Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от электромагнитного импульса - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

461
Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от электромагнитного импульса

Ниже будут рассмотрены композитные материалы с усиленными радиозащитными свойствами, показаны их слабые стороны, в частности, проблематичность применения в электроэнергетике в связи с наличием в помещениях большого количества кабелей, заходящих в защищаемое помещение из внешнего пространства и переизлучающих электромагнитный импульс внутри этого помещения. Рассматриваются радиопоглощающие строительные материалы, в частности, на основе пеностекла и ферритов. В качестве дополнительных мер рассматривается применение закрытых не перфорированных кабельных лотков внутри защищаемого помещения, а также архитектурные решения для такого помещения. Целью статьи является помощь потребителю в выборе оптимального варианта внешней защиты с учетом его материальных и технических возможностей.

 

Введение

Электронное оборудование энергосистем: микропроцессорные устройства релейной защиты (МУРЗ), программируемые логические контроллеры (ПЛК), системы автоматики, телемеханика, связь и др. 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 оборудования от разрушительного воздействия электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ). Некоторые из этих «слоев», например, системы заземления электронной аппаратуры; ЭМИ фильтры, включаемых на входы такой аппаратуры; принципы и средства защиты монтажных шкафов уже были рассмотрены нами ранее [1 – 3]. В данной статье рассматриваются проблемы обеспечения защиты здания подстанции и зала управления, которые определяются в статье как «внешняя защита».

Почему в дополнение к этим рассмотренным ранее «слоям» требуется еще один «слой»: внешняя защита? Обусловлено это несколькими 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 аппаратуры, и мощные наводки на системе заземления, проникающие прямо на чувствительные электронные элементы и др.

Во-вторых, отдельно взятые электронные устройства, например, МУРЗ или ПЛК не являются изолированными на электроэнергетическом объекте (например, на подстанции или электростанции), а соединены со множеством других устройств, часто расположенных на большом расстоянии друг от друга. Обеспечение высокоэффективной защиты каждого отдельно взятого электронного устройства в такой ситуации может оказаться слишком дорогим для практической реализации, по сравнению с «внешней защитой» целого зала или даже здания за счет использования специальных строительных материалов.

Целью данной статьи является рассмотрение существующих возможностей по защите от ЭМИ ЯВ целых зданий или залов и оценка эффективности такой защиты.

 

Анализ способности традиционных строительных материалов ослаблять электромагнитное излучение

Практически значимые экспериментальные исследования способности различных строительных материалов ослаблять электромагнитное излучение были проведены в 1990-х годах американским Национальным институтом стандартов и технологий в 1997 г. был выпущен полный отчет с результатами испытаний [4]. К сожалению, частотный диапазон, используемый в испытаниях, далеко не полностью охватывает реальный диапазон частот ЭМИ ЯВ (100 кГц – 1 ГГц), однако полученные данные (табл.1) вполне достаточны для общей оценки ситуации.

На рис.1 показан железобетон с различной арматурой. Вносимое затухание для образцов бетона с различным влагосодержанием приведено в табл.2.

Вносимое затухание для железобетона с шагом сетки 100 мм и прутками арматуры различного диаметра приведено в табл.3. Вносимое затухание для железобетона различной толщины с шагом сетки 100 мм и прутками арматуры диаметром 20 мм приведено в табл.4.

Вполне ожидаемо, наилучшими результатами обладает армированный железобетон, хотя усиление его экранирующей способности 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). Очевидно, что изменение параметров, как самого бетона, так и его арматуры, рис.1, может сильно повлиять на экранирующие свойства здания. Каким образом? Ответ на этот вопрос дают результаты многочисленных исследований [5-8].

В табл.2табл.7 приведены некоторые обобщенные данные, отражающие влияние изменения различных параметров наиболее распространенного строительного материла на его экранирующие свойства.

Вносимое затухание для железобетона толщиной 1000 мм с влагосодержанием 12% с одним и двумя слоями арматуры с шагом сетки 100 мм и прутками арматуры диаметром 20 мм приведено в табл.5.

Вносимое затухание для усиленного железобетона с различным расстоянием между двумя слоями арматуры с шагом сетки 100 мм и прутками диаметром 20 мм приведено в табл.6.

Представленные в табл.1табл.6 результаты могут быть использованы для анализа и оценки степени влияния того или иного параметра бетона на эффективность экранирования и выбора наиболее подходящих, для конкретных условий, средств повышения эффективности экранирования.

Сравнение результатов экспериментальных исследований, представленных различными авторами показало достаточно хорошее совпадение (расхождение не превышает 15 %). Вместе с тем, необходимо понимать, что данные, полученные экспериментальным путем, соответствуют лишь конкретному материалу, находящемуся в конкретных условиях. Реальные материалы и реальные условия эксплуатации этих материалов могут очень существенно отличаться от используемых 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 экранирования (табл.2).

 

Композитные строительные материалы с повышенной электропроводностью

Композитные материалы с повышенной электропроводностью, специально предназначенные для электромагнитного экранирования, были впервые разработаны и исследованы еще в 1970-х годах (т.е. около 50 лет тому назад) [6, 7]. За прошедшее с тех пор время появилось много новых композитных строительных материалов, в основном, на основе бетона с различными добавками, повышающими его электропроводность и, следовательно, экранирующую способность. Такие материалы разработаны в Китае, Индии, США, России и многих других странах, а результаты их тестирования представлены в многочисленных публикациях, например, в [8 и др.].

В качестве добавок в бетон используются электропроводная пудра, в основном, угольная, графитовая и металлическая, угольные нити, углеродные нанотрубки, коротко нарезанные кусочки стальной проволоки. Рецептуры таких композитных строительных материалов запатентованы во многих странах (патенты США: 2868659, 3207705, 5346547, 5422174, 6214454, 6503318, 6821336, 7578881, 8067084, 8617309, 8968461, 9278887 и др; патенты России: 2545585, 2345968, 2234175, 2405749, 2291130и 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 строительных материалов в последние годы стало модным использование шунгита. Шунгит – это природный минеральный композит, состоящий из высокодисперсных кристаллических силикатных частиц в аморфной углеродной матрице, рис.2.

Добывают шунгит в Зажогинском месторождении (Республика Карелия). Строительные материалы на основе магнезиально-шунгитовых смесей производятся в России компанией «Альфапол» (патент России № 2233255). В качестве строительных материалов используют шунгитовую породу группы III, представляющую собой природный композит, состоящей из 26-30 % углерода и 56-60% силикатных частиц. Являясь строительным материалом, шунгитовые смеси наносятся на поверхности экранируемого помещения как отделочный материал. Для повышения эффективности экранирования возможно использование многослойного экранирования, путем сочетания штукатурного состава с металлической сеткой. По утверждению разработчиков, стоимость штукатурных шунгитовых смесей соизмерима со стоимостью обычных строительных материалов.

 

Литература:

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 оборудования 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. – Автоматизация и ITв 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., at all, Analysis of Shielding Effectiveness of Reinforced Concrete Against High-Altitude Electromagnetic Pulse. – IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2014, Vol. 56, No. 6, pp. 1488 – 1496.

6. Allen L., Walker W. F., Siarkiewicz K. 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-l74 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.

 

(Продолжение следует)

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus