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

Производство и ресурсы

78
Внешняя защита электронного оборудования энергосистем от электромагнитного импульса

Испытания радиоэкранирующих свойств материала [9] были выполнены на макете стены, выполненной из фанеры с нанесенным на нее слоем шунгитовой штукатурки марки «Альфапол ШТ-1» толщиной 15 мм в широком диапазоне частот (табл.7).

Сухая смесь состоит из порошка природного шунгита, активного оксида магния в виде порошка магнезитового каустического (MgO) и модифицирующей добавки. Для приготовления штукатурки сухую смесь перемешивают с водным раствором бишофита (MgCl2).

Аналогичную штукатурку марки РЭС-1 выпускает и украинское предприятие «Рудус» по цене 1.5 USDза 1 кг сухой смеси в комплекте с жидким полимерным раствором (рис.3).

На основе шунгита разработан и защитный бетон. Однако, адгезия между частицами шунгита и цементным камнем практически отсутствует 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 магнезиальный цемент (10%), имеющий более высокую адгезию к шунгиту (85%). Магнезиальный цемент – разновидность строительного вяжущего материала на основе оксида магния. Последний, в свою очередь, получают из магнезита (распространённый минерал, карбонат магния MgCO3) путём прокаливания при высокой температуре с последующим помолом.

К сожалению, стоимость такого бетона не известна, а и его экранирующие свойства представлены в рекламных материалах не точно и не внятно.

В Университете штата Небраска (США) была разработана усовершенствованная рецептура электропроводного строительного железобетона (Пат. США 8968461, 9278887) рекламируемого как материал, специально предназначенный для защиты от ЭМИ ЯВ (табл.8).

Таконит, составляющий 23% этой бетонной смеси – это железистый микрокварцит, одна из форм железной руды. В рецептуре не отражено, что речь идет об армированном стальной сеткой в несколько слоев бетоне.

Из анализа компонентов этого строительного материала можно заметить, что ничего революционного и принципиально нового в его рецептуре не содержится, однако авторы этих патентов развернули мощнейшую рекламную компанию по всему миру, рекламируя непревзойденные, по их мнению, свойства их уникального строительного материала (названный ими EMB3), создали отдельную маркетинговую компанию, занимающуюся продвижением на рынок этого материала, получили соответствующие инвестиции в этот проект.

Процесс строительства защищенного здания из материала EMB3 показан на рис.4.

Основное преимущество этого материала, по утверждению автора, это меньшая на 60% по сравнению с аналогами стоимость материала и увеличенная на 28% прочность бетона. По данным автора, ему удалось снизить стоимость его материала до 300 USDза один кубический ярд (около 0.8 куб. метра), в то время как, стоимость обычного бетона составляет 120 долларов за один кубический ярд.

В процессе возведения здания из этого композитного материала (рис.4) заливка арматуры производится послойно, поскольку в каждом слое содержится определенный наполнитель.

В рекламном материале [10] приводится уникальная для строительных материалов характеристика (рис.5) но из этого материала не известно удельное затухание, вносимое материалом. Т.е. не известно, для какой толщины материала приведен график и не известно содержание воды в материале, для которого приведен график, а ведь содержание воды в бетоне существенно изменяется по мере его высыхания и синхронно с этим изменяется и его сопротивление, а значит и экранирующая способность, табл.9.

Рекламируемая характеристика электропроводного бетона типа EMB3 (верхний график) и требования к экранированию для защиты от ЭМИ ЯВ по стандарту MIL-STD-188-125-1 приведены на рис.5.

Из личной беседы автора с руководителями компании Omni-ThreatStructures, представляющих этот материал на рынке, стало известно, что удельное затухание, вносимое материалом, составляет 10 дБ/дюйм (~4 дБ/см), что является не таким уж и выдающимся результатом. Данными об изменении электропроводности и эффективности экранирования в зависимости от содержания воды в материале представители компании не располагают.

Данные об изменение сопротивления бетона во времени приведены в табл.9.

Следует отметить, что если характеристика, представленная на рис.5 соответствует действительности, то это означает, что, эффективность экранирования электромагнитного излучения новым бетоном близка к эффективности экранирования защищенных от ЭМИ ЯВ помещений листовой медью, которая широко применяется для внутренней облицовки

На рис.6 показаны 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.7).

Рассмотренный выше электропроводный бетон также обладает повышенной электропроводностью и, исходя из характеристики, представленной в рекламном материале (рис.5), его экранирующие свойства обусловлены его способностью отражать электромагнитнуюволну.

Обычно, для проверки эффективности экранирования помещения, внутри него размещают приемник излучения с направленной антенной, а снаружи, напротив этой антенны, устанавливают передатчик со второй направленной антенной. По разности излученного и принятого сигналов определяют его степень ослабления, обусловленную экранирующим эффектом стены (рис.8).

Облицованные медью стены, дают отличный результат измерений. Хороший результат был получен при измерении таким же методом и для нового американского бетона.

Но здесь возникают, по меньшей мере, два вопроса.

Первый вопрос.Обычная электронная аппаратура энергообъектов выдерживает напряженность электромагнитного поля 10 В/м в соответствии с обычными стандартами по электромагнитной совместимости. Это значит, что для обеспечения допустимого для электронной аппаратуры уровня, напряженность поля должна быть снижена с 50 кВ/м до 10 В/м, то есть в 5000 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 материал стоит втрое дороже обычного (а с учетом более сложной технологии строительства – возможно, что намного больше)?

Второй вопрос.Он касается характеристики материала, вернее его способности ослаблять электромагнитное излучение за счет отражения падающей на него волны. Проблема здесь в том, что такой распространенный метод защиты помещений от ЭМИ ЯВ неприемлем для электроэнергетики, поскольку на объектах электроэнергетики источники электромагнитного излучения, в том числе и ЭМИ ЯВ расположены не только снаружи помещений, но также и внутри них. Внутренними источниками излучения являются многочисленные кабели, заходящие из внешнего пространства в защищенные помещения. Количество таких кабелей слишком велико для того, чтобы каждую жилу этих кабелей можно было бы пропускать через специальный дорогостоящий фильтр ЭМИ ЯВ. Электромагнитная волна, излученная кабелем внутри экранированного помещения, отразится от поверхности облицованных стен (потолка, пола) и упадет на чувствительное электронное оборудование, расположенное в этом защищенном помещении. Более того, поскольку углы отражения 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 защиты 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, хорошо отражающие падающую на них электромагнитную волну, могут обеспечить высокоэффективную защиту электронного оборудования, при условии отсутствия источника излучения внутри.

А что же делать с большими помещениями, внутри которых находится много видов высокочувствительной аппаратуры и заходит извне большое количество кабелей. Оказывается, и для такой ситуации имеется решение.

 

Материалы, поглощающие электромагнитное излучение

В [11] описано множество рецептур строительных материалов с радиопоглощающими свойствами. Общими недостатками таких материалов является их недостаточная эффективность на низких частотах (единицы – десятки мегагерц), сложность приготовления смесей, высокая стоимость. А рецептуры на основе порошка феррита, разработанные в Японии, которые обеспечивают высокую эффективность поглощения на низких частотах, оказываются 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 поверхности материала и окружающего воздуха. Поэтому, пористые строительные материалы являются весьма перспективными для использования в качестве радиопоглощающих материалов.

В патенте России 2234175 описан радиопоглощающий пористый бетон, состоящий из высокопористых стеклянных или керамических гранул, которые покрыты ферритом и (или) электропроводящим материалом и ферритового и (или) электропроводящего порошка с добавлением связующего. В патенте 102627436 предложено смешивать 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 гранулированного наполнителя. Радиопоглощающие свойства бетона обусловлены добавкой углеродсодержащего радиопоглощающего наполнителя, представляющего собой структурированный гель (до 40% от объема 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, если он будет иметь достаточно большую толщину (рис.9).

В патенте РФ 1840794 радиопоглощающие свойства бетона предложено усиливать за счет модификации керамзита – обычного строительного материала, применяемого в качестве наполнителя бетона. Для этой цели гранулы керамзита покрывают (путем окунания) двумя слоями специальной суспензии с последующей сушкой при температуре 80…90 градусов. Состав суспензии: вода (81.5%), сульфанол (1.9%), сажа (11.9%), жидкое стекло (4.7%). Состав суспензии обеспечивает содержание сажи в готовом покрытии 50%. По данным разработчика, гранулы радиопоглощающего керамзита обеспечивают многократное переотражение падающей электромагнитной волны, вызывая тем самым полное ее поглощение. Коэффициент отражения такого радиопоглощающего материала не более 10%, поглощающая способность материала превышает 0.6 Вт/см2 (к сожалению, без указания частотного диапазона).

Но не только бетоны могут обладать радиопоглощающими свойствами. На рынке представлены и другие строительные материалы, обладающие такими свойствами.

Одним из них является материал на основе вспененной керамики под названием «Керамопен» (CeramopenTM), рис.10, разработанный российской компанией «Керапен». 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, «Керамопен» имеет низкое водопоглощение (менее 1%) и хорошие теплоизоляционные свойства.

На рис.11 показано пеностекло в виде строительных блоков и гранул.

Другой разновидностью вспененного строительного материала с радиопоглощающими свойствами является пеностекло (foamglass). Радиопоглощающие свойства пеностекла обеспечиваются пористой структурой материала и наличием углеродсодержащего компонента, используемого в качестве газообразователя в процессе производства пеностекла (патенты России 2255058, 2255059 и др.), Пеностекольные материалы обладают такими важными преимуществами по отношению к традиционным поглотителям, как прочность и небольшой вес (рис.11).

 Мировым лидером по выпуску пеностекла является фирма PittsburghCorning(США), она выпускает пеностекольный продукт под маркой «Foamglas», Крупными производителями пеностекла являются также китайская компания GansuPengfeiinsulationmaterialsCo., Ltd., Гомельский стекольный завод в Белоруси, ICMGlassв России и др.

Рецептуры, свойства, технологии производства, результаты испытания пеностекла описаны в [12, 13 и др.].

Стоимость панелей из пеностекла размером 600х450х50 мм компании PittsburghCorningсоставляет около 30 USDза 1 м2.

С целью дополнительного усиления радиопоглощающих свойств пеностекла в него добавляют оксид цинка, графит и некоторые другие химические элементы. Пеностекло получают спеканием этой смеси при температуре 750°С в течение 30 мин. с последующим охлаждением. Получаемый материал показал минимальный 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.10), покрытых углеродосодержащим 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 защищаемого помещения. По данным Инженерно-маркетингового центра Концерна «Вега», представляющего эту технологию, на частоте 4 ГГц такая панель обеспечивает удельное ослабление электромагнитного поля не менее 6 дБ на сантиметр толщины слоя засыпки, что позволяет снижать уровень электромагнитного поля в 1000 раз при толщине слоя в 5 см [14].

Гранулированное пеностекло, без дополнительного покрытия углеродом, стоит около 140 USDза 1 м3. К сожалению, на запрос автора о стоимости панелей с засыпкой гранулированным пеностеклом со специальным дополнительным покрытием, ответа из концерна «Вега» не поступило.

Наиболее эффективным радиопоглощающим материалом для диапазона частот, соответствующих ЭМИ ЯВ является феррит. Феррит – это 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 компонентов 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 помещения. Обычно, стандартные плитки имеют размеры 100х100 мм. Некоторые производители формируют из таких плиток готовые облицовочные панели размерами 300х300 мм и даже 600х600 мм. Такие панели обладают отличными поглощающими свойствами в требуемом диапазоне частот (рис.12).

Такие панели выпускаются многими компаниями, например, ETS-Lindgren, SamwhaElectronics, HollandShieldingSystemsBV, Fire-RiteProductsCorp., RikenEnvironmentalSystemCo., GlobalEMCUKLtd, CumingMicrowaveCorp., AmidonAssociates, Inc.,PioneerEMCLtd., Siepelи др.

К сожалению, стоимость таких панелей довольно высока. Например, панель размером 300х300х5.5 мм стоит свыше 50 USD, а панель размером 600х600х6.7 мм обойдется потребителю уже в 220 USD. Одна плитка размером 100х100 мм у различных производителей стоит от 6 до 9 USD. При такой стоимости вряд ли можно рассчитывать на широкое применение этого материала для облицовки стен помещений электростанций и подстанций. Однако, этот материал можно использовать в качестве радиопоглощающих перегородок внутри шкафов с особо чувствительной и ответственной электронной аппаратурой.

 

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 единственный источник излучения, негативно воздействующий на электронную аппаратуру. Дополнительным и очень мощным источником является импульсное электромагнитное поле, переизлучаемое сотнями кабелей, заходящими в помещение с электронной аппаратурой из внешнего пространства. Такие кабели работают как антенны, абсорбирующие энергию ЭМИ ЯВ с большой территории и подводящие ее в помещение с электронной аппаратурой. Установить дорогостоящие фильтры ЭМИ ЯВ на каждой жиле каждого их сотен многожильных кабелей невозможно. Однако, можно существенно 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 (не перфорированные) кабельные лотки (рис.13).

На рынке широко представлены как сами не перфорированные кабельные лотки с крышками, так и всевозможные конструктивные элементы к ним, выполненные из алюминия, оцинкованной стали, из стали с однослойным порошковым напылением защитного изоляционного слоя, из оцинкованной стали с дополнительным порошковым напылением. На рис.14показаны конструктивные элементы для закрытых не перфорированных кабельных лотков.

Лучшими защитными свойствами на частотах ЭМИ ЯВ обладают стальные лотки. Стоимость стальных оцинкованных (толщина стали 1.2 мм) лотков составляет от 2 до 15 долларов США за 1 метр длины (в зависимости от ширины и высоты). Стальные лотки с порошковым напылением изоляционного покрытия стоят несколько дороже. Например, такой лоток размерами 50х50х1.2 мм стоит около 4 USDза метр длины, а лоток размерами 200х50х1.2 мм – свыше 7 USDза метр.

Более дешевые пластмассовые лотки с металлическим напылением не годятся для этой цели, так как из-за очень тонкого слоя напыленного металла работают лишь на очень высоких частотах, лежащих далеко за пределами частот ЭМИ ЯВ.

Отражение электромагнитного импульса, излучаемого силовыми кабелями, расположенными в металлическом лотке, во внутреннее пространство лотка может привести к неблагоприятному воздействию этого излучения на соседние контрольные кабели, расположенные в этом же лотке и подключенные к электронной аппаратуре. Поэтому, силовые и контрольные кабели должны быть проложены в разных лотках, а сами контрольные кабели должны быть разделены на группы и размещены в отдельных секциях секционированных кабельных лотков (рис.15).

В тех случаях, когда применение жестких кабельных лотков не удобно, можно использовать гибкие металлорукава, особенно, для контрольных кабелей небольшого сечения (рис.16).

 

Снижение влияния ЭМИ ЯВ на электронную аппаратуру за счет архитектурных решений зданий

По данным, представленным в [15], современные здания из обычного строительного бетона и металлизированного стекла (широко используемого для отражения ультрафиолетового и инфракрасного 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, а исследований экранирующей способности зданий для относительно низких частот (10 – 100 МГц) нам найти не удалось. Тем не менее, экстраполируя результаты других исследований, можно прийти к выводу, что на ослабление в 13 – 15 дБ для этого частотного диапазона все же можно рассчитывать.

Дальнейшего снижения проникающего электромагнитного излучения можно достичь путем размещения ответственного электронного оборудования во внутренних помещениях зданий, не имеющих внешних стен и окон. На рис.17 показан 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 поверхность стен этого помещения может быть облицована панелями небольшой толщины (3…4 см) с радиопоглощающим порошком. Другой вариант – изготовление стен этого внутреннего изолированного помещения из радиопоглощающих блоков пеностекла.

 

Заключение

Ни один из описанных выше известных методов внешней защиты помещений с электронной аппаратурой от ЭМИ ЯВ не является идеальным с точки зрения эффективности и стоимости. Поэтому, наиболее разумным, по мнению автора, является комплексная защита, реализуемая за счет совместного использования не дорогих строительных материалов с нужными свойствами, каждый из которых обеспечивает частичную защиту.

Например.В начале бетон с усиленной металлической арматурой (используется в качестве материала частично отражающего падающую на его внешнюю поверхность электромагнитную волну); далее панели с не дорогим радиопоглощающим порошком (в качестве внутренних облицовочных панелей); затем секционированные металлические кабельные лотки (в качестве экранов, защищающих внутреннее пространство помещений от переизлучения с кабелей, заходящих с внешнего пространства). Необходимо также размещение высокочувствительной и ответственной электронной аппаратуры во внутренних помещениях здания, не содержащих окон и снабженных металлическими дверями (монтаж такой аппаратуры производится в специальных металлических шкафах с радиопоглощающими ферритовыми переборками внутри).

В любом случае, потребитель должен взвесить все «за» и «против» того или иного варианта организации внешней защиты с учетом своих финансовых возможностей. Данная статья призвана помочь ему в выборе оптимального решения.

 

Литература

9. Никитина В. Н., Ляшко Г. Г., Поцелуева Л.Н., Радиоэкранирующие свойства магнезиально-шунгитовых строительных материалов. - Ежегодник Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений. – М.: РУДН, 2006, с. 109–113.

10. EMP Shielding Shotcrete Structures for Multi-Threat Protection. – Omni-Threat Structures, An American Business Continuity Group Company, Miami, 2017.

11. Смирнов Д. О. Композиционные радиопоглощающие материалы на основе ферримагнитных соединений. Дисс. канд. техн. наук, Московский энергетический институт, Москва, 2009.

12. Казьмина О. В., Верещагин В. И., Абияка А. Н. Пеностеклокристаллические материалы на основе природного и техногенного сырья. Томск, изд-во ТПУ, 2014. – 246 с.

13. Душкина М. А. Разработка составов и технологии получения пеностеклокристаллических материалов на основе кремнеземистого сырья. - Дисс. канд. техн. наук, Томский политехнический университет,Томск, 2015, 197 с.

14. Гульбин В. Н., Колпаков Н. С., Александров Ю. К., Поливкин В. В. Радиозащитные строительные материалы. – Наукоемкие технологии, 2014, том 15, № 3, с. 17 – 25.

15. Rodrigues L. I., Nguyen H. C., Jorgensen T. K., Sorensen T. B., Mogensen P. Radio Propagation into Modern Buildings: Attenuation Measurement in the Range from 800 MHz to 18 GHz. – Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2014 IEEE 80th.

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