Электромагнитный импульс (ЭМИ) высотного ядерного взрыва является перспективным средством поражения критических видов электронного оборудования важнейших составных частей инфраструктуры страны. В статье рассмотрена проблема повышения живучести системы оперативного постоянного тока (СОПТ) электростанций при воздействии ЭМИ и предложен набор простых мероприятий и доступных технических средств, позволяющих существенно повысить устойчивость СОПТ к ЭМИ.

Владимир Игоревич Гуревич, кандидат технических наук

Введение

Электромагнитный импульс (ЭМИ) высотного ядерного взрыва, а также специальные сверхмощные источники импульсного электромагнитного излучения являются одним из самых современных и эффективных средств поражения электронного оборудования энергосистем, систем связи, водоснабжения и других важнейших составных частей инфраструктуры страны, не затрагивающих непосредственно население [1, 2] поэтому этот вид оружия считается весьма перспективным и развивается ускоренными темпами во всех развитых странах мира.

Система оперативного постоянного тока (СОПТ) является важнейшей подсистемой электростанций, без которой невозможно нормальное функционирование всех остальных систем. СОПТ каждого блока электростанции содержит, как правило, две мощные аккумуляторные батареи большой емкости, два мощных зарядно-подзарядных агрегата (ЗПА), распределительные щиты постоянного тока (или шкафы оперативного постоянного тока – ШОТ). Распределительная система постоянного тока является очень разветвленной и содержит большое количество длинных неэкранированных кабелей, распределенных по обширной территории. При воздействии ЭМИ эта разветвленная система кабелей будет играть роль огромной антенны, абсорбирующей энергию ЭМИ с большой территории и доставляющей ее напрямую к очень чувствительным микропроцессорным устройствам управления, контроля, защиты, сигнализации и связи электростанции. Однако защита от ЭМИ требуется не только этим электронным устройствам, но и самой СОПТ, содержащей электронные ЗПА. Современные ЗПА снабжены микроэлектронной, а чаще микропроцессорной системой управления, весьма чувствительной к ЭМИ и поэтому именно они требуют защиты в первую очередь.

Улучшение защитных функций шкафа ЗПА

Мощные ЗПА на токи в несколько сотен ампер конструктивно выполнены в виде металлических шкафов из 2 – 3 секций каждый, расположенных обычно рядом. В качестве примера на рис. 1 представлены три ЗПА на токи 300А (один резервный), каждый из которых состоит из двухсекционного металлического шкафа. Правильно сконструированный металлический шкаф является хорошей защитой внутреннего электронного оборудования от ЭМИ. Но являются ли таковыми обычные шкафы обычных ЗПА? Однозначно нет! На рис. 1 обозначены «слабые» места таких шкафов. Это и открытая для лучшей вентиляции и охлаждения верхняя часть шкафа (1), и панель микропроцессорного программирующего и измерительного блока (2), и вентиляционная решетка в нижней части двери шкафа (3), и открытая часть внизу шкафа (4). В дополнение к этому можно еще отметить прокладки из обычной резины по контуру дверей, и отсутствие закрытого пола внутри шкафа, что необходимо для ввода силовых и контрольных кабелей.

Рис. 1. Внешний вид ЗПА электростанции. Цифрами обозначены «слабые» места шкафов,
через которые ЭМИ может свободно проникать внутрь шкафа.

Все эти «слабые» места являются путями свободного проникновения электромагнитного излучения (в том числе и ЭМИ) во внутреннюю полость шкафов ЗПА и поэтому меры повышения живучести СОПТ должны быть направлены, в первую очередь, на усовершенствование конструкции шкафов.

Вентиляционная решетка 2 должна быть заменена специальной панелью сотовой конструкции на основе так называемых «запредельных волноводов», рис. 2, содержащих набор металлических трубок небольшого диаметра с соотношением длины трубки к ее диаметру, равным 4:1.

Рис. 2. Сотовые вентиляционные панели, защищающие от
проникновения электромагнитного излучения

Такая вентиляционная панель свободно пропускает поток воздуха, но препятствует проникновению электромагнитного излучения внутрь шкафа. Такими же панелями должны быть закрыты и все остальные открытые для вентиляции части шкафа (1 и 4).

Вокруг открытой панели программирующего и измерительного блока (2) на внешней поверхности двери шкафа должна быть приварена металлическая рамка, выступающая по высоте над экраном и кнопками блока 2. На эту рамку должна быть установлена металлическая дверца, лучше стальная, толщиной 3 – 4 мм или алюминиевая (4 – 6 мм). По краям дверцы, прилегающей к рамке, должна быть приклеена прокладка в виде шнура из электропроводной резины, рис. 3.

Рис. 3. Прокладки в виде шнура из электропроводной резины,
предназначенные для установки на дверях защищенных от ЭМИ шкафов.

На такие же прокладки из электропроводной резины должны быть заменены имеющиеся прокладки из неэлектропроводной резины по всему контуру двери каждого шкафа.

Вся свободная от кабелей часть пола шкафа должна быть закрыта электропроводной металлизированной тканью, рис. 4, уложенной на металлическую сетку, удерживающую ее.

Рис. 4. Электропроводная металлизированная ткань,
предназначенная для закрытия открытых частей пола шкафа.

Усовершенствование электрической схемы СОПТ

Для повышения устойчивости системы СОПТ в нее были включены некоторые дополнительные элементы, рис. 5:

— блоки варисторов с большой рассеиваемой энергией R1 – R7, установленные на шинах переменного и постоянного тока;

— блоки варисторов со средней рассеваемой мощностью R8 – R23, устанавливаемые в шкафах ЗПА и на выводах батарей аккумуляторов и ограничивающие амплитуду импульса напряжения, прикладываемого к оборудованию СОПТ;

— дроссели L1 – L8, ограничивающие амплитуду импульса тока, который может протекать в цепях оборудования СОПТ при воздействии импульса ЭМИ;

— специальные элементы системы заземления L9 – L10, R24-R25, K1 – K2.

Рис. 5. Общая электрическая схема защищенной от ЭМИ СОПТ.
1 – щиты постоянного тока (DC1, DC2);
2 – распределительный щит переменного тока; 3 – батареи аккумуляторов; 4 – ЗПА.

Защитные элементы для СОПТ

В качестве блоков варисторов с большой энергией рекомендуется использование варисторов, выпускаемых компаниями EPCOS, Semicode, Dean Technology Inc., Dongguan Uchi Electronics Co. и др. в стандартных корпусах с максимальными размерами 135 х 118 х 27 мм, рис. 6. Такие блоки варисторов способны пропускать единичные импульсы тока 8/20 мс с амплитудой до 100 кА и рассеивать энергию 2 — 3 кДж, а некоторые типы – до 10 кДж. Время реакции на импульс указывается производителями в диапазоне 15 – 25 нс. Номинальное напряжение варисторов этого типа должно выбираться с запасом, поскольку они предназначены для защиты от высоковольтного импульса ЭМИ, а не от обычных импульсных перенапряжений, всегда имеющихся в системе. Например, для СОПТ с номинальным напряжением 250 В постоянного тока, эти блоки варисторов могут быть выбраны на напряжение 420 В постоянного тока (остаточное напряжение при срабатывании варистора – clamping voltage – 840 В).

Рис. 6. Блоки варисторы с большой рассеиваемой энергией и импульсными токами
до 100 кА.

Остаточное напряжение 840 В при воздействии импульса ЭМИ не будет приводить к повреждению изоляции проводов и силовых кабелей, поскольку они должны выдерживать значительно более высокие значения импульсных напряжений, лежащих в области нескольких киловольт. С другой стороны, использование варисторов с таким запасом позволяет гарантировать его надежную работу в течение длительного времени без повреждений.

В качестве блоков варисторов со средней рассеиваемой энергией могут быть выбраны варисторы, производимые перечисленными выше компаниями, а также Littlefuse, рис. 7. Эти варисторы, устанавливаемые непосредственно в шкафу ЗПА и на шинах аккумуляторной батареи, допускают протекание одиночных импульсных токов до 30 – 40 кА, имеют меньшую импульсную рассеиваемую энергию (300 – 500 Дж), меньшие максимальные габариты (обычно 60 х 55 х 14 мм), меньшие запасы по рабочему напряжению, которое может быть выбрано, например, 320 В постоянного тока (остаточное напряжение при срабатывании варистора – clamping voltage – 650 В).

Рис. 7. Блоки варисторов со средней рассеиваемой энергией и импульсными токами
до 40 кА.

Мощные высокочастотные дроссели L1- L8, пригодные для использования в СОПТ в качестве фильтров ЭМИ, производятся американской компанией CWS, рис. 8, табл. 1.

Табл. 1. Основные параметры мощных дросселей серии HCS с сердечником

Тип дросселя

Макс. длительный ток, 

А

Индуктивность при токе 300А,

µH

Полное сопротивление

Размеры,

мм

Пост. току,

m Ω

1 MГц, kΩ

1 ГГц

, МΩ

HCS-631M-450A 450 249 4.5 1.56 1.56 393 x 118 x 97
HCS-301M-1000A 1000 244 4.5 1.53 1.53 431 x 228 x 101

 

Дроссели включаются в разрез силовых кабелей постоянного тока, выходящих из ЗПА через открытую часть пола ЗПА. При установке дросселей и блоков варисторов в шкафах ЗПА следует располагать их на полу шкафа таким образом, чтобы они располагались под электропроводной тканью, отделяющей внутренний защищенный объем шкафа от внешнего пространства. Лучше всего предусмотреть специальный металлический отсек на полу ЗПА, в котором должны быть размещены дроссели и блок варисторов. Во внутреннюю часть шкафа должны заходить кабели, «очищенные» от наведенного ЭМИ.

Контрольные кабели цепей сигнализации, входящие и выходящие из шкафов ЗПА, защищаются с помощью накладных ферритовых фильтров, рис. 9. Эти фильтры должны располагаться у самого входа кабелей в шкаф.

Рис. 9. Ферритовые фильтры ЭМИ, устанавливаемые
на контрольных кабелях без их разрезания.

Особенности ферритовых фильтров и рекомендации по их применению приведены в [3].

Элементы системы заземления шкафа и внутренней «земли» ЗПА:L9 – L10, R24-R25, K1 – K2 предназначены для реализации так называемой «специальной плавающей земли», подробно описанной в [4].

Запасные модули

Одним из важнейших мероприятий по повышению живучести СОПТ является обеспечение ее запасными элементами, модулями или запасным ЗПА (как показано на рис. 1) в дополнение к описанным выше мероприятиям и техническим средствам. При этом запасной ЗПА должен иметь хорошо защищенный (с использованием описанных выше средств) шкаф и должен быть полностью отключен от всех внешних цепей и внешних кабелей. Конечно, иметь на каждом блоке электростанции мощный запасной ЗПА – довольно дорого. Более доступным для массового применения решением проблемы может быть хранение в специальном закрытом контейнере запасных электронных элементов и электронных блоков (печатных плат) ЗПА. При этом сами печатные платы должны быть помещены в пакеты из электропроводного пластика, рис. 10, а пакеты должны быть помещены в алюминиевые контейнеры с плотно прилегающей крышкой, рис. 11. Контейнеры с запасными электронными компонентами должны храниться не где-то на удаленном складе, а в непосредственной близости от ЗПА.

Рис. 10. Защитные пакеты из электропроводного пластика
для хранения запасных печатных плат ЗПА.

Рис. 11. Защитные алюминиевые контейнеры для хранения
запасных электронных элементов и модулей ЗПА.

Заключение

Описанные в статье достаточно простые мероприятия и доступные технические средства позволяют существенно повысить живучесть важнейшей системы электростанции – СОПТ при воздействии ЭМИ и существенно снизить риск полной «потери» блока или даже целой электростанции при таком воздействии.

Литература

1.​ Гуревич В. И. Защита оборудования подстанций от электромагнитного импульса — Инфра-Инженерия, Москва, 2015, 302 с.

1.​ Гуревич В. И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты. Проблемы и решения — Инфра-Инженерия, Москва, 2014, 256 с.

1.​ Гуревич В. И. Ферритовые фильтры. — Компоненты и технологии, 2015, № 10, с. 16 — 18.

1.​ Гуревич В. И. Проблемы заземления электронной аппаратуры электроэнергетических объектов. — PRIVATE «TYPE=PICT;ALT=»Компоненты и технологии, 2017, № 4, с. 106 — 111.