышения устойчивости электронной аппаратуры в шкафах
В случае способа ввода кабелей, изображенного на
рис. 12.10, Z?, задача может быть существенно упрощена, если допу-
стить отключение жил от клеммника на время установки феррито-
вых фильтров в месте ввода кабелей (возле клеммника). В этом слу-
чае могут быть использованы более дешевые неразборные феррито-
вые кольца и цилиндры (табл. 12.2).
Следует иметь в виду, что фильтры не следует применять в ма-
ломощных цепях телекоммуникации, работающих в том же частот-
ном диапазоне, что и фильтры.
12.5. Ограничение импульсных перенапряжений
Еще одной общей проблемой, которую приходится решать для
защиты от ЭМИ электронной аппаратуры любого типа, является
ограничение импульсных перенапряжений непосредственно на ее
входах. Далеко не все типы нелинейных элементов, используемых
для защиты от обычных импульсных перенапряжений, пригодны
для защиты от ЭМИ ЯВ ввиду того, что этот импульс очень корот-
кий и имеет очень высокую скорость нарастания.
АК10-430С
PTVS10-430C
Ь—16.5—U
Рис. 12.15. Многоканальное устройство защиты от импульсных
перенапряжений, содержащее диодные супрессоры и стандартные клеммы,
смонтированные на небольшой печатной плате
321
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Как было показано выше (см. главу 5), вполне подходящими по
своим характеристикам являются защитные элементы на основе
лавинного пробоя р-я-перехода в полупроводниковой структуре.
На таком принципе работают так называемые диодные супрессоры
(Transient Voltage Suppressor Diode, TVS-diode). До недавнего вре-
мени такие элементы имели очень ограниченные возможности
по мощности и поэтому не применялись в силовых цепях, но в по-
следние годы двумя известными конкурирующими компаниями
Littelfuse и Bourns был освоен выпуск мощных диодных супрессо-
ров, пригодных для этой цели (табл. 12.3).
Таблица 12.3
Основные параметры мощных диодных супрессоров
некоторых типов
Тип Номинальное напряжение, В Напряжение лавинного пробоя, В Макс, остаточное напряже- ние, В Макс, импульсный ток, А
Littelfuse
АК10-430С 430 440-490 625 10 000
АК6-430С 430 440-490 625 6 000
AK3-430C 430 440-490 625 3 000
Bourns
PTVS10-430C 430 440-490 580 10 000
PTVS6-430C 430 440-490 580 6 000
PTVS3-430C 430 440-490 580 3 000
К сожалению, эти элементы выпускаются пока лишь для мон-
тажа на печатной плате, а не в виде отдельного устройства в пласт-
массовом корпусе, предназначенного для монтажа в шкафу на стан-
дартную DIN-рейку с выводами под винт для подключения внеш-
них проводов. Однако это не является непреодолимой проблемой.
Простейшая и небольшая по размерам пластинка с печатным мон-
тажом вполне способна стать подходящим решением (рис. 12.15).
Рекомендуемые типы диодных супрессоров: АК10-430С (Littelfuse)
или PTVS10-43ОС (Bourns) для защиты силовых цепей питания пе-
ременного и постоянного тока 230-250 В и супрессоры типов АКЗ-
430С (Littelfuse) или PTVS3-430C (Bourns) для защиты цепей кон-
троля, управления, логических входов МУРЗ, работающих под
322
Глава 12. Принципы повышения устойчивости электронной аппаратуры в шкафах
напряжением 250 В. Элементы эти не дешевые (около 120 долларов
для первой группы и около 50 долларов - для второй), поэтому ис-
пользовать их нужно лишь для защиты критически важных видов
аппаратуры, расположенных на критически важных объектах элек-
троэнергетики.
Для обеспечения защиты оборудования шкафа с монтажом, по-
казанным на рис. 12.10,6, печатная плата с супрессорами должна
быть установлена вблизи входного клеммника, а выводы супрессо-
ров должны быть подключены с помощью максимально коротких
проводников к клеммам параллельно входным жилам кабелей
одноименных цепей (например, между плюсом и минусом цепи пи-
тания).
Для защиты оборудования шкафа с монтажом, показанным на
рис. 12.10, а. печатная плата с супрессорами должна быть установ-
лена вблизи входных клемм аппаратуры внутри шкафа и подключе-
на к ним по такому же принципу, при этом длинные вводные кабе-
ли, проходящие через шкаф, должны быть обязательно заэкраниро-
ваны с помощью средств, показанных на рис. 12.11.
Значительно более экономичным вариантом является использо-
вание варисторов вместо диодных супрессоров. В некоторых публи-
кациях выражалось сомнение в возможности использования дешевых
варисторов для защиты от коротких импульсов ЭМИ ЯВ с высокой
крутизной переднего фронта. Однако выполненный в главе 5 анализ
и результаты экспериментальных исследований подтвердили воз-
можность использования варисторов. Методика использования вари-
сторов и способ их монтажа в шкафу ничем не отличаются от опи-
санного выше монтажа супрессоров. Здесь уместно напомнить, что
из результатов экспериментов, описанных в главах 5 и 10, следует,
что наиболее эффективную защиту обеспечивают варисторы в соче-
тании с ферритовыми фильтрами. Поскольку стоимость варисторов
намного ниже стоимости соизмеримых по мощности супрессоров,
то их можно применять значительно шире, а не только для особо от-
ветственной аппаратуры, как это рекомендовано в случае использо-
вания супрессоров. При этом следует учитывать, что ЭМИ ЯВ может
иметь значительно большую амплитуду, чем обычные коммутацион-
ные или атмосферные перенапряжения, и защита от ЭМИ ЯВ
не должна реагировать на эти перенапряжения. То есть для защиты
от ЭМИ ЯВ должны быть выбраны варисторы с довольно большим
323
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
запасом по напряжению, превышающим запасы, используемые при
выборе варисторов для защиты от обычных перенапряжений. Такой
принцип выбора варисторов позволяет значительно повысить их
надежность и долговечность.
К сожалению, ни мощные диодные супрессоры, ни варисторы не
могут быль использованы для защиты аппаратуры телекоммуника-
ции, расположенной в таких же шкафах, ввиду их больших емкостей,
включение которых в маломощные высокочастотные цепи систем
телекоммуникации может привести к нарушению их работоспособ-
ности и поэтому является недопустимым. В связи с этим для защиты
аппаратуры телекоммуникации нами разработано защитное устрой-
ство, использующее другие элементы, которое подробно описано
ниже в главе 14, посвященной телекоммуникационной аппаратуре.
12.6. Реконструкция системы заземления шкафов
с электронной аппаратурой
Проблемы конвенциональной системы заземления электронной
аппаратуры, смонтированной в электрических шкафах, и особенно-
сти ее заземления при воздействии ЭМИ ЯВ рассмотрены подробно
выше. Здесь будет уместно лишь напомнить о том, что конвенцио-
нальная система заземления не обеспечивает защиту от ЭМИ ЯВ,
а наоборот, является источником опасных импульсных воздей-
ствий на электронную аппаратуру и поэтому должна быть рекон-
струирована в соответствии с рекомендациями, приведенными в [6].
Литература к главе 12
1. Skotheim, Terje A. Reynold, John.- Handbook of Conducting
Polymers, CRC Press, 1998.
2. Ивко А. Экранирование радиоэлектронной аппаратуры, как ме-
тод обеспечения электромагнитной совместимости // Современ-
ная электроника. - 2015. - № 8. - С. 86-90.
3. Гуревич В. И. Ферритовые фильтры// Компоненты и техноло-
гии.-2015.-№ 10.-С. 16-18.
4. Гуревич В. И. Проблемы защиты систем телекоммуникации на
объектах электроэнергетики от электромагнитного импульса. -
Компоненты и технологии, 2017, № 9, с. 98-102.
324
Глава 12. Принципы повышения устойчивости электронной аппаратуры в шкафах
5. Гуревич В. И. Проблема заземления электрооборудования как
основного средства защиты от ЭМИ ЯВ // Pro Электричество. -
2017.-№2.-С. 20-24.
6. Гуревич В. И. Проблемы заземления электронной аппаратуры
электроэнергетических объектов // Компоненты и технологии. -
2017.-№4.-С. 106-111.
325
Глава 13. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ЗАЩИТЫ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ
13.1. Введение
Система оперативного постоянного тока подстанций и электро-
станций (СОПТ) является важнейшей составной частью подстанции,
от исправности которой зависит работа всех остальных систем и видов
оборудования, как силового, так и системы релейной защиты, автома-
тики, управления, связи, сигнализации и т.д. В случае отказа в работе
СОПТ объект электроэнергетики становится полностью неуправляе-
мым и «невидимым» в центральном диспетчерском пункте. Поэтому
система СОПТ в первую очередь нуждается в специальных средствах,
которые обеспечили бы ее работоспособность при воздействии
ЭМИЯВ.
Эти спецсредства можно разделить на два вида: средства защиты
действующего оборудования от ЭМИ и резервные источники пита-
ния для системы СОПТ, которые должны быть задействованы после
воздействия ЭМИ при восстановлении работоспособности подстан-
ции случае исчезновения оперативного питания переменного тока.
13.2. Средства защиты действующего оборудования
СОПТ от ЭМИ
Оборудованием, требующим специальных мер защиты в СОПТ,
являются в первую очередь электронные зарядно-подзарядные агре-
гаты (ЗПА), обеспечивающие электроснабжение шин постоянного
тока, от которых питаются многочисленные потребители, а также
осуществляется постоянный подзаряд аккумуляторных батарей.
Обычный ЗПА представляет собой металлический шкаф с электрон-
ной аппаратурой, в который входит трехфазный кабель питания пе-
ременного тока и выходит двухжильный кабель постоянного тока,
а также контрольный кабель сигнализации. С точки зрения защиты
от ЭМИ такой шкаф принципиально ничем не отличается от шкафов
управления, релейной защиты и автоматики, методы и средства за-
щиты которых от ЭМИ были рассмотрены ранее. Вкратце можно
напомнить, что эти средства включают в себя меры по усилению
экранирующей способности шкафов, использование специальных
326
Глава 13. Основные принципы защиты систем электропитания энергообъектов
экранированных контрольных кабелей, установку ферритовых филь-
тров ЭМИ на контрольных кабелях, применение элементов защиты
от импульсных перенапряжений, усовершенствование системы за-
земления шкафа, в частности, использование так называемой специ-
альной плавающей «земли» и отключаемого заземления [4]. Учиты-
вая, что в СОПТ входит не только ЗПА, но и распределительная па-
нель постоянного оперативного тока, панель переменного тока,
от которого получает питание ЗПА, а также батарея аккумуляторов,
то защита СОПТ не может ограничиться лишь защитой шкафа ЗПА.
Кроме того, постоянный ток, протекающий в силовых кабелях, ока-
зывает сильное нейтрализующее воздействие на индуктивные эле-
менты стандартных фильтров ЭМИ и существенно снижает их эф-
фективность. Поэтому защита СОПТ имеет некоторые особенности.
В связи с изложенным предлагаются следующие дополнитель-
ные средства защиты СОПТ:
1. применение специальных дросселей в качестве фильтров
ЭМИ в цепях силовых кабелей, подключенных к ЗПА и ба-
тарее аккумуляторов;
2. установка блоков варисторов с большой рассеиваемой им-
пульсной энергией на шинах постоянного тока и в распреде-
лительной панели переменного трехфазного тока;
3. установка блоков варисторов со средней рассеиваемой им-
пульсной энергией на батарее аккумуляторов.
Один из возможных вариантов схемы СОПТ с упомянутыми
элементами защиты показан на рис. 13.1. Как правило, на подстан-
циях и электростанциях используется сдвоенная схема (две батареи,
два заряд но-подзарядных агрегата), поэтому схему, представлен-
ную на рис. 13.1, следует рассматривать как одну из идентичных
половин реальной СОПТ.
В этой схеме дроссели в цепи батареи аккумуляторов позволя-
ют ограничить амплитуду импульса тока ЭМИ, которая без этих
дросселей может быть очень большой из-за очень низкого внутрен-
него сопротивления аккумуляторов. Применение дросселей в цепи
постоянного тока ЗПА связано с тем, что внешняя цепь постоянного
тока подключена напрямую к внутреннему выпрямительному мосту
ЗПА на тиристорах, которые могут быть повреждены при отсут-
ствии дросселей импульсом тока большой амплитуды.
327
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 13.1. Схема установки защитных элементов в СОПТ:
1 - распределительный щит постоянного тока;
2 - распределительный щит переменного тока;
3 - батарея аккумуляторов; 4 - зарядно-подзарядный агрегат (ЗПА);
R1 - R4 - блочные варисторы с высокой рассеиваемой энергией;
R5 - блочный варистор со средней рассеиваемой энергией;
TVS1-TVS4 - мощные диодные супрессоры;
L5, R6, К-элементы системы заземления шкафа и внутренней «земли»
ЗПА (так называемой специальной плавающей «земли»,
рассмотренной выше)
Эти дроссели могут быть меньшей мощности, чем те, что при-
менены в цепи аккумуляторной батареи.
328
Глава 13. Основные принципы защиты систем электропитания энергообъектов
Диодные супрессоры смонтированы на отдельной печатной
плате и снабжены клеммами для подключения внешних проводни-
ков (рис. 13.2), с помощью которых супрессоры подключаются па-
раллельно входным кабелям на главном клеммнике.
Рис. 13.2. Монтаж мощных диодных супрессоров
на небольшой печатной плате с клеммами
Как было показано в предыдущей главе, вместо диодных су-
прессоров могут быть использованы и значительно более дешевые
варисторы. Внешние кабели переменного тока подключены к об-
моткам входного трансформатора ЗПА, обладающих высоким им-
педансом для очень короткого импульса тока, поэтому в этой цепи
нет необходимости в применении дополнительных токоограничи-
вающих дросселей.
Все остальные мероприятия должны соответствовать приве-
денным выше общим рекомендациям по защите электронного обо-
рудования, размещенного в шкафах.
13.3. Резервные источники питания для системы СОПТ
Резервный источник питания (РИП) для системы СОПТ пред-
назначен для восстановления работоспособности этой важнейшей
системы после воздействия ЭМИ в случае отсутствия переменного
329
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
оперативного тока для питания ЗПА или повреждения отдельных
элементов СОПТ, несмотря на предпринятые меры защиты.
Рассматривалось два альтернативных варианта автономных
РИП минимальной мощности, необходимой для поддержания рабо-
тоспособности критических нагрузок СОПТ - 5 кВт: на основе топ-
ливного элемента и на основе дизель-генератора.
Топливный элемент (ТЭ) относится к химическим источникам
тока, в которых осуществляется прямое превращение энергии топли-
ва в электрическую, минуя процессы горения. Поэтому ТЭ энергети-
чески значительно более эффективны (КПД доходит до 40-50 %),
чем двигатели внутреннего сгорания (КПД 12-15 %). Кроме того, ТЭ
являются экологически чистыми элементами, не выбрасывающими
в атмосферу при работе загрязняющие вещества, как двигатели внут-
реннего сгорания. Но насколько важны эти замечательные свойства
ТЭ для резервного источника энергии, который постоянно находится
в законсервированном состоянии и вводится в работу лишь в исклю-
чительном случае и на ограниченный период времени? Ответ на этот
риторический вопрос вполне очевиден. С другой стороны, ТЭ имеет
и вполне очевидные недостатки. Самые распространенные виды ТЭ
работают на основе водорода, который в электрохимических ячейках
соединяется с кислородом воздуха, превращаясь в воду и выделяя
при этом энергию. Водород относится к взрывоопасным газам, тре-
бующим специальных методов хранения, транспортирования, нали-
чия датчиков концентрации в воздухе, специальных разрешений. Ис-
пользование вместо обычных баллонов с водородом специальных
металло-гидридных контейнеров (рис. 13.3) приводит к существен-
ному удорожанию установки, которая и без этого в несколько раз
дороже дизель-генератора той же мощности.
При установке же ТЭ вместе с баллонами водорода вне поме-
щения требуется защита его от несанкционированного доступа,
террористических актов, вандализма, которые могут привести
к сильнейшему взрыву установки.
Кроме того, ТЭ содержит множество электронных датчиков,
микропроцессоров и других микроэлектронных устройств, управ-
ляющих его работой и предотвращающих возникновение аварий-
ных режимов.
Типовой ТЭ мощностью 5 кВт вырабатывает низкое напряже-
ние постоянного тока (около 40 В). Чтобы преобразовать его
330
Глава 13. Основные принципы защиты систем электропитания энергообъектов
в стандартное напряжение переменного тока 230 В нужен мощный
электронный инвертор, а для стандартного напряжения постоянного
тока 250 В - конвертер.
Рис. 13.3. Автор возле генератора мощностью 5 кВт
(без системы охлаждения) на основе топливных элементов (слева)
и металло-гидридные контейнеры для хранения водорода (справа)
Наличие большого количества сложных электронных систем
приводит к резкому возрастанию уязвимости ТЭ к электромагнит-
ным воздействиям, причем не только к одиночному ЭМИ, но и ди-
станционным воздействиям автономных направленных источников
высокочастотной энергии. Все это вместе взятое приводит к необхо-
димости установки ТЭ с баллонами вне помещения в специальном
толстостенном стальном боксе, защищающем ТЭ от взрыва при раз-
личных преднамеренных деструктивных механических и электро-
магнитных воздействиях (рис. 13.4).
Кроме этого, в электрохимической ячейке ТЭ мощностью 5 кВт
содержится свыше 20 литров электролита, как правило, очень актив-
ного и опасного химического реагента, например, такого как концен-
трированный раствор гидроксида калия - КОН, который в длительно
неработающей электрохимической ячейке должен храниться от-
дельно и заливаться в ячейку перед ее запуском в работу.
331
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 13.4. ТЭ с баллонами, инвертором и аккумуляторами в специальном
защитном стальном контейнере размерами 2 х 3 х 2 м:
1 - набор стандартных баллонов с водородом под давлением 150 атм;
2 - электрохимическая ячейка; 3 - инвертор и аккумуляторы
Кроме того, для запуска в работу ТЭ необходимо предваритель-
но запустить в работу его электронные системы, а для этого требует-
ся аккумулятор с постоянно работающим зарядным устройством.
Все эти особенности (а точнее, проблемы) ТЭ делают их мало-
пригодными для использования в качестве резервного источника
питания для СОПТ на подстанциях.
Рис. 13.5. Компактные дизель-генераторы мощностью 5-7 кВт
332
Глава 13. Основные принципы защиты систем электропитания энергообъектов
В отличие от ТЭ, обычные дизель-генераторы (ДГ) мощностью
5-7 кВт являются компактными, дешевыми, неприхотливыми
устройствами, идеально подходящими на роль резервных источни-
ков питания СОПТ (рис. 13.5).
Такие ДГ снабжены ручной системой запуска с помощью шнура,
не требующей наличия аккумулятора. Они могут быть смонтированы
даже непосредственно в здании подстанции, для чего нужно лишь
заранее установить выхлопную трубу, проходящую через стенку зда-
ния (рис. 13.6).
Рис. 13.6. Установка компактных дизель-генераторов
внутри здания подстанции или электростанции
Компактные ДГ мощностью 5-7 кВт не содержат электронных
систем управления и контроля, и поэтому они гораздо менее чув-
ствительны к ЭМИ, чем ТЭ. Тем не менее, учитывая, что при воздей-
ствии ЭМИ у поверхности земли возникает напряженность электри-
ческого поля, достигающая 50 кВ/м, такие ДГ необходимо защитить
от пробоев изоляции в обмотках и проводах. Легкий металлический
333
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
контейнер с плотно закрывающейся крышкой (дверцей) из алюминия
толщиной 5-6 мм - идеальное решение для защиты ДГ, хранящегося
на подстанции или электростанции в качестве резервного источника
энергии СОПТ. При этом все внешние кабели и внешняя выхлопная
труба должны быть отключены от ДГ.
ДГ мощностью 5 кВт потребляют всего лишь около литра топ-
лива в час. Запаса топлива, хранящегося в небольшой пластмассо-
вой канистре емкостью 200 л (рис. 13.7), хватит на неделю непре-
рывной работы такого ДГ, а канистры емкостью 1 000 л - на месяц
работы.
2000 L
Рис. 13.7. Пластмассовые канистры для хранения дизельного топлива
Для повышения степени готовности резервного источника пи-
тания на основе ДГ он может быть снабжен также резервным ЗПА
(на случай выхода из строя основного ЗПА). Компактные ЗПА не-
большой мощности с промежуточным звеном высокой частоты
выпускаются многими компаниями. Например, два компактных
ЗПА серии ADC7480 финской компании Powernet (рис. 13.8),
включенные на параллельную работу и снабженные всевозмож-
ными системами стабилизации, регулирования, защиты, распреде-
ления нагрузки между параллельно работающими устройствами,
питающиеся от дизель-генератора мощностью 5-7 кВт, способны
обеспечить энергией среднюю подстанцию, а на крупной подстан-
ции обеспечить питание критических видов оборудования и под-
держивать в нормальном рабочем состоянии подстанционную ба-
тарею аккумуляторов.
334
Глава 13. Основные принципы защиты систем электропитания энергообъектов
Рис. 13.8. Зарядно-подзарядное устройство серии ADC7480
с выходным напряжением 0-300 В и выходным током до 14 А
Эти ЗПА должны храниться в отключенном состоянии в том же
самом контейнере, что и ДГ. Стоимость резервного источника пита-
ния на основе ДГ мощностью 5 кВт и сдвоенного ЗПА с суммарным
током до 25 А составляет около 12 тыс. долларов США, что более
чем в три раза меньше стоимости равного по мощности источника
питания на основе ТЭ (без стоимости защитного стального контейне-
ра), причем без проблем с хранением водорода и без необходимости
получения всевозможных разрешений на установку и эксплуатацию.
Стоимость одного дросселя или одного блока мощных варисторов
составляет около 50 долларов США.
13.4. Мобильные подстанции
и особенности защиты их СОПТ от ЭМИ ЯВ
Кроме стационарных подстанций, в мировой практике широко
распространено использование также и мобильных подстанций (МП),
см. рис. 13.9. Их система оперативного постоянного тока (СОПТ) име-
ет некоторые отличия от стационарных, и они должны быть учтены
при разработке средств обеспечения ее живучести.
Одной из особенностей СОПТ МП является очень ограничен-
ное пространство, отведенное для нее. Этим, в частности, объясня-
ется использование номинального оперативного напряжения посто-
янного тока 60 В вместо 250 В и использование последовательно
335
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
соединенных компактных герметичных аккумуляторов с напряже-
нием 12 В, из которых состоит 60-вольтовый резервный источник
питания СОПТ МП.
Рис. 13.9. Мобильные подстанции некоторых типов
Однако, для пяти последовательно соединенных 12-вольтовых
аккумуляторов требуется напряжение постоянного подзаряда около
67 В, а не 60 В. С другой стороны, некоторые виды электронного
оборудования (в частности, системы связи и передачи данных),
применяемые в МП, предназначены для работы при номинальном
напряжении 48 В с возможностью повышения этого напряжения
максимум до 60 В. Получается, что зарядно-подзарядный агрегат
(ЗПА) должен обеспечивать два выходных напряжения: 67 В - для
подзаряда аккумуляторов и не более 60 В для питания электронной
336
Глава 13. Основные принципы защиты систем электропитания энергообъектов
аппаратуры, установленной в МП. Такие ЗПА на основе регулируе-
мого тиристорного выпрямительного моста выпускались ранее
и широко применялись в МП. Они были сложными, дорогими и за-
нимали много места в МП [2]. С распространением импульсных
источников питания со звеном высокой частоты появилась возмож-
ность создания очень компактных ЗПА (рис. 13.11), а также заметно
улучшились перспективы обеспечения живучести СОПТ МП.
Один из возможных вариантов построения защищенной СОПТ
МП показан на рис. 13.10.
Рис. 13.10. Один из вариантов построения СОПТ МП:
СН1 и СН2 - зарядно-подзарядные агрегаты; VL - ограничитель
напряжения; TVS1 - TVS3 - мощные диодные супрессоры;
L1 - L6 - высокочастотные дроссели; L7, К, R4 - элементы системы
заземления шкафа и корпусов электронных модулей типа
«специальная плавающая земля», подробно описанного выше
337
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 13.11. Компактные ЗПА с промежуточным звеном высокой частоты.
Выходное напряжение регулируемое: 60 В или 67 В,
выходной ток до 30 А
Мощные диодные супрессоры TVS1 - TVS3 смонтированы на
такой же простейшей печатной плате, как показано на рис. 13.2.
Причем TVS1 выбран того же типа (АК10-430С или PTVS10-430C), а
супрессоры TVS1 и TVS2 могут быть типов АК6-076 или PTVS6-076
(76 В, 6 кА). Вместо супрессоров на такой же печатной плате могут
быть смонтированы и значительно более дешевые варисторы.
Как можно видеть из приведенной выше схемы, основу СОПТ со-
ставляют два ЗПА: один с выходным напряжением 67 В, а второй -
60 В и ограничитель напряжения VL, обеспечивающий снижение
напряжений 67 В до безопасного уровня 60 В.
Ограничитель напряжения может быть выполнен по простой
схеме на основе мощного транзистора Дарлингтона (рис. 13.12).
Такие транзисторы с максимальным током до 100 А и напря-
жением 300-600 В выпускаются в корпусах разных типов, предна-
значенных для различной рассеиваемой мощности: например, тран-
зистор типа ESM3030DV рассеивает мощность до 225 Вт, транзи-
стор типа QM100HY-H рассеивает мощность 620 Вт, транзистор
типа KS624540 - 1 500 Вт. Запас по напряжению при выборе типа
транзисторов необходим для дополнительного повышения устойчи-
вости к импульсным перенапряжениям.
В этом устройстве для защиты от ЭМИ применены, как и в рас-
смотренном выше случае, супрессоры типа АК6-076 или PTVS6-076.
338
Глава 13. Основные принципы защиты систем электропитания энергообъектов
Выходное напряжение ограничителя напряжения VL выбрано
несколько меньше 60 В с тем, чтобы при параллельном включении
с ЗПА СН1 с выходным напряжением 60 В этот ограничитель
напряжения находился в запертом (обесточенном) состоянии и не
участвовал бы в работе СОПТ.
Рис. 13.12. Ограничитель напряжения на основе мощного транзистора
Дарлингтона (VT1) и внешний вид транзисторов различной мощности
Ограничитель напряжения вступает в работу только при исчез-
новении оперативного переменного тока, когда питание потребите-
лей начинается от батареи аккумуляторов. Если учесть, что при от-
ключении постоянного подзаряда напряжение батареи аккумулято-
ров сразу же снижается, то окажется, что требования к рассеивае-
мой мощности ограничителем напряжения VL не так уж и высоки,
и даже небольшой транзистор в корпусе типа ISOTOP (например,
типа ESM3030DV на рис. 13.12), установленный на радиаторе,
вполне может справиться с этой задачей.
Альтернативный вариант СОПТ может быть выполнен на ос-
нове использования комплекта: источник питания постоянного тока
230/60 В (ЗПА) - конвертер постоянного тока 67/60 В, с включе-
нием батареи аккумуляторов между ними (рис. 13.13).
339
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 13.13. Вариант выполнения СОПТ МП на основе ЗПА 230/67 В (AC/DC)
и конвертера 67/60 В (DC/DC):
L1 - L6 - дроссели; TVS1 - TVS3 - мощные диодные супрессоры;
L7, К, R4 - элементы системы заземления шкафа и корпусов электронных
модулей «специальная плавающая земля», подробно описанной выше
В этой схеме супрессор TVS1 типа АК10-430С или PTVS10-430C,
супрессоры TVS2 и TVS3 типа АК6-076 или PTVS6-076. Эти элемен-
ты могут быть смонтированы на простейшей печатной плате, как пока-
зано на рис. 13.2. На такой же плате могут быть смонтированы
и гораздо более дешевые варисторы.
Сегодня на рынке широко представлены компактные ЗПА и
конвертеры со звеном высокой частоты мощностью 1-2 кВт на лю-
бой вкус. От самых дешевых, выпускаемых китайскими компания-
ми, стоимостью около 160 долларов США, и устройств средней
стоимости (700 долларов США) до самых дорогих - за 5 000 долла-
ров США (рис. 13.14).
340
Глава 13. Основные принципы защиты систем электропитания энергообъектов
Рис. 13.14. Разновидности компактных ЗПА
и конвертеров мощностью 1,5 кВт:
а) самые дешевые (Guangzhou DongLong Electronics Со., Китай; Hangzhou
Reacher Technology Co., Китай);
b) средней стоимости (Absopulse Electronics Ltd., Канада);
с) самые дорогие (Powerbox Pty Ltd., Австралия)
При выборе типа ЗПА со звеном высокой частоты следует об-
ращать внимание на его нагрузочную характеристику (рис. 13.15).
Рис. 13.15. Различные типы нагрузочных характеристик ЗПА:
A - Fold-Back (обратно-падающая); В - Constant Current (постоянного тока);
С - Fold-Forward (отклоненная вперед);
D - Constant Power (постоянной мощности)
341
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Как можно видеть из рис. 13.15, для работы только в режиме по-
стоянного подзаряда аккумуляторов (режим постоянного напряже-
ния) пригодны ЗПА с любым типом нагрузочной характеристики.
Однако если нужно зарядить предварительно разряженную батарею,
представляющую собой нагрузку с очень низким внутренним сопро-
тивлением, то для этой цели лучше подходит ЗПА с характеристикой
типа С, на которой каждому значению тока соответствует опреде-
ленное значение напряжения, в то время как при характеристиках В
и D выходное напряжение ЗПА может упасть очень быстро до нуля
после достижения током предельного значения, и ЗПА может перей-
ти в режим Hiccup Mode (hiccup переводится как «икота», то есть
имеется в виду режим с прерывающимся зарядом). Во всяком слу-
чае, способность конкретного типа ЗПА заряжать разряженную бата-
рею должна быть проверена до введения его в эксплуатацию.
В дополнение к описанным в данной главе мероприятиям и
схемным решениям следует напомнить, что все рекомендации по
защите шкафов с электронной аппаратурой и рекомендации по вы-
полнению заземления остаются в силе и для рассматриваемого вида
аппаратуры. Кроме того, на компактных мобильных подстанциях
с их очень небольшой площадью и ограниченным количеством кон-
трольных кабелей дополнительной мерой защиты от ЭМИ может
служить размещение внутренних кабелей в гибком металлическом
рукаве (рис. 13.16).
Рис. 13.16. Гибкие металлорукава различного сечения, в которых должны
быть проложены внутренние кабели мобильных подстанций
342
Глава 13. Основные принципы защиты систем электропитания энергообъектов
Одним из эффективных организационных мероприятий, направ-
ленных на повышение устойчивости СОПТ мобильных подстанций,
может быть создание запаса сменных модулей (см. главу 20). В дан-
ном случае такими сменными модулями являются запасной ЗПА
и конвертер (или два ЗПА и ограничитель напряжения) в тщатель-
но закрытом алюминиевом контейнере непосредственно на подстан-
ции.
13.5. Системы оперативного постоянного тока
электростанций
Системы СОПТ электростанций принципиально ничем не отли-
чаются от СОПТ подстанций. Однако мощность зарядно-подзаряд-
ных агрегатов (рис. 13.17), емкость аккумуляторных батарей на элек-
тростанциях, обычно намного больше, чем на подстанциях, что свя-
зано со значительно большим количеством мощных потребителей
постоянного тока.
Рис. 13.17. Зарядно-подзарядный агрегат большой мощности
на электростанции: цифрами обозначены слабые места в электромагнитной
защите шкафов, требующие первоочередного внимания
343
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Некоторые конструктивные особенности шкафов зарядно-подза-
рядных агрегатов (рис. 13.17) ничего не меняют в общих принципах
обеспечения защиты оборудования от ЭМИ ЯВ и в выборе техниче-
ских средств для этого. Так, например, контроллеры, установленные
на дверях, должны быть или перенесены во внутреннее пространство
шкафов, или закрыты дополнительными металлическими щитками.
А токоограничивающие дроссели в силовых цепях зарядно-подза-
рядных агрегатов должны быть выбраны значительно большей мощ-
ности, чем для таких же агрегатов, установленных на подстанциях.
Однако и это не является проблемой, поскольку и такие дроссели
выпускаются той же самой компанией CWS.
Рис. 13.18 Мощные дроссели серии HCS на токи до 1 000 А фирмы CWS
с сердечником, изготовленным по специальной технологии
из специального материала
Таблица 13.1
Основные параметры мощных дросселей серии HCS
с сердечником
Тип дросселя Макс, длительный ток, А Индуктивность при токе 300 А, pH Полное сопротивление Размеры, мм
пост. току, шО 1 МГц, Ш 1 ГГц МП
HCS- 631М- 450А 450 249 4,5 1,56 1,56 393 x 118 x 97
HCS- 301М- 1000А 1 000 244 4,5 1,53 1,53 431 х 228 х 101
344
Глава 13. Основные принципы защиты систем электропитания энергообъектов
Литература к главе 13
1. Гуревич В. И. Средства обеспечения живучести системы опера-
тивного постоянного тока подстанций при воздействии элек-
тромагнитного импульса. Часть 1. Стационарные подстанции//
Электрик. - 2017. - № 10.-С. 42-47. Часть 2. Мобильные под-
станции // Электрик. - 2017. - № 11.-С. 28-31.
2. Гуревич В. И. Устройства электропитания релейной защиты:
Проблемы и решения. - М.: Инфра-Инженерия, 2013. - 288 с.
3. Гуревич В. И. Проблемы заземления электронной аппаратуры
электроэнергетических объектов // Компоненты и технологии. -
2017.-№4.-С. 105-111.
4. Гуревич В. И. Доступные методы снижения уязвимости элек-
тронного оборудования энергосистем от воздействия электро-
магнитного импульса // Электрик. - 2016. - № 5. - С. 22-25.
5. Гуревич В. И. Повышение устойчивости электронного оборудо-
вания действующих электроустановок к электромагнитному им-
пульсу // Энергетика и электрооборудование. - 2016. - № 5. -
С. 34-37.
6. Гуревич В. И. Создание запасов сменных модулей электронной
аппаратуры - как средство повышения живучести энергосисте-
мы // Электроника Инфо. - 2015. - № 8. - С. 20-23.
345
Глава14. ЗАЩИТА СИСТЕМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
14.1. Введение
Системы телекоммуникации на объектах электроэнергетики вы-
полняют важнейшую роль в приеме и передаче данных, в телеизме-
рениях, телеуправлении, связи. Вместе с тем эти системы являются
наиболее чувствительными среди множества других важнейших
электрических и электронных систем в электроэнергетике к электро-
магнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ)
и одновременно наименее защищенными. Такое положение дел не
может считаться нормальным и требует принятия соответствующих
мер. К сожалению, известные технические средства часто бывают
слишком дороги и, несмотря на рекламные объявления, далеко не
всегда способны надежно защитить системы телекоммуникаций
от ЭМИ ЯВ.
Электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ
ЯВ), при котором у поверхности земли создается импульсное элек-
трическое поле с напряженностью до 50 кВ/м, является мощным по-
ражающим фактором, направленным на выведение из строя инфра-
структуры страны и рассматривается военным командованием
во многих странах как очень эффективный и перспективный вид не-
легального оружия. Высокая эффективность поражения инфраструк-
туры обусловлена повсеместным насыщением всех современных си-
стем (в первую очередь электроэнергетики) микроэлектрон-
ной и микропроцессорной техникой с одной стороны и практически
полной незащищенностью этой техники в гражданских секторах
от ЭМИ - с другой [1].
Среди различных систем в электроэнергетике особой чувстви-
тельностью к ЭМИ отличается система телекоммуникации, включа-
ющая системы приема и передачи данных, телеизмерений, теле-
управления, связи. Это обусловлено тем, что современная слож-
ная электронная телекоммуникационная аппаратура использует
очень низкие (по сравнению в другими электрическими система-
ми в электроэнергетике) рабочие уровни напряжений (не превы-
шающие 3,5-5 В) и поэтому имеет соответствующие низкие уровни
изоляции всех входных и выходных цепей. По этой причине обыч-
ные требования стандартов по электромагнитной совместимости
346
Глава 14. Защита систем телекоммуникаций
к низковольтной электрической и электронной аппаратуре, преду-
сматривающие, среди прочего, испытания высоковольтными им-
пульсами напряжения (2 и 4 кВ), не распространяются на порты те-
лекоммуникаций, если они имеются в этой аппаратуре. Эта оговорка
приведена во всех стандартах, предусматривающих такие испытания.
А если при этом учесть, что по телекоммуникационным каналам
в электроэнергетике передаются в реальном времени данные об ава-
рийных режимах между микропроцессорными устройствами релей-
ной защиты и осуществляется телеуправление положением высоко-
вольтных выключателей, обуславливающих состояние электрической
сети, то становится понятной актуальность проблемы защиты систем
телекоммуникации от ЭМИ.
14.2. Пути решения проблемы
Во многих случаях острота проблемы была снята при переходе
от гальванически связанных цепей и кабелей с медными жилами
к волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС), хотя при этом оста-
ется актуальной проблема защиты многочисленных микропроцес-
сорных оконечных устройств, осуществляющих преобразование
электрических сигналов в оптические и обратно. Однако на очень
многих объектах электроэнергетики по-прежнему остается в эксплу-
атации система телекоммуникации, оснащенная высокочувствитель-
ной электронной аппаратурой с гальванически связанными цепями.
Поэтому возникает вполне закономерный вопрос о возможных путях
реконструкции такой системы с целью повышения ее защищенности
от ЭМИ.
Имеются некоторые общие известные меры повышения устойчи-
вости аппаратуры к ЭМИ, не зависящие от выбранного направления
реконструкции. Эти меры включают в себя, в первую очередь, модер-
низацию шкафов с электронной аппаратурой, обеспечивающую эф-
фективную защиту внутреннего оборудования от электромагнитного
излучения, а также защиту и резервирование системы электропитания.
Эти меры и средства их осуществления были рассмотрены ранее [2].
В данной главе рассматриваются технические средства, обеспечиваю-
щие защиту каналов передачи данных.
347
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
14.3. Применение волоконно-оптических линий связи
Очевидным решением проблемы является оснащение суще-
ствующей телекоммуникационной аппаратуры оптическими линка-
ми, состоящими из преобразователей электрических входных и вы-
ходных сигналов в оптические и обратно и передачу этих сигналов
между преобразователями по волоконно-оптическому кабелю. Пре-
образователи различных видов электрических сигналов в оптиче-
ские и обратно, пригодные для использования в системах телеком-
муникации, сегодня широко представлены на рынке (рис. 14.1), по-
этому проблема защиты каналов передачи данных при использова-
нии таких преобразователей решается достаточно просто.
Рис. 14.1. Различные типы преобразователей электрических сигналов
в оптические и обратно, пригодные для использования
в системах телекоммуникации
14.4. Защита телекоммуникационной аппаратуры
с гальваническими связями
Значительно более сложной и неоднозначной является проблема
защиты существующей телекоммуникационной аппаратуры с галь-
ваническими связями по кабелям с медными жилами. Стандартным
средством защиты такой аппаратуры от ЭМИ, предусмотренным
стандартами и предлагаемым многочисленными производителями,
является использование специальных фильтров, подавляющих с вы-
сокой эффективностью электрические сигналы выше определенной
348
Глава 14. Защита систем телекоммуникаций
частоты. Однако, как было показано в [3], использование специаль-
ных дорогостоящих фильтров для подавления одного короткого им-
пульса длительностью в доли микросекунды - совершенно ненуж-
ная мера. К тому же частотный диапазон многих современных си-
стем связи и передачи данных находится в области спектра ЭМИ,
который должен подавляться такими фильтрами, а сами фильтры яв-
ляются в большинстве своем низковольтными устройствами, не до-
пускающими приложения к их входу высоковольтных импульсов.
В связи с этим защита телекоммуникационной аппаратуры должна
осуществляться только лишь от воздействия импульса высокого
напряжения.
Для защиты электронной аппаратуры от импульсов высокого
напряжения используются технические средства, основанные на
элементах, резко уменьшающих свое сопротивление при приложе-
нии к ним повышенного, по сравнению с номинальным, напряже-
ния:
• газовые разрядники (Gas Discharge Tube - GDT);
• метал л оксидные варисторы (Metal Oxide Varistor - MOV);
• тиристорные супрессоры, динисторы (Thyristor Surge
Suppressor - TSS; Sidac);
• диодные супрессоры (Transient Voltage Suppressor или TVS-
diode).
Сравнительная характеристика лучших в своем классе (по ре-
зультатам нашего исследования) по совокупности основных пара-
метров образцов этих элементов, представляющих особый интерес
с точки зрения возможности их использования в системах телеком-
муникации, приведена в табл. 14.1.
Такой важнейший показатель, как время реакции (т. е. быстро-
действие) элемента, очень редко указывается в каталогах в явном ви-
де. Это связано со многими причинами, в частности, с зависимостью
этого времени от скорости нарастания импульса напряжения, от
формы и длины выводов конкретных элементов. Даже когда это вре-
мя указывается в каталогах, оно мало о чем говорит, поскольку для
уменьшения этого времени производители часто испытывают полу-
фабрикат (то есть фактически материал, из которого изготовлен эле-
мент). К тому же в реальных схемах быстродействие защитного
элемента будет зависеть и от параметров защищаемой цепи. В опуб-
ликованных источниках литературы считается, что наилучшим
349
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
быстродействием (единицы наносекунд) обладают диодные супрес-
соры. За ними идут тиристорные супрессоры с их десятками наносе-
кунд, потом варисторы со временем реакции в несколько десятков -
сотен наносекунд. Замыкают это ряд газовые разрядники со време-
нем срабатывания 0,2-0,5 мс (для сравнения: длительность импульса
ЭМИ - наносекунды).
Другим недостатком газовых разрядников являются высокие
напряжения срабатывания для короткого импульса и остаточное
напряжение.
Таблица 14.1
Важнейшие параметры защитных элементов различных видов
Параметр или вид и тип защитного элемента Г азовые разрядники Варисторы Тиристорные супрессоры Диодные супрессоры
Тип элемента, лучшего в своем классе для рассматриваемого применения 2020-15Т V05E11P TISP4011H1BJ S03-6
Макс, рабочее напряжение, В - 11 5,25 6
Напряжение срабатывания, В 60 (500 для короткого импульса) 18 10,5 6,8
Остаточное напряжение, В 52 36 3 15
Макс, импульсная мощность, Вт - - - 2 800
Макс, импульсный ток, А (2/10 мкс) 4 000 500 500 150
Время реакции (быстродействие) - - - -
Емкость между электродами для варианта с минимальным напряжением срабатывания, пФ 2 1 300 110 25
Причем даже у самых низковольтных газовых разрядников
напряжение срабатывания (пробоя) резко возрастает с возрастанием
350
Глава 14. Защита систем телекоммуникаций
крутизны приложенного импульса напряжения. Например, по дан-
ным стандарта IEC 61643-311 [4] минимальное напряжение разряда
этих разрядников возрастает с 75 В на постоянном токе до 650 В
при скорости нарастания напряжения 1 кВ/мкс. Очевидно, что для
импульса ЭМИ с его высокой крутизной (скоростью нарастания)
это значение будет еще выше. Становится понятным, что газовые
разрядники сами по себе не могут обеспечить защиту электронного
оборудования от ЭМИ.
DS31757CV EMP/EMI ETHERNET FILTER
Рис. 14.2. Электрическая схема устройства защиты сети Ethernet
от импульса ЭМИ на базе газового разрядника (GDT),
рекламируемое компанией МРЕ
В этой связи представляются весьма странными выпускаемые
некоторыми компаниями устройства для защиты от ЭМИ, в кото-
рых в качестве основного (а часто и единственного) элемента защи-
ты от перенапряжений используются газовые разрядники
(рис. 14.2).
Из пространного ответа, полученного автором на его запрос от
одной из компаний-изготовителей, следовало, что компания знает,
что газовые разрядники не способны обеспечить защиту от ЭМИ, но
считает, что использовать такое несовершенно защитное устройство
все же лучше, чем не использовать вообще ничего. Этот пример
наглядно показывает, что нельзя полагаться лишь на рекламные про-
спекты производителей, а необходимо тщательно анализировать
внутреннюю структуру предлагаемого защитного устройства и при-
меняемую элементную базу.
Широко применяемые в электротехнике варисторы также не
являются подходящими для систем телекоммуникации защитными
351
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
элементами, но уже по другой причине: по причине их высокой
емкости (для низковольтных элементов). Так, например, емкость
даже миниатюрных варисторов на небольшие импульсные токи
(100-150 А) и напряжения 3,5-5 В составляет несколько тысяч пи-
кофарад. Примерно такие же значения емкости р-я-перехода имеют
и низковольтные маломощные диодные супрессоры. Емкость же
более мощных диодных супрессоров на такие же низкие напряже-
ния может доходить до десятков тысяч пикофарад.
Значительная емкость, включенная в высокочастотные цепи
телекоммуникационных систем, существенно искажает и ослабляет
полезный сигнал, и поэтому использование в этих системах за-
щитных элементов с высокой емкостью является недопустимым.
В табл. 14.2 приведены рекомендованные в [5] максимальные допу-
стимые значения емкости для различных сигналов.
Таблица 14.2
Максимально допустимые значения емкости
защитных элементов [5]
Тип сигнала Максимальная скорость передачи данных, bit/s Рекомендуемое максималь- ное значение емкости защит- ного устройства, пФ
Е1А-232 19,6 kbps 50
Е1А-422 10 Mbps 5
Е1А-423 100 kbps 50
Е1А-485 5 Mbps 25
Е1 2,048 Mbps 25
USB 12,5 Mbps 5
Телеком модем 60 kbps/1,5 Mbps 25
С точки зрения минимальной емкости (т. е. минимального воз-
действия на защищаемую цепь) наилучшими показателями обладают
газовые разрядники. Эта их особенность в сочетании с очень высокой
коммутационной способностью (токи разряда могут достигать еди-
ниц и даже десятков килоампер) не позволяет разработчикам защит-
ной аппаратуры полностью сбрасывать их со счетов и заставляет ис-
кать возможные обходные пути их применения для защиты телеком-
муникационного оборудования. И такой путь, по мнению многочис-
ленных производителей защитных устройств, был найден. Идея за-
ключалась в комбинации сильноточного, но медленного газового
352
Глава 14. Защита систем телекоммуникаций
разрядника с быстрым, но слаботочным диодным супрессором
(рис. 14.3).
Рис. 14.3. Внешний вид, электрическая схема одного канала
и осциллограмма срабатывания защитного устройства серии 3414
фирмы HUBER+SUHNER [6]
Однако такое техническое решение вызывает некоторое недо-
умение. Хорошо известно, что диодные супрессоры (TVS-diode
на схеме) срабатывают (то есть переходят в проводящее состояние
при воздействии импульса повышенного напряжения) намного
быстрее, чем газовые разрядники (GDT на схеме). Но после сраба-
тывания супрессора газовый разрядник просто никогда не сработает
вследствие низкого остаточного напряжения на открытом диодном
супрессоре, недостаточного для пробоя газа в газовом разряднике
(минимальное напряжение пробоя составляет около 60 [4], да и то
для постоянного напряжения, а не для импульсного). Отсутствие
в этом устройстве условия для срабатывания газового разрядника
подтверждается также и осциллограммой, из которой хорошо вид-
но, что напряжение в этой схеме никогда не достигает минимально-
го напряжения пробоя газового разрядника.
Эту проблему попытались решить путем введения в схему до-
полнительных резисторов (рис. 14.4).
По замыслу разработчиков этого технического решения, при
поступлении на вход этого устройства импульса высокого напряже-
ния с высокой крутизной переднего фронта первым срабатывает
353
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
диодный супрессор TVS и ограничивает амплитуду напряжения на
защищаемом устройстве.
Рис. 14.4. Схема комбинированного двухкаскадного защитного устройства
с дополнительными резисторами R
При этом ток, проходящий через него, создает падение напря-
жения на резисторах R. Суммарное падение напряжения на после-
довательно соединенных резисторах и супрессоре должно быть до-
статочным для пробоя газового разрядника GDT, который после
срабатывания должен зашунтировать вход устройства и разгрузить
по току супрессор. Таким образом, по замыслу разработчиков,
в таком защитном устройстве должны были сочетаться положи-
тельные качества супрессора (высокое быстродействие) с высокой
коммутационной способностью газового разрядника. Такая схема
нашла широкое применение во многих типах защитных устройств,
выпускаемых различными фирмами (рис. 14.5).
Аналогичные схемы с первым каскадом на газовом разряднике
(иногда с различными непринципиальными изменениями и допол-
нениями) используются во многих защитных устройствах, реклами-
руемых как специальные устройства для защиты от ЭМИ ЯВ,
например, в устройствах фирмы Meteolabor и многих других. Одна-
ко при более глубоком анализе ситуации становится очевидной
бесперспективность использования такого технического решения
для защиты от ЭМИ. Это связано с очень малой длительностью им-
пульса ЭМИ (до нескольких десятков наносекунд). Такой короткий
импульс просто закончится еще до того, как сработает газовый раз-
рядник. Поэтому он никакой роли не играет, и его наличие или от-
сутствие никак не скажется на работе защитного устройства.
354
Глава 14. Защита систем телекоммуникаций
Рис. 14.5. Пример комбинированного двухкаскадного защитного устройства
по схеме рис. 14.4, выпускаемого промышленностью:
GDT - газовые разрядники; R - резисторы; TVS - диодные супрессоры
Некоторые производители вместо резисторов в схеме на
рис. 14.3 используют дроссели, для того чтобы затянуть процесс
нарастания напряжения на супрессоре, приблизить момент его сра-
батывания к моменту возникновения разряда в газовом разряднике
и тем самым ограничить время протекания большого тока через су-
прессор. Амплитуда тока через супрессор также будет ограничи-
ваться этими дросселями, обладающими высоким импедансом для
короткого импульса. Проблема, однако, в том, что эти дроссели бу-
дут вносить существенное затухание также и в полезный высокоча-
стотный сигнал, лежащий в мегагерцовом диапазоне, и поэтому эта
идея не очень подходит для телекоммуникационной аппаратуры.
Другая проблема, а точнее парадокс, заключается в том, что
всевозможные меры защиты оборудования, ослабляющие степень
воздействия на него ЭМИ ЯВ, приведут к уменьшению амплитуды
импульса тока ЭМИ. Довольно длинные кабели с жилами малого
сечения, используемые в системе телекоммуникаций (то есть с от-
носительно высоким импедансом), могут дополнительно ограничи-
вать амплитуду тока ЭМИ. А при недостаточно большой амплитуде
тока через супрессор и низкоомные резисторы R (с сопротивлением
в несколько ом) падение напряжения на них может не достигнуть
355
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
требуемого для пробоя газового разрядника напряжения 650-700 В
и более (при большой скорости нарастания приложенного к разряд-
нику напряжения), в то время как через супрессор пройдет более
широкий (из-за влияния индуктивности дросселей) импульс тока,
который может вызвать тепловую перегрузку внутренней структу-
ры супрессора и его разрушение.
К сожалению, все эти рассуждения не могут быть ни подтвер-
ждены, ни опровергнуты расчетами в связи с отсутствием реальных
исходных данных об импульсе ЭМИ в каждом конкретном случае и
в каждом конкретном месте расположения оборудования, степени
его защиты и т. д., а также и о параметрах каждой медной пары мно-
гожильного кабеля системы телекоммуникаций, проходящей через
различные промежуточные соединения. Однако сама по себе вероят-
ность непредсказуемого поведения достаточно дорогих устройств,
широко рекламируемых как надежные и проверенные в соответствии
со стандартами MIL-STD-188-125, MIL-STD-461F средства защиты,
должна настораживать специалистов. Вместе с тем здесь возникает
вполне уместный вопрос о том, как же эти устройства прошли испы-
тания на соответствие стандартам, если из приведенных выше рас-
суждений следует, что они не будут работать так, как это предпола-
гается производителями. При более глубоком анализе ситуации ока-
зывается, что и здесь нас ожидает подвох. Оказывается, производи-
тели испытывают эти устройства не импульсом тока ЭМИ ЯВ 20/500
наносекунд, как это предписывается стандартами, а стандартным
грозовым импульсом 8/20 миллисекунд, то есть значительно более
пологим и длительным импульсом. В свое оправдание производители
говорят [7], что смоделировать импульс ЭМИ ЯВ слишком сложно и
для этого требуется специальная дорогостоящая аппаратура, а гене-
раторы стандартного грозового импульса широко представлены на
рынке и их использование не представляет проблем. Вместе с тем
поскольку грозовой импульс намного шире импульса ЭМИ ЯВ, то
его энергия даже больше импульса ЭМИ, и поэтому он еще больше
нагружает защитное устройство. Далее рассуждают так [7]: если
устройство выдержало проверку более мощным грозовым импуль-
сом, то оно наверняка выдержит и короткий импульс ЭМИ ЯВ. При
этом апологеты такого метода испытаний почему-то стыдливо умал-
чивают о том, что поведение газового разрядника при воздействии
длинного и короткого импульсов будет совершенно разным. Если
356
Глава 14. Защита систем телекоммуникаций
газовые разрядники надежно срабатывают при воздействии доста-
точно длинного грозового импульса с относительно пологим перед-
ним фронтом, то при воздействии значительно более короткого и со
значительно более крутым (на несколько порядков!) передним фрон-
том импульса ЭМИ ЯВ они просто не успеют сработать, во-первых,
из-за своей естественной «медлительности», а во-вторых, из-за рез-
кого возрастания электрической прочности газа, наполняющего раз-
рядник и, соответственно, резкого повышения его напряжения про-
боя.
14.5. Новое устройство защиты телекоммуникационных
систем с гальванической связью
Выходом из сложившейся ситуации может стать, по нашему
мнению, использование простых, очень дешевых, одноразовых, но
действующих предсказуемо защитных устройств на основе диод-
ных супрессоров, обладающих набором всех необходимых для эф-
фективной защиты систем телекоммуникаций параметров: быстро-
действием, малой емкостью, низким напряжением срабатывания.
При воздействии ЭМИ внутренняя структура супрессора в таком
защитном устройстве будет пробита под воздействием проходящего
через него импульса тока, а защищаемая им цепь зашунтирована
(закорочена). Принимая во внимание, что речь идет об исключи-
тельном чрезвычайном событии и о защите оборудования от оди-
ночного не повторяющегося импульса, такой алгоритм работы за-
щитного устройства можно признать вполне приемлемым, посколь-
ку он спасет аппаратуру от повреждения импульсом ЭМИ и позво-
лит очень быстро вернуть ее полную работоспособность, просто
отключив поврежденное защитное устройство во время неизбежных
восстановительных работ, которые последуют за таким событием,
как ЭМИ ЯВ.
Единственной технической проблемой является обеспечение из-
бирательного действия такого защитного устройства, при котором
его пробой должен наступать лишь при воздействии ЭМИ и не
наступать при воздействии других, более слабых и повторяющихся
импульсных помех.
Такая избирательность может быть обеспечена, во-первых, за
счет выбора диодных супрессоров достаточно большой мощности,
357
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
а во-вторых, ограничением тока, протекающего через него, с помо-
щью резистора. Поведенный нами анализ параметров диодных су-
прессоров, имеющихся на рынке и обладающих подходящими для
работы в системах телекоммуникации напряжением срабатывания
и емкостью, показал, что наиболее мощными из всех являются ди-
одные супрессоры типа S03-6 (рис. 14.6, табл. 14.3), выпускаемые
американской компанией Littelfuse, которые примерно в 4 раза
мощнее диодных супрессоров других фирм с таким же рабочим
напряжением и емкостью и допускают протекание импульсных
токов до 150 А.
Рис. 14.6. Диодный супрессор типа SP03-6
Таблица 14.3
Основные параметры супрессора типа SP03-6
Максимальное рабочее напряжение, В 6
Напряжение лавинного пробоя, не менее, В 6,8
Ток утечки при рабочем напряжении, цА 25
Остаточное напряжение, не более, В 20
Макс, импульсный ток (8/20 микросекунд), А 150
Макс, импульсная мощность (8/20 микросекунд), Вт 2 800
Емкость р-м-перехода, не более, пФ 25
Одна такая микросхема обеспечивает защиту одной витой пары
от ЭМИ как общего (относительно корпуса), так и дифференциаль-
ного (между проводниками) типа. Стоимость одного такого эле-
мента около 2 долларов США, а при закупке партии элементов -
менее 1 доллара США.
Последовательно включенный с супрессором резистор (на схе-
ме на рис. 14.6 резистор включается последовательно с каждым
358
Глава 14. Защита систем телекоммуникаций
входом) должен иметь сопротивление порядка 20 Ом с тем, чтобы
при воздействии на вход защитного устройства обычных импульс-
ных помех с амплитудой до несколько киловольт проходящий через
супрессор импульс тока не превышал максимально допустимого
для него значения и не привел бы к его пробою.
ASR/ASRM series
(Stackpole Electronics)
RT/RL - series
(HVR APC Engineering)
Рис. 14.7. Высоковольтные низкоомные импульсные резисторы различных
типов, параметры которых приведены в табл. 14.4
Таблица 14.4
Основные параметры высоковольтных импульсных
резисторов некоторых типов
Тип Производитель Макс, импульсное напряжение и мощность Размеры (D - диаметр; L - длина), мм
ASRM2 Stackpole Electronics 5 кВ; 2 Вт D = 5;L = 15
PPR200 Firstohm 20 кВ; 2 Вт D = 5;L = 13,5
RT/RL HVR ARC Engineering 7,5 кВ; 2 Вт D = 8; L = 18
AZ Ohmite 2,5 кВ; 2 Вт D = 26; L = 30
SPO250 HVR International 5,7 кВ; 2 Вт D = 13;L = 15
359
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 14.8. Чертеж печатной платы предлагаемого защитного устройства
на 6 витых пар, содержащего диодные супрессоры и токоограничивающие
резисторы. Плата должна быть покрыта высоковольтным лаком
Рис. 14.9. Пример выполнения простейшего защитного устройства
на две витых пары (для сигнала Е1) и схема одного канала (на одну пару)
для цепей, подключаемых к аппаратуре через разъем
Токоограничивающие резисторы должны быть безиндуктив-
ными и предназначенными для высоковольтных импульсных воз-
действий (рис. 14.7, табл. 14.4).
Защитное устройство, выполненное по такому принципу, явля-
ется очень простым по конструкции (рис. 14.8) и дешевым. Такой
360
Глава 14. Защита систем телекоммуникаций
же принцип может быть использован и для защиты входов чувстви-
тельной аппаратуры, подключаемых через разъем (рис. 14.9).
Изготовление таких простейших устройств может быть заказа-
но потребителем у любой компании, производящей печатные пла-
ты, причем по очень небольшой цене. Любая из десятков китайских
компаний быстро произведет требуемое количество таких
устройств с отличным качеством и за минимальную цену.
Последнее чрезвычайно важно для гражданских отраслей энер-
гетики и промышленности, поскольку именно большие денежные
затраты на обеспечение защиты от ЭМИ ЯВ являются основным
фактором, до сих пор сдерживающим практические меры по осу-
ществлению такой защиты.
14.6. Защита шкафов систем телекоммуникаций
Рис. 14.10, а. Монтажные шкафы телекоммуникаций
361
Рис. 14.10, в. Распределительные патч-панели
(Digital Distribution Frame - DDF; Main Distribution Frame - MDF):
слева - смонтированная в шкафу, справа - открытая панель,
расположенная непосредственно на стене
362
Глава 14. Защита систем телекоммуникаций
Электронное оборудование систем телекоммуникации в элек-
троэнергетике отличается сложностью, многообразием, большим
количеством видов и типов аппаратуры, размещенной в специаль-
ных монтажных шкафах (рис. 14.10).
Одного даже беглого взгляда на эти шкафы уже достаточно для
того, чтобы понять всю сложность решения проблемы защиты си-
стем телекоммуникаций в электроэнергетике.
Очевидно, что вновь проектируемые системы связи должны ба-
зироваться исключительно на оптоэлектронике и оптических лини-
ях связи, а вся электронная аппаратура должна размещаться в спе-
циальных защищенных шкафах и получать питание от защищенных
источников питания по защищенным кабелям.
Значительно более сложную задачу приходится решать для за-
щиты уже существующего оборудования (рис. 14.10), которое про-
ектировалось и монтировалось без учета требований по устойчиво-
сти к ЭМИ ЯВ. Даже переход от медных кабелей связи на оптиче-
ские с помощью специальных дополнительно устанавливаемых
преобразователей не решает проблемы, поскольку при этом чув-
ствительная электронная аппаратура остается смонтированной
в совершенно непригодных для защиты от ЭМИ шкафах со стек-
лянными дверями, в которые заведены десятки кабелей, часть из
которых вообще не экранированы и получает питание от незащи-
щенных источников питания и т. д. А распределенную по большой
территории систему телеметрии и управления SCADA (Supervisory
Control and Data Acquisition) с многочисленными датчиками RTU
(remote terminal unit) крайне сложно (если вообще возможно) и до-
рого полностью переводить на оптику. Поэтому для защиты суще-
ствующих систем телекоммуникаций должны быть использованы,
по нашему мнению, другие средства.
14.7. Общий принцип защиты шкафов
телекоммуникационной аппаратуры
Система телекоммуникаций является одной из составных частей
электротехнического комплекса, обеспечивающего производство,
передачу и распределение электроэнергии. Поэтому к этой составной
части применим тот же общий подход, что и ко всем остальным ча-
стям и составляющим этого комплекса: защите от ЭМИ ЯВ подлежат
363
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
лишь критические виды аппаратуры, расположенные на критических
объектах и отвечающие за выполнение критических функций, то есть
таких, без которых производство, передача или распределение элек-
троэнергии становятся невозможными. Объекты, подлежащие защи-
те, определяются персоналом энергосистем заранее и включаются
в специальный план реконструкции.
При определении критических видов оборудования в системе
телекоммуникаций могут возникнуть серьезные трудности, обуслов-
ленные тем, что многие виды такого оборудования обслуживают как
критические объекты электроэнергетики, так и те, которые не отно-
сятся к критическим. На практике это выглядит таким образом, что
к части входов одного многоканального устройства подключены
внешние электрические цепи, отнесенные к критическим, а к другой
части - к некритическим. При защите только критических входов
многоканальное устройство может быть полностью выведено из
строя высоковольтным импульсом ЭМИ, проникшим в устройство
через незащищенный вход. Поэтому критические и некритические
электрические цепи должны быть разделены в отдельные группы,
для обслуживания каждой из которых должно использоваться от-
дельное телекоммуникационное устройство. Наиболее актуальна эта
проблема для системы SCADA с большим количеством шкафов
и электронных модулей (например, MOSCAD, рис. 14.10, б), обраба-
тывающих и передающих на центральный диспетчерский пульт сиг-
налы, поступающие с распределенных по обширной территории дат-
чиков телеметрии (RTU). Часть из этих сигналов является очень важ-
ной, тогда как без другой части можно временно вполне обойтись
в чрезвычайной обстановке после воздействия ЭМИ ЯВ. Поэтому все
важные цепи RTU должны быть переключены на входы выделенного
как критический электронного модуля, а сами эти модули должны
быть размещены в шкафах, определенных как критические (защита
самих критических RTU - отдельная задача). В дальнейшем рассмат-
риваются меры защиты именно таких шкафов.
Точно так же, как и в рассмотренном выше случае с аппаратурой
автоматики, телемеханики и релейной защиты, для проектируемой
и вновь вводимой телекоммуникационной аппаратуры должны преду-
сматриваться специальные защищенные от ЭМИ шкафы, а шкафы,
находящиеся в эксплуатации, должны быть подвергнуты модерниза-
ции с использованием всех общих принципов, рассмотренных выше.
364
Глава 14. Защита систем телекоммуникаций
14.8. Реконструкция системы заземления шкафов
с электронной аппаратурой
Рис. 14.11. Конструктивное выполнение заземления в шкафах
системы телекоммуникаций:
1 - шина уравнивания потенциалов;
2 - кабель внешней системы заземления;
3 - изолятор, отделяющий шину уравнивания потенциалов от корпуса шкафа;
4 - элементы, соединяющие шинку выравнивания потенциалов
с корпусом шкафа;
5 - гибкие медные шинки, соединяющие корпуса электронных приборов
с шинкой уравнивания потенциалов
Проблемы конвенциональной системы заземления электронной
аппаратуры, смонтированной в электрических шкафах, и особенности
заземления при воздействии ЭМИ ЯВ подробно рассмотрены нами
в [11]. К сожалению, эти особенности пока практически нигде не учи-
тываются и, более того, часто можно заметить в шкафах с одинаковой
аппаратурой телекоммуникаций очень разные варианты выполнения
элементов системы заземления, например, соединение шин уравнива-
ния потенциалов (рис. 14.11). Причины таких различий трудно объяс-
нить с точки зрения здравого смысла, как и трудно объяснить целесо-
образность изоляции от шкафа этой шины, к которой подключены
365
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
с помощью гибких медных шинок металлические корпуса электрон-
ной аппаратуры, укрепленные непосредственно (то есть без изоляции)
на металлических элементах шкафа.
В соответствии с рекомендациями [11], усовершенствованное за-
земление шкафов системы телекоммуникации должно быть выполне-
но по принципу «специальной плавающей земли», рассмотренному
выше.
14.9. Реконструкция открытых патч-панелей
Если патч-панели (рис. 14.10, б) выполнены открытыми и уста-
новлены непосредственно на стенке, то они требуют принятия спе-
циальных мер защиты от ЭМИ. В качестве одной из таких мер может
служить установка специальных алюминиевых экранов, состоящих
из двух частей: пластины, несколько превышающей по размеру патч-
панель и устанавливаемой на стенке под ней, и короба с фланцами,
закрывающего патч-панель с лицевой стороны и металлически со-
единенного без щелей (или с прокладками из электропроводной ре-
зины) с упомянутой пластиной. Все низкочастотные кабели должны
быть защищены дешевыми и достаточно эффективными ферритовы-
ми фильтрами, а высокочастотные витые пары критических кабе-
лей- специальными защитными элементами на основе TVS-диодов,
описанными в [8]. Эти защитные элементы смонтированы на не-
больших панельках и подключаются параллельно витым парам про-
водников в те же гнезда патч-панелей.
14.10. Защита системы электропитания
Защита системы электропитания аппаратуры телекоммуника-
ций осуществляется традиционными методами с использованием
ограничительных импульсных напряжений и дросселей.
Принципы построения подобной системы электропитания явля-
ются универсальными и были описаны выше, включая и небольшой
дизель-генератор, который должен быть установлен непосредственно
в помещении с зарядно-подзарядным агрегатом (или вблизи него).
Этот дизель-генератор мощностью 3-5 кВт должен быть смонтрован
с заранее выведенной наружу выхлопной трубой, а также должен быть
снабжен компактным выпрямителем с функцией токоограничения
366
Глава 14. Защита систем телекоммуникаций
и стабилизации напряжения (то есть обычным зарядно-подзарядным
агрегатом - ЗПА). Этот небольшой дизель-генератор вместе с ЗПА
должен быть отключен от всех внешних электрических цепей и поме-
щен в закрытый алюминиевый контейнер.
Этот резервный источник питания на базе дизель-генератора
необходим на тот случай, если в результате воздействия мощного
ЭМИ ЯВ будет поврежден внешний источник переменного тока, от
которого питается вся система телекоммуникаций.
14.11. Реконструкция помещения (зала) с критическими
видами аппаратуры системы телекоммуникаций
Как правило, в такие помещения заходит из внешнего про-
странства большое количество кабелей, иногда имеются незащи-
щенные окна. Очевидно, что полностью защитить помещение, ко-
торое не было спроектировано и построено как защищенное, невоз-
можно. Однако можно существенно ослабить уровень электромаг-
нитного излучения, проникающего в такое помещение через кабели,
окна и двери. Для этого кабели, заходящие в помещение, должны
быть помещены в сплошные металлические кабельные лотки непо-
средственно с места ввода кабелей в помещение, а окна и двери
экранированы такими же методами, что стеклянные двери шкафов,
или вовсе закрыты алюминиевыми панелями или электропровод-
ными шторами.
14.12. Заключение по главе 14
Описанные выше технологии защиты от ЭМИ ЯВ самых чув-
ствительных и уязвимых в электроэнергетике систем - телекомму-
никационных, являются вполне доступными и легко применимыми.
Для реализации защиты на рынке имеется широкая номенклатура
недорогих элементов и материалов. Предложенные технические
решения и рекомендации направлены в первую очередь на рекон-
струкцию существующих систем, но могут быть использованы (ча-
стично) и при проектировании новых систем, основанных на опто-
электронике и волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).
367
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Литература к главе 14
1. Гуревич В. И. Защита оборудования подстанций от электромаг-
нитного импульса - М.: Инфра-Инженерия, 2015. - 302 с.
2. Gurevich V. Facilities Ensuring Substation Direct Current Auxiliary
Power System Survivability under Electromagnetic Pulse (HEMP).
Part 1. Stationary Substations // International Journal of Electrical and
Electronics Research (IJEER). - 2017. - Vol. 5, Issue 3. - Pp. 6-12.
3. Гуревич В.И. Применение LC-фильтров для защиты оборудо-
вания от электромагнитного импульса: реальная необходимость
или инерция мышления? // Компоненты и технологии. - 2017. -
№ 7. - С. 44-47.
4. IEC 61643-311 Components for low-voltage surge protective devices
- Part 311: Performance requirements and test circuits for gas dis-
charge tubes (GDT), 2 Ed., 2013.
5. Clark M. Transient Voltage Protection Across High Data Rate & RF
Lines. - MicroNote 122, Microsemi Corp.
6. Catalog HUBER+SUHNER “Lightning Protection”, Edition 2016,
pp. 76-78.
7. A. J. Nalhorczyk, HEMP Filter Design to Meet MIL-STD-188-125
PCI Test Requirements. - IEEE. 10-th International Conference
“Electromagnetic Interference & Compatibility”, 26-27 Nov., 2008,
pp. 205-209.
8. Гуревич В. И. Проблемы защиты систем телекоммуникаций на
объектах электроэнергетики от электромагнитного импульса//
Компоненты и технологии. - 2017. - № 9. - С. 98-102.
9. Skotheim, Terje A. Reynold, John. Handbook of Conducting Poly-
mers. - CRC Press, 1998.
10. Гуревич В.И. Ферритовые фильтры// Компоненты и техноло-
гии.-2015.-№ 10.-С. 16-18.
11. Гуревич В. И. Проблемы заземления электронной аппаратуры
электроэнергетических объектов // Компоненты и технологии. -
2017.-№4.-С. 106-11.
12. Gurevich V. Facilities Ensuring Substation Direct Current Auxiliary
Power System Surviability under Electromagnetic Pulse (HEMP).
Part 1. Stationary Substation // International Journal of Electrical and
Electronics Research. - 2017. - Vol. 5, Issue 3. - Pp. 6-12.
368
Глава 15. ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ К ЭМИ ЯВ
15.1. Введение
Системы автоматического пожаротушения, использующие
микропроцессорную технику и микроэлектронные компоненты,
к которым подключены с помощью длинных кабелей многочис-
ленные датчики, очень чувствительны к электромагнитному им-
пульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ). Непредсказуе-
мое срабатывание таких систем с предварительным автоматиче-
ским отключением электрооборудования под воздействием ЭМИ
ЯВ или, наоборот, запуск пожаротушения высоковольтного обору-
дования без предварительного его отключения могут повлечь
за собой возникновение серьезных аварий в энергосистемах.
15.2. Противопожарные системы энергообъектов
Существует большое разнообразие таких систем: от пожарной
сигнализации до автоматического пожаротушения. Понятно, что
сбои в системе пожарной сигнализации не приводят к возникнове-
нию каких-то катастрофических последствий в электроэнергетике,
чего не скажешь о системах автоматического пожаротушения, по-
скольку при самозапуске этих систем некоторые из них предвари-
тельно автоматически отключают электрооборудование и лишь за-
тем включают подачу противопожарного агента. Еще более опас-
ным является запуск пожаротушения высоковольтного оборудова-
ния без предварительного его отключения.
Как правило, пожаротушение электрооборудования в низко-
вольтных (до 0,4 кВ) электрических шкафах осуществляется по-
средством подачи в зону горения под высоким давлением неэлек-
тропроводного порошка, газа или мелкодисперсного аэрозоля
(рис. 15.1) и не требует отключения напряжения. Эти системы так-
же отличаются большим разнообразием: от локальных, содержащих
один баллон с газом и предназначенных для единичного шкафа
или группы шкафов (рис. 1.15) до централизованных, содержа-
щих достаточно сложные и разветвленные системы (рис. 15.2).
369
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Локальные системы не содержат сложных электронных компонен-
тов и не требуют какой бы то ни было защиты от ЭМИ ЯВ.
Рис. 15.1. Системы локального пожаротушения шкафов с электрической
аппаратурой с использованием газа и аэрозоля
Но централизованные системы пожаротушения, содержащие
микроэлектронную аппаратуру управления, могут быть повреж-
дены ЭМИ ЯВ. При этом опасность представляют оба вида повре-
ждения: как несрабатывание системы пожаротушения при возник-
новении пожара, так и ложное срабатывание. В последнем слу-
чае речь идет не только о высокой стоимости расходуемого без
необходимости газа, но и о том, что при израсходовании этого газа
при ложном срабатывании его может не хватить для тушения пожа-
ра, вполне реального после пробоя изоляции многих видов электро-
оборудования электромагнитным импульсом высокого напряжения.
370
Глава 15. Повышение устойчивости систем автоматического пожаротушения
Рис. 15.2. Элементы централизованной системы пожаротушения газом
При тушении возгораний крупного высоковольтного оборудо-
вания, где наряду с вытеснением кислорода из зоны горения требу-
ется также интенсивное охлаждение зоны горения, применяется,
как правило, вода, подаваемая на объект по заранее смонтирован-
ной вокруг него системе трубопроводов и распыляемая с помощью
сплинкеров (рис. 15.3). При этом отключение таких объектов перед
подачей воды является обязательным и осуществляется по сигналу
автоматической системы управления пожаротушением.
Рис. 15.3, а. Система пожаротушения силового трансформатора,
содержащая трубопроводы со сплинкерами вокруг трансформатора
371
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 15.3, б. Система пожаротушения силового трансформатора в работе
Контрольные панели (шкафы) пожарной сигнализации и авто-
матического управления - это сложнейшие системы на основе мик-
ропроцессоров и большого количества микросхем различного
назначения (рис. 15.4), к которым подключены десятки кабелей,
образующих для ЭМИ ЯВ разветвленную систему антенн с общей
длиной в сотни метров, абсорбирующих энергию импульса с боль-
шой площади и доставляющую ее прямо к высокочувствительным
электронным элементам. На больших объектах такие системы стро-
ятся по сетевым технологиям, поэтому пожарные контрольные па-
нели оснащаются внешними интерфейсами RS422 или RS48, а так-
же способны взаимодействовать по сети Ethernet или с помощью
модемной связи по коммутируемому телефонному каналу, что еще
больше увеличивает уязвимость этих систем к ЭМИ ЯВ и затрудня-
ет их защиту.
372
Глава 15. Повышение устойчивости систем автоматического пожаротушения
а с
Рис. 15.4. Контрольная панель (шкаф) пожарной сигнализации (а) стремя
блоками управления (1,2, 3) и аккумуляторами (4, 5);
6 (Ь) - внешние многожильные кабели, подключенные
к электронной схеме шкафа;
с - микроэлектронная «начинка» одного из трех блоков управления шкафа
Рис. 15.5. Силовые электронные устройства управления
электродвигателями насосов централизованной системы пожаротушения
373
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Централизованные системы управления автоматическим пожа-
ротушением, кроме того, включают и силовые электронные устрой-
ства, такие как системы плавного пуска (soft start) мощных электро-
двигателей насосов, подающих воду в гидравлическую систему по-
жаротушения (рис. 15.5). Эти силовые электронные устройства
включены в общую питающую электросеть электроэнергетического
объекта, в которой импульсные перенапряжения при воздействии
ЭМИ ЯВ могут достигать значений в десятки киловольт. Вместе
с тем проведенный нами анализ стандартов и других нормативных
документов [3-6 и др.], предписывающих определенные свойства,
параметры, нормы испытаний и применение систем пожаротуше-
ния, показал, что воздействие ЭМИ ЯВ в них вообще не рассматри-
вается и никак не учитывается и поэтому требует принятия специ-
альных мер, обеспечивающих повышение устойчивости этих си-
стем к ЭМИ ЯВ.
15.3. Методы повышения устойчивости систем
автоматического пожаротушения
Как же все эти сложнейшие системы можно защитить от
ЭМИ ЯВ, и можно ли вообще?
Ответ на это вопрос очень непрост. Причина заключается
в том, что вмешательство во внутреннюю электронную схему си-
стем пожарной сигнализации и автоматического управления пожа-
ротушением запрещено даже с таким благим намерением, как их
защита от ЭМИ ЯВ. Установка каких бы то ни было дополнитель-
ных фильтров в интерфейсах RS422 или RS48, в цепях Ethernet или
модемной связи является таким вмешательством.
Но кое-что сделать все-таки можно. Например, можно с помо-
щью дистанционной команды на небольшое время просто отклю-
чить электронную систему пожаротушения при получении опера-
тивной информации об опасности вторжения на территорию круп-
ной ракеты, способной нести ядерный боезаряд. Использова-
ние ядерного оружия, даже если оно и направлено лишь на пораже-
ние инфраструктуры, а не населения, не может быть слишком спон-
танным и непредсказуемым. Как правило, задолго до этого возни-
кают многочисленные коллизии, свидетельствующие о крайнем
обострении обстановки, при которой повышается готовность всех
374
Глава 15. Повышение устойчивости систем автоматического пожаротушения
государственных структур к неблагоприятному развитию событий,
включая опасность использования ЭМИ ЯВ. В такой ситуации нет
ничего необычного в том, что при подлете ракеты, потенциально
способной нести ядерный заряд, должна поступить информация
об опасности ЭМИ ЯВ за время, вполне достаточное для дистанци-
онного отключения критически важных систем автоматического
пожаротушения, расположенных на различных удаленных объектах
энергосистемы. Обесточенные системы, как известно, намного
меньше подвержены внутренним повреждениям электромагнитным
импульсом, кроме того, даже будучи поврежденной в отключенном
состоянии, такая система не сможет неправильно воздействовать
на другие системы.
Рис. 15.6. Дистанционные сетевые силовые выключатели
Дистанционное отключение систем автоматического пожаро-
тушения может быть практически осуществлено различными сред-
ствами, широко представленными сегодня на рынке. Это могут
быть относительно дорогие (200-300 долларов США) дистанцион-
ные сетевые силовые выключатели (remote power switch) в отдель-
ном корпусе (рис. 15.6), управляемые по сети Ethernet. Такие вы-
ключатели содержат сетевой интерфейс и выходные электромаг-
нитные реле, срабатывающие по специальному коду, передаваемо-
му по сети. Контактами этих реле могут отключаться или подклю-
чаться внешние устройства.
Значительно более дешевыми являются так называемые се-
тевые реле (network relays, Ethernet relay), см. рис. 15.7, стоимостью
375
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
20-30 долларов США, которые, по сути, выполняют те же функции,
что и описанные выше устройства.
Рис. 15.7. Сетевые реле с различным количеством каналов
и выходных электромагнитных реле
В качестве устройств дистанционного отключения систем по-
жаротушения могут быть использованы также устройства, управ-
ляемые по сотовой телефонной сети (GSM remote controllers)
стоимостью 100-150 долларов США (рис. 15.8).
Рис. 15.8. Дистанционные выключатели, управляемые по сотовой
телефонной сети (Global System of Mobile Communications - GSM)
Использование таких устройств не связано с вмешательством
во внутреннюю схему систем пожаротушения, поскольку они
включаются лишь в разрыв цепи внешнего питания этих систем,
однако имеет некоторые особенности применения. Во-первых,
376
Глава 15. Повышение устойчивости систем автоматического пожаротушения
в системах управления пожаротушением помимо внешнего питания
от сети имеется дополнительный резервный источник питания, вы-
полненный, как правило, в виде аккумуляторных батарей (4 и 5
на рис. 15.4), поэтому отключать нужно не один, а два источника
питания. Во-вторых, для того, чтобы систему управления пожаро-
тушением можно было так же дистанционно вернуть в рабочее со-
стояние после отбоя тревоги, отключать источники питания нужно
в определенном порядке: сначала резервный аккумулятор, а потом
внешнюю питающую сеть. Возврат в рабочее состояние - в обрат-
ном порядке. В связи с этим дистанционный выключатель (реле)
должен иметь как минимум два независимых канала с двумя неза-
висимыми выходными реле. Здесь важно отметить, что коды от-
ключения и включения системы пожаротушения, а также порядок
этих операций должен быть четко прописан в инструкции по дей-
ствиям в чрезвычайной ситуации, и соответствующий персонал
обязан их знать. А что касается дистанционного возврата системы,
то он допустим лишь в случае, если воздействия ЭМИ ЯВ не про-
изошло. Если же такое воздействие имело место, то система авто-
матического пожаротушения должна быть тщательно проверена
перед возвратом в рабочее состояние.
Помимо таких реле в цепях питания, еще одним «допустимым
вмешательством» должна быть установка специальных фильтров
в цепи внешнего питания системы управления пожаротушением,
а также во всех силовых цепях устройств управления (например,
устройств управления электродвигателями насосов, рис. 15.5), со-
держащих элементы, ограничивающие амплитуду напряжения
и тока электромагнитного импульса. В качестве таких элементов
для маломощных электронных систем управления удобно исполь-
зовать варисторы и дроссели. Для защиты от перенапряжений од-
нофазных цепей питания переменного тока предназначены стан-
дартные блоки, выполненные в небольших корпусах, предназна-
ченных для установки на DIN-рейке и содержащие два варистора
и газовый разрядник (рис. 15.9, а). Основная масса однофазных за-
щитных блоков выполнена именно по такой схеме, хорошо защи-
щающей от разрядов молнии, но не от ЭМИ ЯВ по причине недо-
статочного быстродействия газового разрядника для этого импульса
и резкого увеличения его напряжения пробоя при воздействии ко-
роткого импульса с большой крутизной переднего фронта, как
у ЭМИ ЯВ.
377
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 15.9. Разновидности защитных блоков (а, Ь, с) и предлагаемое
включение защитных элементов (d):
VR1 - VR3 - металлооксидные варисторы (MOV);
TVS1 -TVS3 - диодные супрессоры; GDT - газовый разрядник;
L1 - L2 - токоограничивающие дроссели
Несколько улучшить положение могла бы замена газового раз-
рядника варистором (рис. 15.9,6), однако такие блоки для сетей
230/400 В переменного тока практически не выпускаются, а вместо
них выпускаются сотни разновидностей защитных блоков, со-
держащих два варистора и перемычку вместо варистора VR3
(рис. 15.9, с). Недостатком такой схемы является удвоенное напря-
жение срабатывания и удвоенное остаточное напряжение (clamping
voltage) между фазой (L) и нейтралью (N) по сравнению с напря-
жением относительно земли. Но при ЭМИ ЯВ, в отличие от раз-
ряда молнии, земля не является областью нулевого потенциала,
относительно которого к защищаемой цепи прикладывается им-
пульс перенапряжения и к которому этот импульс должен быть от-
веден защитным устройством. Поэтому такая схема не подходит
для защиты от ЭМИ ЯВ, при котором с большой вероятностью
импульс высокого напряжения будет приложен между фазой
и нейтралью.
Сегодня на рынке появились мощные быстродействующие
супрессоры на основе лавинных диодов типов АК10-430С, PTVS10-
430С и др., которые могут быть использованы для защиты электри-
ческих цепей от ЭМИ ЯВ наравне с варисторами.
Поскольку мощные супрессоры пока не выпускаются в от-
дельных пластмассовых корпусах с возможностью установки
378
Глава 15. Повышение устойчивости систем автоматического пожаротушения
на стандартную DIN-рейку, как варисторы, то придется изготовить
простейшую монтажную печатную платку с тремя такими супрес-
сорами и тремя сдвоенными клеммниками (рис. 15.10).
АК10-430С
PTVS10-430C
CTB77VP/2
Рис. 15.10. Мощные супрессоры, смонтированные
на простейшей печатной монтажной плате
Кстати, такая же плата может быть изготовлена и с варистора-
ми. Она займет меньше места, чем отдельные варисторные блоки,
и обойдется дешевле.
Для повышения эффективности подавления ЭМИ ЯВ схема до-
полнена токоограничивающими дросселями LI - L2, в качестве ко-
торых рекомендуется использовать блок дросселей типа DSH2xl6
компании Citel, содержащий два дросселя на ток 16 А каждый, ко-
торые расположены в небольшом корпусе, предназначенном для
монтажа на стандартной DIN-рейке (рис. 15.11).
Для силовых трехфазных цепей устройств управления насо-
сами и другими мощными нагрузками более подходит использова-
ние мощных блочных варисторов Rl - R6, например, типа В40К460
и мощных дросселей LI - L4 фирмы CWS (рис. 15.11). Блочные ва-
ристоры этого типа допускают протекание импульсных токов до
40 кА (что намного больше, чем допускают диодные супрессоры) и
предназначены для длительной работы под напряжением до 460 В
переменного тока.
379
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 15.11. Блок DSH 2x16 (CITEL)
с двумя токоограничивающими дросселями
К СИСТЕМЕ ПОЖАРОТУШЕНИЯ
Рис. 15.12. Схема и элементы фильтра для цепей питания мощных систем
управления автоматическим пожаротушением:
R1 - R6 - блочные варисторы; L1 - L4 - специальные дроссели
Остаточное напряжение (clamping voltage) на таком варисторе
после его срабатывания под действием импульса перенапряжения
с учетом токоограничивающего эффекта дросселей не должно
380
Глава 15. Повышение устойчивости систем автоматического пожаротушения
превышать максимум нескольких киловольт, что вполне допустимо
для силового оборудования, которое по требованиям обычных
стандартов МЭК по электромагнитной совместимости обязано вы-
держивать импульсные перенапряжения не менее 2-4 кВ и имеет
или встроенные элементы защиты от перенапряжений такого уров-
ня, или соответствующие уровни изоляции. Небольшие дроссели
(LI - L4) с обмотками геликоидального типа и сердечниками из
специального прессованного порошка, залитые эпоксидным ком-
паундом, производятся американской компанией CWS на номи-
нальные токи от 40 до 200 А. Аналогичные наборы варисторов
должны быть включены не только на входе питающего трехфазно-
го кабеля в систему управления автоматического пожаротушения,
но и на всех выходах силовых кабелей из этой системы, а также
и на другом конце этих кабелей, непосредственно у двигателей.
15.4. Выводы по главе 15
Для особо ответственных систем автоматического пожароту-
шения критических видов электрооборудования должны быть при-
няты специальные меры повышения их устойчивости к ЭМИ ЯВ.
Эти меры должны быть основаны на невмешательстве во внутрен-
нюю схему систем пожаротушения. В качестве таких мер мо-
гут быть использованы дистанционное отключение этих систем
при опасности воздействия ЭМИ ЯВ с последующим дистанцион-
ным возвратом в рабочее состояние, а также установка фильт-
ров ЭМИ ЯВ, описанных в данной статье, в цепях главного питания
систем.
Литература к главе 15
1. Гуревич В. И. Защита оборудования подстанций от электромаг-
нитного импульса. - М.: Инфра-Инженерия, 2015. - 302 с.
2. Гуревич В. И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты.
Проблемы и решения. - М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 256 с.
3. BS EN 50130-4:2011 Alarm systems. Electromagnetic compatibility.
Product family standard: Immunity requirements for components of
fire, intruder, hold up, CCTV, access control and social alarm sys-
tems.
381
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
4. IEC 62599-2:2010 Alarm systems - Part 2: Electromagnetic compa-
tibility - Immunity requirements for components of fire and security
alarm systems.
5. NFPA 15, 2017 Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire
Protection.
6. НПБ 88-2001 Установки пожаротушения и сигнализации. Нор-
мы и правила проектирования (Fire-extinguishing and alarm sys-
tems. Designing and regulations norms). Утв. приказом ГУГПС
МВД РФ от 4 июня 2001 г. № 31.
382
Глава 16. ЗАЩИТА ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ
ОТ ЭМИ ЯВ
16.1. Введение
Проблема защиты дизель-генераторов (ДГ) от воздействия ЭМИ
ЯВ имеет особую актуальность. Во-первых, ДГ являются резервными
источниками электропитания, предназначенными для питания особо
ответственных потребителей в экстренных ситуациях, и поэтому
они должны иметь стопроцентную готовность к использованию,
включая и ситуацию, связанную с применением высотного ЯВ.
Во-вторых, ДГ часто хранятся вне зданий, частично ослабляющих
воздействие ЭМИ. ДГ, хранящиеся на открытых площадках, могут
стать также объектом нападения с использованием преднамеренного
электромагнитного деструктивного воздействия (ПЭДВ), для созда-
ния которого сегодня имеются компактные возимые источники с из-
лучаемой импульсной мощностью в направленной антенне, достига-
ющей нескольких гигаватт [1].
Сегодня на рынке широко представлены тысячи типов ДГ,
мощностью от нескольких киловатт до десятков мегаватт. Одни из
них выполнены в виде небольшого переносного агрегата открытой
конструкции, который можно хранить в защищенном от электро-
магнитного излучения металлическом контейнере и использовать
по мере необходимости после извлечения из этого контейнера.
Как правило, такие ДГ малой мощности имеют простую конструк-
цию без использования чувствительной электроники и относитель-
но дешевы, поэтому использовать какие-то специальные меры
для защиты таких ДГ (кроме помещения их в металлический кон-
тейнер) нет смысла.
16.2. Повышенная уязвимость ДГ
средней и большой мощности
Индустриальные ДГ средней мощности (от десятков до сотен
киловатт) - это уже крупные и тяжелые агрегаты, предназначенные
для перевозки. Как правило, они снабжены кожухом, в котором кро-
ме собственно самого ДГ смонтированы многочисленные датчики и
микропроцессорные контроллеры, управляющие режимом работы
383
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
ДГ, производящие измерение и индикацию его параметров, защища-
ющие от перегрузки и аварийных режимов. В ДГ большой мощности
(1-50 МВт) защиту от аварийных режимов часто осуществляют мик-
ропроцессорные устройства релейной защиты (МУРЗ) таких же ти-
пов, как и те, что применяются на обычных электростанциях. Смон-
тированы они обычно в стандартных шкафах релейной защиты,
установленных внутри кожуха ДГ, таких же, как и те, что применя-
ются в электроэнергетике на электростанциях и подстанциях.
Использование в ДГ средней и большой мощности микропро-
цессорных контроллеров и МУРЗ, особенно уязвимых к ЭМИ ЯВ
и ПЭДВ [2], резко снижает эффективность ДГ как резервного ава-
рийного источника электроэнергии для особо ответственных потре-
бителей и поэтому требует срочного принятия специальных мер.
При этом следует принять во внимание два принципиально различ-
ных с точки зрения защитных мер режима использования ДГ, в од-
ном из которых ДГ хранятся на складах в обесточенном состоянии,
а в другом - постоянно подключены к местной электросети потре-
бителя и могут автоматически запускаться в любой момент времени
при необходимости возобновления прерванного основного электро-
снабжения или для выравнивания пиков нагрузки. Рассмотрим воз-
можные меры защиты ДГ средней и большой мощности для этих
двух случаев.
16.3. Защита ДГ, хранящихся в отключенном состоянии
на открытых площадках
Следует отметить с самого начала, что хранить ДГ на цент-
рализованных складах, как это бывает обычно - неправильный
подход. ДГ являются резервными источниками электроэнергии, ко-
торые должны быть готовы к использованию в минимально корот-
кий промежуток времени после возникновения чрезвычайной ситу-
ации (в рассматриваемом случае - после воздействия ЭМИ ЯВ).
Если учесть, что воздействие ЭМИ ЯВ является всеобъемлющим,
создающим проблемы для транспорта, систем связи и компьютери-
зированного складского оборудования, то становится понятным,
что следует стремиться к децентрализации мест хранения резерв-
ных ДГ и максимальному их приближению к потенциальным по-
требителям.
384
Глава 16. Защита дизель-генераторов от ЭМИ ЯВ
Самым простым решением для обеспечения защиты от ЭМИ
внутреннего оборудования ДГ, хранящегося в отключенном состоя-
нии, является внешний металлический кожух, одеваемый сверху на
ДГ. Однако у этого решения имеется ряд серьезных недостатков.
Во-первых, такой кожух для ДГ средней мощности, длиной 5-8 мет-
ров, шириной 1,5-2 метра и высотой около 3 метров, должен быть
снабжен специальными элементами жесткости и должен быть сварен
из достаточно толстого металла для обеспечения необходимой жест-
кости конструкции. Такой кожух будет настолько тяжелым, что по-
требуется использование подъемного крана для его снятия с ДГ
и подготовки ДГ к запуску. Вряд ли это можно признать оправдан-
ным в критической ситуации. Кроме того, такой кожух обеспечит
защиту ДГ с пяти сторон. А как быть с защитой снизу? С неизбеж-
ными многочисленными и большими зазорами между стенками ко-
жуха и основанием ДГ? С другой стороны, ДГ средней и большой
мощности, как правило, уже снабжены металлическим кожухом.
Другое дело, что в этом кожухе имеется большое количество выре-
зов, отверстий и жалюзи, которые резко ухудшают его экранирую-
щие свойства.
В связи с изложенным, нами предлагается следующая концеп-
ция защиты ДГ средней мощности.
1. Усиление экранирующей способности собственного кожуха
ДГ за счет закрытия всех имеющихся в кожухе вырезов, отвер-
стий и жалюзи съемными металлическими накладками, кото-
рые могут быть легко демонтированы при подготовке ДГ к за-
пуску.
2. Отключение разъемов всех электронных приборов и датчи-
ков от внутренней проводки и кабельных жгутов.
3. Установка в отключенные разъемы как со стороны электрон-
ных приборов и датчиков, так и со стороны кабельных жгутов
ответных частей разъемов таких же типов со всеми закорочен-
ными ножками. Общие точки соединения всех проводов ка-
бельных жгутов должны быть соединены с шасси ДГ.
4. Соединение в общую точку всех силовых выводов ротора
и статора генератора и соединение общей точки с шасси ДГ.
5. Извлечение электронного блока из силового автоматическо-
го выключателя на выходе генератора и помещение его
в экранированную оболочку.
385
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
ОКНА
ОКНА
Рис. 16.1. Окна напротив экранов управляющих контроллеров,
вырезанные в кожухах большинства типов ДГ
При реализации и. 1 предложенной концепции следует особое
внимание обращать на окно, вырезанное в кожухе ДГ напротив
экрана микропроцессорного контроллера. Такие окна имеются
в большинстве типов ДГ (рис. 16.1). Они предназначены для визу-
ального наблюдения за показаниями контроллера и представляют
собой наибольшую опасность с точки зрения уязвимости ДГ. Эти
окна должны быть наглухо закрыты с помощью стальной пластины,
приваренной или укрепленной на болтах с применением прокладки
по контуру из электропроводной резины. За показаниями на экране
контроллера не наблюдают в постоянном режиме, а при запуске ДГ
достаточно проконтролировать его параметры, открыв двери в ко-
жухе ДГ в месте расположения контроллера. Можно, конечно, при
особой необходимости, приварить небольшую дверцу напротив
экрана контроллера вместо стальной пластины, или использовать
электропроводное стекло, закрывающее окна, или наклеить на
обычное стекло прозрачную электропроводную пленку [3]. Однако
нужно понимать, что все эти альтернативные варианты будут менее
эффективными, чем первый.
386
Глава 16. Защита дизель-генераторов от ЭМИ ЯВ
Второй мерой усиления экранирующей способности кожуха ДГ
является закрытие вентиляционных решеток и жалюзи (рис. 16.1)
сплошной стальной пластиной с креплением на приваренных бол-
тах и электропроводной резиновой прокладкой по контуру. Перед
запуском ДГ эти экранирующие пластины должны быть демонти-
рованы. Еще одним крупным отверстием в кожухе ДГ является
вырез для внешних силовых кабелей, подключаемых к ДГ. Это от-
верстие также должно быть закрыто съемной стальной накладкой
с креплением на болтах.
Рис. 16.2. Стандартные разъемы различных типов,
используемые для подключения датчиков в ДГ
При реализации последующих пунктов предлагаемой концеп-
ции, связанных с отключением высокочувствительного электронно-
го оборудования от внутренней электрической сети, нужно иметь
387
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
в виду, что все точки вмешательства во внутренний монтаж ДГ
должны быть записаны в чек-лист и каждая операция по отключе-
нию и восстановлению цепей должна отмечаться в этом чек-листе.
Рис. 16.3. Распространенный контроллер ДГ типа ЕМСР 4
Многочисленные датчики в ДГ подключаются к кабельным
жгутам с помощью стандартных разъемов (рис. 16.2), поэтому заку-
пить ответные части к этим стандартным разъемам и использовать
их в качестве заглушек для закорачивания выводов датчиков и про-
водов в жгутах не составляет проблемы.
388
Глава 16. Защита дизель-генераторов от ЭМИ ЯВ
160-7689
ооооооооооооо
•ООООО О ОООООч
ОООО (|5ЖГ| о ООО *
ОООО Ю1 ОООО
ОООО ОООО-
’ООООО о ООООО-
ООООООООООООО
9Х-4391
Рис. 16.4. Нестандартные разъемы типов 160-7689 и 9Х-4391
контроллеров ДГ, которые могут быть
свободно приобретены на рынке
В различных типах ДГ используются различные типы контрол-
леров, и часто производители этих контроллеров используют в них
389
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
для подключения внешних цепей нестандартные разъемы собствен-
ного производства. Например, один из таких разъемов, обозначен-
ный в документации как 160-7689, использован в распространен-
ном контроллере типа ЕМСР 4, широко применяемом в ДГ различ-
ных типов (рис. 16.3). Непосредственно на дизелях некоторых ти-
пов имеется еще один такой нестандартный разъем, обозначенный
как 9Х-4391. Однако наличие таких нестандартных разъемов не яв-
ляется непреодолимой проблемой, поскольку эти и многие другие
типы разъемов, применяемые в ДГ, свободно продаются в качестве
запасных частей и могут быть приобретены не только у производи-
телей контроллеров, но даже и на виртуальных торговых площадках
типа eBay (рис. 16.4) по сравнительно невысокой цене в 50-60 дол-
ларов США.
16.4. Защита ДГ, подключенных к сети потребителя
Здесь возможны два случая:
• стационарные ДГ, установленные на постоянном месте и за-
пускаемые автоматически по мере необходимости;
• перевозимые ДГ, которые лишь временно устанавливаются
для питания потребителя и предназначены для частых за-
пусков или для непрерывной работы в определенные огра-
ниченные периоды. В определенных случаях такие ДГ мо-
гут запускаться в работу заранее, при получении разведдан-
ных об опасности готовящегося электромагнитного воздей-
ствия, и поэтому могут находиться в работе в момент воз-
действия ЭМИ.
В первом случае наиболее эффективной защитой является раз-
мещение ДГ в закрытом контейнере из железобетона с мелкоячеи-
стой арматурой и металлическими дверями или сваренного из ме-
таллического листа. Такие контейнеры не должны иметь окон, а их
вентиляционные отверстия, служащие для забора внешне-
го воздуха для охлаждения ДГ и для сброса нагретого воздуха
наружу, а также отверстия для отвода выхлопных газов долж-
ны быть закрыты специальными блоками с ячеистой структу-
рой. Такие блоки, закрывающие вентиляционные отверстия, хоро-
шо видны на рис. 16.5.
390
Глава 16. Защита дизель-генераторов от ЭМИ ЯВ
Рис. 16.5. Защитные контейнеры для небольших стационарных ДГ.
Вентиляционные отверстия закрыты специальными блоками
с ячеистой структурой
Рис. 16.6. Блоки с ячеистой структурой, предназначенные для установки
на вентиляционных отверстиях
Блоки с ячеистой структурой (рис. 16.6) выполнены из набора
сваренных по длине трубок круглого или прямоугольного (иногда
шестиугольного) сечения. Назначение этих блоков - обеспечивать
прохождение потока охлаждающего воздуха (или выхлопных
391
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
газов), но при этом препятствовать проникновению электромагнит-
ного излучения в защищаемую зону. Особенности конструкции
таких ячеистых структур (на основе так называемых запредельных
волноводов) и расчет их параметров рассмотрены выше.
Вентиляционные панели на основе таких ячеистых структур
производятся многими предприятиями, в частности: Holland Shield-
ing Systems, MAJR Products Corp., Micro Tech Components GmbH,
Parker Hannifin Corp, EMC EMI Ltd, Kemtron Ltd, Foshan Huarui
Honeycomb Technology Co., Ltd, Foshan Alucrown Building Materials
Co., Ltd, Arrow Dragon Metal Products Co., Ltd и многими другими.
Дизель-генераторы средней и большой мощности снабжены
крупными и мощными вентиляторами, обеспечивающими переме-
щение внутри кожуха ДГ большого объема охлаждающего воздуха,
движущегося с большой скоростью. Как правило, для захвата
и сброса этого воздуха в кожухе имеется два отдельных выреза до-
вольно большой площади (от 0,5 до 2 кв. м). При закрытии этих вы-
резов экранирующими решетками, сетками, ячеистыми структура-
ми, неизбежно увеличится сопротивление потоку воздуха и ухуд-
шится охлаждение ДГ.
Рис. 16.7. Размеры вентиляционных панелей,
выпуксаемых компанией Arrow Dragon Metal Products Co., Ltd
Если ячейки этих экранов будут слишком маленькими, то они
вообще могут забиться грязью и пылью, что еще больше усугубит
392
Глава 16. Защита дизель-генераторов от ЭМИ ЯВ
ситуацию. Чтобы избежать существенного ухудшения охлаждения,
площадь сечения ячеек должна быть достаточно большой. Вместе
с тем, чтобы такие ячейки работали как запредельные волноводы,
их длина должна быть пропорционально увеличена при увеличе-
нии сечения. Ячеистые структуры с достаточно большим диамет-
ром ячеек, толщиной и размерами панелей выпускают также мно-
гие компании, в частности, Arrow Dragon Metal Products Co., Ltd
(рис. 16.7).
Частичной компенсации увеличенного сопротивления потоку
воздуха можно добиться путем увеличения суммарной площади
ячеистых структур, закрывающих вырез в кожухе ДГ таким обра-
зом, чтобы их площадь была больше площади выреза. Этого можно
добиться, если вместо плоской вентиляционной платы, закрываю-
щей вырез, использовать короб со всеми стенками, выполненными
из таких же ячеек (рис. 16.8).
Рис. 16.8. Вентиляционная панель с ячеистой структурой,
с увеличенной площадью и открывающейся боковой стенкой
393
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Увеличение площади при этом достигается за счет боковых
стенок короба, через которые также может двигаться воздух. Для
дополнительной компенсации одна или две из боковых стенок упо-
мянутого короба могут открываться во время длительной работы
ДГ с большой нагрузкой и при высокой температуре окружающего
воздуха (рис. 16.8).
Помимо рассмотренных выше блоков с ячеистой структурой,
ДГ, расположенный в защитном контейнере, может содержать спе-
циальные ЭМИ-фильтры, включаемые между силовыми выводами
ДГ и нагрузкой, расположенной вне защищенной зоны. Это обыч-
ное решение, предлагаемое и стандартами, и производителями ДГ.
Такие фильтры, рассчитанные на полный ток нагрузки (рис. 16.9),
являются достаточно крупными и тяжелыми устройствами и могут
крепиться на защитном контейнере таким образом, чтобы в защи-
щенную зону заходили лишь выходные кабели фильтров, «очищен-
ные» от импульсных перенапряжений и мощных высокочастотных
сигналов.
Рис.16.9. Мощные ЭМИ-фильтры для силовых цепей на токи 800 и 1 200 А
То же самое относится и ко всем контрольным кабелям, кото-
рые также могут быть пропущены через соответствующие фильтры,
прежде чем они попадут в защищенную зону. Все эти фильтры
должны быть расположены в отдельном контейнере (рис. 16.10).
В принципе, такими защитными контейнерами вполне могут
снабжаться не только стационарные, но и перевозимые ДГ относи-
тельно небольшой мощности (до 100-200 кВт).
394
Глава 16. Защита дизель-генераторов от ЭМИ ЯВ
Рис. 16.10. Защитный контейнер для стационарного ДГ:
1 - блок фильтров; 2 - блок с ячеистой структурой,
закрывающий отверстие для сброса воздуха и выхлопную трубу;
3 - блок ячеистой структурой, закрывающей отверстие
для забора внешнего воздуха
Такие защищенные ДГ выпускаются некоторыми компаниями,
например, компанией EMP Engineering. Стоимость ДГ мощностью
60 кВт в защитном контейнере этой компании составляет около
90 000 долларов США. Такие ДГ, как и расположенные в стацио-
нарных защитных контейнерах, могут нормально работать и во
время воздействия ЭМИ ЯВ.
Несмотря на распространенность использования ЭМИ-
фильтров для защиты ДГ, мы не рекомендуем этого делать из-за
высокой стоимости таких фильтров и нецелесообразности исполь-
зования фильтров вообще для защиты от единственного короткого
импульса (см. выше). Три небольших дросселя и три мощных вари-
стора - вполне эквивалентная замена дорогостоящему фильтру
ЭМИ ЯВ. Причем это касается лишь тех ДГ, которые предназначе-
ны для работы во время воздействия ЭМИ ЯВ. Для ДГ, хранящихся
на складах, достаточной мерой защиты вместо фильтров будет
съемная накладка на силовые выводы генератора, закорачивающая
их между собой (разумеется, в дополнение к описанным выше ме-
рам).
395
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Небольшой дроссель и супрессор на основе лавинного диода
могут быть также использованы для защиты внутреннего зарядного
устройства, имеющегося в ДГ для постоянного подзаряда аккуму-
ляторов ДГ, хранящихся на складах. Эти элементы должны быть
расположены в небольшом закрытом алюминиевом контейнере
в месте ввода в ДГ внешнего провода с 220 В переменного тока.
С учетом того, что воздействие ЭМИ ЯВ имеет глобальный ха-
рактер и поражает обширные регионы или даже целые страны, под-
ход к использованию резервных ДГ должен быть иной, нежели при
других обстоятельствах, таких, как техногенные или природные
катастрофы, которые, во-первых, ограничены по площади, а во-
вторых, эти площади заранее не могут быть определены. В отличие
от локальных техногенных или природных катастроф, конкретные
места установки резервных ДГ в случае воздействия глобального
ЭМИ могут быть определены заблаговременно. В связи с этим од-
ним из возможных путей решения проблемы защиты тяжелых
и крупногабаритных перевозимых ДГ большой мощности (свыше
0,5-1 МВт) без защитных контейнеров, предназначенных для рабо-
ты у различных потребителей во время воздействия ЭМИ, может
быть заблаговременная установка полностью укомплектованных
пустых защитных контейнеров у особо ответственных потребите-
лей, которые планируется обеспечивать электроэнергией от резерв-
ных ДГ во время воздействия ЭМИ. При этом ДГ должны будут
доставлены на место и смонтированы в заранее приготовленных
защитных контейнерах.
Заблаговременный перевод ответственных потребителей на
электроснабжение от ДГ и отключение централизованного электро-
снабжения при опасности ЭМИ ЯВ имеет дополнительный эффект,
связанный с существенным уменьшением риска серьезного повре-
ждения энергосистемы, если она находится в погашенном (отклю-
ченном) состоянии, и поэтому может быть востребован на практике.
Более сложный и менее надежный путь решения проблемы
обеспечения работоспособности крупных ДГ, не имеющих специ-
ального дополнительного защитного кожуха, во время возможного
воздействия ЭМИ, заключается в использовании набора известных
стандартных мер защиты электрического и электронного оборудо-
вания электростанций и подстанций [7], в дополнение к установке
блоков ячеистой структуры на вентиляционных отверстиях, сило-
396
Глава 16. Защита дизель-генераторов от ЭМИ ЯВ
вых фильтров и заваривания окна напротив контроллера. Упомяну-
тыми известными мерами защиты являются [7]:
• использование экранированных контрольных кабелей внут-
ри кожуха ДГ;
• использование металлических кабельных лотков вместо
пластмассовых;
• использование фильтров, врезаемых в контрольные кабели,
или ферритовых фильтров, одеваемых на жгуты контроль-
ных кабелей;
• установка ограничителей перенапряжений на основе оксид-
но-цинковых варисторов или мощных лавинных диодов
во всех силовых и контрольных цепях;
• включение высокочастотного дросселя в цепь заземления.
Следует признать, что этот путь решения проблемы является
наиболее сложным в реализации для потребителя, имеющего неза-
щищенный ДГ, тем не менее в некоторых конкретных случаях он
может оказаться предпочтительным. Например, если перечислен-
ные выше меры защиты будут реализованы производителем ДГ на
стадии выполнения заказа.
Литература к главе 16
1. Гуревич В. И. Защита оборудования подстанций от электромаг-
нитного импульса. - М.: Инфра-Инженерия, 2016. - 302 с.
2. Гуревич В. И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты:
проблемы и решения. - М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 256 с.
3. Гуревич В. И. Основные средства защиты подстанций от ЭМИ
ЯВ: краткое руководство // Энергетика и электрооборудова-
ние. - 2017. - № 4. - С. 12-15.
4. Ивко А. Экранирование радиоэлектронной аппаратуры, как ме-
тод обеспечения электромагнитной совместимости // Современ-
ная электроника. - 2015. - № 8. - С. 86-90.
5. MIL-STD-188-125-1. High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP)
Protection for Ground-Based C4I Facilities Performing Critical,
Time-Urgent Mission. Part 1. Fixed Facilities, US Department of
Defense, 1998.
397
Глава 17. ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМ
НА УСТОЙЧИВОСТЬ К ЭМИ ЯВ
17.1. Введение
Способность оборудования нормально функционировать в усло-
виях воздействия внешних электромагнитных помех называется
электромагнитной совместимостью (ЭМС). Методика испытаний
оборудования на ЭМС хорошо отработана и описана в многочислен-
ных стандартах. Однако, несмотря на то, что электромагнитный им-
пульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ), а точнее, его составля-
ющая Е1 - это всего лишь одна из разновидностей электромагнитных
помех, от которых должно быть защищено электронное оборудова-
ние энергосистем [1,2], он имеет некоторые существенные отличия
и особенности, требующие уточнения и корректировки известных
методов испытания на ЭМС.
Несмотря на обилие отчетов и стандартов в области ЭМИ ЯВ [3],
очень небольшое их количество посвящено рассмотрению методики
испытаний устойчивости оборудования к этому воздействию [4, 5].
Учитывая сложность этих испытаний и полное отсутствие практиче-
ского опыта в проведении таких испытаний у специалистов-энерге-
тиков, указанных двух публикаций явно недостаточно для проведения
эффективных испытаний электронного оборудования энергосистем.
А те единичные испытания, которые были проведены, в частности,
испытание микропроцессорного реле защиты типа SEL-311, вряд ли
можно признать образцом для подражания вследствие многочислен-
ных ошибок в методике испытаний и выборе параметров испытатель-
ных импульсов [6].
В связи с изложенным возникла необходимость в уточнении
особенностей испытания электронного оборудования энергосистем
на устойчивость к ЭМИ ЯВ.
17.2. Особенности испытания оборудования
на имитаторе ЭМИ ЯВ
Особенностями ЭМИ ЯВ, требующими учета при составлении
программы испытаний, являются следующие факторы.
398
Глава 17. Испытания электронного оборудования энергосистем
Очень короткая длительность возмущающего воздействия
(одиночный импульс длительностью в несколько наносе-
кунд), в течение которого должен быть зафиксирован сбой
в работе испытываемого оборудования (ИО). Поэтому коли-
чество режимов работы ИО, контролируемых в процессе
испытаний, весьма ограничено. При испытании на устойчи-
вость к ЭМИ ЯВ нельзя, например, изменять с помощью
подключенного к ИО компьютера какие-то режимы работы
ИО и наблюдать его реакцию на это изменения, как это
обычно делается при испытаниях на электромагнитную
совместимость (ЭМС) в так называемой безэховой камере,
когда ИО длительное время находится под воздействием
электромагнитного излучения.
Опасность так называемых «мягких повреждений» (soft faults,
soft failures, soft errors), особенно в элементах памяти элек-
тронного оборудования, которые далеко не всегда могут быть
выявлены мгновенно в процессе испытаний. В аппаратуре,
подвергнутой испытаниям, они могут проявиться лишь через
значительное время после проведения испытаний, например,
при обращении к поврежденным участкам памяти для выпол-
нения определенных операций или к определенным программ-
ным модулям.
Высокая стоимость таких испытаний в связи с ограниченно-
стью количества испытательных центров в стране и их при-
надлежностью к структурам Министерства обороны.
Проблема организации правильной конфигурации ИО, по-
скольку в отличие от обычных электромагнитных помех
ЭМИ ЯВ имеет глобальный, а не местный характер и воз-
действует не только на сам ИО, а и на систему его электро-
питания, заземления, связи с другими объектами. То есть
в качестве ИО для испытаний должно быть выбрано не от-
дельно взятое устройство, блок, модуль, а система устройств,
блоков, модулей, связанных между собой так же, как и
в реальной обстановке, включая заземление в различных
точках системы, расположенных на расстоянии друг от
друга.
399
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
17.3. Цели испытаний
В связи со сложностью и высокой стоимостью проведения ис-
пытаний оборудования на стойкость к ЭМИ ЯВ очевидно, что таким
испытаниям должны быть подвергнуты далеко не все виды оборудо-
вания, а лишь некоторые, нарушение работоспособности которых
может привести к крупным авариям. С выбора видов оборудования
для испытаний и должно начинаться составление плана испытаний.
Следующим этапом должно стать четкое и понятное формулирова-
ние цели испытаний, поскольку от поставленной цели будет зависеть
и выбор объекта испытаний, и методика испытаний. Возможные цели
испытаний могут быть сформулированы следующим образом.
17.3.1. Испытание устойчивости существующего оборудования без
каких бы то ни было средств защиты к максимально воз-
можному воздействию ЭМИ. Целью этого испытания явля-
ется выявление элементов, узлов и систем оборудования,
чувствительных к ЭМИ и требующих защиты.
17.3.2. Испытание эффективности защиты оборудования с помо-
щью минимального набора предварительно установленных
средств защиты, предназначенных для действующих элект-
роустановок к максимально возможному воздействию ЭМИ.
В этом испытании может быть проверена эффективность
применения минимального набора защитных средств, а так-
же установлены виды и типы нарушений в работе оборудо-
вания, которые следует ожидать при воздействии ЭМИ.
17.3.3. Испытание эффективности защиты оборудования с помо-
щью полного набора предварительно установленных
средств защиты, предназначенных для вновь вводимых
электроустановок, к максимально возможному воздействию
ЭМИ. Это испытание призвано подтвердить эффективность
наиболее сложного и наиболее дорогостоящего варианта
защиты оборудования и оправдать средства, потраченные на
системы защиты.
17.3.4. Испытание существующего оборудования без средств защи-
ты серией импульсов с последовательно возрастающей ам-
плитудой от 20 % от максимально возможного уровня до
100 %. Целью испытания является, во-первых, поиск наибо-
лее чувствительного к ЭМИ вида (или видов) оборудования,
400
Глава 17. Испытания электронного оборудования энергосистем
во-вторых, определение максимального значения амплиту-
ды ЭМИ, выдерживаемого без повреждений самой аппара-
турой, с целью последующего расчета требуемого уровня
дополнительной защиты, дополняющей ослабление, вноси-
мое самой аппаратурой, до максимального уровня, регла-
ментируемого стандартом.
17.4. Особенности методики испытаний
Рис. 17.1. Схема испытательного стенда:
1 - передвижная батарея 220 В, 2 - шкафы с электронной аппаратурой,
расположенные на расстоянии друг от друга; 3 - испытуемые электронные
устройства (в частности, МУРЗ); 4 - устройства связи; 5 - исполнительное
устройство (в частности электромеханическое реле) управляемое
выходными цепями ИО; 6 - зарядно-подзарядный агрегат;
7 - набор металлических решеток, образующих модель системы
заземления; симуляторы различных режимов работы испытуемых
электронных устройств, синхронизированные с системой запуска ЭМИ;
9 - устройства регистрации состояния испытуемых объектов;
10 - нагрузка с устройством контроля выходного напряжения
зарядно-подзарядного агрегата
401
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Поскольку, как отмечалось выше, количество режимов работы
ИО, контролируемых в процессе испытаний, весьма ограничено,
то в качестве таких режимов можно выбрать несанкционированное
появление или, наоборот, исчезновение сигналов на выходах как ми-
нимум двух ИО, объединенных системой связи в стационарном
(ждущем) режиме, а также в режиме интенсивного обмена информа-
цией (например, в аварийном режиме). В последнем случае симуля-
ция запуска аварийного режима должна быть синхронизирована
с запуском тестового импульса.
В связи с опасностью наличия «мягких» повреждений в сложной
микропроцессорной электронной аппаратуре после воздействия на
нее испытательного импульса даже в том случае, если в процессе те-
стирования не будет зафиксировано видимых повреждений или сбоев
в ее работе непосредственно в процессе проверки, необходимо под-
вергнуть ее тщательной полной проверке на функционирование по-
сле проведения испытаний. В этой связи испытание с целью опреде-
ления требуемого уровня дополнительной защиты (и. 17.3.4) должно
сопровождаться тестированием на функционирование после каждого
уровня воздействия ЭМИ. Несомненно, это значительно усложняет
испытание, так как после каждого импульса с более высокой ампли-
тудой испытуемый объект должен быть подвергнуть функциональ-
ному тестированию, а для этого к ИО после каждого цикла испыта-
ний должны быть подключены тестовые системы. Упростить процесс
испытаний можно, если использовать мобильные программируемые
тестовые системы и заранее запрограммировать их для требуемого
функционального тестирования. Такие системы выпускаются многи-
ми компаниями (DOBLE, ISA, Omicron, Megger и др.) и широко при-
меняются в релейной защите.
Поскольку система заземления при воздействии на нее ЭМИ ЯВ
играет роль огромной антенны, абсорбирующей электромагнитную
энергию с большой площади и доставляющей ее прямо к заземлен-
ной электронной аппаратуре, необходимо включение в программу
испытаний влияния системы заземления на два экземпляра ИО, раз-
несенных в пространстве и подключенных к этой системе заземления
в двух удаленных одна от другой точках. Поскольку конструкция
испытательного стенда не предусматривает использование сетки,
заложенной в бетонное основание в качестве системы заземления
ИО, для испытаний должна быть смонтирована отдельная система
402
Глава 17. Испытания электронного оборудования энергосистем
заземления в виде сетки достаточно большой площади. Учитывая,
что ЭМИ ЯВ имеет и вертикальную, и горизонтальную составляю-
щие, сетка заземления должна быть расположена не горизонтально
на бетонном основании стенда, а под углом 3CML50. Возможно кон-
структивное выполнение этой большой сетки в виде отдельных сек-
ций, соединенных проводом между собой.
Электронные устройства энергосистем во многих случаях снаб-
жены связью с другими электронными устройствами, датчиками, ис-
точниками электропитания, силовыми электрическими или электро-
механическими аппаратами, образующими сложную систему. Так,
например, построена система релейной защиты SCADA. Поэтому
испытанию должна быть подвергнута система, а не отдельное
устройство. В случае релейной защиты в качестве такой системы мо-
гут быть использованы два шкафа с установленными в каждом из
них микропроцессорным устройством релейной защиты (МУРЗ), ак-
кумуляторная батарея, выполняющая роль источника питания, а так-
же зарядно-подзарядный агрегат. Шкафы должны быть максимально
разнесены в пространстве, соединены с сеткой заземления и снабже-
ны системой связи между собой. Входы токов и напряжений МУРЗ
должны быть подключены к управляемому источнику токов и
напряжений, защищенному от воздействия на него испытательного
импульса. Такая защита обеспечивается размещением источника
в защищенном отсеке и соединением его с ИО через специальный
фильтр (coupling-decoupling circuit), обеспечивающий прохождение
сигналов между ИО и аппаратурой, размещенной в защищенном от-
секе, но блокирующий тестовый электромагнитный импульс. Этот
источник должен быть снабжен дистанционным управлением для
синхронизации его запуска с запуском тестового импульса. Также
должен быть предусмотрен контроль состояния выходных цепей
МУРЗ в процессе испытаний (рис. 17.2). Как правило, в стационар-
ных испытательных стендах уже заложены специальные экраниро-
ванные кабели и фильтры, предназначенные для передачи информа-
ции с ИО, находящегося на стенде, в защищенное экранированное
помещение.
Как правило, электронное оборудование энергосистем рас-
положено в металлических шкафах, а сами шкафы - в кирпичных
или бетонных зданиях, существенно ослабляющих воздействие ЭМИ
ЯВ, в то время как другая часть оборудования (система заземления,
403
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
датчики, измерительные трансформаторы тока и напряжения, мно-
гочисленные кабели, выходящие из здания) расположена на откры-
той местности. Это означает, что в реальных условиях различные
элементы общей системы будут подвергнуты различным по интен-
сивности электромагнитным воздействиям. Классическая конструк-
ция излучающей антенны испытательного стенда (см. главу 3),
содержит в центральной части участок с фиксированным расстоя-
нием между двумя параллельными сетками, а также два участка по
краям с уменьшающимся расстоянием между верхней и нижней сет-
ками. Такая конструкция дает возможность подвергнуть различ-
ные элементы испытуемой системы различным по интенсивности
воздействиям от одного и того же тестового импульса, поскольку
напряженность поля между верхней и нижней сетками очень сильно
зависит от расстояния между ними. Расположив элементы испытуе-
мой системы на различных участках испытательного стенда, можно
получить условия испытания, максимально приближенные к реаль-
ным.
Еще одна особенность ЭИМ ЯВ, которую следует учитывать при
испытаниях - наличие при реальном высотном ЯВ не только верти-
кальной составляющей электромагнитного поля, направленной от
точки взрыва на большой высоте к земле, но и значительной гори-
зонтальной составляющей этого поля. Поэтому при расположении
элементов испытуемой системы между нижней и верхней сетками
излучающей антенны испытательного стенда необходимо устанавли-
вать их под определенным углом к поверхности земли с тем, чтобы
обеспечить воздействие на них обеих этих составляющих.
При испытаниях должны быть предусмотрены средства фикса-
ции изменения параметров ИО в процессе воздействия ЭМИ (рас-
положенные, естественно, в защищенной зоне). В качестве таких
средств могут быть использованы внешние самописцы, запомина-
ющие импульсные осциллографы с автоматически запускаемым
триггером, а также параллельно с этим и собственные встроенные
в ИО регистраторы аварийных событий.
В зависимости от выбранной цели испытания, система должна
быть снабжена теми или иными средствами защиты: специальны-
ми фильтрами, ограничителями перенапряжений, экранированны-
ми кабелями и т. и., или не иметь никаких специальных средств
защиты.
404
Глава 17. Испытания электронного оборудования энергосистем
17.5. Виды испытаний и параметры
испытательных импульсов
В соответствии со стандартом 61000-4-25, испытания на устой-
чивость электронной аппаратуры к ЭМИ ЯВ должны содержать две
составные части: испытание на устойчивость к электромагнитным
излучениям (ЭМИЗ) и к контактным импульсным воздействиям
(КИВ). В свою очередь, контактные импульсные воздействия под-
разделяются на два вида: импульсные напряжения, прикладывае-
мые к входам аппаратуры, и импульсные токи, наводимые в протя-
женных проводах и кабелях.
Определение конкретных норм испытаний начинается с выбора
одной из 6 концепции испытаний. Стандарты 61000-2-11 и 61000-5-3
определяют эти концепции. Для ИО, расположенных в капитальных
железобетонных или кирпичных зданиях, снабженных защитой
от молний, без специальных защитных фильтров может быть выбра-
на концепция номер 2Ь. Этой концепцией предусматривается ослаб-
ление конструкцией здания уровня ЭМИЗ на 20 дБ в полосе частот
100 кГц-30 МГц.
Рис. 17.2. Форма компонента ЭМИЗ в соответствии со стандартами
IEC 61000-2-9, IEC 61000-2-10, IEC 61000-2-11 и MIL-STD-461F
405
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Для выбранной концепции и компонента Е1 напряженность
электрического поля излучения, воздействующего на испытуемый
объект, устанавливается 5 кВ/м (уровень R4), напряженность маг-
нитного поля - 13,3 А/м. Для сравнения: для деревянных зданий, не
ослабляющих ЭМИЗ, напряженность электрического поля состав-
ляет 50 кВ/м (уровень R7). Для той же концепции и компонента Е2
напряженность электрического поля устанавливается 10В/м, маг-
нитного поля - 0,08 А/м.
Рис. 17.3. Electrical Fast Transient (EFT) - быстрый импульс (IEC 61000-4-4)
406
Глава 17. Испытания электронного оборудования энергосистем
Параметры импульса ЭМИЗ описаны в стандартах 61000-2-9,
61000-2-10, 61000-2-11, MIL-STD-461F: время нарастания импульса
(передний фронт) 2,5 нс, ширина импульса 25 нс, форма импульса
соответствует приведенному на рис. 17.2.
На следующем этапе выбирается уровень испытательного воз-
действия для КИВ в соответствии со стандартом 61000-4-25. Для вы-
бранной концепции номер 2Ь и при наличии подключенных к рас-
сматриваемому объекту незаглубленных в грунт проводов выбирает-
ся уровень испытательного воздействия Е8 (для обеспечения нор-
мальной 50%-ной вероятности устойчивости объекта) или Е9 (для
99%-ной вероятности). Уровень Е8 предполагает устойчивость испы-
туемого объекта к импульсному напряжению 8 кВ, а уровень Е9 -
16 кВ. Вероятность 50 % считается в стандарте нормальной и может
применяться для гражданской аппаратуры.
Под испытательным импульсом напряжения КИВ подразуме-
вается так называемый Electrical Fast Transient (EFT) - быстрый им-
пульс, параметры которого (кроме амплитуды испытательного
напряжения) и методика испытаний описаны в стандарте IEC
61000-4-4 (рис. 17.3). В таблице 1 этого стандарта амплитуда испы-
тательного напряжения для HEMP (обозначен как special) отмечена
значком «X» и соответствует для него уровням Е8 или Е9.
Ранее генераторы EFT с требуемым уровнем выходного напря-
жения 8 кВ выпускались компаниями TESEQ, Kentech Instruments
Ltd. и Thermo Electron Corp, на основе вакуумного управляемого
разрядника, формировавшего тестовые импульсы. С появлением
мощных полупроводниковых коммутирующих элементов - IGBT-
транзисторов, выпуск генераторов на вакуумных разрядниках был
прекращен всеми тремя компаниями, поскольку импульсы, форми-
руемые транзисторами, оказались намного более стабильными
и «правильными», чем импульсы, формируемые вакуумным раз-
рядником. К сожалению, одновременно с повышением стабильно-
сти генерируемых импульсов пришлось снизить их амплитуду.
Выполненный нами анализ показал, что на сегодняшний день
ни один из выпускаемых на продажу генераторов EFT не удовле-
творяет полностью требованиям стандартов по амплитуде импульса
(8 кВ). Наиболее близким к требуемому значением амплитуды им-
пульса обладает генератор типа PEFT 8010, производимый швед-
ской компанией Haefely EMC Technology.
407
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
17.6. Критерии качества функционирования
Допустимый для данного типа ИО и для данного типа испыта-
ний вид реакции на электромагнитные воздействия во время и по-
сле испытания называется критерием качества функционирования
(ККФ). Такими реакциями могут быть:
- графические искажения на дисплее ИО, мигание или пога-
сание экрана;
- отображение на экране неверных данных;
- искажение или потеря сигналов или данных;
- нарушение функционирования или полная потеря каналов
связи;
- ложное срабатывание датчиков;
- ложная активация систем;
- резкое снижение способности систем к обработке и передаче
информации, а также неправильное ее функционирование;
- сбои в работе программного обеспечения;
- зависание системы;
- автоматическая перезагрузка компьютеризированной системы;
- полный отказ функционирования системы вследствие по-
вреждения источника питания или перегорания предохрани-
телей в цепях питания;
- физическое разрушение внутренних электронных компонен-
тов ИО.
В базовом стандарте IEC 61000-4-25 [4] (параграф 9) предло-
жены лишь 5 типов ККФ, обобщающих перечисленные выше реак-
ции ИО:
А) Нормальное функционирование в соответствии с установлен-
ными нормами.
В) Временное ухудшение качества функционирования или пре-
кращение выполнения установленной функции с последую-
щим восстановлением нормального функционирования без
вмешательства оператора.
С) Временное ухудшение качества функционирования или пре-
кращение выполнения установленной функции, восстановле-
ние которых требует вмешательства оператора или переза-
грузки системы.
408
Глава 17. Испытания электронного оборудования энергосистем
D) Ухудшение качества функционирования или прекращение
выполнения установленной функции, которые не могут быть
восстановлены оператором из-за потери данных или повре-
ждения оборудования.
Е) Ухудшение качества функционирования, которое может по-
влечь за собой возникновение опасности для персонала,
например, пожар.
При планировании испытаний должны быть заранее установ-
лены критерии качества функционирования отдельно для каждого
вида испытаний, по которым будет сделан вывод о том, выдержал
или не выдержал ИО тот или иной вид испытаний. Для электронно-
го оборудования энергосистем релевантными являются, очевидно,
лишь критерии А и В, и поэтому выбор должен быть сделан между
ними.
17.7. Выводы по главе 17
1. В связи со сложностью и высокой стоимостью проведения
испытаний оборудования на стойкость к ЭМИ ЯВ испыта-
ниям должны быть подвергнуты лишь некоторые виды обо-
рудования, нарушение работоспособности которых может
привести к крупным авариям.
2. Планирование испытаний электронного оборудования энер-
госистем на устойчивость к ЭМИ ЯВ должно начинаться
с четкого и понятного формулирования цели испытаний,
которых может быть несколько.
3. Электронное оборудование энергосистем должно испыты-
ваться не в виде отдельных изделий, а в виде системы,
включающей несколько электронных устройств (как мини-
мум двух), объединенных системой связи между ними, об-
щей системой заземления, общим источником питания, ис-
точниками управляющих сигналов и т. и. При планировании
испытания должна быть составлена функциональная схема
такой системы и перечень необходимого оборудования,
участвующего испытаниях.
4. В зависимости от конкретного вида ИО должен быть за-
ранее составлен перечень параметров, контролируемых
409
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
в процессе воздействия ЭМИ, продумана методика контроля
этих параметров и выбраны соответствующие виды аппара-
туры для фиксации изменения этих параметров в процессе
испытаний.
5. Воздействие ЭМИ на электронное оборудование может
проявляться не только мгновенно в процессе испытаний,
но иметь скрытые последствия. Поэтому помимо контроля
состояния ИО в процессе испытаний необходима полная
проверка функционирования ИО после завершения испы-
таний на стенде-симуляторе ЭМИ ЯВ, а также после пода-
чи на ИО тестового высоковольтного импульса контакт-
ным способом.
6. Для испытаний электронного оборудования энергосистем на
устойчивость к ЭМИ ЯВ необходимы два типа воздействий,
проводимых в дополнение к полному комплексу стандарт-
ных испытаний на электромагнитную совместимость:
а) импульсное электромагнитное излучение с длительно-
стью фронта импульса 2 нс, шириной импульса 25 нс
и с напряженностью поля 5-50 кВ/м;
б) быстрый импульс 5/50 нс (EFT) с амплитудой импульса
8 кВ, подаваемый контактным способом на входы ИО.
7. Среди возможных критериев качества функционирования
для электронного оборудования энергосистем должны быть
выбраны стандартные критерии А или В.
Литература к главе 17
1. Гуревич В. И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты:
проблемы и решения. - М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 256 с.
2. Гуревич В. И. Защита оборудования подстанций от электромаг-
нитного импульса. - М.: Инфра-Инженерия, 2016. - 302 с.
3. Gurevich V.I. EMP and Its Impact on Electrical Power System:
Standards and Reports. - Problems in Power, 2016.
4. IEC 61000-4-25 Electromagnetic compatibility (EMC). - Part 4-25:
Testing and measurement techniques. - HEMP immunity test meth-
ods for equipment and systems.
410
Глава 17. Испытания электронного оборудования энергосистем
5. MIL-STD-461F Requirements for the Control of Electromagnetic
Interference Characteristics of Subsystems and Equipment, RS 105,
2007.
6. Гуревич В. И. Проблемы тестирования микропроцессорных реле
защиты на устойчивость к преднамеренным электромагнитным
деструктивным воздействиям. Продолжение темы // Компонен-
ты и технологии. - 2015. - № 3. - С. 158-161.
411
Глава 18. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ УСТАНОВЛЕННОГО
ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМ
ОТ ЭМИ ЯВ
18.1. Введение
В последнее время интенсивно развиваются средства защиты
электрооборудования энергосистем от ЭМИ ЯВ [2]. Однако по-
скольку электроэнергетика относится к гражданским отраслям,
то использовать в ней хорошо проверенные и испытанные средства
защиты, используемые в военной технике, не представляется воз-
можным из-за большой стоимости таких средств защиты. При-
ходится искать компромиссные решения и разрабатывать новые,
более доступные для электроэнергетики, средства защиты. В этой
связи с особой актуальностью встает вопрос об испытаниях эф-
фективности таких новых средств защиты, опыт эксплуатации ко-
торых отсутствует. В данной главе представлен обзор существую-
щих сегодня на рынке средств контроля эффективности защиты
электрооборудования от ЭМИ ЯВ и рекомендации по выбору этих
средств.
18.2. Контроль устойчивости оборудования к прямому
воздействию импульса электромагнитного поля
Рис. 18.1. Компактные стенды для испытания электронной аппаратуры
на устойчивость к ЭМИ ЯВ:
а - Montena Technology, б - Applied Physical Electronics
б
412
Глава 18. Методы и средства контроля эффективности защиты от ЭМИ ЯВ
Для испытания устойчивости электрооборудования к компо-
ненту Е1 существуют специальные имитаторы, которые можно раз-
делить на два вида: компактные лабораторные и крупные стацио-
нарные.
Крупные стационарные имитаторы и методика испытания на
них подробно описаны в главах 3 и 17.
Компактные имитаторы лабораторного типа выпускаются на
продажу несколькими компаниями (рис. 18.1).
Параметры импульсов, генерируемых этими компактными
стендами, полностью соответствуют требованиям стандартов
MIL-STD-188-125-1 [4] и MIL-STD-461F [5], однако они имеют
очень высокую стоимость (свыше 100 тыс. долларов США). К тому
же они предназначены для испытаний объектов с очень ограничен-
ными размерами, например таких, как отдельно установленное
микропроцессорное устройство релейной защиты (МУРЗ). Однако,
как было показано в [6] для электроэнергетики, где электронные
устройства (в частности, МУРЗ) используются в составе достаточно
разветвленных систем, использующих многочисленные протяжен-
ные кабели (работающие как антенны, абсорбирующие энергию
ЭМИ ЯВ), не имеет большого смысла испытывать устойчивость
отдельно взятых устройств без их многочисленных связей с други-
ми устройствами. Поэтому испытания таких отдельно взятых элек-
тронных устройств могут быть интересны разработчикам этих
устройств, но не такой отрасли, как электроэнергетика. Кроме того,
отдельные электронные устройства в электроэнергетике монтиру-
ются внутри металлических шкафов и поэтому должны испыты-
ваться в составе таких шкафов, а не как отдельные независимые
устройства. Все вышеизложенное приводит к выводу о нецелесооб-
разности приобретения весьма дорогостоящих компактных лабора-
торных стендов для испытания отдельных видов электронного обо-
рудования энергосистем на устойчивость к ЭМИ ЯВ. Значительно
более эффективным может быть испытание комплектного оборудо-
вания на стационарных стендах.
18.3. Оборудование для испытания фильтров ЭМИ ЯВ
Вопрос об обоснованности использования специальных филь-
тров ЭМИ ЯВ, предлагаемых многочисленными производителями,
413
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
поставлен в [7] под сомнение. Однако такие элементы, как разбор-
ные ферритовые кольца и дроссели, могут найти широкое примене-
ние в качестве элементов, ограничивающих амплитуду импульса
тока в электрических цепях, подвергнутых воздействию ЭМИ ЯВ.
При этом речь идет о цепях с очень разными рабочими токами,
существенно отличающимися и по частоте (от постоянного тока
до высокочастотного), и по амплитуде (от миллиампер до сотен
ампер).
Рис. 18.2. Определение частотного диапазона ЭМИ ЯВ
в различных стандартах: спектральная плотность мощности (а),
кумулятивное количество энергии ЭМИ ЯВ (Ь)
и требуемая эффективность экранирования (с)
414
Глава 18. Методы и средства контроля эффективности защиты от ЭМИ ЯВ
Электромагнитные свойства ферритовых колец и дросселей
существенно изменяются с изменением частоты и амплитуды рабо-
чего тока, а также они существенно зависят от аналогичных пара-
метров помехи, от которой должны защищать [8]. Поэтому эф-
фективность ферритовых колец (вернее, наборов таких колец)
и дросселей должна быть обязательно испытана для условий, мак-
симально приближенных как к реальным условиям эксплуатации,
так и к реальным параметрам воздействующего электромагнитного
импульса.
Эффективность электромагнитных фильтров, как известно,
определяется их способностью ослаблять сигнал помехи в опреде-
ленном диапазоне частот. Поскольку в данном случае в качестве
помехи выступает ЭМИ ЯВ, то на первом этапе нужно определить
частотный диапазон, в котором должно работать испытатель-
ное оборудование для тестирования фильтров, чтобы впоследствии
подыскать подходящее по этому параметру оборудование. Ана-
лиз различных стандартов (рис. 18.2) показывает, что требуемый
частотный диапазон для испытательного оборудования может быть
выбран в пределах от нескольких сотен килогерц до одного гига-
герца. Это полный диапазон, включающий почти 100 % энергии
ЭМИ ЯВ.
Основная характеристика электромагнитных фильтров, как из-
вестно, определяются вносимыми потерями (insertion loss), то есть сте-
пенью ослабления помехи. В системе так называемых S-параметров
(Scattering parameters - параметры рассеяния) фильтры характеризуют-
ся коэффициентами передачи в прямом и обратном направлении, обо-
значаемыми как S2i и S12- Для измерения этих параметров служат спе-
циальные приборы, называемые векторными анализаторами цепей
(Vector Network Analyzer - VNA). Как правило, эти приборы имеют
два порта (источник и приемник сигнала) и предназначены для изме-
рения одного набора (one-patch) S-параметров (S2i и Si2) или двух (two-
patch) наборов (S22 и Sn - в дополнение к предыдущему набору). До-
полнительные S-параметры (S22 и Sn) определяют степень отражения
сигнала и не характерны для фильтров.
При испытании фильтра он включается между двумя портами
VNA и его эффективность определяется по разности сигналов
(в децибелах) между портами VNA во всем выбранном диапазоне
частот.
415
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
MS2024B
GSP-9330TG
Рис. 18.3. Независимые от компьютера векторные анализаторы цепей
(VNA) некоторых типов, предлагаемые на рынке:
вверху - стационарные приборы со множеством дополнительных функций
и большим экраном, внизу - компактные переносные приборы
N9913A
Как правило, результат измерения с помощью VNA представ-
лен в виде графика, изображающего вносимые фильтром потери
в зависимости от частоты сигнала, поступающего на его вход. Еще
одной важнейшей характеристикой VNA является динамический
диапазон, показывающий, какую степень затухания сигнала может
измерять прибор. Как правило, все VNA имеют динамический диа-
пазон не менее 100-120 дБ.
Таким образом, основные требования к прибору для испыта-
ния фильтров ЭМИ ЯВ могут быть сформулированы следующим
образом:
• реализуемые функции - S2i и Si2;
• частотный диапазон - от 100-300 кГц до 1 ГГц;
• динамический диапазон - не менее 100 дБ.
Все остальные многочисленные параметры VNA, обычно ука-
зываемые производителями, не являются критическими для постав-
ленной цели.
416
Глава 18. Методы и средства контроля эффективности защиты от ЭМИ ЯВ
Таблица 18.1
Стоимость векторных анализаторов цепей
наиболее распространенных типов
Тип VNA (Производитель) Частотный диапазон Стоимость, долл.
ZNL3 (Rohde & Schwarz) 5 кГц - 3 ГГц 20 000
С1209 (Cooper Mountain Techn.) 100 кГц - 9 ГГц 22 000
LAI 9-13-03 (LA Techniques Ltd.) 300 кГц - 8 ГГц 10 600
MS2024B (Anritsu) 50 кГц - 4 ГГц 10 450
N9913A (Keysight Technology) 30 кГц - 4 ГГц 15 000
TW4600A (Techwin Industry Co.) 100 кГц-3 ГГц 9 300
GSP-9330TG (GW Instek) 9 кГц-3,25 ГГц 7 000
TTR5003A (Tektronix) 100 кГц-6 ГГц 9 000
Planar TR5048 (Cooper Mountain Techn.) 20 кГц - 4,8 ГГц 7 800
PicoVNA 106 (Picotech) 300 кГц - 6 ГГц 6 000
VNAuhf (Array Solutions) 5 кГц-1,2 ГГц 1 250
USB-SA44B + USB-TG44A (Signal Hound) Ю Гц-4,4 ГГц 1 750
Planar TR1300/1 (Cooper Mountain Techn.) 300 кГц-1,3 ГГц 2 900
VNA 6050-5100 (AEA Technology) 100 кГц - 1 ГГц 2 300
ZNL3 (Rohde & Schwarz) 5 кГц - 3 ГГц 20 000
Cl209 (Cooper Mountain Techn.) 100 кГц - 9 ГГц 22 000
LA 19-13-03 (LA Techniques Ltd.) 300 кГц - 8 ГГц 10 600
MS2024B (Anritsu) 50 кГц - 4 ГГц 10 450
N9913A (Keysight Technology) 30 кГц - 4 ГГц 15 000
TW4600A (Techwin Industry Co.) 100 кГц-3 ГГц 9 300
GSP-9330TG (GW Instek) 9 кГц-3,25 ГГц 7 000
TTR5003A (Tektronix) 100 кГц-6 ГГц 9 000
Planar TR5048 (Cooper Mountain Techn.) 20 кГц - 4,8 ГГц 7 800
PicoVNA 106 (Picotech) 300 кГц - 6 ГГц 6 000
VNAuhf (Array Solutions) 5 кГц-1,2 ГГц 1 250
USB-SA44B + USB-TG44A (Signal Hound) Ю Гц-4,4 ГГц 1 750
Planar TR1300/1 (Cooper Mountain Techn.) 300 кГц-1,3 ГГц 2 900
VNA 6050-5100 (AEA Technology) 100 кГц - 1 ГГц 2 300
417
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
PicoVNA106
Рис. 18.4. Векторные анализаторы цепей без собственных экранов,
требующие подключения к компьютеру
На практике оказалось, что выбрать конкретный прибор, удо-
влетворяющий сформулированным требованиям, не так-то просто
из-за наличия огромного выбора таких приборов на рынке, суще-
ственно отличающихся своими техническими возможностями и
стоимостью (рис. 18.3 и 18.4, табл. 18.1).
Общей тенденцией является резкое увеличение стоимости с ро-
стом верхней граничной частоты, поэтому для анализа были выбра-
ны лишь модели с минимальной верхней граничной частотой.
Но оказалось, что и это еще не все. Многие производители ана-
лизаторов спектра (spectrum analyzer) снабжают свои устройства
встроенными следящими генераторами (tracking generator), благо-
даря чему обычный анализатор спектра может выполнять функции
VNA. Имеются также и наборы из двух отдельных устройств: ана-
лизатора спектра и следящего генератора (рис. 18.5). Две неболь-
шие коробочки нужно соединить между собой и подключить к ком-
пьютеру, чтобы использовать его экран. Получается очень компакт-
ное, простое и дешевое устройство.
Если обосновывать выбор варианта VNA соотношением
цены - качества для рассматриваемого конкретного применения, то
из всего многообразия представленных на рынке образцов можно
418
Глава 18. Методы и средства контроля эффективности защиты от ЭМИ ЯВ
выделить два (рис. 18.6), имеющих удовлетворительные параметры
при минимуме стоимости.
Рис. 18.5. Анализатор спектра (USB-SA44B) в комплекте
со следящим генератором (USB-TG44A) образует простой и дешевый VNA
VNA Site Alalyzer
6050-5100
Рис. 18.6. Два варианта VNA, обладающих лучшим соотношением
цена - качество для рассматриваемого конкретного применения
419
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Ну а какой из этих двух приборов выбрать (полностью незави-
симый компактный, с собственным экраном и возможностью под-
ключения к компьютеру или выполненный в качестве приставки
к компьютеру) - это уже дело вкуса.
Вместе с VNA нужно приобрести набор для его калибровки
(calibration set), включающий в простейшем случае набор из трех
разъемов: без дополнительных элементов внутри («открытый»),
короткозамкнутый и с внутренним сопротивлением 50 Ом.
18.4. Устройства для оценки эффективности
экранирования зданий, помещений, шкафов
Устройства этого вида содержат передатчик, приемник и набор
антенн для различных частотных диапазонов. Перед началом ис-
пользования устройства его обнуляют, для чего устанавливают при-
емник с направленной антенной напротив передатчика с направ-
ленной антенной на определенном небольшом расстоянии и уста-
навливают при работающих передатчике и приемнике измеренное
затухание, равное нулю (рис. 18.7). После чего передатчик устанав-
ливают снаружи защищенного объекта, а приемник - внутри него
на том же расстоянии, что и при обнулении, и по измеренной разно-
сти излучаемого и принимаемого сигналов определяют эффектив-
ность экранирования объекта (т. е. степень затухания сигнала).
Рис. 18.7. Настройка (обнуление) и использование устройства
для оценки эффективности экранирования
420
Глава 18. Методы и средства контроля эффективности защиты от ЭМИ ЯВ
PAMS
SEMS
Рис. 18.8. Устройства для оценки эффективности экранирования,
предлагаемые на рынке
Ситуация на рынке со специализированными приборами этого
вида существенно отличается от ситуации с VNA, рассмотренной
выше. Как оказалось, на рынке в свободной продаже представлено
всего лишь несколько типов таких приборов (рис. 18.8).
После оценки рабочего частотного диапазона оказалось, что
лишь одно из этих устройств (SEMS) более или менее подходит для
рассматриваемого конкретного применения, да и то не полностью,
поскольку частотный диапазон, охватываемый этим устройством,
составляет от 10 кГц до 300 МГц и не доходит до 1 ГГц. Однако это
наилучший вариант, который нам удалось найти. Стоимость этого
устройства составляет 16 000 долларов США.
В некоторых публикациях утверждается о возможности исполь-
зования VNA для оценки эффективности экранирования (рис. 18.9).
При этом передающая и приемная антенны подключаются к соответ-
ствующим портам VNA, а настройка (обнуление) и применение такого
устройства ничем не отличаются от специализированного устройства.
Вполне вероятно, что такое применение действительно воз-
можно и эффективно. В этом случае из большого разнообразия
устройств VNA, имеющихся на рынке, всегда можно подобрать
устройство, наиболее подходящее по параметрам, и при этом еще
сэкономить немалую сумму, отказавшись от приобретения отдель-
ного специализированного устройства. Некоторая проблема, прав-
да, заключается в выводе провода приемной антенны из защищен-
ной зоны, который должен быть выполнен с учетом требований
стандартов.
421
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 18.9. Применение VNA для оценки эффективности экранирования
В любом случае следует отметить, что возможность такого
использования VNA автором не проверялась на практике.
18.5. Генератор импульсного напряжения
Под испытательным импульсом напряжения, прикладывае-
мым непосредственно ко входам испытуемого оборудования, под-
разумевается так называемый Electrical Fast Transient (EFT) - быст-
рый импульс, параметры которого (кроме амплитуды испыта-
тельного напряжения) и методика испытаний описаны в стандарте
IEC 61000-4-4 (рис. 18.10). В таблице 1 этого стандарта амплитуда
испытательного напряжения для HEMP (обозначен как special) от-
мечена значком «X» и соответствует для него уровням Е8 или Е9.
В соответствии с исследованием [7], амплитуда этого импульса для
наиболее распространенных условий, существующих в электро-
энергетике, должна быть 8 кВ.
Ранее генераторы EFT с требуемым уровнем выходного напря-
жения 8 кВ выпускались компаниями TESEQ, Kentech Instruments
Ltd. и Thermo Electron Corp. (табл. 18.2) на основе вакуумного
управляемого разрядника, формировавшего тестовые импульсы.
422
Глава 18. Методы и средства контроля эффективности защиты от ЭМИ ЯВ
Рис. 18.10. Electrical Fast Transient (EFT) - быстрый импульс
(IEC 61000-4-4)
С появлением мощных полупроводниковых коммутирующих
элементов - IGBT-транзисторов, выпуск генераторов на вакуумных
разрядниках был прекращен всеми тремя компаниями, поскольку
импульсы, формируемые транзисторами, оказались намного более
стабильными и «правильными», чем импульсы, формируемые ваку-
умным разрядником. К сожалению, одновременно с повышением
стабильности генерируемых импульсов пришлось снизить их ампли-
туду.
423
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Таблица 18.2
Максимальная амплитуда импульса 5/50 нс
выходного напряжения генераторов EFT (IEC 61000-4-4),
имеющихся на рынке
Тип EFT генератора Производитель Максимальная амплитуда выходного импульсного напряжения, кВ
PEFT 8010 Haefely EMC Technology 7,3
NSG 2025* TESEQ 8
J0101031/3* Kentech Instruments Ltd. 8
KeyTek ЕС AT Е421* Thermo Electron Corp. 8
FNS-AX3-A16B NoiseKen Laboratory Co. 4,8
EFT 500N8 EMTEST 7
TRA3000 EMC Partner 5
EFT 6501 Schaffner 4,4
EFT-4060B Shanghai Yi PaiElectronmagneticT echn. 6,6
EFT500 Suzhou 3Ctest Electronic Co. 5
AXOS8 Hipotronics 5
Примечание: *- выпуск прекращен.
Выполненный нами анализ показал, что на сегодняшний ни один
из выпускаемых на продажу генераторов EFT не удовлетворяет полно-
стью требованиям стандартов по амплитуде импульса (8 кВ).
Рис. 18.11. Генераторы Electrical Fast Transient (EFT) с наиболее близкими
к требуемым параметрами амплитуды импульсов
424
Глава 18. Методы и средства контроля эффективности защиты от ЭМИ ЯВ
РАТ50, РАТ 10ОО CAS 3025
(Haefely)
(Teseq AG)
KW50, KW1000
(Ametek)
Рис. 18.12. Калибровочные наборы для генераторов FET
Наиболее близким к требуемому значением амплитуды им-
пульса обладают генераторы типов PEFT 8010 (Haefely ЕМС
Technology) и EFT 500N8 (Ametek), содержащие также встроен-
ные фильтры (Coupling-Decoupling Network - CDN), которые защи-
щают питающую сеть от проникновения в нее генерируемых
устройством импульсов (рис. 18.11). Стоимость этих устройств со-
ставляет 25-30 тыс. долларов США.
Эти генераторы, как и все описанные выше приборы, должны
периодически калиброваться. Для этого предусмотрены наборы
специальных высоковольтных безиндуктивных делителей напряже-
ния сопротивлением 50 и 1 000 Ом (рис. 18.12), на которые подается
импульс с выхода генератора. Амплитуда и длительность этого им-
пульса (с соответствующим коэффициентом деления) измеряются
с помощью осциллографа.
Представленный выше анализ существующих на рынке прибо-
ров и рекомендации по их выбору могут существенно облегчить
персоналу энергосистем как оценку уязвимости установленного
незащищенного оборудования, так и оценку эффективности меро-
приятий и средств по защите этого оборудования от ЭМИ ЯВ.
Литература к главе 18
1. Гуревич В. И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты:
проблемы и решения. - М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 256 с.
425
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
2. Гуревич В. И. Защита оборудования подстанций от электромаг-
нитного импульса. - М.: Инфра-Инженерия, 2016. - 302 с.
3. IEC 61000-4-32 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-32:
Testing and measurement techniques - High-altitude electromagnetic
pulse (HEMP) simulator compendium.
4. MIL-STD-188-125-1 High -Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP)
Protection for Ground Based C41 Facilities Performing Critical.
Time-Urgent Mission. Part 1 Fixed Facilities, 2005.
5. MIL-STD-46 IF Requirements for the Control of Electromagnetic
Interference Characteristics of Subsystems and Equipment, 2007.
6. Гуревич В. И. Проблемы тестирования микропроцессорных реле
защиты на устойчивость к преднамеренным электромагнитным
деструктивным воздействиям // Компоненты и технологии. -
2015.-№3.-С. 158-161.
7. Гуревич В. И. Особенности испытания электронного оборудо-
вания энергосистем на устойчивость к ЭМИ ЯВ // Электриче-
ство. - 2017. - № 5. - С. 11-18.
426
Глава 19. ОСОБЕННОСТИ ТЕСТИРОВАНИЯ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ
НА УСТОЙЧИВОСТЬ К ЭМИ ЯВ
19.1. Использование критерия качества
функционирования при испытаниях электронной
аппаратуры на электромагнитную совместимость (ЭМС)
Реакция испытуемого объекта (ИО) на электромагнитные воз-
действия (ЭВ) может быть различной. На пример, ИО может полно-
стью выйти из строя из-за электрического пробоя электронных
компонентов, а может лишь временно потерять работоспособность
на время воздействия импульса или электромагнитного поля. Еще
один вариант - кратковременный сбой в работе программного
обеспечения под действием приложенного к ИО импульсного
напряжения, требующий (или не требующий) последующей переза-
грузки внутренней программы ИО оператором. Вариантов видов
реакции ИО на ЭВ может быть множество. Допустимый для данно-
го типа ИО и для данного типа испытаний вид реакции ИО на элек-
тромагнитные воздействия называется «критерием качества функ-
ционирования» (ККФ). Критерий качества функционирования явля-
ется важнейшим показателем при испытаниях на ЭМС, так как
от его правильного выбора зависит решение о том, прошло ли дан-
ное устройство какое-то конкретное испытание успешно или нет.
Однако в стандартах на ЭМС нет, да и не может быть методики
правильного выбора этих критериев. Как правило, все ограничива-
ется фразой типа: «Выбор степеней жесткости, критериев каче-
ства функционирования осуществляют лица, разрабатывающие,
согласовывающие и утверждающие технические задания или тех-
нические условия» и таблицей, из которой можно выбрать тот или
иной ККФ из 3-4, предлагаемых конкретным стандартом. Это
и понятно, поскольку правильный выбор зависит от конкретного
типа ИО и конкретных режимов и условий его работы. Более того,
для одного и того же типа ИО могут быть выбраны различные ККФ
в зависимости от конкретного режима его работы, схемы вклю-
чения, назначения, по которому он используется, условий эксплуа-
тации и т. д. Поскольку выбор того или иного ККФ обуславливает
принятие решения о пригодности или непригодности данного ИО
427
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
к эксплуатации в конкретных условиях по результатам испытания,
понимание специфических особенностей каждого конкретного ИО
является очень важным.
19.2. Особенности использования критерия качества
функционирования при испытаниях микропроцессорных
устройств релейной защиты на устойчивость к ЭМИ ЯВ
Организацией NERC (North American Electric Reliability Council)
по запросу специальной комиссии Конгресса США Commission to
Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP)
Attack составлен список энергетического оборудования, которое
должно быть проверено на устойчивость к воздействию электромаг-
нитного импульса высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ). В этот
список вошли, в частности, микропроцессорные устройства релейной
защиты (МУРЗ) и устройства системы SCADA (Supervisory Control
and Data Acquisition - общее название программно-аппаратных ком-
плексов различных типов, обеспечивающих сбор данных в режиме
реального времени с многочисленных датчиков, обработку, архиви-
рование, отображение и передачу информации об объектах монито-
ринга, а также передачу команд оператора на удаленные объекты,
основа современной АСУ ТП подстанции). Компанией Metatech бы-
ли проведены испытания МУРЗ типа SEL-311L (дифференциальная
защита линий) и контроллера системы SCADA типа SEL-2032
(рис. 19.1) по ускоренной программе и только на устойчивость к со-
ставляющей Е1 ЭМИ ЯВ. Результаты этих испытаний представлены
в отчете Meta-R-320 [2]. Как показано в этом отчете, в качестве ККФ
при испытаниях МУРЗ и контроллера SCADA были выбраны оценка
исправности функционирования и отсутствие повреждений после
каждого испытания, связанного с подачей коротких (5/50 нс) высо-
ковольтных импульсов с амплитудой до 8 кВ на различные входы
устройств. Как отмечено в отчете, при подаче импульсов с амплиту-
дой 3,2 кВ на последовательный порт МУРЗ самопроизвольно вы-
ключалось, но потом возвращалось в нормальный режим работы. Не-
которые другие порты (например, IRIG - Inter-Range Instrumentation
Group time code - порт синхронизации времени) были повреждены
уже при напряжении 600 В. В контроллере SCADA был поврежден
модуль связи Ethernet при напряжении 1,2 кВ. В отчете отмечается,
428
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
что в качестве одного из дополнительных параметров ККФ была вы-
брана запись результатов осциллографирования токов и напряжений,
приложенных к входам реле. В отчете сообщается, что в процессе
испытаний нарушений в записи обнаружено не было.
Рис. 19.1. МУРЗ типа SEL-311L и контроллер для системы SCADA
типа SEL-2032 производства Schweitzer Engineering Laboratories (США),
подвергнутые испытаниям на устойчивость к ЭМИ ЯВ
19.3. Критика используемого в [2]
метода испытаний МУРЗ
1. По нашему мнению, использование ККФ, основанных на про-
верке исправности МУРЗ после воздействия на него помехи, являет-
ся неправильным и не позволяет прийти к однозначному выводу об
устойчивости МУРЗ к этой помехе. Связано это с тем, что МУРЗ об-
ладает некоторыми специфическими особенностями по сравнению
с системой SCADA, рассмотренными в [3, 4]. При всей важности
и ответственности системы SCADA, она предназначена, прежде все-
го, для автоматического сбора, обработки и отображения инфор-
мации. Несмотря на то, что в состав системы входят так называе-
мые Remote Terminal Units (RTU) - дистанционно управляемые ис-
полнительные устройства, они не могут работать в автоматическом
режиме и предназначены лишь для исполнения команд оператора
с удаленного диспетчерского пункта. Большинство современных
подстанций работают в автоматическом режиме без человека. Ручное
429
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
управление положением выключателей на таких подстанциях (то
есть фактически управление конфигурацией электрической сети)
осуществляется оператором с диспетчерского центра через систему
SCAD А, отличающуюся уязвимостью к воздействию ЭМИ ЯВ.
Поэтому в случае воздействия ЭМИ телеуправление подстанцией
с диспетчерского пункта с большой степенью вероятности будет по-
теряно, и конфигурация электрической сети будет определяться лишь
системой релейной защиты - единственной системой, способной ав-
томатически воздействовать на положение выключателей. При этом
МУРЗ, составляющие основу современной релейной защиты, посто-
янно обмениваются между собой информацией и командами в авто-
матическом режиме по уязвимым к ЭМИ каналам связи (в отличие
от системы SCADA, в которой критические команды управления
на выключатели поступают только по инициативе диспетчера).
В случае неправильных действий автоматически функционирующей
релейной защиты, в работу которой диспетчер уже не может вме-
шаться, в частности, излишних срабатываний под действием ЭМИ,
электрическая сеть, а за ней и энергосистема в целом могут быть
полностью развалены. Это одна из причин, вследствие которой мик-
ропроцессорная релейная защита должна испытываться на воздей-
ствие ЭМИ ЯВ в процессе ее функционирования, а не проверяться на
наличие повреждений после воздействия на нее помехи.
2. Пути проникновения в МУРЗ электромагнитной помехи в ви-
де импульсов, подаваемых на защищенные в большинстве случаев
входы, и высокочастотной электромагнитной волны, проникающей
непосредственно на внутренние высокочувствительные электронные
компоненты или через незащищенные входы/выходы электронных
блоков, а также через многочисленные кабели, подключаемые
к МУРЗ и выполняющие роль антенн, абсорбирующих электро-
магнитную энергию, - различны. Тем более что преднамеренные
электромагнитные деструктивные воздействия (ПЭДВ) не ограничи-
ваются лишь ЭМИ ЯВ, а могут включать в себя также направленное
ультраширокополостное высокочастотное излучение специаль-
ных источников мощностью в единицы - десятки Гигаватт, предна-
значенных для дистанционного поражения электронной аппаратуры
[4]. К сожалению, опасность представляет не только специально
предназначенная для поражения электроники аппаратура, но даже
излучение обычных мощных радаров. Так, например, в 1999 году
430
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
был официально зарегистрирован случай катастрофического отказа
системы SCADA компании San Diego County Water Authority, обес-
печивающей водоснабжение водой города Сан Диего, излучением
корабельного радиолокатора, находящегося на расстоянии 25 миль от
города. Аналогичный случай произошел в 1980 г. в Голландии на
газопроводе, расположенном в полутора километрах от порта Den
Helder. Тогда повреждение системы SCADA портовым радаром при-
вело к мощному взрыву газа. Поэтому испытания устойчивости
МУРЗ к воздействию ПЭДВ не должно ограничиваться только лишь
подачей импульсов высокого напряжения на определенные входы,
а должно сопровождаться также облучением ИО электромагнитным
излучением с направленной антенны, как это и предусмотрено соот-
ветствующими стандартами [1].
3. Следует учитывать, что в случае возникновения ЭМИ ЯВ его
воздействию будет подвергаться не только высокочувствительное
электронное оборудование (МУРЗ, аппаратура системы SCADA), но
и силовое электрооборудование энергосистем: линейные изоляторы,
трансформаторы, генераторы. Причем воздействовать на это обору-
дование будет не только составляющая Е1 ЭИМ ЯВ (смоделирован-
ная в испытаниях [2]), но и две других его составляющих: Е2 и ЕЗ
[1]. Как известно из исследований, ранее выполненных в Советском
Союзе и США [2], в результате такого комплексного воздействия
всех составляющих ЭМИ ЯВ очень велика вероятность повреждения
силового высоковольтного оборудования: пробоя линейных изолято-
ров, пробоя изоляции генераторов и т. п. То есть момент воздействия
мощной электромагнитной помехи на МУРЗ совпадает по времени
с моментом изменения внутреннего состояния элементов МУРЗ, свя-
занного с появлением на его входах аварийных значений контроли-
руемых токов и напряжений. Как поведет себя МУРЗ в таком режи-
ме? Сможет ли релейная защита, подвергшаяся воздействию ПЭДВ,
своевременно отключить входящий в насыщение трансформатор,
поврежденный участок воздушной линии, пробитый кабель? Не вы-
зовут ли совместные неправильные действия различных МУРЗ пол-
ный развал и коллапс энергосистемы?
Проведенное в [2] испытание не дает ответов на эти вопросы.
«Мы произвели системы столь усложненные, что уже не можем
предусмотреть все возможные взаимодействия в них, все возмож-
ные отказы. Мы добавляем в эти системы все новые устройства
431
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
безопасности, но остаемся обманутыми и побежденными скрыты-
ми связями в этих системах», - писал известный специалист по
надежности и уязвимости сложных систем Чарльз Перроу [5]. Пер-
роу называет эту проблему «непостижимостью» поскольку даже са-
мый обычный несчастный случай инициирует взаимодействия, кото-
рые «не только неожиданны, но и непредсказуемы для некоторого
критического промежутка времени». В большинстве несчастных слу-
чаев никто не ожидал, что одни «алгоритмы взаимодействия» затро-
нут другие, таким образом, никто не мог заранее предугадать то, что
случалось. Все это в полной мере относится к современной весьма
сложной и разветвленной системе релейной защиты, поведение кото-
рой при воздействии ПЭДВ на энергосистему заранее предусмотреть
невозможно.
19.4. Анализ результатов второго независимого
испытания МУРЗ того же типа
Еще об одном испытании МУРЗ того же самого типа (по
странному совпадению) сообщается в рекламной презентации про-
изводителя этих устройств - компании Schweitzer Engineering
Laboratories [6], которой приведены результаты испытаний на ЭМИ
ЯВ и электромагнитное излучение образцов МУРЗ типа SEL-311 на
испытательных стендах полигона Пикатинни армии США в Нью-
Джерси (рис. 19.2). В этой рекламной презентации утверждается,
что все испытания прошли успешно. Вместе с тем при более тща-
тельном анализе этого материала выявляется несколько несуразно-
стей. Например, в приведенном на рис. 19.3 рекламном объявлении
утверждается, что SEL-311 было испытано при напряженности поля
от 25 до 1 000 В/м, в то время как военный стандарт MIL-STD-461
требует всего лишь 50 В/м.
Довольно странную неосведомленность демонстрируют в этом
документе специалисты такой серьезной компании, как SEL, если
учесть, что в MIL-STD-461 напряженности полей, соответствую-
щие ЭМИ ЯВ, рассматриваются не в вольтах, а в киловольтах,
и цифра «50» там упоминается не как 50 В/м, а как 50 кВ/м.
432
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
Рис. 19.2. Испытание МУРЗ типа SEL-311L на воздействие ПЭДВ
на испытательных стендах полигона Пикатинни армии США
в Нью-Джерси [6]
Еще более странной выглядит столбчатая диаграмма, представ-
ленная на рис. 19.4, из которой видно, что на самом деле напряжен-
ность поля в 1 000 В/м была использована при испытаниях лишь
на частотах 1 000-1 500 МГц, а в остальном частотном диапазоне
напряженность поля была чуть ли не вдвое меньше, а зависимость
амплитуды от частоты не соответствует MIL-STD-461.
433
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
SEL-311C Tested at US Army’s
Picatinny Arsenal in New Jersey
RF from 100 MHz to 4 GHz at power levels from 25 to
1000 volts per meter (Mil-Std 461 ask for 50V/m only)
Рис. 19.3. Текст из рекламного проспекта компании SEL [6]
Рис. 19.4. Параметры электромагнитного излучения
при испытаниях МУРЗ типа SEL-311L [6]
Как можно видеть из представленной диаграммы, уровни на-
пряженности поля на ней ограничиваются началом нестабильности
в функционировании реле (желтые области на верхушках столб-
цов). То есть фактически на этой диаграмме представлена область
стабильной работы отдельно установленного (то есть вне системы
релейной защиты) терминала типа SEL. Отсюда следует, что вне об-
ласти значений, представленных на этой диаграмме, с ее чрезвы-
чайно низкими значениями напряженностей электромагнитного по-
ля, реле не обеспечивает стабильное функционирование. Если срав-
нить ее с нормами упомянутого стандарта MIL-STD-461 (рис. 19.5),
то можно заметить, что применявшиеся параметры испытатель-
ных воздействий даже не приближается к требованиям этого стан-
дарта.
434
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
Рис. 19.5. График со стр. 138 стандарта MIL-STD-461E
для сравнения с диаграммой, приведенной на рис. 19.4
(10 нс соответствует частоте в 100 МГц)
Учитывая такую несуразность в выборе параметров испытаний
на устойчивость SEL-311 к ЭМИ, можно ли серьезно относиться
к утверждению производителя этих реле об устойчивости его изде-
лий к ЭМИ ЯВ?
Еще одна проблема связана с выбором в качестве ИО одиноч-
ного терминала МУРЗ. Такие терминалы, как правило, выполняют-
ся в металлических корпусах, эффективно ослабляющих электро-
магнитное излучение, поэтому результаты испытаний на устой-
чивость к воздействию электромагнитного излучения на такой
отдельно взятый терминал вполне ожидаемо могут быть поло-
жительными. В реальных условиях эксплуатации к МУРЗ подклю-
чены многочисленные кабели, выполняющие роль антенн, абсор-
бирующих электромагнитную энергию и доставляющих ее к внут-
ренним элементам МУРЗ; многочисленные терминалы МУРЗ со-
единены между собой через соответствующую аппаратуру связи,
подверженную влиянию ЭМИ ЯВ. Поэтому испытаниям должна
435
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
подвергаться система релейной защиты, причем в процессе ее
функционирования, а не отдельно взятый терминал.
Примером правильного подхода к испытаниям сложных си-
стем, к которым, несомненно, относится и релейная защита, может
служить испытание системы SCADA, описанное в [7] (рис. 19.6).
Рис. 19.6. Испытание системы SCADA на устойчивость к ЭМИ ЯВ [7].
Вверху видна антенная система симулятора ЭМИ.
Элементы системы SCADA расположены в отдельных боксах
и соединены между собой стандартной системой связи
Таким образом, получается так, что, имея результаты двух не-
зависимых испытаний одного и того же типа МУРЗ, проведенных
двумя различными исполнителями, невозможно сделать никакого
вывода о реальной его устойчивости к ЭМИ. Кому же нужны
такие испытания?
19.5. Анализ результатов третьего независимого испытания
МУРЗ того же типа
В обширной работе, представленной на конференции по релей-
ной защите в Вашингтоне в октябре 2017 г. [8] и опубликованной
под эгидой IEEE, приведены результаты последних исследований
компании SEL. Ожидалось, что в этой новой работе будут устране-
ны ляпсусы и ошибки предыдущей работы и будут представлены
436
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
корректные и объективные данные об устойчивости МУРЗ к ЭМИ
ЯВ. Увы, эти ожидания не оправдались. В претенциозной работе
на 18 страницах, написанной инженером компании SEL (не имев-
шим до этого ни единой публикации в области ЭМИ ЯВ) в соавтор-
стве с директором по качеству, директором по связям с правитель-
ственными организациями и вице-президентом этой компании, со-
держится еще больше ляпсусов, чем в предыдущих работах. Пони-
мая, что критика не должна быть голословной и должна подтвер-
ждаться конкретными доводами и доказательствами, рассмотрим
ниже эти сомнительные моменты подробно.
1. Авторы безо всякого на то основания принимают как посту-
лат тождественность электромагнитных импульсов (ЭМИ)
молнии и высотного ядерного взрыва и автоматически пере-
носят опыт, накопленный в электроэнергетике по защите от
молнии, на защиту от ЭМИ ЯВ. На самом деле, это совер-
шенно разные физические явления, имеющие разные харак-
теристики и по-разному влияющие на оборудование. Так,
например, ЭМИ молнии - это точечное воздействие, в то
время как ЭМИ ЯВ охватывает одномоментно огромную
площадь. Если молния - это электрический пробой воздуха
между двумя электродами (заряженным облаком, находя-
щимся под высоким потенциалом относительно земли, и
землей, имеющей нулевой потенциал), то при ЭМИ ЯВ ни-
каких таких электродов, между которыми было бы прило-
жено высокое напряжение и происходил бы пробой воздуха,
не существует, и земля (или система заземления) для ЭМИ
ЯВ не является областью нулевого потенциала. Более того,
ЭМИ ЯВ имеет и вертикальную, и горизонтальную состав-
ляющие; часть электромагнитной энергии, падающей на по-
верхность земли, вообще отражается от нее. Параметры им-
пульса ЯВ существенно отличаются от параметров ЭМИ
молнии, поэтому некоторые широко распространенные эле-
менты защиты (например, газовые разрядники, широко
применяемые в электронной аппаратуре) оказываются со-
вершенно неприемлемыми для защиты от ЭМИ ЯВ ввиду
недостаточного быстродействия.
437
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
В заключение стоит процитировать однозначное утвержде-
ние, приведенное в разделе 3 стандарта МЭК 61000-6-6:
«Защита от молнии не обеспечивает защиту от ЭМИЯВ».
2. Рекомендуемое в рассматриваемой статье применение
LC-фильтров в качестве эффективного средства защиты от
ЭМИ ЯВ является, на самом деле, далеко не всегда эффек-
тивным, поскольку эти фильтры в большинстве своем (за
очень редким исключением) предназначены для отвода энер-
гии высокопотенциального импульса, поступающего на вход
фильтра, на землю (то есть в область нулевого потенциала),
которая в действительности не является нулевым потенциа-
лом для ЭМИ ЯВ [9, 12]. Более того, сама система заземления
при воздействии ЭМИ ЯВ превращается в огромную антенну,
абсорбирующую энергию с большой площади и доставляю-
щую ее прямо на чувствительные электронные компоненты
МУРЗ [10, 11]. Поэтому данные в статье рекомендации
о необходимости тщательного заземления МУРЗ с использо-
ванием обычных методов, принятых при выполнении зазем-
ления для защиты от молнии или повышенного потенциала,
связанного с протеканием токов короткого замыкания, явля-
ются достаточно дискуссионными с точки зрения эффектив-
ности предложенных мер для защиты от ЭМИ ЯВ [12].
3. В статье многократно повторяется тезис о том, что железобе-
тонное здание, в котором обычно размещаются МУРЗ, ослаб-
ляет электрическое поле ЭМИ ЯВ на 20 дБ (то есть в 10 раз),
и поэтому в дальнейших рассуждениях принимается электри-
ческое поле 5 кВ/м вместо изначального 50 кВ/м. Действи-
тельно, в стандартах МЭК 61000-2-11 [14] и 61000-5-3 [15]
говорится о возможности ослабления капитальным зданием
из железобетона электромагнитного излучения на 20 дБ
в диапазоне частот от 100 кГц до 30 МГц и сделан вывод
о возможности ослабления электрического поля ЭМИ ЯВ
до 5 кВ/м. Проблема лишь в том, что в этих стандартах
не определено, что такое «капитальное здание из железобето-
на», а ведь эффективность экранирования железобетоном
438
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
электромагнитного излучения в очень сильной степени зави-
сит не только от таких стандартизированных параметров, как
размеры ячеек внутренней стальной сетки, количество слоев
этой сетки, толщина железобетона, но также и от таких не
определенных в стандартах параметров строения, как количе-
ство и размеры окон и дверей, их расположение относительно
чувствительного оборудования. В любом случае напряжен-
ность поля 5 кВ/м можно принимать лишь условно и в пер-
вом приближении, а не для того, чтобы на основании этого
значения делать далеко идущие выводы об устойчивости лю-
бых МУРЗ, расположенных в любых капитальных зданиях из
железобетона, к ЭМИ ЯВ.
4. Авторы рассматриваемой статьи как-то очень странно пере-
ходят от значения напряженности поля 5 кВ/м к напряже-
нию в МУРЗ 5 кВ. Но ведь 5 кВ/м и 5 кВ - это совершенно
разные вещи. Например, при напряженности поля 5 кВ/м
на концах кабеля длиной 10 м теоретически напряжение
может достигать значения 50 кВ! Откуда же взялось напря-
жение 5 кВ?
5. В очень запутанном виде представлена в статье пробле-
ма испытания МУРЗ на устойчивость к так называемым
микросекундным импульсным помехам большой энергии
(Electrical Fast Transient - EFT). Во-первых, в трех таблицах
в статье приведены различные значения амплитуды импуль-
сов EFT (в киловольтах) для трех различных условий, кото-
рые никак не определены в статье (табл. 19.1). Что означает
такое странное деление условий для каждой из таблиц,
приведенных в [8], и что означает фраза: «уровень устой-
чивости к EFT для МУРЗ под воздействием ЭМИ ЯВ для
типовой подстанции выше, чем для новой подстанции
(см. табл. XV)»? Чем новая подстанция отличается от типо-
вой?
439
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Таблица 19.1
Значения амплитуды импульсов EFT для различных цепей
МУРЗ и различных условий (по данным [8])
Цепи МУРЗ, к которым прикладывается испытательное импульсное напряжение Табл. XIII [8]: МУРЗ Табл. XIV [8]: МУРЗ на новой подстанции Табл. XV [8]: типовая подстанция со стандартной защитой от молнии
Сигнал (ТТ, TH, входы/выходы) 4 2 8
Сигнал (последовал, коммуникационный порт) 2 2 -
Питание (пост, током) 4 2 4-16
Питание (пер. током) 4 2 —
Связь 2 1 —
Антенна 2 1 —
Почему новая подстанция должна быть менее устойчивой, чем
типовая? Увы, читатель не найдет ответов на все эти вопросы в рас-
сматриваемой статье.
Справедливости ради следует отметить, что и в некоторых
стандартах также можно найти подобную путаницу с этими испы-
таниями. Так, например, в стандарте ITU-T К.78 [16] для внутрен-
него пространства железобетонного здания принято такое же значе-
ние напряженности поля: 5 кВ/м (со ссылкой на те же ранее упомя-
нутые стандарты МЭК), и тут же, в табл. 6, приводится значение
амплитуды тестового импульса EFT, равное 1 кВ для «сигнальных
портов» и 8 кВ для «сигнальных портов телекоммуникации».
Причем в обоих случаях речь идет о телекоммуникационной аппа-
ратуре (см. название стандарта), расположенной внутри упомянуто-
го выше здания с подключенными к ее портам кабелями длиной
10 м. Более того, в п. 3.1.12 этого стандарта в качестве примера
«сигнального порта» приводится «телекоммуникационный порт».
Так откуда же берется разница в 8 раз между амплитудами тесто-
вых импульсов, предназначенных для испытания одной и той же
аппаратуры при одних и тех же условиях? Трудно понять логику
составителей этого стандарта.
Во-вторых, в примечании под таблицей XV авторы вообще
рекомендуют использовать проверку на стойкость к электростати-
ческому разряду (Electro Static Discharge - ESD) вместо проверки
440
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
на устойчивость к EFT и далее приводят данные о проверке МУРЗ
именно на устойчивость к ESD, даже не вспоминая об EFT.
Рис. 19.7. Форма и временные параметры тестового импульса ESD
по IEC 61000-4-2 [17]
Но ведь это совершенно разные воздействия (см. рис. 19.7
и 19.8), выполняемые по разным методикам, с совершенно разным
влиянием на МУРЗ! Электростатический разряд с амплитудой 8 кВ
на поверхность заземленного металлического корпуса МУРЗ никак
не эквивалентен приложению импульсного напряжения с амплиту-
дой 8 кВ непосредственно ко входам МУРЗ!
6. Утверждение авторов о том, что экраны контрольных кабе-
лей необходимо заземлять исключительно с двух сторон для
большей эффективности экранирования, не подтверждается
на практике. Причины этого подробно рассмотрены в [19].
7. По непонятным причинам для оценки уровня устойчивости
МУРЗ к ЭМИ ЯВ авторы во второй половине статьи начина-
ют использовать стандарты МЭК серии 60255, в которых
приведены требования на устойчивость реле защиты к обыч-
ным электромагнитным помехам, не имеющим никакого от-
ношения к ЭМИ ЯВ.
441
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
^Последовательность одиночных импульсов в пачке
Рис. 19.8. Форма и временные параметры тестовых импульсов EFT
по IEC 61000-4-4 [18]
8. С большой легкостью авторы рассуждают о такой «простой»
проблеме, как защита системы телекоммуникаций, обеспе-
чивающей связь в релейной защите, от ЭМИ ЯВ, даже не
подозревая о целом комплексе сложных проблем [20, 21]
в деле защиты такого вида оборудования, как системы свя-
зи, отличающегося повышенной уязвимостью к ЭМИ ЯВ
и рядом других свойств.
9. В статье довольно странно представлены результаты испыта-
ний реле защиты компании SEL. Так, например, упоминается
442
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
о том, что при ослаблении в 20 дВ зданием типовой подстан-
ции напряженность поля в нем будет 5 кВ/м. Далее отмечается,
что были проведены испытания МУРЗ в сертифицированной
лаборатории для условий такой типовой подстанции, а уже
в следующем предложении сообщается, что по результатам
этих испытаний реле SEL (очевидно, подразумеваются реле
всех типов компании SEL?) оказалось устойчивым к импульсу
50 кВ/м, и дана ссылка на какой-то внутренний неопубли-
кованный документ компании SEL, доступ к которому отсут-
ствует. Какой вывод читатель должен сделать из такого описа-
ния?
10. Со ссылкой на другой внутренний неопубликованный доку-
мент в статье сообщается, что испытание отдельной печат-
ной платы МУРЗ «того же самого реле SEL» без корпуса
и каких бы то ни было металлических экранирующих обо-
лочек импульсом электрического поля с напряженностью
25 кВ/м подтвердило устойчивость реле компании SEL
к ЭМИ ЯВ.
Здесь следует отметить, что устойчивость к импульсу внешне-
го электрического поля с напряженностью в 25 кВ/м инертного
набора электронных компонентов, установленных на отдельно взя-
той и никуда не подключенной печатной плате, никому и ничего не
доказывает. С другой стороны, по данным, представленным на сим-
позиуме [22], организованном такими серьезными американскими
организациями, как Североамериканская корпорация по обеспече-
нию надежности электроэнергетики (NERC), Министерство энерге-
тики, Министерство обороны, Министерство национальной без-
опасности и др., неоднократно упоминаются следую-щие цифры:
- программируемые контроллеры, персональные компьютеры
и коммуникационные порты оборудования повреждаются
приложенным напряжением 0,5-0,6 кВ;
- сбои и нарушения в работе МУРЗ наступают при напряже-
нии 3,2-3,3 кВ на его входах;
- напряжение, возникающее под действием ЭМИ ЯВ на кон-
цах кабелей, проложенных внутри типовых зданий и под-
ключенных ко входам электронного оборудования энерго-
систем, достигает 10 кВ.
443
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Вывод, приведенный в [22], гласит: современное электронное
оборудование энергосистем имеет недостаточный уровень защиты
от ЭМИ ЯВ, что свидетельствует о наличии серьезной потенциаль-
ной проблемы.
Недавно все той же компанией SEL была подготовлена новая,
еще более сенсационная презентация на ту же тему (рис. 19.9).
Understanding Design, Installation, and
Testing Methods That Promote Substation
IED Resiliency for High-Altitude
Electromagnetic Pulse Events
Tim Minteer, Travis Mooney, Sharia Artz,
and David E. Whitehead
Schweitzer Engineering Laboratories
MYTH: “HEMP Could Cause a Protracted
Nationwide Blackout”
MIL STD 188-125A Is Not an Appropriate Standard
IEC Substation EMC Immunity Levels Exceed
HEMP Resiliency Levels
FACT: Robust, Substation-Hardened lEDs Are
HEMP Resilient in Substation Control Houses
Рис. 19.9. «Фундаментальный» труд сотрудников компании SEL
и некоторые сенсационные заголовки из него
При анализе этой новой презентации сталкиваешься с такими
откровениями, что становится понятным источник всех рассмот-
ренных выше несуразностей, распространяемых этой компанией.
Чего стоят одни лишь заголовки из этой презентации, приведенные
на рис. 19.9:
«Миф: ЭМИ ЯВ может привести к продолжительной общенацио-
нальной потере электроснабжения»;
«MIL-STD-125A - неподходящий стандарт»;
444
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
«Уровень устойчивости микропроцессорных терминалов на под-
станциях, соответствующий требованиям обычных стандартов
МЭК, превосходит требования устойчивости к ЭМИЯВ»;
«Факт: мощные микропроцессорные терминалы на подстанциях
устойчивы к воздействию ЭМИЯВ».
Из этих сенсационных «откровений» следуют и не менее сен-
сационные выводы (рис. 19.10).
Conclusions
• New substation designs provide HEMP resiliency for
lEDs meeting IEC EMC and Safety requirements
• Further testing of similar substation-hardened lEDs is
not recommended
• The effects of HEMP on substation lEDs should no
longer concern policy makers, grid operators, and
others
Рис. 19.10. Выводы из обширных «фундаментальных исследований»,
полученные в компании SEL
Вот лишь главные из них:
«Дополнительные испытания подобных микропроцессорных тер-
миналов не рекомендуются»;
«Влияние ЭМИ ЯВ на подстанционные микропроцессорные терми-
налы не нужно более учитывать разработчикам, сетевым опера-
торам и прочим».
Становится очень интересно, на основании каких таких сенса-
ционных исследований и открытий сотрудники компании SEL
пришли к выводам, опровергающим все, что было до них иссле-
довано и получено тысячами специалистов на протяжении полу-
века.
445
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
О методах исследования можно, наверное, судить из этой же
презентации (рис. 19.11).
Analyze HEMP Effects, Assess the Risk, Assist
Policy Makers and Grid Operators
Рис. 19.11. Разглядывая реле собственного производства,
выдающиеся «специалисты» в области высотного ядерного взрыва
из релейной компании SEL анализируют «эффекты ЭМИ ЯВ,
вероятность рисков, вырабатывают техническую политику»
и делают сенсационные выводы
Что касается фактического материала, то он представлен в пре-
зентации все теми же голословными утверждениями и ошибочными
представлениями, что и в предыдущих публикациях SEL, например,
все тот же ошибочный тезис о том, что защита от молнии автомати-
чески обеспечивает защиту и от ЭМИ ЯВ. Авторы почему-то счи-
тают, что если они представили несколько параметров молнии
и ЭМИ ЯВ в виде таблицы (рис. 19.12), то это должно доказывать
их правоту.
446
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
Substation Designs That Provide Lightning
Resiliency Also Provide HEMP Resiliency
Lightning EMP RF E! Waveform
Electric Field 100 kV/m 50 kV/m
Rise Time / Pulse Width 10/350 ps 2.5/23 ns
Energy 250 mJ 0.7 mJ
Рис. 19.12. По мнению инженеров компании SEL, защита
от молнии (Lightning EMP) автоматически обеспечивает защиту
и от ЭМИ ЯВ (HEMP Е1)
Coupled Transient Voltages From the RF E1
Waveform Are Statistically Less Than 4 kV
Random variables
• Location under burst
• Signal wire alignment
• Monopole height
• Signal wire shielding
IED Signal Wire Terminal
Peak Transient Voltage (kV)
Рис. 19.13. Вопреки всем известным фактам,
отчетам и стандартам, «специалисты» по высотным ядерным взрывам
из компании SEL утверждают, что амплитуда напряжения,
наводимого в кабелях, подключенных ко входам релейного терминала,
не превышает 4 кВ
Не менее интересно, о каких таких «статистических» данных об
амплитуде напряжения ЭМИ ЯВ на кабелях, подключенных к
микропроцессорным терминалам, которая якобы не превышает 4 кВ,
утверждают в SEL (рис. 19.13)? Неужели у них есть собственный
ядерный полигон?
447
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Как же установить реальный уровень устойчивости МУРЗ
к ЭМИ ЯВ? Очевидно, что с учетом разброса параметров МУРЗ,
различий в условиях их эксплуатации, неточностей, допущенных
в стандартах и отчетах, достоверные результаты могут быть полу-
чены лишь в результате реальных испытаний на симуляторах
ЭМИ ЯВ. Причем не отдельных терминалов и не отдельных печат-
ных плат, а полностью укомплектованных релейных шкафов с си-
стемами телекоммуникаций между ними, с системой заземления
и оперативного питания, так, как это было рассмотрено выше в со-
ответствующих главах, а также в [23 и 24].
19.6. Выводы и рекомендации по главе 19
1. Из-за методических ошибок при испытаниях МУРЗ, проведен-
ных ранее независимыми организациями, их нельзя признать
удовлетворительными, а результаты значащими. В настоящее
время нет достоверных данных о степени устойчивости МУРЗ
к ЭМИ ЯВ, и поэтому такие испытания должны быть проведены
повторно.
2. Материалы, опубликованные американской компанией SEL, не
доказывают преимущества реле этой компании по сравнению
с реле других компаний, не доказывают устойчивость микропро-
цессорных реле защиты к ЭМИ ЯВ, а являются чисто рекламны-
ми материалами, содержащим множество технических ляпсусов
и неточностей, способных ввести читателей в заблуждение.
Достоверные данные об устойчивости системы релейной защиты
к ЭМИ ЯВ могут быть получены лишь на основе корректно по-
ставленных испытаний, требующих проведения предварительной
достаточно сложной и ответственной работы.
3. Виды и режимы испытаний МУРЗ должны быть выполнены
в полном объеме и соответствовать стандартам так, как это опи-
сано в [1].
4. В качестве ККФ должен быть выбран критерий, позволяющий
контролировать функционирование МУРЗ в нормальном и ава-
рийном режиме защищаемого объекта в процессе воздействия на
него электромагнитной помехи, а не критерий, основанный лишь
на проверке исправности терминала после окончания воздействия
помехи.
448
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
5. Испытанию должен быть подвергнут как отдельный терминал
МУРЗ, так и система устройств, включающая в себя несколько
МУРЗ, соединенных между собой кабелями длиной не менее не-
скольких метров через соответствующие устройства связи. При
этом облучению электромагнитной энергией должна быть под-
вергнута вся система, а импульсным испытаниям приложенным
напряжением - как отдельные терминалы и устройства связи, так
и несколько объединенных терминалов и устройств связи одно-
временно.
6. При проведении испытания должны быть выбраны несколько
ступеней по амплитуде испытательных импульсов и напряженно-
сти электрического поля: от минимального до максимального
значения из приведенных в стандартах диапазонов. Полученные
данные должны быть использованы при оценке устойчивости
МУРЗ, смонтированных в конкретных шкафах и зданиях, обла-
дающих определенным коэффициентом ослабления электромаг-
нитного поля, а также при выработке требований по дальнейше-
му ослаблению этого поля, если окажется, что при существую-
щих условиях не обеспечивается требуемая устойчивость МУРЗ
к ЭМИ.
Литература к главе 19
1. Гуревич В. И. Проблемы тестирования микропроцессорных реле
защиты на устойчивость к преднамеренным электромагнитным
деструктивным воздействиям // Компоненты и технологии. -
2014. -№ 12.-С. 161-168.
2. Savage Е., Gilbert J., Radasky W. The Early-Time (El) High-
Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) and Its Impact on the U.S.
Power Grid. - Report Meta-R-320 for Oak Ridge National Laborato-
ry, 2010.
3. Гуревич В. И. Проблемы стандартизации в релейной защите. -
СПб.: ДЕАН, 2015.- 168 с.
4. Гуревич В. И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты.
Проблемы и решения. - М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 256 с.
5. Perrow С. Normal accidents. Living with high risk technologies.
First ed. Princeton: Princeton University Press, 1984.
6. EMP Effects on Protection and Control Systems. - Schweitzer Engi-
neering Laboratories, 2014, 31 p.
449
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
7. Report of the Commission to Assess the Threat to the United States
from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack, April 2008.
8. Minteer T., Mooney T., Artz S., Whitehead D. E. Understanding De-
sign, Installation and Testing Methods That Promote Substation IED
Resiliency for High-Altitude Electromagnetic Pulse Events. -
44th Annual Western Protective Relay Conference, Washington, Oc-
tober 17-19, IEEE.
9. Гуревич В. И. Применение LC-фильтров для защиты оборудо-
вания от электромагнитного импульса: реальная необходимость
или инерция мышления? // Компоненты и технологии. - 2017. -
№ 7. - Стр. 44-47.
10. Гуревич В. И. Нужно ли заземлять микропроцессорные устрой-
ства релейной защиты? // Автоматизация и IT в энергетике. -
2016.-№6.-С. 32-37.
11. Гуревич В. И. Проблемы заземления электронной аппаратуры
электроэнергетических объектов // Компоненты и технологии. -
2017.-№4.-Стр. 106-111.
12. Гуревич В. И. Проблема заземления электрооборудования как
основного средства защиты от ЭМИ ЯВ // Pro Электричество. -
2017.-№2.
13. MIL-STD-188-125-1 High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP)
Protection for Ground Based C41 Facilities Performing Critical.
Time-Urgent Mission. Part 1 Fixed Facilities, 2005.
14. IEC 61000-2-11 Electromagnetic compatibility (EMC). - Part 2-11:
Environment - Classification of HEMP environments.
15. IEC/TR 61000-5-3 Electromagnetic compatibility (EMC). - Part 5-3:
Installation and mitigation guidelines - HEMP protection concepts.
16. ITU-T K.78: High altitude electromagnetic pulse immunity guide for
telecommunication centers. - International Telecommunication
Union, 2009.
17. IEC 61000-4-2 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-2:
Testing and measurement techniques - Electrostatic discharge im-
munity test.
18. IEC 61000-4-4 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4: Test-
ing and measurement techniques - Section 4: Electrical fast transi-
ent/burst immunity test.
450
Глава 19. Особенности тестирования микропроцессорных реле защиты
19. Гуревич В. И. Заземление экранов контрольных кабелей: есть ли
решение проблемы? // Автоматизация и IT в энергетике. -
2017.-№9.-С. 42-48.
20. Гуревич В. И. Проблемы защиты систем телекоммуникации на
объектах электроэнергетики от электромагнитного импульса.
Ч. 1 // Компоненты и технологии. - 2017. - № 9. - С. 98-102.
21. Гуревич В. И. Проблемы защиты систем телекоммуникации на
объектах электроэнергетики от электромагнитного импульса.
Ч. 2 // Компоненты и технологии. - 2017. - № 10. - С. 122-127.
22. High-Impact, Low-Frequency Event Risk to the North American
Bulk Power System. - A Jointly-Commissioned Summary Report of
the North American Electric Reliability Corporation and the U. S.
Department of Energy’s, November 2009 Workshop, June 2010.
23. Гуревич В. И. Особенности испытания электронного оборудо-
вания энергосистем на устойчивость к электромагнитному
импульсу ядерного взрыва// Электричество. - 2017.- № 5.-
С. 11-18.
24. Гуревич В. И. Контроль эффективности защиты электрообору-
дования энергосистем от ЭМИ ЯВ // Компоненты и техноло-
гии.-2017.-№ И.
451
Глава 20. ПРОБЛЕМЫ ХРАНЕНИЯ ЗАПАСОВ ЗИП
20.1. Оптимизация запасов сменных модулей
электронной аппаратуры
Одним из эффективных путей повышения живучести энергоси-
стемы является быстрое восстановление поврежденных устройств
с использованием запасных частей, инструментов и принадлежно-
стей (ЗИП). Однако создание запасов ЗИП требует значительных
денежных средств, особенно в случае сложнейших электронных
микропроцессорных систем защиты, автоматики и управления, ши-
роко применяющихся в энергосистемах. Поэтому во всем мире уже
давно занимаются поиском оптимальных запасов ЗИП, позволяю-
щих сочетать требуемую надежность этих систем при минимуме
затрат.
Создание оптимальных запасов ЗИП - общая проблема, хоро-
шо известная во многих отраслях техники, которая на сегодняшний
день хорошо проработана теоретически с использованием различ-
ных математических методов оптимизации [1-8]. Известные мето-
ды оптимизации запасов ЗИП основаны на анализе статистики отка-
зов элементов, сменных модулей или комплектных изделий. То есть
количество необходимых комплектов ЗИП рассчитывают исходя из
того факта, что отказы электронной аппаратуры являются одиноч-
ными случайными событиями, происходящими с определенной ча-
стотой, подчиняющейся статистическим законам распределения
случайных величин. Необходимость увеличения количества ком-
плектов ЗИП с целью обеспечения восстановления работоспособно-
сти оборудования после воздействия ЭМИ ЯВ не вызывает сомне-
ния. Но как именно его увеличивать? Совершенно очевидно, что
в случае воздействия ЭМИ ЯВ на энергосистему произойдут одно-
временные массовые отказы электронной аппаратуры, не подчиня-
ющиеся никаким статистическим законам. Кроме того, обычный
достаточно длительный процесс заказа и получения новых ком-
плектов ЗИП для пополнения хранящихся запасов после израсходо-
вания заготовленных ранее комплектов непригоден в рассматрива-
емом случае. Поэтому простое увеличение складских запасов ЗИП
в полтора-два раза (как это иногда практикуется не очень дально-
видными руководителями) не решает проблемы, а такое увеличение
452
Глава 20. Проблемы хранения запасов ЗИП
этих запасов, при котором ЗИПом будет обеспечена абсолютно вся
электронная аппаратура, находящаяся в эксплуатации, - просто не-
реально по экономическим соображениям. Поэтому для расчета оп-
тимального комплекта ЗИП должен использоваться совершенно
другой подход.
Предлагаемый метод базируется на трех основных принципах:
1. Не все электронные устройства должны снабжаться ком-
плектами ЗИП, а лишь некоторые из них, определенные как
критически важные устройства (КВУ), без которых в прин-
ципе невозможно даже частичное функционирование элек-
троэнергетических объектов. Среди них, в свою очередь,
должны быть выбраны лишь критически важные объекты
(КВО) для энергосистемы.
2. Для выбранных КВУ должны быть созданы полные, а не ча-
стичные комплекты ЗИП.
3. Запасы ЗИП КВУ должны быть созданы в дополнение и вне
связи с запасами ЗИП, хранящихся на складах.
Таким образом, оптимизация запасов ЗИП в рассматриваемом
случае сводится лишь к расчету количества КВУ, необходимых для
комплектации КВО в конкретной энергосистеме.
20.2. Традиционный подход к хранению ЗИП
и его недостатки
Проблема хранения запасов ЗИП требует решения двух задач:
где хранить ЗИП и как его хранить.
Сегодня во многих энергосистемах комплекты ЗИП хранятся
на складах, часто значительно удаленных от энергетических объек-
тов, откуда их получают при необходимости ремонтные службы
или непосредственно службы, занимающиеся эксплуатацией. При
необходимости восстановления критически важных устройств
(КВУ) после воздействия на энергосистему ЭМИ ЯВ возникнет
проблема экстренной доставки критически важных грузов на кри-
тические важные объекты, поскольку под воздействием мощного
электромагнитного импульса с большой вероятностью будут выве-
дены из строя микроконтроллеры, управляющие работой современ-
ных транспортных средств.
453
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Для систем электросвязи в соответствии с [2] используется
двухуровневая система ЗИП, включающая комплекты «ЗИП-0»
и «ЗИП-Г». Комплект «ЗИП-0» является неотъемлемой частью
устройства (в рассматриваемом случае КВУ) и должен находиться
на месте эксплуатации устройства (в нашем случае - на критически
важном объекте, КВО). Комплекты «ЗИП-Г» (групповые) исполь-
зуются для пополнения комплектов «ЗИП-0» и хранятся в крупном
центре технического обслуживания (или на складе). Комплекты
«ЗИП-0» и «ЗИП-Г» должны быть проверены и испытаны перед пе-
редачей на хранение.
Такой подход к организации хранения ЗИП электронной аппа-
ратуры при необходимости восстановления энергосистемы после
воздействия ЭМИ ЯВ полностью оправдан и является, по нашему
мнению, максимально эффективным также и в электроэнергетике,
поскольку устраняет проблему экстренной доставки ЗИП на КВО
для восстановления КВУ. Хранение ЗИП КВУ непосредственно на
месте эксплуатации КВУ не требует решения этой проблемы. Еще
одна проблема может быть решена при такой организации хранения
ЗИП КВУ: проблема их конфигурирования и настройки перед уста-
новкой в аппаратуру, что требует значительного времени, участия
высококвалифицированного персонала, использования специальной
электронной аппаратуры и компьютеров (которые также могут быть
повреждены). В качестве примера такого вида КВУ могут служить
современные микропроцессорные устройства релейной защиты
(МУРЗ) без которых невозможно функционирование энергосисте-
мы. При массовых отказах МУРЗ в результате воздействия ЭМИ ЯВ
будет крайне затруднительно заниматься настройкой множества
комплектов ЗИП МУРЗ одновременно на многих удаленных энер-
гообъектах. Поэтому комплекты ЗИП МУРЗ, определенных как
КВУ, должны не только храниться рядом с действующими МУРЗ,
но и должны быть заранее запрограммированы, настроены и конфи-
гурированы для быстрой замены отказавших блоков конкретного
МУРЗ, работающего с конкретными настройками и установками.
Второй вопрос, требующий решения: как хранить ЗИП КВУ?
Проблема заключается в том, что ЭМИ ЯВ создает у поверхности
земли напряженность электрического поля, доходящую до 50 кВ/м.
При такой напряженности поля на выводах даже относительно не-
больших по размерам электронных компонентов (в пределах одной
454
Глава 20. Проблемы хранения запасов ЗИП
печатной платы) может возникать разность потенциалов, достаточ-
ная для электрического пробоя р-я-переходов, тончайших слоев
изоляции в микропроцессорах или стирания информации в ячейках
элементов памяти. Поэтому комплекты ЗИП КВУ должны хранить-
ся в защищенных от ЭМИ ЯВ контейнерах.
20.3. Требования к защитным контейнерам
Какими свойствами должны обладать эти контейнеры? Обра-
тимся к стандарту MIL-STD-188-125-1 [9], оговаривающему требо-
вания по эффективности экранирования критически важных объек-
тов от воздействия ЭМИ ЯВ (табл. 20.1).
В то же время стандарт IEC 61000-2-13 [10] приводит данные
о спектральной плотности излучения деструктивных электромаг-
нитных воздействий (рис. 20.1), из которых видно, что для компо-
нентов ЭМИ ЯВ Е1 и Е2 (в стандарте Е2 обозначен как «молния»,
поскольку некоторые его параметры близки к параметрам молнии)
плотность излучения остается максимально высокой на частотах
ниже 10 кГц и резко снижается уже на частотах выше 300 МГц.
Другие источники деструктивных электромагнитных воздействий
(не ЭМИ ЯВ) создают относительно высокую плотность излучения
в диапазоне более высоких частот.
Таблица 20.1
Минимальные требования по эффективности
экранирования критически важных объектов
от воздействия ЭМИ ЯВ (по рис. 1 из MIL-STD-188-125-1)
Частота излучения Ослабление, которое должен обеспечивать экран, дБ
10 кГц 20
100 кГц 40
1 МГц 60
10 МГЦ 80
1 ГГц 80
Как известно, глубина проникновения электромагнитной вол-
ны в металлы определяется скин-эффектом и зависит от частоты:
чем выше частота (1), тем на меньшую глубину (А) проникает вол-
на, то есть тем тоньше может быть стенка экрана:
455
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Д=503•
где А - глубина проникновения волны,
р - удельное сопротивление металла,
р - магнитная проницаемость металла,
/- частота излучения
Глубина проникновения электромагнитной волны - это толщи-
на поверхностного слоя металла, в котором напряженность элек-
тромагнитного поля снижается в е = 2,718 раза. По данным [И],
в этом слое будет выделяться почти 86 % энергии, поступающей
с поверхности. В табл. 20.2 приведены результаты расчета по при-
веденной выше формуле для наиболее широко используемого в ка-
честве экрана металла - алюминия.
Рис. 20.1. Спектральная плотность излучения различных источников
деструктивных электромагнитных воздействий
(из стандарта IEC 61000-2-13):
ПЭДВ - преднамеренные электромагнитные деструктивные воздействия
Как можно видеть из таблицы, контейнер из алюминия с тол-
щиной стенки не менее 3 мм может обеспечить достаточно эффек-
тивное ослабление излучения всех видов ПЭДВ.
456
Глава 20. Проблемы хранения запасов ЗИП
Таблица 20.2
Глубина проникновения электромагнитной волны
в стенки экрана из алюминия для различных частот
Частота 1 кГц 10 кГц 100 кГц 1 МГц 10 МГц 100 МГц 1 ГГц
Глубина проникновения волны, мм 2,6 0,83 0,26 0,083 0,026 0,0083 0,0026
20.4. Защитные контейнеры, предлагаемые на рынке
Что же предлагает сегодня рынок защитных контейнеров?
Прежде всего, этот рынок широко представлен крупными и тяже-
лыми толстостенными металлическими контейнерами (рис. 20.2),
снабженными защищенными системами вентиляции и фильтрами
для вводных кабелей. Такие контейнеры широко применяются
в армии, и они, безусловно, обеспечивают надлежащую защиту рас-
положенного в них оборудования.
Рис. 20.2. Крупный металлический контейнер для защиты от ЭМИ ЯВ,
снабженный системами вентиляции и фильтрами
для подключения внешних кабелей
457
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
К сожалению, это очень дорогие средства защиты, которые
вряд ли можно использовать для хранения ЗИПа в электроэнергети-
ке. Еще одной разновидностью защитного контейнера является
комната без окон со стенками и дверями, облицованными медными
листами (такие комнаты предлагаются компанией Holland Shielding
Systems). Такого рода защитные контейнеры также обладают заме-
чательной экранирующей способностью (от 40 до 120 дБ в частот-
ном диапазоне от 10 кГц до 1 ГГц), но так же, как и в предыдущем
случае имеют слишком высокую стоимость.
Простыми, надежными и очень дешевыми контейнерами для
защиты от ЭМИ ЯВ являются, по заверению их производителей,
пластиковые пакеты различных размеров с металлизированным
слоем (рис. 20.3).
Рис. 20.3. Пластиковые пакеты с металлизированным слоем,
предназначенные для защиты небольших электронных приборов от ЭМИ
Как правило, производители таких пакетов указывают высокую
степень ослабления излучения, доходящую до 40-45 дБ, но при
этом скромно умалчивают о том, для какого частотного диапазона
получены эти значения. Может ли металлизированный слой толщи-
ной в несколько микрон эффективно ослаблять электромагнитное
поле в частотном диапазоне от килогерц до гигагерц? Таблица 20.2
дает однозначный ответ на этот вопрос: нет, не может!
Еще одной разновидностью защитного контейнера, также ши-
роко представленной на рынке и рекламируемой как надежное
средство защиты от ЭМИ ЯВ, является тент (палатка), выполненная
из такого же, как и пакеты, металлизированного пластика или,
в лучшем случае, сотканная из ткани, содержащей металлические
нити (рис. 20.4).
458
Глава 20. Проблемы хранения запасов ЗИП
Рис. 20.4. Защитный тент (палатка), изготовленный
из металлизированной ткани
Рис. 20.5. Защитный контейнер компании Holland Shielding Systems BV,
обладающий очень высокой экранирующей способностью
459
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Специальные переносные толстостенные металлические кон-
тейнеры, обеспечивающие очень эффективное экранирование, так-
же широко представлены на рынке (рис. 20.5).
К сожалению, такие контейнеры слишком дороги для хранения
ЗИП и имеют недостаточный внутренний объем. Самыми подходя-
щими, по нашему мнению, являются простые алюминиевые кон-
тейнеры, сваренные из листового алюминия в форме простых ящи-
ков с крышками (рис. 20.6). Такие контейнеры с толщиной стенки
3/16 дюйма (4,8 мм) имеют вполне приемлемую степень экраниро-
вания: не менее 50 дБ в диапазоне частот 100 кГц - 1 ГГц; (76 дБ
при частоте 300 МГц; 66 дБ при частоте 1 ГГц) и выпускаются ря-
дом компаний, в том числе Montie Gear, EMP Engineering и др. по
стандартным или индивидуальным размерам.
Следует отметить, что такие простые контейнеры нужных раз-
меров могут быть изготовлены в любой мастерской, выполняющей
сварочные работы.
Рис. 20.6. Недорогие защитные контейнеры для хранения ЗИП,
выполненные из листового алюминия
При этом с целью предотвращения воздействия электро-
магнитных полей верхней части частотного диапазона на храня-
щиеся электронные приборы (которое может проникнуть во внут-
реннюю полость контейнера через зазоры, образуемые неплот-
но прилегающей крышкой), рекомендуется особо чувствитель-
ные электронные изделия (например, печатные платы с микропро-
цессорами и элементами памяти) помещать в описанные выше пла-
стиковые металлизированные пакеты перед размещением в контей-
нерах.
460
Глава 20. Проблемы хранения запасов ЗИП
Подводя итоги, можно сделать следующие выводы:
1. Одной из мер быстрого восстановления работоспособности
электроэнергетической системы после воздействия того или
иного вида ПЭДВ, является создание специальных комплек-
тов ЗИП электронной аппаратуры.
2. Известные методы оптимизации запасов ЗИП неприменимы
для рассматриваемого случая.
3. Для обеспечения быстрого восстановления исправности
электронной аппаратуры энергосистем должны быть созда-
ны полные комплекты ЗИП для критически важных
устройств (КВУ), расположенных на критически важных
объектах (КВО) электроэнергетики. КВУ и КВО должны
быть заранее определены.
4. Комплекты ЗИП для КВУ должны быть независимы от об-
щих запасов ЗИП, хранящихся на складах.
5. Комплекты ЗИП КВУ должны быть заранее проверены,
настроены и сконфигурированы и храниться в непосред-
ственной близости от КВУ, к которым они относятся.
6. Комплекты ЗИП КВУ должны храниться в защищенных от
ЭМИ ЯВ и других видов ПЭДВ закрытых контейнерах, ко-
торые могут быть изготовлены путем сварки из листов алю-
миния толщиной около 5 мм. Особо чувствительные блоки,
содержащие микропроцессоры и элементы памяти, должны
быть предварительно помещены в металлизированные пла-
стиковые пакеты.
Литература к главе 20
1. Жаднов В. Автоматизация проектирования запасов компонентов
в комплектах ЗИП: методы и средства // Компоненты и техноло-
гии. - 2010. - № 5. - С. 173-176.
2. ОСТ 45.66-96 Запасные части, инструменты и принадлежности
средств электросвязи. Стандарт отрасли. - М.: ЦНТИ «Информ-
связь», 1997.
3. Зацаринный А. А., Гаранин А. И., Козлов С. В. и др. Особенно-
сти расчета комплектов ЗИП в автоматизированных инфор-
мационных системах в защищенном исполнении // Системы
и средства информатики. - 2013. - Т. 23, № 1. - С. 113-131.
461
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
4. Допира Р. В., Лысюк A. IL, Цыбенко Д. В. и др. Методика рас-
чета системы обеспечения запасными частями территориально
распределенной радиоэлектронной техники // Программные
продукты и системы. - 2009. - № 1. - С. 128-130.
5. ГОСТ РВ 20.39.303-98. Комплексная система общих требова-
ний. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного
назначения. Требования к надежности. Состав и порядок зада-
ния. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1998.
6. Trimp М. Е., Dekker R., Teunter R. Н. Optimize initial spare parts
inventories: an analysis and improvement of an electronic decision
tool. - Report Econometric Institute El 2004-52, Erasmus University
Rotterdam, 2004, 70 p.
7. MIL-STD-1388-2. Department of Defense Requirements for
a Logistic Support Analysis Record, 1993.
8. Love R. E, Stebbins B. F. An Analysis of Spare Parts Forecasting
Methods Utilized in the United States marine Corps. - Thesis
AD-A184 698, Naval Postgraduate School, Department of the Navy,
1987.
9. MIL-STD-188-125-1 High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP)
Protection for Ground-Based C4I Facilities Performing Critical,
Time-Urgent Missions; Part 1: Fixed Facilities.
10. IEC 61000-2-13: 2005 Electromagnetic compatibility (EMC) -
Part 2-13: Environment - High-power electromagnetic (HPEM)
environments - Radiated and conducted.
И. Промышленные электротермические установки / H. М. Некра-
сова, Л. С. Кацевич, И. П. Евтюкова. - М.: Госэнергоиздат,
1961.-415 с.
462
Глава 21. ПРОБЛЕМА
ГЕОМАГНИТНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ
В СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ И ЕЁ РЕШЕНИЕ
21.1. Солнечные бури как источник
геомагнитно-индуцированных токов
В ионосфере Земли, расположенной в нескольких сотнях кило-
метров над ее поверхностью, всегда протекают электрические токи,
возникающие под действием магнитного поля Земли и ее вращения
вокруг своей оси. Они поддерживаются за счет постоянного образо-
вания большого количества заряженных частиц - ионов и свобод-
ных электронов из расщепляемых солнечной радиацией молекул
атмосферных газов. Эти электрические токи оказывают существен-
ное влияние на формирование магнитного поля Земли. Во время
солнечных бурь, сопровождающихся выбросом огромного количе-
ства ионизированной плазмы в направлении планеты (рис. 21.1),
особо мощные потоки протонов и электронов солнечной плазмы
резко увеличивают электрические токи, протекающие в ионосфере.
СОЛНЦЕ
ЗЕМЛЯ
V V 5
Рис. 21.1. Искажение магнитного поля Земли под воздействием
выбросов Солнечной плазмы
463
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Резкие изменения этих токов приводят не только к резким из-
менениям магнитного поля Земли, но и к возникновению так назы-
ваемых геомагнитных индуцированных токов (ГИТ) в протяженных
металлических предметах, находящихся в земле, таких как трубо-
проводы, рельсы железных дорог, кабели, а также к наведению
больших токов в протяженных линиях электропередач.
Эти наведенные в линиях электропередач токи замыкаются че-
рез заземленные нейтрали силовых трансформаторов (рис. 21.2).
Поскольку эти токи имеют очень низкую частоту, то их протекание
через обмотки трансформаторов приводит к насыщению магнито-
проводов трансформаторов и к резкому снижению их импеданса.
Как известно, постоянная составляющая в токе силового трансфор-
матора появляется также в момент его включения, поэтому реле
защиты силовых трансформаторов обычно отстроены от постоян-
ной составляющей в токе и не реагируют на нее.
Рис. 21.2. Схема наведения токов в ЛЭП
и земле электрическими токами ионосферы
Кроме того, постоянный ток (или ток очень низкой часто-
ты) практически не передается через трансформаторы тока. Таким
образом, обычная релейная защита не будет реагировать на ин-
дуцированные токи, насыщающие трансформатор, и он просто сго-
рит.
464
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
Проблема повреждения мощных силовых трансформаторов
геомагнитно-индуцированными токами во время солнечных бурь
хорошо известна [1, 2]. Квазипостоянные токи ГИТ, протекающие
через заземленные нейтрали силовых трансформаторов в регионах,
расположенных в северных широтах, могут достигать 100-300 А.
Хорошо известен случай коллапса энергосистемы Hydro-
Quebec в Канаде, когда 6 миллионов человек в течение 9 часов
оставались без электроэнергии, а также перегорание мощного сило-
вого трансформатора компании Public Service Electric and Gas
Company в Нью-Джерси на Северо-Востоке США во время солнеч-
ной бури в марте 1989 г. (рис. 21.3) [3].
Рис. 21.3. Сгоревший силовой трансформатор компании
Public Service Electric and Gas Company в Нью-Джерси
во время солнечной бури в марте 1989 г.
В северной части Финляндии во время солнечных бурь в 2005
и 2012 годах были зафиксированы ГИТ в нейтралях силовых транс-
форматоров с амплитудой до 200 А, в Швеции в 2000 г. был зафик-
сирован ГИТ с амплитудой около 300 А. В августе 2003 г. в резуль-
тате воздействия ГИТ на трансформаторы произошел коллапс энер-
госистем в северной части США и пограничной части Канады.
465
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рис. 21.4. Зоны интенсивных ГИТ в Северном полушарии:
слева - по данным Goodard Space Flight Center NASA (США),
справа - по данным Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (Италия)
Рис. 21.5. Зоны в Северном и Южном полушарии,
наиболее подверженные влиянию ГИТ
(по данным [4], красные области соответствуют максимальной
возможной интенсивности ГИТ для соответствующего полушария)
466
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
До недавнего времени все зафиксированные случаи поврежде-
ний силовых трансформаторов происходили в регионах, располо-
женных в приполярных областях в северных широтах (рис. 21.4).
В публикации [4] дополнительно выделены зоны и в южном по-
лушарии, интенсивность ГИТ в которых намного ниже, чем в север-
ных, но тем не менее они имеют большее значение, чем в других,
не выделенных, областях. То есть до недавнего времени во всем
мире считалось, что только регионы, близкие к полюсам, могут быть
подвержены существенному влиянию геомагнитно-индуцированных
токов. Но в 2007 г. вышла сенсационная статья двух авторов из
Кейптаунского университета ЮАР под названием «Риск поврежде-
ния трансформаторов в регионе от воздействия ГИТ считается низ-
ким неправильно» [5].
Эта статья сразу же привлекла внимание исследователей во
многих странах мира. Ее цитируют в десятках статей других авто-
ров, на нее ссылаются даже в официальных отчетах [6, 7]. Почему?
Да потому, что если приведенные в ней данные корректны, то это
означает изменение существующего подхода и существующих
взглядов на ГИТ и его влияние на силовые трансформаторы. Ведь
на широте Южно-Африканской Республики расположено множе-
ство других стран, для которых ранее опасность ГИТ не принима-
лась в расчет. Более того, выводы, полученные в этой статье, рас-
пространяются некоторыми авторами на многие другие регионы,
включая Ближний Восток. Например, в одном из отчетов, выпол-
ненных одной из американских компаний по заказу Министерства
энергетики Израиля, утверждается, что Израиль находится в зоне
опасного воздействия ГИТ на его энергосистему по той причине,
что в ЮАР зафиксированы разрушительные воздействия ГИТ на
силовые трансформаторы. И вот уже появляются спекулятивные
утверждения об опасности ГИТ в России. Одна из четырех опубли-
кованных в 2013 г. в журнале «Новости электротехники» статей так
и называется (с большой претензией на сенсацию!): «Геомагнитные
штормы. Угроза национальной безопасности России» [8], и это при
том, что никаких реально зафиксированных результатов измере-
ний, подтверждающих тезис об опасности высоких значений ГИТ
в России, в этих статьях не приводится.
Какие же аргументы приводят авторы из Кейптаунского уни-
верситета в доказательство своего сенсационного заявления?
467
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Рассмотрим поэтапно основные положения этой статьи в той после-
довательности, которой пользуются сами авторы.
1. Приводятся ссылки на несколько опубликованных ранее ра-
бот, в которых делается вывод о том, что основным видом
повреждений старых крупных трансформаторов в ЮАР яв-
ляются повреждения внутренней изоляции. При этом авторы
статьи особо подчеркивают, что ни в одной из ранее опубли-
кованных работ ГИТ не рассматривался как причина повре-
ждения силовых трансформаторов в энергосистеме ЮАР.
2. Приводятся ссылки на известные случаи коллапса энергоси-
стемы Hydro-Quebec в Канаде и повреждение силового
трансформатора на атомной станции в штате Нью-Джерси
на Северо-Востоке США в результате воздействия ГИТ (где
Канада и где Южная Африка!)
3. Приводится ссылка на диссертационную работу одного из
авторов этой статьи, Koen J., в которой тот применил из-
вестную методику расчета ГИТ к энергосистеме ЮАР и по-
казал, что она хорошо согласуется с экспериментальными
замерами ГИТ в силовых трансформаторах (рис. 21.6).
Рис. 21.6. Токи ГИТ в нейтрали силового трансформатора
мощностью 500 MBA во время солнечной бури в марте 2001 г. в ЮАР
468
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
При этом из того же рисунка хорошо видно, что максимальная
амплитуда реально измеренных значений ГИТ в мощном силовом
трансформаторе не превышает 6 А, причем протекающих в течение
очень короткого промежутка времени.
4. Между многочисленными ссылками на различные работы
других авторов в этой статье утверждается, что были зафик-
сированы неоднократные случаи насыщения трехфазных
трехстержневых трансформаторов (известных, кстати, как
значительно более устойчивые к ГИТ, чем однофазные или
пятистержневые трехфазные трансформаторы) токами ГИТ
величиной 2 А. Кем именно они были зафиксированы и где
именно, в статье не сообщается.
5. Далее, в разделе под названием «Термические повреждения
токами ГИТ в ноябре 2003 г.» приводятся фотографии
трансформаторов со сгоревшими обмотками (рис. 21.7), ко-
торые очень напоминают повреждения силового трансфор-
матора в Нью-Джерси. В них токи ГИТ составляли сотни
ампер, а также отмечается повышенное содержание раство-
ренных в масле газов.
Рис. 21. 7. Фото поврежденных обмоток силовых трансформаторов,
приведенных в рассматриваемой статье
При этом отмечается, что эти газы образовались после не-
скольких геомагнитных бурь, а некоторые трансформаторы аварий-
но отключались через много месяцев после зафиксированных гео-
магнитных бурь. Обращает на себя внимание тот факт, что, несмот-
ря на постоянный якобы мониторинг ГИТ, в статье не приведено
никаких данных о реальных токах ГИТ, зафиксированных именно
469
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
в этих трансформаторах, вызвавших такие серьезные повреждения
этих конкретных трансформаторов, фотографии которых представ-
лены на рис. 21.7.
6. В разделе «Другие возможные причины повреждения» отме-
чается, что повреждения трансформаторов от токов ГИТ не
обязательно должны происходить во время геомагнитных
бурь. Они могут появиться и через год после воздействия
ГИТ, вследствие полученных стрессов. При этом такие вы-
воды в статье ничем не подтверждены и не обоснованы.
Таким образом, можно утверждать, что единственным экспе-
риментально подтвержденным фактом является случай возникнове-
ния ГИТ с амплитудой до 6 А в силовых трансформаторах в энерго-
системе ЮАР, все остальные данные приводятся в статье на уровне
рассуждений и предположений, не подтвержденных реально зафик-
сированными результатами измерений.
Теперь посмотрим, насколько опасным для крупных силовых
трансформаторов является ГИТ с амплитудой до 6 А. Для этого об-
ратимся к новому стандарту IEEE [9], в котором обобщен накоп-
ленный на сегодняшний день опыт в области влияния ГИТ на сило-
вые трансформаторы. В этом стандарте рассмотрены многочислен-
ные аспекты, ослабляющие или усиливающие степень влияния
ГИТ, включая конструктивные особенности трансформаторов, сте-
пень их загрузки и т. п. Так вот, в этом стандарте токи ГИТ менее
чем 10 А вообще не рассматриваются и не упоминаются вследствие
их совершенно незначительного влияния на трансформаторы.
А в разделе 6.5 этого стандарта прямо указывается, что повышение
температуры обмоток и других конструктивных элементов в сило-
вых трансформаторах при токах ГИТ 10 А пренебрежимо мало.
Обратимся к другим публикациям, рассматривающим причины
повреждений в энергосистеме ЮАР. Среди многочисленных пуб-
ликаций на эту тему стоит выделить очень обстоятельный отчет
[10], содержащий анализ 12229 случаев аварий в энергосистеме
ЮАР, произошедших за период в 16 лет (с 1993 до конца 2009 г.),
то есть включающий период 2003-2004 гг., в котором, по утвер-
ждению авторов предыдущей статьи, произошло массовое повре-
ждение силовых трансформаторов из-за воздействия геомагнитной
бури. Этот анализ основан на данных, предоставленных авторам
такими солидными организациями, как Advanced Fire Information
470
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
System, использующей специальное регистрирующее оборудование,
установленное на спутниках NASA, и на данных других организа-
ций. Статистика причин повреждений распределяется следующим
образом: 38 % всех повреждений вызвано крупными птицами, 26 %
молниями, 22 % возгораниями силового электрооборудования.
К другим причинам отнесены случаи вандализма, низкой квалифи-
кации персонала, падений деревьев и т. и. Причем среди более чем
12 тысяч случаев повреждений даже не упоминаются случаи на-
рушения электроснабжения, вызванные геомагнитными бурями.
И это при том, что одним из авторов этой публикации является
С. Т. Gaunt, который за пять лет до этого был соавтором той самой
сенсационной статьи о том, что ЮАР находится в зоне опасного
воздействия ГИТ на энергосистему. Что произошло с взглядами
этого автора за пять лет, остается загадкой.
А что пишут другие авторы об энергосистеме ЮАР?
В обзоре [И] приведены результаты анализа повреждений
188 силовых трансформаторов с напряжением от 88 до 765 кВ
и мощностью от 20 до 800 MBA в течение 5 лет. Более 80 % сило-
вых трансформаторов имеют мощность до 400 MBA. В статье де-
лается вывод о том, что для этой группы трансформаторов наиболее
частыми являются повреждения, вызванные старением изоляции.
Что касается повреждений, вызванных ГИТ, то о них в статье даже
не упоминается.
В отчете организации Mitigation Action Plans & Scenarios
(MAPS), подготовленном для Министерства энергетики ЮАР [12],
отмечается кризисное состояние электроэнергетики в ЮАР из-за
отсутствия вложений средств в нее в течение последних 20 лет.
После внимательного рассмотрения доводов, приведенных
в упомянутой сенсационной статье, и знакомства с результатами
анализа повреждений трансформаторов в ЮАР, выполненных мно-
гочисленными авторами, возникает сомнение в состоятельности
утверждения, приведенного в этой статье и подозрение в попытке
искусственного привлечения к объяснению повреждений силовых
трансформаторов солнечных бурь с целью списать на них реальные
проблемы электроэнергетики.
А как обстоят дела в странах, находящихся примерно на тех же
широтах, что и ЮАР?
471
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Влияние ГИТ на силовые трансформаторы в Южной Австралии
подробно проанализировано в [13]. Реальные замеры токов ГИТ
в силовых трансформаторах во время геомагнитных бурь дают зна-
чения, не превышающие 4-5 А, то есть очень близкие к значениям,
полученным в ЮАР, хотя авторы публикации и отмечают, что ожи-
даемые токи ГИТ во время других геомагнитных бурь теоретически
могут быть и больше.
По трансформаторам в энергосистеме Уругвая [14] экспери-
ментальных данных нет. Теоретические вычисления дают результа-
ты, схожие с данными по Южной Африке.
В южной части Бразилии [15] экспериментально зафикси-
рованы токи ГИТ в силовых трансформаторах за период с 2009
по 2013 годы, очень близкие по своим значениям к токам, зафикси-
рованным в ЮАР (рис. 21.8).
Рис. 21. 8. Токи ГИТ в нейтрали силового трансформатора напряжением
500 кВ во время солнечной бури в Бразилии в октябре 2013 г.
При анализе причин повреждений силовых трансформаторов
в Индии [16], Иране [17], в Пакистане [18] воздействие ГИТ даже не
упоминается. В Японии зафиксированы значения ГИТ в силовых
трансформаторах при солнечных бурях, не превышающие 4 А. [19].
В Новой Зеландии, находящейся достаточно близко к области юж-
ного максимума ГИТ, во время сильной солнечной бури в ноябре
2001 г. в нескольких трансформаторах были зафиксированы токи
ГИТ с амплитудой, не превышающей 6 А, а в некоторых случаях
доходящей до 22 А (рис. 21.9).
472
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
Обращает на себя внимание тот факт, что отдельные выбросы
ГИТ с амплитудой, превышающей 10 А, имеют очень малую дли-
тельность, которая по данным [20] составляет 20 секунд, в то время
как постоянная нагрева силовых трансформаторов по данным стан-
дарта [9] составляет ЗСМ15 минут, то есть за время этих выбросов
температура трансформатора просто не успеет заметно измениться.
Рис. 21.9. ГИТ в нейтрали силового трансформатора во время
солнечной бури в ноябре 2001 г. в Новой Зеландии [20]
Но даже и длительные значения ГИТ в пределах 20-30 ампер
по данным того же стандарта недостаточны для повреждения сило-
вых трансформаторов.
Таким образом, во всех вышеперечисленных регионах мира,
расположенных в Южном полушарии, возникающие во время сол-
нечных бурь геомагнитно-индуцированные токи не достигают зна-
чений, способных повредить силовые трансформаторы. Другое де-
ло, что при таких токах в трансформаторах те превращаются
в мощные источники гармоник, влияющих на остальные виды элек-
трооборудования в электрических сетях и в первую очередь на реле
защиты. Наблюдающиеся в таких режимах ложные срабатывания
473
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
релейной защиты и отключения трансформаторов объясняются
именно таким влиянием. Но это уже совсем другая проблема, име-
ющая свое решение (например, за счет установки дополнительных
фильтров в цепях реле защиты) и не связанная с реальными повре-
ждениями силовых трансформаторов.
А как же узнать, каких именно значений достигают токи ГИТ
в конкретном регионе, в определенном трансформаторе?
Для ответа на этот вопрос существуют два метода: расчетный,
основанный на специальном программном модуле, и эксперимен-
тальный, основанный на непосредственном измерении ГИТ в цепях
заземления нейтралей силовых трансформаторов. Естественно,
можно использовать и комбинацию этих двух методов.
Рис. 21.10. Простой датчик ГИТ типа GIC-4,
выпускаемый компанией Dynamic Ratings
Специальный программный модуль для расчета ГИТ под
названием: PSS®E разработан и свободно продается компанией
«Сименс» [21]. В качестве исходных данных для расчета ГИТ эта
программа использует данные о географическом расположении
подстанций и ЛЭП, сопротивлении системы заземления и свойствах
грунтов, сопротивлении и группе соединений трансформаторов,
конструкции магнитной системы трансформаторов.
474
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
Для непосредственного измерения токов ГИТ компанией
Dynamic Ratings выпускается простой датчик тока GIC-4 [22], вы-
полненный в виде трансформатора тока с разъемным сердечником,
одеваемым на провод, соединяющий нейтраль трансформатора
с системой заземления (рис. 21.10).
Этот датчик работает на элементе Холла и содержит специаль-
ный фильтр, блокирующий токи с частотой выше 3 Гц. Датчики
выпускаются на два диапазона максимальных входных токов ГИТ:
до 45 А и до 360 А. Датчики имеют стандартный выходной сигнал
4-20 мА, позволяющий использовать их в любой системе регистра-
ции и мониторинга, передавать сигнал на удаленный диспетчерский
пункт.
Рис. 21.11. Устройство ECLIPSE НЕСТ для мониторинга ГИТ,
основанное на измерении токов в нейтрали силового трансформатора
и уровня гармоник, содержащихся в токе (Advanced Power Technologies)
Компанией Advanced Power Technologies выпускается более
совершенное устройство ECLIPSE НЕСТ [23], которое в допол-
нение к измерению постоянной составляющей тока в нейтрали
трансформатора измеряет также и уровень гармоник в токе транс-
форматора, появляющихся вследствие насыщения сердечника
475
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
трансформатора токами ГИТ (рис. 21.11). Помимо собственно дат-
чика ГИТ на основе эффекта Холла в нейтрали силового трансфор-
матора, это устройство содержит небольшой измерительный мо-
дуль и два небольших трансформатора тока. Эти дополнительные
трансформаторы тока включаются во вторичные цепи стандартных
трансформаторов тока, расположенных в проходных изоляторах
силовых трансформаторов, и служат для анализа гармонического
состава токов вплоть до седьмой гармоники. Измерительный мо-
дуль можно использовать для преобразования входных сигналов
в стандартный сигнал 4-20 мА или настроить на выдачу тревожного
сигнала при превышении током ГИТ или уровнем гармоник задан-
ного порога.
21.2. ЭМИ ЯВ как источник
геомагнитно-индуцированных токов
Магнитогидродинамический эффект ЭМИ (МГД-ЭМИ) являет-
ся одной из составляющих ЭМИ ЯВ, условно обозначаемой
как компонент ЕЗ.
ИЗЛУЧЕНИЕ
Рис. 21.12. Две стадии магнитогидродинамического эффекта ЭМИ ЯВ [24]:
а) «взрывная волна»; б) «вспучивание»
В его основе лежат магнитогидродинамические эффекты вза-
имодействия плазмы продуктов ядерного взрыва и разогретого
ионизированного воздуха с магнитным полем Земли. Различают
две стадии этого эффекта, называемые в зарубежной литерату-
ре Blast Wave («взрывная волна») и Heave («вспучивание»),
с отличающимися механизмами образования и длительностью
476
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
(рис. 21.12). Первая стадия с длительностью до 1-10 сек. обуслов-
лена разлетом больших плазменных субстанций, образующихся
при взрыве в разреженном воздухе (на большой высоте) и в при-
сутствии магнитного поля Земли.
Рис. 21.13. Изменение напряженности горизонтальной
составляющей электрического поля на поверхности Земли
в результате воздействия компонента ЕЗ ЭМИ Я В [25]
При этом происходит сложное взаимодействие между ионами
плазмы, магнитным полем, гамма- и рентгеновским излучениями,
сопровождающееся образованием вихревого электрического поля.
Эти физические эффекты приводят к сильному смещению маг-
нитного поля Земли, которое тем сильнее, чем мощнее энергия
взрыва и высота взрыва над поверхностью Земли. На второй стадии
происходит вспучивание и быстрый подъем вверх раскаленных в
результате взрыва и сильно ионизированных масс воздуха, то есть
фактически плазмы. Пересечение ионизированной плазмой сило-
вых линий магнитного поля Земли сопровождается поляризацией
477
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
воздушного слоя и генерацией мощного электрического поля, кото-
рое, в свою очередь, формирует сильные циркулирующие токи
в ионосфере. Процессы эти относительно медленные. Длительность
этой фазы взрыва составляет 10-300 сек.
Результатом всех этих процессов в разреженной атмосфере яв-
ляется возникновение у поверхности Земли относительно медленно
изменяющегося электрического поля с напряженностью в едини-
цы -десятки вольт на километр (рис. 21.13).
Несмотря на небольшую напряженность электрического поля,
вызванного компонентом ЕЗ ЭМИ ЯВ, оно наводит в протяженных
металлических предметах (трубах, рельсах, проводах ЛЭП) доволь-
но сильные электрические токи очень низкой частоты (менее 1 Гц),
то есть квазипостоянные токи. Особенно опасными являются токи,
наведенные в проводах ЛЭП (рис. 21.2).
21.3. Влияние компонента ЕЗ ЭМИ ЯВ
на силовое электрооборудование
Поскольку геомагнитный индуцированный ток (ГИТ) имеет
очень низкую частоту (менее 1 герца), то его воздействие аналогич-
но воздействию постоянного тока, и поэтому в первую очередь его
влияние будет проявляться на электрооборудовании, содержащем
электромагнитные системы, такие как силовые трансформаторы.
Насыщение сердечника силового трансформатора квазипостоянным
током в нейтрали приводит к возрастанию тока намагничивания,
сильному искажению кривой тока в обмотках трансформатора, су-
щественному увеличению потерь в трансформаторе, что потенци-
ально может привести к росту температуры обмотки и магнитопро-
вода (рис. 21.14).
Опасность такого режима работы трансформатора заключается
не только в вероятности выхода из строя самого трансформатора,
но также и в негативном влиянии его на всю систему электроснаб-
жения. Трансформатор, находящийся в таком режиме, является
мощным источником четных и нечетных гармоник, вызывающих
перегрузку батарей емкостной компенсации и нарушающих нор-
мальную работу релейной защиты. Устройства защиты конденса-
торных батарей отключат их, спасая от перегрузки. В сочетании
с одновременным резким возрастанием потребления реактивной
478
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
мощности самим трансформатором, находящимся в таком режиме,
и при большой его мощности это приведет к существенному дефи-
циту реактивной мощности в системе.
При этом снижается напряжение, и в работу автоматически
вступают регуляторы напряжения под нагрузкой (РПН) самих
трансформаторов, пытающиеся восстановить уровень напряжения.
Рис. 21.14. Искажение формы тока в установившемся режиме
в обмотках силового трансформатора при протекании
в его нейтрали геомагнитных токов величиной 50, 100 и 150 А [26]
Контакторы устройств РПН трансформаторов не предназначе-
ны для коммутации токов, содержащих значительную постоянную
составляющую, и с большой вероятностью будут разрушены,
что может привести к повреждению устройства РПН и к короткому
замыканию регулировочной части обмоток трансформаторов. В та-
ком режиме должны мгновенно сработать выключатели и отклю-
чить поврежденные трансформаторы. Но вот вопрос, способны
ли будут высоковольтные выключатели отключить такие токи
короткого замыкания и, вообще, способны ли они будут отключать
токи нагрузки, содержащие большую постоянную составляющую?
Ведь они не предназначены для коммутации таких токов. А что
произойдет с конденсаторами, шунтирующими последовательно
соединенные полюса таких выключателей, при воздействии на них
высокочастотных гармоник? Вопросов пока больше, чем ответов.
479
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Тем не менее известно, что сильные солнечные бури, вызывающие
эффекты, сходные по своим параметрам с эффектами, вызываемы-
ми компонентном ЕЗ ЭМИ ЯВ, неоднократно приводили к серьез-
ным повреждениям силового электрооборудования и к коллапсу
энергосистем в различных странах.
21.4. Защита силового электрооборудования
от воздействия геомагнитных индуцированных токов
Совершенно очевидно, что эффективно защитить установленное
силовое электрооборудование энергосистем можно, предотвратив
протекание через него ГИТ. Этого можно достигнуть, либо предот-
вратив протекание ГИТ через провода ЛЭП (при использовании ба-
тарей продольной емкостной компенсации, включенных в разрыв
проводов ЛЭП), либо блокировав попадание ГИТ в нейтрали сило-
вых трансформаторов (при включении конденсаторов последова-
тельно в цепь заземления нейтрали).
Рис. 21.15. Типовая схема устройства, блокирующего ГИТ
в нейтрали силового трансформатора:
Т -трансформатор, S - коммутационный аппарат, предназначенный
для вывода устройства из эксплуатации, СВ - специальный выключатель,
предназначенный для отключения переменного и постоянного токов,
С - батарея конденсаторов, R - ограничительный резистор,
F - специальное устройство для защиты от перенапряжений
при протекании аварийных токов в цепи нейтрали
480
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
Продольная емкостная компенсация - дорогое удовольствие и
применяется редко, лишь на очень протяженных ЛЭП для компен-
сации индуктивного сопротивления проводов. Поэтому в последнее
время интенсивно разрабатываются установки на основе конденса-
торов, предотвращающие попадание ГИТ в нейтрали силовых
трансформаторов.
4275 Bi-tron
3275 Pulsatron™
4138 Bi-tron™
Рис. 21.16. Мощные высоковольтные управляемые разрядники компании
Advanced Fusion Systems типов 4275 (35 кВ, 100 кА);
3275 (500 кВ, 250 кА); 4138 (75 кВ, 250 кА)
481
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
Проблема заключается в том, что в отсутствии ГИТ эти уста-
новки не должны влиять на нормальные режимы работы трансфор-
маторов и электрической сети, то есть не должны снижать эффек-
тивность заземления нейтрали, а также должны выдерживать про-
текание больших токов короткого замыкания и при этом приводить
к возникновению феррорезонансных явлений и перенапряжений
в переходных режимах. С целью обеспечения этих условий во всех
типах установок такого рода принят такой алгоритм работы, при
котором батарея конденсаторов постоянно зашунтирована байпас-
ным силовым коммутационным элементом (СВ) и вводится в рабо-
ту путем дешунтирования (размыкания этого коммутационного
элемента) лишь в момент обнаружения ГИТ (рис. 21.15).
Возникновение аварийных режимов в сети с включенными
в нейтраль конденсаторами может привести к появлению очень вы-
соких напряжений в цепи нейтрали трансформатора, превышающих
уровень изоляции нейтрали, а также и на самих конденсаторах.
Поэтому такие установки должны быть снабжены специальными
устройствами защиты от перенапряжений F (обычные варисторы
для этого непригодны). На рис. 21.15 условно показано защитное
устройство, содержащее блок из 6 мощных высоковольтных тири-
сторов и вакуумный разрядник. На практике вместо блока тиристо-
ров широко применяют также и мощные управляемые трехэлек-
тродные разрядники специальной конструкции (рис. 21.16).
Кроме того, должна быть предусмотрена возможность отклю-
чения этой установки специальным коммутационным аппаратом (S)
типа отделителя с заземляющим ножом для вывода устройства из
эксплуатации без отключения трансформатора. В целом установка
получается совсем не простой и недешевой (более 300 тыс. долла-
ров США), см. рис. 21.17.
Существуют и другие методы защиты силовых трансформато-
ров от ГИТ, основанные на изменении конструкции трансформато-
ра. Введение дополнительных немагнитных зазоров в магнитопро-
вод трансформатора снижает вероятность его насыщения, однако
ухудшает основные технические характеристики трансформатора.
Другие известные технические решения (рис. 21.18) пре-
дусматривают размещение на магнитопроводе трансформатора
дополнительных обмоток, компенсирующих влияние постоянно-
го тока и зашунтированных неким специальным элементом (31),
482
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
имеющим высокое сопротивление для постоянного тока и низкое
сопротивление для переменного тока.
NBBD (Phoenix Electric Со.)
Рис. 21.17. Установки для блокирования ГИТ в цепях нейтрали силовых
трансформаторов: вверху установка, предлагаемая компанией АББ,
снабженная контроллером фирмы SEL, внизу установка, разработанная
компанией Phoenix Electric
По-видимому, таким элементом может служить батарея кон-
денсаторов, хотя об этом напрямую в патенте США № 7432699
и не упоминается. Аналогичное техническое решение описано и
в патенте США № 7489485. В других технических решениях пред-
лагается подключить эту компенсационную обмотку к внешнему
регулируемому источнику постоянного тока, компенсирующего
483
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
ГИТ. Имеются предложения соединять обмотки трансформатора по
схеме «обратного зигзага», при которой происходит взаимная ком-
пенсация намагничивающих токов каждой фазы, имеющих одина-
ковую величину, но противоположное направление, и насыщения
магнитопровода не происходит.
Рис. 21.18. Устройство силового трансформатора с дополнительной
обмоткой, компенсирующей ГИТ: 2-4 - основные обмотки;
5-7 - компенсационные обмотки; 31 - элемент с высоким сопротивлением
к постоянному току и низким сопротивлением к переменному току
Все эти технические решения требуют изменения технологии
изготовления силовых трансформаторов, ухудшают их технические
характеристики и ведут к их существенному удорожанию. То есть
любые технические мероприятия, направленные на предотвраще-
ние/компенсацию токов ГИТ, связаны со значительными матери-
альными затратами. В связи с чем возникает вопрос об экономиче-
ской целесообразности вложения значительных средств с целью
предотвращения повреждения электрооборудования во время тако-
го исключительного события, как высотный ядерный взрыв.
Ряд ведущих мировых производителей мощных высоковольт-
ных трансформаторов (Siemens, ABB и др.) сообщают о разработке
ими специальных трансформаторов (GIC Safe Power Transformers),
способных выдержать в течение нескольких часов ГИТ величи-
ной до 50 А, а отдельные импульсы ГИТ с амплитудой до 200 А.
В своих рекламных материалах производители не раскрывают тех-
нические решения, благодаря которым им удалось повысить устой-
чивость трансформаторов к ГИТ, но очевидно, что речь не идет
484
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
о каких-то технических решениях, блокирующих попадание квази-
постоянного тока в нейтраль трансформатора или компенсирующих
магнитные потоки в магнитопроводе, поскольку при использовании
таких технических решений не существует ограничений по времени
воздействия ГИТ и нет таких жестких ограничений по его величине.
Скорее всего, такие трансформаторы просто более устойчивы к по-
вышенной температуре за счет использования специальных высоко-
температурных лаков для изоляции пластин магнитопровода и спе-
циальных изоляционных материалов для обмоток.
Рис. 21.19. Примеры графиков нагрева обмотки и магнитопровода
силового трансформатора при протекании в его нейтрали
геомагнитных токов величиной 20, 30 и 50 А
Повышение устойчивости трансформатора к квазипостоян-
ным токам, протекающим через него, вовсе не является полно-
ценным решением проблемы, поскольку, как было показано вы-
ше, трансформатор с насыщенным магнитопроводом является ис-
точником серьезных проблем для многих других видов силового
электрооборудования, поэтому сохранение работоспособности
485
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
трансформатора отнюдь не гарантирует работоспособности систе-
мы электроснабжения.
Вряд ли можно признать целесообразным вложение значитель-
ных денежных средств для защиты энергосистем от одиночного со-
бытия (высотного ядерного взрыва), вероятность возникновения
которого достаточно низка. Так в чем же здесь дело и почему тако-
го рода защитные устройства разрабатываются и предлагаются на
рынке? Дело в том, что ГИТ возникает не только во время высотно-
го ядерного взрыва, но и во время сильных солнечных бурь, кото-
рые повторяются периодически и являются причиной тяжелых ава-
рий в энергосистемах. Однако влияние солнечных бурь на различ-
ные регионы Земли не одинаково. Это влияние усиливается по мере
приближения к полюсам Земли и очень слабо в районах, прилегаю-
щих к экватору. В регионах, значительно удаленных от полюсов,
солнечные бури не вызывают сколько-нибудь заметных ГИТ, спо-
собных повлиять на работоспособность энергосистем. Однако раз-
работчики защитных устройств обычно указывают на то обстоя-
тельство, что параметры ГИТ, возникающего от солнечных бурь
и от высотного ядерного взрыва, во многом схожи между собой, и
поэтому энергосистемы, желающие повысить устойчивость элек-
трооборудования к высотному ядерному взрыву, должны применять
такие защитные устройства независимо от их географического рас-
положения. Казалось бы, все вполне логично.
Однако существует одно важное различие в параметрах ГИТ,
возникших как результат мощной вспышки на Солнце и в результа-
те высотного ядерного взрыва, ставящее под сомнение обоснован-
ность такой логики. Это отличие - длительность существования
ГИТ. При высотном ядерном взрыве длительность существования
ГИТ составляет лишь несколько минут, в течение которых силовые
трансформаторы, обладающие большой теплоемкостью, просто
не успеют нагреться до опасной температуры (рис. 21.19).
Впервые этот очень важный вывод был сформулирован нами
в статьях на русском и английском языках [1, 27], опубликованных
еще в 2011 г. Причем статья на английском языке [27] выложена
в свободном доступе в Интернете с 2011 года и прямые ссылки
на нее дает Google при поиске информации на эту тему. В этой свя-
зи вызывает некоторое недоумение отчет всемирно известного
исследовательского центра EPRI [28], опубликованный в 2017 г.,
486
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
в котором повторяется сделанный нами ранее вывод, однако нет
никаких ссылок на нашу статью. Вот как выглядит перевод главно-
го вывода, сделанного в отчете:
«Термический анализ сотен и тысяч трансформаторов, кото-
рый были исследованы, показал, что только очень малая их
часть имеет потенциальный риск быть поврежденными. В са-
мом тяжелом случае только 14 трансформаторов из десят-
ков тысяч исследованных имеют потенциальный риск повре-
ждения».
Понятно, что при больших значениях ГИТ температура частей
трансформатора будет более высокой, но за столь короткое время
она все же не достигнет опасных для трансформатора значений.
Значительно большую опасность представляют собой токи, иска-
женные несимметрично насыщенным трансформатором, для других
видов силовой аппаратуры, рассмотренных выше, которые не обла-
дают такой инерцией, как силовые трансформаторы. Однако если во
время солнечной бури ГИТ присутствуют на протяжении многих
часов, в течение которых должно сохраняться электроснабжение
потребителей, то при высотном ядерном взрыве время существова-
ния ГИТ ограничивается несколькими минутами, в течение которых
электрооборудование может быть выведено из работы во избежание
его повреждения, а затем снова возвращено в работу. При этом,
поскольку процесс нарастания ГИТ достаточно медленный, мож-
но отключить трансформаторы сразу же при обнаружении постоян-
ной составляющей в токе нейтрали, не дожидаясь насыщения
его магнитопровода и всех последующих за этим событий. Такой
метод защиты силового электрооборудования энергосистем от маг-
нитогидродинамического эффекта ЭМИ ЯВ нам представляет-
ся значительно более правильным, чем рассмотренные выше, по-
скольку, обладая высокой эффективностью, он не требует зна-
чительных материальных затрат. Все затраты на реализацию тако-
го метода защиты сводятся к установке специального реле, реаги-
рующего на появление постоянной составляющей в токе нейтрали
и мгновенно выдающего команду на отключение трансформа-
тора.
Такое реле должно иметь специальную конструкцию, а не та-
кую, какую компания АВВ использовала для управления устрой-
ством SolidGround (промышленный программируемый контроллер
487
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
типа SEL-2240), поскольку речь идет об устройстве защиты от со-
ставляющей ЕЗ ЭМИ ЯВ, появляющейся вслед за составляющими
Е1 и Е2, которые с большой вероятностью выведут из строя микро-
процессорное управляющее устройство SEL-2240 еще до того, как
оно успеет сработать.
Рис. 21.10. Реле защиты силового трансформатора
от низкочастотного индуцированного геомагнитного тока в цепи нейтрали
На рис. 2L10, а показан принцип действия реле, чувствительно-
го к постоянной составляющей тока в нейтрали силового трансфор-
матора и нечувствительного к переменному току, изменяющемуся
в широких пределах. Реле состоит из геркона RS с обмоткой, разме-
щенного на кабеле, соединяющем нейтраль трансформатора
с точкой заземления, перпендикулярно к оси кабеля и тороидального
трансформатора тока СТ, установленного на этом кабеле. При отсут-
ствии постоянной составляющей в токе нейтрали магнитное поле
кабеля, воздействующее непосредственно на геркон, полностью ком-
пенсируется магнитным полем катушки, одетой на геркон и питаю-
щейся от трансформатора тока. Изменение переменного тока, проте-
кающего в нейтрали, приводит к пропорциональному изменению
обоих магнитных полей, воздействующих на геркон, и к их взаимной
488
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
компенсации. В случае появления значительной постоянной состав-
ляющей в токе нейтрали (более 10-15 А) баланс магнитных полей,
воздействующих на геркон, нарушается: магнитное поле кабеля по-
прежнему воздействует на него, а компенсирующее магнитное поле
катушки, запитанной от трансформатора тока, нет, поскольку посто-
янная составляющая тока не трансформируется через трансформатор
тока. В результате геркон срабатывает. Реальная схема реле включает
дополнительно усилитель мощности на тиристоре VS, варистор Ru
и цепочку R1C1, защищающие тиристор от помех и перенапряжений
(рис. 21.10, Ь). Реле снабжено сплошным электростатическим экра-
ном и ферромагнитным экраном, имеющим окно лишь со стороны
кабеля в месте расположения геркона, и соединено с цепью отклю-
чающей катушки выключателя СВ посредством специального экра-
нированного кабеля с витыми парами и многослойным комбини-
рованным экраном, заземленным с двух концов и устойчивым к воз-
действию электромагнитного импульса.
В реле могут использоваться миниатюрные высоковольтные
вакуумные герконы, например типа KSK-1A85 (производства ком-
пании Meder Electronics), с электрической прочностью изоляции
между контактами 4 000 В при диаметре колбы 2,75 мм и длине
21 мм. Этот геркон способен коммутировать нагрузку мощностью
до 100 Вт (максимальное коммутируемое напряжение 1 000 В; мак-
симальный коммутируемый ток 1 А); время срабатывания 1 мс;
максимальная чувствительность 20 А. При необходимости увеличе-
ния чувствительности могут быть использованы дополнительные
ферромагнитные элементы (концентраторы магнитного поля), рас-
положенные в области геркона (рис. 21.10, с). Для получения реле
с более низкой чувствительностью и более высоким порогом сраба-
тывания продольная ось геркона должна образовывать угол, отлич-
ный от 90°, с осью кабеля, на котором он установлен. Тиристор то-
же выбран миниатюрный высоковольтный, типа SKT50/18E (произ-
водства компании Semicron), с максимальным напряжением 1 800 В
и максимальным длительным током 75 А, выдерживающий высокие
скорости нарастания напряжения (1 000 В/мкс) и широкий диапа-
зон рабочих температур (от -40 до +130 °C). Цепь питания отклю-
чающей катушки снабжена накопительным конденсатором СЗ,
обеспечивающим срабатывание выключателя даже при пропадании
489
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
оперативного напряжения. Этот участок схемы может быть немного
усложнен и выполнен в виде отдельного модуля (рис. 21.11).
Рис. 21.11. Модуль резервного питания катушки отключения
выключателя и микропроцессорных устройств
релейной защиты и автоматики
Такие же модули могут быть использованы и для поддержа-
ния питания отдельных микропроцессорных устройств релейной
защиты и автоматики на время, необходимое для выполнения
ими операций защитного отключения электрооборудования. Це-
почка R2C2 предназначена для дополнительного повышения
помехоустойчивости устройства. Конденсатор С2 обеспечивает
490
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
некоторую задержку включения тиристора, предотвращая его отпи-
рание под действием мощной импульсной помехи.
Применение в реле дискретных высоковольтных компонентов
вместо традиционной микроэлектроники позволяет обеспечить его
высокую надежность в условиях воздействия ЭМИ ЯВ.
21. 5. Выводы по главе 21
1. Из проведенного анализа ситуации можно сделать вывод о том,
что в настоящее время нет никаких экспериментальных данных,
подтверждающих повреждения силовых трансформаторов гео-
магнитно-индуцированными токами во время солнечных бурь
в ЮАР, странах, находящихся на широте ЮАР, странах ближне-
восточного региона, в России, Индии и многих других странах.
2. В настоящее время нет экспериментально подтвержденных дан-
ных, из которых следовала бы необходимость пересмотра ра-
нее установленных общепризнанных зон с повышенным уров-
нем ГИТ, представляющих опасность для силовых трансформа-
торов.
3. Распространенные во многих документах ссылки на поврежде-
ния силовых трансформаторов во время солнечных бурь, якобы
имевшие место в ЮАР, являются на самом деле несостоятель-
ными и не должны приниматься во внимание при рассмотрении
вопроса о необходимости принятия специальных мер по защите
силовых трансформаторов в том или ином регионе.
4. Магнитогидродинамический эффект ЭМИ ЯВ (МГД-ЭМИ), за-
ключающийся в появлении квазипостоянного тока, протекающего
через нейтрали силовых трансформаторов, отрицательно влияет не
только на сами трансформаторы, но и на многие другие виды си-
лового электрооборудования, в первую очередь на батареи конден-
саторов и высоковольтные выключатели. Поэтому технические
решения, направленные на защиту от влияния МГД-ЭМИ, должны
предусматривать защиту не только самих трансформаторов, но и
всех других видов силового электрооборудования энергосистем.
Технические решения, направленные не на блокирование или ком-
пенсацию геомагнитных индуцированных токов (ГИТ), а лишь по-
вышающие устойчивость трансформаторов к протеканию через
них таких токов, нельзя признать эффективными.
491
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
5. Существующие технические решения, основанные на предот-
вращении насыщения магнитопроводов трансформатора, можно
условно разделить на две группы:
- использование внешних установок, включаемых в разрыв
нейтрали трансформатора и блокирующих протекание ква-
зипостоянного тока в цепи нейтрали;
- внутренние конструктивные изменения самого трансфор-
матора (его обмоток или магнитопровода), препятствую-
щие насыщению магнитопровода при протекании квазипо-
стоянного тока в цепи нейтрали.
6. Любые из известных технических решений, направленных
на сохранение нормального функционирования энергосистемы
во время воздействия на ее элементы ГИТ, связаны со значи-
тельными материальными затратами.
7. Несмотря на схожесть большинства параметров ГИТ, возника-
ющих в результате высотного ядерного взрыва (составляющая
ЕЗ) и в результате сильных солнечных бурь, между ними имеет-
ся одно существенное отличие: длительность существования
ГИТ. Это отличие диктует необходимость различных подходов
к защите электрооборудования от воздействия солнечных бурь
и составляющей ЕЗ ЭМИ ЯВ.
8. Использование известных технических решений по защите си-
лового электрооборудования энергосистем от воздействия со-
ставляющей ЕЗ ЭМИ ЯВ нельзя признать экономически обос-
нованным. Для этого случая является оправданным кратковре-
менное отключение силового трансформатора на несколько ми-
нут по сигналу специального реле с последующим автоматиче-
ским возвратом его в работу.
9. Реле, выдающее команду на отключение трансформатора, должно
иметь специальную конструкцию, обеспечивающую его работо-
способность при воздействии всех компонентов ЭМИ ЯВ.
Литература к главе 21
1. Гуревич В. И. Силовые трансформаторы тоже подвержены вли-
янию Солнца // Электротехнический рынок. - 2011. - № 5. -
С. 48-51.
492
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
2. Гуревич В. И. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
в энергосистемах и ее решение // Энергетика и электрооборудо-
вание. - 2015. - № 3. - С. 20-23; № 4. - С. 30-32.
3. James A. Marusek. Solar Storm Threat Analysis. - Impact, 2007,
Bloomfield, Indiana 47424.
4. Schulte in den Baumen H.; Moran D.; LenzenM.; Cairns I.;
Steenge A. How severe space weather can disrupt global supply
chains. - Natural Hazards and Earth System Sciences, volume 14,
Issue 10, 2014, pp. 2749-2759.
5. Gaunt С. T., Coetzee G. Transformer failures in regions incorrectly
considered to have low GIC risk, Mat Post 07, 3rd European Confer-
ence on MV & HV Substation Equipment, Nov 15-17, 2007, Lyon,
France, Proceedings of Power Tech, July 15, 2007, Lausanne, Swit-
zerland.
6. Effects of Geomagnetically Induced Currents on Power Transform-
ers and Power Systems. - A2-304 CIGRE, 2012.
7. E-threath Protection for Infrastructure Continuity. - Final Report
of Electrical Infrastructure Council (EIC), 2013.
8. Сушко В. А., Косых Д. А. Геомагнитные штормы. Угроза наци-
ональной безопасности России // Новости электротехники. -
2013.-№4.
9. IEEE Std. С57.163-2015: IEEE Guide for Establishing Power Trans-
former Capability while under Geomagnetic Disturbances, 2015.
10. Minnaar U. J., Gaunt С. T., Nicolls F. Characterisation of power sys-
tem events on South African transmission power lines // Electric
Power System Research. - 2012. - Vol. 82, issue 1. - Pp. 25-32.
11. Minhas M. S. A., Reynders J. P., De Klerk P. J. Failures in power
system transformers and appropriate monitoring techniques. - High
Voltage Engineering Symposium, 22-27 August 1999, Conference
Publication No. 467, IEEE, 1999, vol. 1, London.
12. Energy Security in South Africa. - Research paper, MAPS, 2014.
13. Marshall R. A., Gomiak H., Van Der Walt T., and other. Observa-
tions of Geomagnetically Induced Currents in the Australian Power
Network//Space Weather.- 2013.- Jan., vol. 11, issue 1.-
Pp. 6-16.
14. Caraballo R., Sanchez Bettucci L. and Tancredi G. Geomagnetically
induced currents in the Uruguayan high-voltage power grid. -
Geophysical Journal International, August 16, 2013.
493
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
15. Cleiton Barbosal, Livia Alves, Ramon Caraballo, Gelvam A. Hart-
mann, Andres R.R. Papal, and Risto J. Pirjola. Analysis of geomag-
netically induced currents at a low-latitude region over the solar cy-
cles 23 and 24: comparison between measurements and calculations
- J. Space Weather Space Clim., 5, A35 (2015).
16. Shrikant S. Rajurkar, Jayant G. Nandapurkar, Amit R. Kulkami.
Analysis of Power Transformer failure in Transmission utilities. -
16-th National Power Systems Conference, 15-17 December, 2010.
17. Mirza M., Gholami A., Aminifar F. Failures Analysis and Reliabil-
ityCalculation for Power Transformers // Journal of Electrical Sys-
tems. - 2006. - № 1-2. - Pp. 1-12.
18. Shayan Tariq Jan, Raheel Afzal, and Akif Zia Khan. Transformer
Failures, Causes & Impact. - International Conference Data Mining,
Civil and Mechanical Engineering (ICDMCME’2015) Feb. 1-2,
2015 Bali (Indonesia), pp. 49-52.
19. Watari Shinichi, Kunitake Manabu, Kitamura Kentarou, and other.
Effects of Geomagnetically Induced Current on Power Grids // Jour-
nal of the National Institute of Information and Communications
Technology. - 2009. - Vol. 56, nos. 1-4. - Pp. 125-133.
20. Marshall R. A., Dalzell M., Waters C. L., Goldthorpe P., Smith E. A.
Geomagnetically induced currents in the New Zealand power net-
work // Space Weather. - 2012. - Vol. 10, issue 8.
21. GIC module to analyze geomagnetic disturbances on the grid
PSS®E, Siemens Power Technologies International, 09.2013, Sie-
mens AG and Siemens Industry, Inc.
22. GIC-4 - Geomagnetic Induced Current Sensor. - Dynamic Ratings,
2015.
23. Hoffman G. ECLIPSE GMD induced Core Saturation Detection.
Advanced Power Technologies, LLC, White Paper, 2013.
24. Study to Access the Effects of Magnetohydrodinamic Electromag-
netic Pulse on Electric Power Systems. - Report ORNL/sub-
83/43374/1/v, Oak Ridge National Laboratory, 1985.
25. IEC 61000-2-9 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2: Envi-
ronment. - Section 9: Description of HEMP environment. - Radiated
disturbance, 1996.
26. The Late-Time (E3) High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP)
and Its Impact on the U.S. Power Grid. - Report Meta-R-321,
Metatech Corp., 2010.
494
Глава 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
27. Gurevich V. Protection of Power Transformers Against Geomagneti-
cally Induced Currents // Serbian Journal of Electrical Engineering. -
2011. - Vol. 8, № 2. - Pp. 333-339.
28. Magnetohydrodynamic Electromagnetic Pulse Assessment of the
Continental U.S. Electric Grid: Geomagnetically Induced Current
and Transformer Thermal Analysis. - Rep. No. 3002009001, EPRI,
2017, 70 p.
495
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
СТАНДАРТЫ ПО ЭМИ ЯВ
1. Стандарты Международной электротехнической комиссии
(МЭК)
1.1. IEC TR 61000-1-3 Electromagnetic compatibility (EMC) — Part 1-3:
General. - The effects of high-altitude EMP (HEMP) on civil equipment
and systems.
1.2. IEC 61000-1-5 High power electromagnetic (HPEM) effects on civil sys-
tems.
1.3. IEC 61000-2-9 Electromagnetic compatibility (EMC)-Part 2: Environ-
ment. - Section 9: Description of HEMP environment. - Radiated disturb-
ance.
1.4. IEC 61000-2-10 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-10: Envi-
ronment. - Description of HEMP environment. - Conducted disturbance.
1.5. IEC 61000-2-11 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-11: Envi-
ronment. - Classification of HEMP environments.
1.6. IEC 61000-2-13 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-13: Envi-
ronment. - High power electromagnetic (HPEM) environments. - Radiated
and conducted.
1.7. IEC 61000-4-23 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-23: Test-
ing and measurement techniques. - Test methods for protective devices for
HEMP and other radiated disturbances.
1.8. IEC 61000-4-24 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4: Testing
and measurement techniques. - Section 24: Test methods for protective
devices for HEMP conducted disturbance.
1.9. IEC 61000-4-25 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-25: Test-
ing and measurement techniques. - HEMP immunity test methods for
equipment and systems.
1.10. IEC 61000-4-32 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-32: Test-
ing and measurement techniques - High-altitude electromagnetic pulse
(HEMP) simulator compendium.
1.11. IEC61000-4-33 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-33: Test-
ing and measurement techniques - Measurement methods for high-power
transient parameters.
1.12. IEC 61000-4-35 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-35: Test-
ing and measurement techniques - HPEM simulator compendium.
496
Приложение 1. Стандарты по ЭМИ ЯВ
1.13. IEC 61000-4-36 Electromagnetic compatibility (EMC) - Testing and
measurement techniques. - IEMI Immunity Test Methods for Equipment
and Systems.
1.14. IEC/TR 61000-5-3 Electromagnetic compatibility (EMC). - Part 5-3:
Installation and mitigation guidelines. - HEMP protection concepts.
1.15. IEC/TS 61000-5-4 Electromagnetic compatibility (EMC). - Part 5: In-
stallation and mitigation guidelines. - Section 4: Immunity to HEMP. -
Specifications for protective devices against HEMP radiated disturbance.
1.16. IEC 61000-5-5 Electromagnetic compatibility (EMC). - Part 5: Installa-
tion and mitigation guidelines. - Section 5: Specification of protective
devices for HEM conducted disturbance.
1.17. IEC 61000-5-6 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 5-6: Instal-
lation and mitigation guidelines - Mitigation of external EM influences.
1.18. IEC 61000-5-7 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 5-7: Instal-
lation and mitigation guidelines. - Degrees of protection provided by en-
closures against electromagnetic disturbances (EM code).
1.19. IEC 61000-5-8 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 5-8: Instal-
lation and mitigation guidelines. - HEMP protection methods for the dis-
tributed infrastructure.
1.20. IEC 61000-5-9 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 5-9: Instal-
lation and mitigation guidelines. - System-level susceptibility assess-
ments for HEMP and HPEM.
2. Стандарты Института инженеров электротехники
и электроники (IEEE)
2.1. IEEE Р1642 Recommended Practice for Protecting Public Accessible
Computer Systems from Intentional EMI.
3. Стандарты Европейской комиссии
3.1. Topic SEC-2011.2.2-2 Protection of Critical Infrastructure (structures, plat-
forms and networks) against Electromagnetic (High Power Microwave
(HPM)) Attacks.
4. Стандарты Международного объединения
по телекоммуникации (ITU)
4.1. ITU-T К.87. Guide for the application of electromagnetic security re-
quirements - Overview, 2016.
497
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
4.2. ITU-T К.78. High altitude electromagnetic pulse immunity guide for tele-
communication centers, 2016.
4.3. ITU-T K.81. High-power electromagnetic immunity guide for telecommu-
nication systems, 2014.
5. Военные стандарты США
5.1. MIL-STD-2169B High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) Envi-
ronmental, 2012 (Classified).
5.2. MIL-STD-188-125-1 High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) Pro-
tection for Ground Based C41 Facilities Performing Critical. Time-Urgent
Mission. Part 1. Fixed Facilities, 2005.
5.3. MIL-STD-188-125-2 High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) Pro-
tection for Ground Based C41 Facilities Performing Critical. Time-Urgent
Mission. Part 2. Transportable systems, 1999.
5.4. MIL-STD-461F Requirements for the Control of Electromagnetic Inter-
ference Characteristics of Subsystems and Equipment, 2007.
5.5. MIL-STD-464C Electromagnetic Environmental Effects. Requirements
for Systems, 2010. Test Operations Procedure Report No. 01-2-620 High-
Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) Testing.
5.6. MIL-STD-1377 Effectiveness of Cable, Connector, and Weapon Enclo-
sure Shielding and Filters in Precluding Hazards of Electromagnetic Ra-
diation to Ordnance (HERO), 1971.
5.7. MIL-HDBK-240 Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance
(HERO) Test Guide, 2002.
6. Стандарты НАТО
6.1. NATO AECTP-500 Ed. 4. Electromagnetic Environmental Effects Test
and Verification, 2011.
6.2. NATO AECTP-250 Ed. 2. Electrical and Electromagnetic Environmental
Conditions, 2011.
498
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ОТЧЕТЫ ПО ЭМИ ЯВ
1. Теория ЭМИ ЯВ
1.1. Report DTIC ADA955391: Capabilities of Nuclear Weapons. Part 2.
Damage Criteria. Change 1. Chapter 7. Electromagnetic Pulse (EMP)
Phenomena. NNA EM-1 / P. J. Dolan. - Defense Nuclear Agency,
1978.
1.2. Report DTIC ADA059914: Effect of Multiple Scattering on the Compton
Recoil Current. - Mission Research Corp, for Defense Nuclear Agency,
1978.
1.3. Report AFWL-TR-80-402: EMP Interaction: Principles, Techniques and
Reference Data / K. S. H. Lee. - Air Force Weapons Laboratory, 1981.
1.4. Interaction Note 435: Interaction of High-Altitude Electromagnetic
Pulse (HEMP) with Transmission Lines. An Early-Time Consideration /
K. S. H. Lee, at al. - LuTech Inc., 1983.
1.5. Report AD-A144 408. Evaluation of Methodologies for Estimating Vul-
nerability to Electromagnetic Pulse Effects. - National Academy Press,
Washington, D. C., 1984.
1.6. Report DTIC ADB094426: A Guide to Nuclear Weapons Phenomena and
Effects Literature / Kenneth E. Gould. - Defense Nuclear Agency, 1984.
Unclassified in 1986.
1.7. Interaction Note 458: A Study of Overhead Line Responses to High Alti-
tude Electromagnetic Pulse Environments / F. M. Tesche. - LuTech Inc.,
1986.
1.8. Report ORNL/Sub/86-18417/1: A Nominal Set of High-Altitude EMP
Environments / C. L. Longmire, R. M. Hamilton, J. M. Hahn. - Oak Ridge
National Laboratory, 1987.
1.9. Report ORNL/Sub/85-27461/1: The Effects of Corona on Current
Surges Induced on Conducting Lines by EMP: A Comparison of Experi-
mental Data with Results of Analytic Corona Models / J. P. Blanchard,
F. M. Tesche, and B. W. McConnell, Oak Ridge National Laboratory,
1987.
1.10. Report DTIC ADA234306: Comparison of the Frequency Spectra
of HEMP and Lightning / M. A. Uman. - Defense Nuclear Agency,
1991.
499
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
2. Геомагнитно-индуцированные токи и их влияние
на энергосистему
2.1. Report ORNL/Sub-83/43374/l/V3: Study to Assess the Effects of Magne-
tohydrodynamic Electromagnetic Pulse on Electric Power Systems /
J. R. Legro, N. C. Abi-Samra, and F. M. Tesche. - Oak Ridge National
Laboratory, 1985.
2.2. Report ORNL-6665: Electric Utility Industry Experience with Geomagnet-
ic Disturbances / P. R. Barnes, D. T. Rizy, B. W. McDonell. - Oak Ridge
National Laboratory, 1991.
2.3. Report ORNL-6709: Mitigation of Magnetohydrodynamic Electromagnet-
ic Pulse (MHD-EMP) Effects from Commercial Electric Power Systems /
P.R. Barnes, et al. - Martin Marietta Energy Systems, Inc., Oak Ridge
National Laboratory, March 1992.
2.4. Report ORNL/SUB/90-SG828/1: Magnetohydrodynamic Electromagnetic
Pulse (MHD-EMP) Interaction with Power Transmission and Distribution
Systems / F. M. Tesche, et al. - Martin Marietta Energy Systems, Inc.,
Oak Ridge National Laboratory, February 1992.
2.5. High-Impact, Low-Frequency Event Risk to the North American Bulk
Power System. - A Jointly-Commissioned Summary Report of the North
American Electric Reliability Corp, and the U. S. Department of Energy’s
November 2009 Workshop. NERC, 2010.
2.6. Report Meta-R-322: Low-Frequency Protection Concepts for the Electric
Power Grid: Geomagnetically Induced Current (GIC) and E3 HEMP Miti-
gation / J. Kappenman. - Metatech Corp., 2010.
2.7. Geo-Magnetic Disturbances (GMD): Monitoring, Mitigation and Next
Steps. A Literature Review and Summary of the April 2011 NERC
GMD Workshop. - North American Electric Reliability Corp. (NERC),
2011.
2.8. Effect of Geomagnetic Disturbances on the Bulk Power System and Elec-
tromagnetic Pulse Effect on the U. S. Power Grid / Thomas S. Popik. -
Task Force on National and Homeland Security, 2012.
2.9. Report A2-304: Effects of Geomagnetically Induced Currents on Power
Transformers and Power Systems / R.Girsis, V. Vedante, K. Gramm. -
CIGRE, 2012.
2.10. Report A2-303: Behavior of Transformers Under DC/GIC Excitation:
Phenomenon, Impact on Design / Design Evaluation Process and Model-
ing Aspects in Support of Design / T. Ngnegueu, F. Marketos, F. De-
vaux. - CIGRE, 2012.
500
Приложение 2. Исследовательские отчеты по ЭМИ ЯВ
2.11. Report LUTEDX/(TEIE-7242)/l-21/(2013): Geomagnetic disturbances
and their impact on power systems / Olof Samuelsson. - Division of
Industrial Electrical Engineering and Automation Faculty of Engineer-
ing, Lund University, 2013.
2.12. Report LUTEDX/(TEIE-5328)/l-062/(2014) GIC Distribution / Carlos
David Fernandez Barroso. - Division of Industrial Electrical Engineer-
ing and Automation Faculty of Engineering, Lund University, 2014.
3. Влияние ЭМИ ЯВ на энергосистему
3.1. Report ORNL-4958: Power System EMP Protection, Final Report /
H. Marable, P. R. Barnes, and D. B. Nelson. - Oak Ridge National
Laboratory, 1975.
3.2. Report ORNL-4919: Effect of Nuclear Electromagnetic Pulse (EMP) on
Synchronous Stability of the Electric Power System / R.W. Manweiler. -
Oak Ridge National Laboratory, 1975.
3.3. Report DTIC ADA014489: Electromagnetic Pulse and Civil Prepared-
ness. - Defense Civil Preparedness Agency, Washington, 1975.
3.4. Report ADA009228: Electromagnetic-Pulse Handbook for Electric
Power Systems / Edward F. Vance. - Stanford Research Institute, 1975.
3.5. Report AFWL-TR-75-181 (AD-A023927) Electromagnetic Pulse
Analysis of Small Power Systems, Albuquerque, Dikewood Industries Inc.,
1976.
3.6. Report ORNL-5029: The Effects of Nuclear Electromagnetic Pulse (EMP)
on Nuclear Power Plants / P. R. Barnes, Manwiler, R. W., and R. R. Da-
vis. - Martin Marietta Energy Systems, Inc., Oak Ridge National Labora-
tory, September, 1977.
3.7. Report HCP/T5103-01: Impact Assessment of the 1977 New York City
Blackout. - U. S. Department of Energy, Division of Electric Energy
Systems, 1978.
3.8. Report TR-61 EMP Threat and Protective Measures. FEMA, 1980.
3.9. Report TN No. N-1617 Development of a Low Cost EMP Protection
Concept for Emergency Operation Centers. Naval Civil Engineering
Laboratory, 1982.
3.10. Report NUREG/CR-3069: Interaction of Electromagnetic Pulse with
Commercial Nuclear Power Plant / D. M. Ericson, D. F. Strawe,
S. J. Sandberg, etc. - Sandia National Laboratories (SAND82-2738/2),
1983.
501
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
3.11. Report DOE/NBB/0033: Program Plan for Research and Development of
Technologies and Systems for Electric Power Systems under the Influ-
ence of Nuclear Electromagnetic Pulses. - U.S. Department of Energy,
May 1983.
3.12. Report ORNL/Sub/82-47905/1: Electromagnetic Pulse (EMP) Interaction
with Electrical Power Systems / H. W. Zaininger. - Oak Ridge National
Laboratory, 1984.
3.13. Report ORNL-6033: Nuclear Electromagnetic Pulse (EMP) and Electric
Power Systems / P.R. Barnes, E. F. Vance, and H. W. Askins. - Oak
Ridge National Laboratory, 1984.
3.14. Report ORNL/Sub-84/73986/1: HEMP-Induced Transients in Transmis-
sion and Distribution (T and D) Lines / N. Engheta, K. S. H. Lee,
F. C. Yang. - Oak Ridge National Laboratory, 1985.
3.15. Report ORNL/qub/84-89642/2: Design Concepts for a Pulse Power Test
Facility to Simulate EMP Surges in Overhead Power Lines / R. Dethlef-
sen. - Oak Ridge National Laboratory, 1985.
3.16. Report ORNL/Sub/84-89642/1: Design Concepts for a Pulse Power Test
Facility to Simulate EMP Surges in Overhead Power Lines: Part 1,
Fast Pulse / A. Ramrus. - Oak Ridge National Laboratory, 1985.
3.17. Report ORNL/qub/84-89642/2: Design Concepts for a Pulse Power
Test Facility to Simulate EMP Surges in Overhead Power Lines:
Part 2, Slow Pulses / R. Dethlefsen. - Oak Ridge National Laboratory,
1986.
3.18. ORNL/Sub/83-43374/Vl: Study to Assess the Effects of Electromagnetic
Pulse on Electric Power Systems - Phase I Executive Summary /
J. R. Legro, et al. - Oak Ridge National Laboratory, 1985.
3.19. Report ORNL/Sub/83-43374/V4: Study to Assess the Effects of Nuclear
Surface Burst Electromagnetic Pulse on Electric Power Systems-
Phase I Final Report / J. R. Legro, et al. - Oak Ridge National Laborato-
ry, 1985.
3.20. Report ORNL/Sub/84-73986/2: HEMP Interaction with an Electric Pow-
er Distribution Circuit / H. W. Zaininger, et al. - Martin Marietta Energy
Systems, Inc., Oak Ridge National Laboratory, August 1985.
3.21. Manual 9300.1 Electromagnetic Pulse (EMP) Protection Guidance.
FEMA, 1985.
3.22. Manual 9300.2 Retrofit Devices and Materials, Requisition Manual
for Electromagnetic Pulse (EMP) Protection Guidance. FEMA, 1985.
502
Приложение 2. Исследовательские отчеты по ЭМИ ЯВ
3.23. Report ORNL/Sub/83-43374/l/VI: Study to Assess the Effects of
High-Altitude Electromagnetic Pulse on Electric Power Systems - Phase
I Final Report / J. R. Legro, et al. - Oak Ridge National Laboratory,
1986.
3.24. CPG 2-17 Electromagnetic Pulse (EMP) Protection Guidance. FEMA,
1986.
3.25. Report ORNL/Sub/83-43374/V2: J. R. Legro, et al., Study to Assess
the Effects of High-Altitude Electromagnetic Pulse on Electric Power
Systems - Phase I Final Report. - Martin Marietta Energy Systems, Inc.,
Oak Ridge National Laboratory, February 1986.
3.26. Report ORNL/Sub/85-27461/1: The Effects of Corona on Current
Surges Induced on Conducting Lines by EMP: A Comparison of
Experimental Data with Results of Analytic Corona Models /
J. P. Blanchard, F. M. Tesche, and B. W. McConnell. - Martin
Marietta Energy Systems, Inc., Oak Ridge National Laboratory, Septem-
ber 1987.
3.27. Report ORNL/Sub/85-28611/1: Assess the Impact of Sleep-Front
Short-Duration Impulses on Power System Insulation - Phase I, Final
Report L. Burrage, et al. - Martin Marietta Energy Systems, Inc.,
Oak Ridge National Laboratory, February 1987.
3.28. Report ORNL/Sub/84-89643/1: Study lo Simulate High Altitude EMP
Surges Induced in Overhead Power Lines / D. Smith. - Oak Ridge
National Laboratory, 1987.
3.29. Report No. AST 88-2081: HEMP-Type Impulse Transfer Tests on
High-Voltage Bushing Current Transformers at the Maxwell Laboratory
/ E. R. Taylor. - Westinghouse AST, 1988.
3.30. Report No. AST 88-7072: HEMP-Type Impulse Tests on High-Voltage
Potential Transformers at the Maxwell Laboratory / E. R. Taylor. -
Westinghouse AST, 1988.
3.31. Report DTIC ADA206952: The Effects of High-Altitude Electromagnet-
ic Pulse (HEMP) on Telecommunications Assets. - National Communi-
cation System, 1988.
3.32. Report ORNL/Sub/88-0223 8/1: HEMP Test and Analysis of Selected
Recloser - Control Units / T. K. Liu, et al. - Oak Ridge National
Laboratory, 1989.
3.33. Report ORNL, AST 89-2115J: Sensitivity Analysis Task Report
for Generation Plant Auxiliary and Control and Substation Protection
and Control / Bonk, and С. H., Eichler. - ABB Power Systems, Inc.,
Advanced Systems Technology, Pittsburgh, Pa., August 1989.
503
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
3.34. Report ORNL/Sub/llX-02238C/l: HEMP Test and Analysis of Selected
Recloser - Control Units / T. K. Liu, S. H. Sands, and P. R. Barnes. -
Martin Marietta Energy Systems, Inc., Oak Ridge National Laboratory,
August 1989.
3.35. Report EP 1110-3-2: Engineering and Design - Electromagnetic Pulse
(EMP) and Tempest Protection for Facilities. - Department of the Army,
U. S. Army Corps of Engineers, 1990.
3.36. Report ORNL/Sub/83-43374/2: Impacts of a Nominal Nuclear Electro-
magnetic Pulse on Electric Power Systems / V. J. Kruse, D. L. Nickel,
J. J. Bonk. - Oak Ridge National Laboratory, 1991.
3.37. Report ORNL/Sub/85-28611/2: Impact of Steep-Front Short-Duration
Impulses on Power System Insulation / L. M. Burrage, ct. al. - Oak
Ridge National Laboratory, 1991.
3.38. Report ORNL/Sub/83-43374/2: Impact of a Nuclear Electromagnetic
Pulse on Electric Power Systems (Phase III, Final Report). - Oak Ridge
National Laboratory, 1991.
3.39. Report CD-90-0014: An Assessment of the Electromagnetic Pulse
(EMP) Effects on the U.S. Civilian Infrastructure- Unclassified
Summary and Recommendations / P. Chrzanowski, J. Futterman. -
Lawrence Livermore National Laboratory, 1992.
3.40. Report ORNL/Sub-88-SC863: HEMP-Induced Transients in Electric
Power Substations (final report) / С. V. Wiggins, D. E. Thomas,
T. M. Salas. - Oak Ridge National Laboratory, 1992.
3.41. Report ORNL/Sub-91-SG913/1: Recommended Engineering Practice
to Enhance the EMI/EMP Immunity of Electric Power Systems /
C. W. Wagner, W. E. Feego. - Oak Ridge National Laboratory, 1992.
3.42. Report ORNL/Sub/87-91345: Experimental Investigation of Steep-Front,
Short Duration (SFSD) Surge Effects on Power Systems Components /
D. B. Miller. - Martin Marietta Energy Systems, Inc., Oak Ridge
National Laboratory, May 1992.
3.43. Report ORNL-6708: Electromagnetic Pulse Research on Electric Power
Systems. Program Summary and Recommendations / P. R. Barnes,
B. W. McConell, J.W. Van Dyke. - Oak Ridge National Laboratory,
1993.
3.44. Report ORNL/Sub/91-SGI05/1: HEMP Emergency Planning and Oper-
ating Procedures for Electric Power Systems / T. W. Reddoch,
L. C. Markel. - Oak Ridge National Laboratory, 1993.
504
Приложение 2. Исследовательские отчеты по ЭМИ ЯВ
3.45. Report ORNL/Sub/84-89650/2: The Effects of Lighting and High
Altitude Electromagnetic Pulse on Power Distribution Lines /
M. A. Uman, et al. - Martin Marietta Energy Systems, Inc., Oak Ridge
National Laboratory, 1995.
3.46. Report ORNL/TM- 1999/93: Assessment and Testing of Long-Line
Interface Devices / P. R. Barnes, B. W. McConnell. - Oak Ridge
National Laboratory, 2000.
3.47. Technical Manual TM 5-690: Grounding and Bonding in Command,
Control, Communications, Computer, Intelligence, Surveillance and
Reconnaissance (C41SR). - Headquarters Department of the Army,
2002.
3.48. Report for Congress RL32544: High Altitude Electromagnetic Pulse
(HEMP) and High Power Micro wave (HPM) Devices: Threat
Assessments / Clay Wilson. - Congressional Research Service, 2008.
3.49. Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from
Electromagnetic Pulse (EMP) Attack. Critical National Infrastructures. -
2008.
3.50. Critical Infrastructure Strategic Initiatives Coordinated Action Plan.-
Technical Committee Report. - North American Electric Reliability
Corp. (NERC), 2010.
3.51. Report Meta-R-320: The Early-Time (El) High-Altitude Electromagnet-
ic Pulse (HEMP) and Its Impact on the U.S. Power Grid / E. Savage,
J. Gilbert, W. Radasky. - Metatech Corp., 2010.
3.52. Report Meta-R-321: The Late-Time (E3) High-Altitude Electromagnetic
Pulse (HEMP) and Its Impact on the U.S. Power Grid / J. Gilbert,
J. Kappenman, W. Radasky, E. Savage. - Metatech Corp., 2010.
3.53. Report Meta-R-323: Intentional Electromagnetic Interference (IEMI) and
Its Impact on the U.S. Power Grid / W. Radasky, E. Savage. - Metatech
Corp., 2010.
3.54. Report Meta-R-324: High-Frequency Protection Concepts for the
Electric Power Grid / W. Radasky, E. Savage. - Metatech Corp., 2010.
3.55. Strategy Research Project: Electromagnetic Pulse - A Catastrophic
Threat to the Homeland / R. Oreskovic. - U. S. Army War College,
2011.
3.56. Report HC 1552: Developing Threats to Electronic Infrastructure.-
House of Commons, Defence Committee, 2011.
3.57. Report HC 1552: Developing Threats Electro-Magnetic Pulses (EMP). -
House of Commons, Defence Committee, 2012.
505
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
3.58. Report 5200.44: Protection of Mission Critical Functions to Achieve
Trusted Systems and Networks (TSN). - U. S. Department of Defense,
2012.
3.59. Critical Infrastructure Protection Committee Strategic Plan. - North
American Electric Reliability Corp. (NERC), 2012.
3.60. Report 3002000796: Electromagnetic Pulse and Intentional Electro-
magnetic Interference (EMI) Threats to the Power Grid: Characterization
of the Threat, Available Countermeasures, and Opportunities for
Technology Research. - Electric Power Research Institute (EPRI), 2013.
3.61. Report 113-85: Assured Microelectronics Policy. - U. S. Department
of Defense, 2014.
3.62. E-Pro Report (International Electric Grid Protection) / Chris Beck. -
Electric Infrastructure Security Council, 2013.
3.63. Report FM 3-38: Cyber Electromagnetic Activities. - Headquarters
Department of the Army U. S., 2014.
3.64. Report of CIGRE C4.206 Working Group: Protection of High Power
Network Control Electronics Against Intentional Electromagnetic
Interference (IEMI). - CIGRE, 2014.
3.65. Report INL/EXT-15-35582: Strategies, Protections and Mitigations for
the Electric Grid from Electromagnetic Pulse Effects. - Idaho National
Laboratory (INL), 2016.
506
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ЕВРОПЕЙСКИЕ ПРОЕКТЫ ПО ЗАЩИТЕ ОТ ЭМИ ЯВ
European Union Seventh Framework Programme under grant agreement
number FP7-SEC-2011-285257:
“Protection of Critical Infrastructures (structures, platforms, and networks)
against Electromagnetic (High Power Microwave (HPM)) Attacks”
1. HIPOW:
Protection of Critical Infrastructures against High Power Microwave Threats
2. STRUCTURES:
Strategies for the Improvement of Critical Infrastructures Resilience to
Electromagnetic Attacks
3. SECRET:
Security of Railways against Electromagnetic Attacks
4. SAVELEC:
Safe Control of Non-Cooperative Vehicles through Electromagnetic Means
5. Switzerland Program:
Impact of Intentional Electromagnetic Interferences on Swiss Electric Power
System
507
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................................4
ГЛАВА 1. Электромагнитный импульс -
посылка из прошлого....................................6
1.1. Введение..........................................6
1.2. История ЭМИ ЯВ....................................6
1.3. Проблемы теоретической физики....................17
1.4. НКВД - главный «конструктор» первого советского
атомного боезаряда....................................21
1.5. Термоядерная бомба...............................47
1.6. Испытательные ядерные взрывы.....................54
1.7. Положение дел в области защиты от ЭМИ ЯВ.........78
Литература к главе 1..................................86
ГЛАВА 2. Современные представления об ЭМИ ЯВ
для инженеров-электриков..............................88
2.1. Насколько современны «современные» представления.88
2.2. Физические процессы, лежащие в основе ЭМИ ЯВ......89
Литература к главе 2.................................112
ГЛАВА 3. Имитаторы ЭМИ ЯВ..............................114
3.1. Принцип действия имитаторов ЭМИ ЯВ..............114
3.2. Классификация имитаторов ЭМИ ЯВ.................117
3.3. Имитаторы ЭМИ ЯВ западных стран.................119
3.4. Имитаторы ЭМИ ЯВ, имеющиеся в России и на Украине.126
3.5. Компактные имитаторы ЭМИ ЯВ.....................133
ГЛАВА 4. Уязвимость электронного оборудования
кЭМИЯВ...............................................135
4.1. Электронное оборудование энергосистем -
важнейший компонент современной инфраструктуры.......135
4.2. Восприимчивость электронных компонентов к ЭМИ ЯВ..137
4.3. Восприимчивость микросхем к ЭМИ ЯВ..............142
4.4. Восприимчивость микропроцессоров к ЭМИ ЯВ.......146
4.5. Восприимчивость компьютеров к ЭМИ ЯВ............151
Литература к главе 4.................................153
508
Оглавление
ГЛАВА 5. Электронные компоненты
для защиты аппаратуры от ЭМИ ЯВ.......................154
5.1. Испытания маломощных защитных элементов при низких
импульсных напряжениях.................................154
5.2. Испытания маломощных защитных элементов
при повышенных импульсных напряжениях..................160
5.3. Испытания мощных защитных элементов в условиях,
приближенных к реальным...............................165
5.4. Выводы по главе 5................................175
Литература к главе 5..................................175
ГЛАВА 6. Внешняя защита электронного оборудования
энергосистем от ЭМИ ЯВ................................177
6.1. Введение.........................................177
6.2. Анализ способности традиционных строительных
материалов ослаблять электромагнитное излучение.......178
6.3. Композитные строительные материалы с повышенной
электропроводностью...................................182
6.4. Материалы, поглощающие электромагнитное
излучение.............................................191
6.5. Еще один метод снижения напряженности электрического
поля ЭМИ ЯВ в помещениях энергосистем с электронной
аппаратурой............................................197
6.6. Снижение влияния ЭМИ ЯВ на электронную аппаратуру
за счет архитектурных решений зданий...................200
6.7. Заключение.......................................201
Литература к главе 6..................................202
ГЛАВА 7. Проблема заземления электронной аппаратуры
энергообъектов........................................206
7.1. Типы электромагнитных помех......................206
7.2. Проблемы конвенциональных систем заземления......208
7.3. Различия между молнией и ЭМИ ЯВ..................214
7.4. Заземление электрооборудования
как основное средство защиты от ЭМИ ЯВ................222
7.5. Проблемы использования устройств защиты
от ЭМИ ЯВ.............................................224
509
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
7.6. Новый метод заземления электронной аппаратуры,
расположенной в шкафах................................226
Литература к главе 7..................................236
ГЛАВА 8. Проблема выбора контрольных кабелей
для защищенных от ЭМИ ЯВ электроустановок.............238
8.1. Введение.........................................238
8.2. Обзор конструкций и особенностей экранирования
контрольных кабелей...................................238
8.3. Измерение эффективности экранирования
контрольных кабелей...................................244
8.4. Выбор контрольных кабелей........................246
8.5. Выводы по главе 8................................247
Литература к главе 8..................................248
ГЛАВА 9. Заземление экранов контрольных кабелей.......249
9.1. Введение.........................................249
9.2. Принципы экранирования...........................249
9.3. Типы помех и варианты заземления экранов кабелей.250
9.4. Проблемы и противоречия..........................252
9.5. Факторы, влияющие на эффективность заземления
экранов...............................................254
9.6. Предлагаемый метод заземления экранов.............257
Литература к главе 9...................................260
ГЛАВА 10. Фильтры ЭМИ ЯВ..............................262
10.1. Введение........................................262
10.2. Действительно ли фильтры защищают
от электромагнитного импульса?........................263
10.3. О частотном диапазоне фильтров..................268
10.4. Обоснованность применения фильтров для защиты
аппаратуры от ЭМИ ЯВ..................................269
10.5. Защита аппаратуры от высокочастотных помех,
инициируемых ЭМИ ЯВ...................................272
10.6. Защита аппаратуры от импульсных перенапряжений,
создаваемых ЭМИ ЯВ....................................274
10.7. Ферритовые фильтры..............................275
510
Оглавление
10.8. Выводы по главе 10..............................290
Литература к главе 10.................................292
ГЛАВА 11. Высоковольтные изолирующие интерфейсы........293
11.1. Введение........................................293
11.2. Высоковольтное звено для аппаратуры передачи
дискретных команд релейной защиты
и противоаварийной автоматики....................293
11.3. Применение высоковольтных изолирующих интерфейсов
при испытаниях аппаратуры на устойчивость
к ЭМИ ЯВ.........................................301
11.4. Конструктивные особенности высоковольтных
изолирующих интерфейсов...............................303
Литература к главе 11.................................305
ГЛАВА 12. Принципы повышения устойчивости
электронной аппаратуры, смонтированной в шкафах.......306
12.1. Введение........................................306
12.2. Новые шкафы для электронной аппаратуры..........306
12.3. Модернизация существующих шкафов
со стеклянными дверями................................310
12.4. Усовершенствование кабельных вводов в шкафы.....315
12.5. Ограничение импульсных перенапряжений...........321
12.6. Реконструкция системы заземления шкафов
с электронной аппаратурой.............................324
Литература к главе 12.................................324
ГЛАВА 13. Основные принципы защиты систем
электропитания энергообъектов.........................326
13.1. Введение........................................326
13.2. Средства защиты действующего оборудования СОПТ
от ЭМИ ЯВ.............................................326
13.3. Резервные источники питания для СОПТ............329
13.4. Мобильные подстанции и особенности защиты
их СОПТ от ЭМИ ЯВ.....................................335
13.5. Системы оперативного постоянного тока
электростанций........................................343
Литература к главе 12.................................345
511
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него_______________
ГЛАВА 14. Защита систем телекоммуникаций..............346
14.1. Введение........................................346
14.2. Пути решения проблемы...........................347
14.3. Применение волоконно-оптических линий связи.....348
14.4. Защита телекоммуникационной аппаратуры
с гальваническими связями............................348
14.5. Новое устройство защиты телекоммуникационных
систем с гальванической связью.......................357
14.6. Защита шкафов систем телекоммуникаций...........361
14.7. Общий принцип защиты шкафов
телекоммуникационной аппаратуры......................363
14.8. Реконструкция системы заземления шкафов
с электронной аппаратурой............................365
14.9. Реконструкция открытых патч-панелей.............366
14.10. Защита системы электропитания..................366
14.11. Реконструкция помещения (зала) с критическими видами
аппаратуры систем телекоммуникаций....................367
14.12. Заключение к главе 14..........................367
Литература к главе 14.................................368
ГЛАВА 15. Повышение устойчивости систем
автоматического пожаротушения к ЭМИ ЯВ................369
15.1. Введение........................................369
15.2. Противопожарные системы энергообъектов..........369
15.3. Методы повышения устойчивости систем автоматического
пожаротушения........................................374
15.4. Выводы по главе 15..............................381
Литература к главе 15.................................381
ГЛАВА 16. Защита дизель-генераторов от ЭМИ ЯВ.........383
16.1. Введение........................................383
16.2. Повышенная уязвимость ДГ средней
и большой мощности...................................383
16.3. Защита ДГ, хранящихся в отключенном состоянии
на открытых площадках................................384
16.4. Защита ДГ, подключенных к сети потребителя......390
Литература к главе 16.................................397
512
Оглавление
ГЛАВА 17. Испытания электронного оборудования
энергосистем на устойчивость к ЭМИ ЯВ.................398
17.1. Введение.........................................398
17.2. Особенности испытания оборудования на имитаторе
ЭМИ ЯВ................................................398
17.3. Цели испытаний..................................400
17.4. Особенности методики испытаний..................401
17.5. Виды испытаний и параметры
испытательных импульсов...............................405
17.6. Критерии качества функционирования..............408
17.7. Выводы по главе 17..............................409
Литература к главе 17.................................410
ГЛАВА 18. Методы и средства контроля эффективности защиты
установленного электронного оборудования энергосистем
от ЭМИЯВ..............................................412
18.1. Введение........................................412
18.2. Контроль устойчивости оборудования к прямому
воздействию импульса электромагнитного поля...........412
18.3. Оборудование для испытания фильтров ЭМИ ЯВ......413
18.4. Устройства для оценки эффективности экранирования
зданий, помещений, шкафов.............................420
18.5. Генератор импульсного напряжения................422
Литература к главе 18.................................425
ГЛАВА 19. Особенности тестирования микропроцессорных
реле защиты на устойчивость к ЭМИ ЯВ..................427
19.1. Использование критерия качества функционирования
при испытаниях электронной аппаратуры
на электромагнитную совместимость (ЭМС)...............427
19.2. Особенности использования критерия качества
функционирования при испытаниях микропроцессорных
устройств релейной защиты на устойчивость
к ЭМИ ЯВ..............................................428
19.3. Критика используемого метода испытаний МУРЗ.....429
19.4. Анализ результатов второго независимого испытания
МУРЗ того же типа.....................................432
513
ЭМИ ЯВ и защита электрооборудования от него
19.5. Анализ результатов третьего независимого испытания
МУРЗ того же типа.....................................436
19.6. Выводы и рекомендации по главе 19...............448
Литература к главе 19.................................449
ГЛАВА 20. Проблемы хранения запасов ЗИП...............452
20.1. Оптимизация запасов сменных модулей
электронной аппаратуры...............................452
20.2. Традиционный подход к хранению ЗИП
и его недостатки.....................................453
20.3. Требования к защитным контейнерам...............455
20.4. Защитные контейнеры, предлагаемые на рынке......457
Литература к главе 20.................................461
ГЛАВА 21. Проблема геомагнитно-индуцированных токов
в силовых трансформаторах и ее решение................463
21.1. Солнечные бури как источник геомагнитно-индуцированных
токов.................................................463
21.2. ЭМИ ЯВ как источник геомагнитно-индуцированных
токов.................................................476
21.3. Влияние компонента ЕЗ ЭМИ ЯВ на силовое
электрооборудование..................................478
21.4. Защита силового электрооборудования от воздействия
геомагнитных индуцированных токов....................480
21.5. Выводы по главе 21..............................491
Литература к главе 21.................................492
Приложение 1. Стандарты по ЭМИ ЯВ.....................496
Приложение 2. Отчеты по ЭМИ ЯВ........................499
Приложение 3. Европейские проекты по защите от ЭМИ ЯВ.507
514
Книги почтой
Заказ можно сделать на сайте издательства
www.infra-e.ru
№ п/п Наименование книги
1 Бесконтактные устройства пуска и торможения электродвигателей
2 Внутренние электромонтажные работы
3 Волоконно-оптическая техника. Практическое руководство
4 Волоконно-оптические линии связи и их защита от внешних влияний
5 Имитационное моделирование и системы управления
6 Интеллектуальные автоматизированные системы управления технологическими объектами
7 Конструирование источников питания усилителей мощности звуковой частоты
8 Источники вторичного электропитания
9 Методы проектирования электронных устройств
10 Методы рациональной автоматизации производства
11 Механизмы воздействия квазипостоянных геоиндуцированных токов на электрические сети
12 Микроконтроллеры для систем автоматики
13 Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы
14 Начало электроэнергетики Российской Империи и СССР, как проблема техноценоза
15 Надежность цифровых устройств релейной защиты. Показатели. Требования. Оценки
16 Защита оборудования подстанций от электромагнитного импульса
17 Обеспечение безопасности АСУТП в соответствии с современными стандартами
18 Основы автоматизированных систем управления технологическими процессами
19 Основы рационального потребления электроэнергии
20 Основы электроники
21 Поиск дефектов в релейно-контакторных схемах
22 Порядок создания, модернизации и сопровождения АСУТП
23 Принципы и методы создания надежного программного обеспечения АСУТП
24 Справочник по настройке промышленных гидростатических уровнемеров
25 Справочник цехового энергетика
26 Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка. Комплект в двух томах.
27 Справочник инженера по КИПиА
28 Справочник инженера по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электрических станций и сетей.
29 Управление потенциально опасными технологиями
30 Устройства электропитания релейной защиты. Проблемы и решения
31 Уязвимости микропроцессорных реле защиты. Проблемы и решения
32 Электробезопасность. Теория и практика
33 Электроника
34 Электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва и защита электрооборудования от него
35 Электрооборудование электрических сетей, станций и подстанций
Гуревич Владимир Игоревич
Электромагнитный импульс
высотного ядерного взрыва
и защита электрооборудования от него
Монография
ISBN 978-5-9729-0273-6
9 785972 902736
Подписано в печать 03.09.2018
Формат 60x84/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Таймс».
Издательство «Инфра-Инженерия»
160011, г. Вологда, ул. Козленская, д. 63
Тел.: 8 (911) 512-48-48
E-mail: infra-e@yandex.ru
www.infra-e.ru
Издательство приглашает
к сотрудничеству авторов
научно-технической литературы