Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы и выбор направлений исследований устойчивости телекоммуникационных систем (ТКС) к воздействию электромагнитного импульса (ЭМИ) 15
1.1. Актуальность проблемы и методический подход к ее решению 15
1.2. Параметры ЭМИ высотного ядерного взрыва 18
1.3; Международный стандарт по наводкам от ЭМИ ВЯВ в длинных линиях . 24
1.4. Состояние исследований по методам расчета воздействия ЭМИ на кабельные линии... 29
1.5. Поражающее действие ЭМИ. 31
1.6. Методы и средства обеспечения устойчивости ТС к ЭМИ ВЯВ 40
1.7. Выбор направлений исследований и постановка задач 42
2. Разработка физико-математической модели расчета воздействия ЭМИ на кабельные системы 44
2.1. Постановка задачи и выбор метода расчета 44
2.2. Решение системы телеграфных уравнений во временном представлении методом характеристик 45
2.3. Расчет токов и напряжений в сети параллельно проложенных кабельных линий 48
2.4. Метод расчета токов и напряжений с учетом частотных зависимостей параметров линии 51
Выводы 52
3. Разработка методов распределенных вычислений и экспериментальных исследований 54
3.1. Математический пакет в проектировании линий связи 54
3.2. Разработка алгоритма расчета и программ с применением пакета Mathematica. ...59
3.3. Экспериментальное подтверждение математических моделей расчета воздействия ЭМИ на кабельные линии 67
3.4. Сравнительный анализ методов расчета в пространственно-временном и частотном представлениях 70
3.5. Типовые параметры токов и напряжений, наводимых во внешних коммуникациях и ТКС 70
4. Научно-методические основы обеспечения устойчивости ТКС к воздействию ЭМИ 75
4.1. Методический подход к решению задачи устойчивости ТКС к воздействию ЭМИ ..75
4.2. Обобщенные характеристики воздействия ЭМИ ВЯВ на телекоммуникационные сети 85
4.3. Требования к средствам нагружения, создающими типовые параметры токов и напряжений, наводимых ЭМИ ВЯВ 90
4.4. Общие рекомендации по защите телекоммуникационных сетей от воздействия ЭМИ 91
4.5. Методы и средства защиты электронных АТС 100
Выводы 114
Заключение 115
Список использованных источников 119
Приложение 128
- Международный стандарт по наводкам от ЭМИ ВЯВ в длинных линиях
- Решение системы телеграфных уравнений во временном представлении методом характеристик
- Разработка алгоритма расчета и программ с применением пакета Mathematica.
- Обобщенные характеристики воздействия ЭМИ ВЯВ на телекоммуникационные сети
Введение к работе
Широкое распространение микроэлектроники в современных информационных системах учета, планирования и регулирования приводит к возрастанию вероятности отказов ответственных систем управления и связи при воздействии электромагнитного импульса (ЭМИ) ядерного взрыва и электромагнитных факторов природного и техногенного происхождения (грозовых разрядов, разрядов статического электричества, электромагнитных полей радиопередающих и радиолокационных станций,. высоковольтных линий электропередачи).
Поэтому актуальными. в этих условиях становятся проблемы защиты информационных ресурсов, оценка устойчивости гражданских объектов, обеспечение функциональной безопасности информационных и телекоммуникационных систем. Решение этих проблем проводится по следующим основным направлениям;
1. Задание в качестве требований в нормативно-технических документах обоснованных, типизированных параметров электромагнитных факторов.
2. Создание и модернизация; имитаторов для воспроизведения заданных в стандартах параметров электромагнитных полей.
3. Испытание объектов к действию электромагнитных факторов с использованием имитаторов,
4. Разработка методов и средств защиты.
5. Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) технических систем.
В нашей стране и за рубежом ведется целенаправленная работа по решению этих проблем. Завершается работа над комплексом российских стандартов по ЭМС. Активно работают комитеты МЭК.
Основные направления исследований по проблеме ЭМС представлены на рис...
По оценке специалистов проблема ЭМС и устойчивость технических средств выходит на ведущую позицию при разработке электронной и телекоммуникационной аппаратуры и систем на их основе [1-5]. Широкое распространение вычислительных сетей (ВС) ставит новые задачи по обеспечению ЭМС [6-16]. Это объясняется рядом факторов, важнейшими из которых являются:
• распределенная топология сетей, которая может формироваться по всему объему здания или производственного помещения значительной площади, что, в частности, усложняет проблему заземления электронного оборудования;
• постоянно повышающееся быстродействие вычислительных систем, что вызывает все более жесткие требования к стабильности времен распространения сигналов по линиям связи и качеству согласования последних, а также снижает помехозащищенность систем;
• снижение энергетических порогов срабатывания микросхем, что увеличивает их чувствительность к воздействию внешних и внутренних помех различной природы;
• широкое применение искусственных материалов (пластмасс) как в аппаратуре, так и в оборудовании служебных помещений, что усложняет разработку экранов и способствует возникновению электростатических зарядов на аппаратуре и окружающих предметах и оборудовании.
Московская городская телефонная сеть (МГТС) в настоящий момент переживает период коренной реконструкции. Основным ее направлением является повсеместное внедрение информационно-вычислительных систем, компьютерных технологий, внедрение локальных и глобальных вычислительных сетей и построение систем телекоммуникаций на их основе. При решении данной проблемы приходиться сталкиваться с рядом трудностей, которые определяются несовершенством инфраструктуры зданий и помещений, предназначенных для размещения аппаратуры нового поколения, отсутствием ряда стандартов и методик проектирования [17-18]. В первую очередь, это относится к задачам электромагнитной совместимости (ЭМС), поскольку устаревшее оборудование было относительно невосприимчиво к большинству типов помех, которые присутствуют в производственном помещении. Попытки решить проблему ЭМС на этапе отладки установленных телекоммуникационных систем (ТК) приводят к значительным затратам и в ряде случаев требуют коренной реконструкции помещений и переналадки оборудования. Очевидно, что наиболее приемлемым является решение проблемы ЭМС телекоммуникационного оборудования и соответствующих кабельных систем на возможно более ранних этапах их инсталляции, включая строительство зданий, отделку помещения, прокладку коммуникаций и структурированных кабельных систем (СКС), силовых цепей, выполнение заземления и т.п. В публикациях [17-31] рассмотрены основные задачи обеспечения ЭМС ТС, обоснованы методы решения задачи сохранения целостности сигнала и разработаны программные продукты, внедрение которых позволило существенно сократить сроки ввода в строй новых объектов и модернизацию старых, что в конечном итоге привело к значительному техническому эффекту.
Кроме электромагнитных полей от сторонних источников, возрастает напряженность полей от аппаратуры, которая входит в состав ЛВС: компьютеры, принтеры, копиры и др., поскольку насыщенность этой аппаратурой и её плотность на единицу площади возрастает, а применение пластмассовых корпусов снижает эффективность экранирования рецепторов и источников помех.
Непосредственно к проблеме обеспечения ЭМС примыкает проблема защиты информации, а именно, ее задачи обеспечения целостности и доступности информации, которая рассмотрена в [13], .
В. большинстве случаев ослабление внешних электромагнитных: полей за счет -строительных конструкций является: недостаточным. Для этих целей применяются специальные методы экранирования помещений. Наиболее ответственные компоненты (серверы, компьютеры и т.п.) ЛВС, к которым предъявляются повышенные требования по обеспечению ЭМС и защите информации, могут располагаться в специальных выделенных помещениях. Эти помещения должны отличаться повышенной эффективностью и целостностью экранирования.
Распределенная сеть подвода электрической энергии является мощным и одним из основных источников индустриальных помех в вычислительных сетях. Значительные протяженности этих сетей определяют значительные антенные эффекты. Кроме этого, малые расстояния между проводами питающей сети и информационными шинами, которые определяются условиями прокладки коммуникаций в технологических каналах здания, способствуют увеличению уровня индуцированных помех в информационных шинах [10,32].
Грозозащита зданий является важным фактором сохранения работоспособности ЛВС при грозовых разрядах. Грозозащита ТС осуществляется общепринятыми мерами [10, 33] при выполнении основных требований: разделение на силовую, рабочую, защитную землю; минимизации общих путей для токов заземления указанных систем земель; минимизация сопротивления систем заземления, включая сопротивление заземлителей [10].
Качество функционирования ТС во многом определяется наличием помех в информационных шинах. Эти помехи можно разделить на два основных вида: помехи у отражения и индуцированные помехи. Помехи отражения вызываются рассогласованием линий связи. При этом уровень помех, приводящих к значительным искажениям формы сигнала, может быть достаточно велик. Это может привести к ложным срабатываниям системы, а в худшем случае - выходу аппаратуры из строя за счет перегрузки входных каскадов. Индуцированные помехи вызываются близко расположенными линиями (информационными или энергопитания), из которых за счет взаимных емкостных и индуктивных параметров линий электромагнитная энергия переносится на лингао-рецептор. Детально эти процессы рассмотрены в работах автора [22-30].
Борьба с индуцированными помехами в основном сводится к выбору рационального способа экранирования и применению фильтров [19, 20.25,26, 34-38].
Эффективным методом снижения уровня помех является применение балансного включения линий с дополнительным экранированием или применение витых пар в балансном включении. В настоящее время: предпочтительной средой распространения -f сигнала в СКС является витая пара, теория которой недостаточно хорошо проработана. I Для снижения уровня индуцированных помех в плоских кабелях применяется рациональная организация линий связи в виде "тройки проводов". В этом случае сигнальный провод располагается между двумя проводами, несущими возвратный ток и выполняющих, роль экрана. Такая организация позволяет стабилизировать волновое сопротивление линии связи, снизить уровень индуцированных помех от соседних проводов и от внешних источников электромагнитных полей.
Фильтрация является мощным средством подавления помех в информационных цепях. Среди перспективных технических решений следует отметить применение фильтров-контактов, которые позволяют снизить объемы и массу оборудования, а также -ферритовых помех оподавляюших элементов.
Фильтры могут быть установлены в аппаратуре, но больший интерес представляет установка фильтров на информационные линии связи и линии электропитания в процессе интегрирования ТС на объекте. Наиболее пригодны для этих целей ферритовые у помехоподавляющие элементы. К сожалению, номенклатура подобных отечественных изделий весьма ограничена.
Технические средства обеспечения ЭМС телекоммуникационных средств в условиях производственных помещений базируются на следующих важнейших направлениях: заземление, экранирование, фильтрация и обеспечение качества электроэнергии.
Проблема обеспечения ЭМС при создании современных вычислительных комплексов представляет весьма сложную задачу. В тех случаях, когда системы распределены на значительных площадях в специальных зданиях и помещениях, что имеет место при монтаже локальных вычислительных сетей, в комплекс задач включаются и задачи оценки электромагнитных свойств строительных конструкций, распределения энергии и заземления и ряд других специальных вопросов. Актуальность этих вопросов подтверждает следующее.
По данным [8] на частотах между 1 МГц и 100 МГц среднее ослабление электрического поля при его проникновение в здание составляет от 20 до 25 дБ. При этом перегородки здания играют роль полосно-пропускающих фильтров. На низкой частоте (около 100 кГц) ослабление магнитного поля сравнительно невелико и составляет 10...15 дБ. Уменьшение эффективности экранирования на частотах около 60 МГц наблюдается в местах нарушения электрической непрерывности бетонных конструкций, например в местах стыков перегородок и стен.
На частотах свыше нескольких сот МГц проникающая через оконные проемы и другие отверстия в стенах здания энергия становится соизмеримой по амплитуде с энергией, проникающей через стены. На частотах около 10 ГТц преобладающую роль играют окна, которые необходимо защищать экранирующими г стеклами или другими приемами.
В целом задача обеспечения ЭМС для снижения; стоимости проекта должна решаться на максимально ранних этапах проектирования систем. Если в проект входят этапы строительства и подготовки производственных помещений, помещений вычислительных центров и т.п., то эти этапы должны выполняться с обязательным участием специалистов по обеспечению ЭМС. Это позволит минимизировать затраты при проведении мероприятий по обеспечению ЭМС на последующих этапах строительства зданий, оборудования помещений, монтажа и эксплуатации оборудования.
К основным задачам, требующим комплексного решения, можно отнести:
• экранирование зданий и помещений;
• экранирование оборудования;
• обеспечение качества электроэнергии;
• снижение уровня индустриальных помех и разработка методов защиты от них;
• защита оборудования от воздействия электростатических разрядов; • рациональная прокладка цепей питания и коммуникаций, которая обеспечивает минимальный уровень помех в них и от них;
• организация заземления.
Решение этих задач должно увязываться с обеспечением целостности сигнала, который распространяется в информационных цепях.
Проблема обеспечения ЭМС телекоммуникационных средств становиться одной из самых актуальных. Информационные сигналы в ТС представляют собой дискретные уровни напряжения или тока в форме импульсов. Полезное с точки зрения ЭМС радиоэлектронных средств (РЭС) электромагнитное излучение (работа радиостанций, систем навигации и телекоммуникаций и пр.) рассматривается в этом случае как помеха. Задача обеспечения ЭМС ТС возникла по следующим причинам:
• возрастание общего числа РЭС и ТС,
• возрастание общего уровня помех, главным образом от индустриальных источников,
• усложнение функций, состава и пространственной протяженности ТС,
• сосредоточение различных видов РЭС и ТС в ограниченном пространстве (например, в одном помещении), с одной стороны, и распределенный характер компьютерных сетей - с другой,
• несовершенство технических характеристик ТС, от которых зависит ЭМС,
• снижение энергии полезных сигналов и уменьшению отношения сигнал/помеха.
В местах размещения технических средств МЭК установлены следующие категории и виды электромагнитных помех: низкочастотные и высокочастотные (кондуктивные и излучаемые), электростатические разряды и электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ)..
Понятия "излучение помех" в проблеме ЭМС обычно применяется в более широком смысле: это не только излучение электромагнитных волн в качестве помех, но и образование любых видов помех другим ТС и РЭС. Основными путями проникновения и излучения помех в устройстве (ТС) являются:
• кондуктивные пути: линия питания, внешняя линия связи, цепь заземления;
• пространственные пути: корпус, разъемы, отверстия в корпусе.
Источники помех чрезвычайно разнообразны. По сути дела, каждое изменение напряжения или тока в любой электрической цепи и сопутствующее ему изменение напряженности электрического и магнитного полей могут рассматриваться как потенциальный источник помех. По характеру протекания процесса во времени различают помехи гармонические, импульсные и шумы. По месту расположения источника помех различают помехи внутренние и внешние. Внутренней является помеха, источник которой является частью рассматриваемого ТС, а внешней - помеха, источник которой не является частью рассматриваемого ТС.
К внутренним помехам можно отнести шумы, индуцированные помехи и помехи от рассогласования линий связи, определяющие целостность информационных сигналов.. Шум - флуктуационный процесс, обусловленный дискретной природой электрического тока и представляющий собой последовательность очень коротких импульсов, появляющихся хаотически в большом количестве. Индуцированная помеха - помеха, возникающая вследствие непредусмотренной схемой и конструкцией рассматриваемого объекта передачи по паразитным связям напряжения, тока, заряда или магнитного потока из источника помехи в рассматриваемую часть объекта. Под паразитной связью при этом следует понимать связь по электрическим и (или) магнитным полям, появляющуюся независимо от желания конструктора или интегратора систем при монтаже на объекте. В зависимости от физической природы элементов паразитных электрических цепей различают паразитную связь через общее полное сопротивление, емкостную паразитную связь и индуктивную паразитную связь.
Помеха от рассогласования [22] представляет собой нежелательный переходный процесс в рассматриваемой электрической цепи объекта, содержащей участки с распределенными и сосредоточенными параметрами, возникающий вследствие рассогласования между неоднородными участками линий связи. В локальных сетях подобные: неоднородности: могут возникать при неправильном подборе коаксиальных кабелей или витых пар, соединителей и входных сопротивлений сетевых портов. При применении стандартных СКС необходимо обосновано определять режимы их работы, а научно обоснованные выводы должны лежать в основе разработки новых стандартов и рекомендаций.
К внешним помехам можно отнести промышленные (индустриальные), от радиопередающих средств, атмосферные (в т.ч. разряды молний) и космические. Внешние помехи ТС безотносительно к первоисточнику их возникновения; подразделяют на внешние индуцированные помехи, помехи из сети питания, из внешних линий связи и помехи от разрядов электростатических зарядов.
Под помехами из внешних линий связи подразумеваются помехи, попадающие в аппаратуру рассматриваемого объекта из линий связи с устройствами, не являющимися частями объекта. Наиболее характерными помехами из внешних линий связи являются симметричные и несимметричные импульсные . помехи и помехи от неэквипотенциальности точек заземления, что весьма типично для протяженных ЛВС [10].
Напряжение симметричной импульсной помехи из однофазной линии связи приложено между входными зажимами прямого и обратного проводов связи, из парафазной линии - между дифференциальными входными зажимами. Напряжение несимметричной импульсной помехи по линии связи приложено между проводом линии связи и землей. Напряжение помехи от неэквипотенциальности точек заземления приложено между точками заземления отдельных устройств. Если связи между двумя устройствами являются гальваническими, а обратные провода связей соединены с корпусами устройств, то напряжение от неэквипотенциальности оказывается приложенным к обратному проводу связи.
К внешним помехам, наиболее часто приводящим к сбоям и отказам в работе ТС, относятся: импульсные и длительные возмущения в сети питания переменного тока, неэквипотенциалъность точек заземления, разряды электростатических зарядов, помехи от импульсных электрических и магнитных полей, помехи от напряжения промышленной частоты, помехи от ВЧ электромагнитных излучений, которые рассмотрены в [2,17,29].
Импульсные помехи в ЛВС между ТС появляются из-за внешних наводок и неэквипотенциальности точек заземления корпусов ТС. Наибольшие значения амплитуд импульсов помех в системных линиях связи наводятся при грозовых разрядах. Другая причина наводимых в линиях связи помех - наличие в окружающем пространстве импульсных полей, создаваемых различного рода источниками искусственного происхождения: электрическими аппаратами, высоковольтными установками и ЛЭП, радиопередающими устройствами. В этом случае амплитуды напряжения помех в линиях связи не столь велики, как при грозах, но зато частота следования таких помех выше.
К основным мерам, направленным на обеспечения ЭМС, относятся экранирование, фильтрация и заземление. В принципе, следует отдавать предпочтение пассивным средствам обеспечения ЭМС (например, использование пассивных фильтров), рассчитанным на весь срок службы устройств, перед активными (например, использование активных фильтров). Применяют фильтры в сигнальных и питающих линиях. Устанавливают источник бесперебойного питания для улучшения качества электроэнергии. Для экранирования применяют экранирующие корпуса, в том числе из металлизированных пластмасс, экранированные разъемы, экранированные сигнальные и питающие линии. Экранируют помещения, где расположена аппаратура, путем облицовки экранирующими материалами, нанесением токопроводящеи краски. Используют определенную топологию цепей заземления для устранения неэквипотенциальности точек заземления устройств, входящих в комплекс или систему. В работах [19, 20, 26] рассмотрены основные методы и средства экранирования и заземления применительно к электронному оборудованию.
Основные источники электромагнитных помех естественного происхождения: грозовые разряды, электростатические разряды, мощный электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва.
Настоящая работа посвящена теоретическому обобщению и решению научной задачи имеющей важное: значение, а именно разработке научно-методических основ оценки устойчивости телекоммуникационных систем (ТКС) к воздействию электромагнитного импульса (ЭМИ) высотного ядерного взрыва (ВЯВ).
Научная новизна работы заключается:
• в разработке на основе теории длинных линий методов расчета воздействия ЭМИ на системы связи, цифровые технические средства стационарных объектов, что позволяет оценивать электромагнитную обстановку вне и внутри реального объекта и прогнозировать характеристики воздействия ЭМИ ВЯВ на элементы технических систем гражданского назначения;
• в развитии принципов и методов распределенных вычислений при проектировании линий связи, доведенных до конкретных пользовательских интерфейс систем;
• в обосновании требований на защиту.
На защиту выносится:
• результаты теоретических и экспериментальных исследований воздействия ЭМИ ВЯВ на кабельные линии с учетом их конструктивных особенностей;
• рекомендации по методам и средствам защиты телекоммуникаций от воздействия ЭМИ ВЯВ.
• математические модели, описывающие воздействие ЭМИ на кабельные линии и разработанные на их основе алгоритмы расчета и программы с применением пакета Mathematical
• обоснование требований к средствам воспроизведения параметров токов и напряжений, возникающих в кабельных линиях при воздействии ЭМИ ВЯВ.
Международный стандарт по наводкам от ЭМИ ВЯВ в длинных линиях
Для систем гражданского назначения самым важным случаем является высотный ядерный взрыв, Электромагнитный импульс может вызвать различные сбои и даже вывести из строя системы связи, электроники и энергоснабжения и, таким образом, нарушить стабильность современного общества.
Рассмотрим общие сведения по наводкам ЭМИ ВЯВ, изложенных в стандарте МЭК 61000-2-10, для того, чтобы оценить реальные возможности использования их для оценки влияния на оборудование и его работоспособность [43].
Электромагнитное поле, генерируемое высотным ядерным взрывом, описанное в стандарте МЭК 61000-2-9, наводит токи и напряжения на всех металлических структурах.: Эти токи и напряжения, распространяющиеся в проводниках, представляют собой наводки ЭМИ ВЯВ. Это означает, что наводки являются вторичным явлением, следствием только излучаемого поля. Все металлические структуры, такие как провода, проводники, трубопроводы, кабельные лотки, и т.д. будут подвергаться воздействию ЭМИ ВЯВ. Наводки являются весьма важным фактором, так как они могут непосредственно осуществлять подвод энергии ЭМИ ВЯВ к чувствительным элементам электроники через связывающие их линии связи, электропитания и заземления. Необходимо заметить, что существуют две различные категории проводников: внешние и внутренние (по отношению к окружающему их сооружению или любому другому экрану). Пока это может показаться упрощением, но такое деление является принципиально важным в отношении методов расчета, представленных в настоящей работе.
Различие между этими двумя типами проводников объясняется электромагнитной топологией. В целом, внешние проводники - это те, которые расположены с внешней стороны сооружений (конструкций) и полностью подвержены воздействию ЭМИ. Данная категория включает металлические линии энергоснабжения и связи, антенные кабели, водо- и газопроводы (металлические). Эти проводники могут быть расположенными над землей или заглубленными. Внутренние проводники - те, которые располагаются в частично или полностью экранированных сооружениях, ослабляющих поля ЭМИ ВЯВ. Это является более сложным случаем, т.к. импульсы полей ЭМИ ВЯВ будут существенно искажаться экраном сооружения.
В стандарте МЭК 61000-2-10, использована упрощенная геометрия проводника и задание электромагнитной обстановки, условий воздействия для ранней, средней и поздней формы ЭМИ ВЯВ. Приведены результаты расчетов по наводкам на внешние проводники. Параметры этих наводок предполагается использовать для оценки работоспособности устройств защиты, расположенных снаружи сооружений; влияние трансформаторов и телефонных коммутационных узлов в стандарте [43] не учитывается ввиду многообразия существующих отличий в системах связи и энергоснабжения. Такой подход дает приближенные, но хорошо обусловленные по части стандартизации формы импульсов, необходимые для испытаний элементов защиты на внешних и внутренних проводниках.
Для раннего ЭМИ ВЯВ электрическое поле большой амплитуды эффективно взаимодействует с линиями телефонной связи и энергоснабжения. В Таблице 1.1 приводятся расчетные значения токов короткого замыкания в обобщенном режиме и импедансы источников Тевенина (используемые для определения напряжения холостого хода) в зависимости от уровня жесткости, длины проводника и проводимости земли. Данные результаты соответствуют токам обобщенного режима, протекающим по голым проводам, изолированным проводам над землей и экранам экранированных кабелей или коаксиальных линий передачи. Для определения токов и напряжений на внутренних проводниках экранированных кабелей необходимо использовать измеренные или заданные значения сопротивления связи. Несмотря на тот факт, что для различной геометрии воздействия наблюдаются различные формы импульсов наводки на внешние проводники, для линий над землей в стандарте [43] задается единственная временная форма импульса Она характеризуется следующими параметрами: длительностью фронта импульса (на уровне 10...90% от максимального) и длительностью импульса на полувысоте; в случае же, когда характеристики импульса приводятся вместе, используется обычная форма записи: В Таблице 1.1 уровень жесткости в 99% показывает, что 99% наведенных токов будет менее данного значения. Токи, рассчитанные для заглубленных линий, очень слабо зависят от угла падения и имеют малые отличия между уровнями жесткости в 10% и 90%, следовательно, для данного случая уровни жесткости не приводятся; показаны отличия для различных значений проводимости земли. Для величин, приведенных в Таблице 1.1, токи для проводников над землей точны для высот подвеса более 5 метров, в то время, как токи, приведенные для заглубленных проводников могут лишь в приближении использоваться как для заглубленных проводников, так и для проводников над землей (й 30 см). Для проводников с высотами подвеса ниже 5 метров, значения в Таблице 1.1 могут быть линейно интерполированы (на участке между 0.3 и 5 метров). Для случая, когда линия, расположенная над землей, входит в землю (линия в изоляции), то токи первоначально будут похожими на импульс формы 1, далее будут испытывать ослабление в зависимости от длины участка заглубления и переходить в импульс формы 2 (требуется примерно 20 метров). Дополнительная информация о происхождении этих форм импульсов дана в приложениях к стандарту [43].
Решение системы телеграфных уравнений во временном представлении методом характеристик
Рассмотрим метод решения системы телеграфных уравнений вида: с заданными граничными уравнениями нулевыми начальными условиями. В уравнении (2.4) U, I векторные функции напряжения и тока. Через L, R, С0, С?0 обозначены матрицы индуктивностей, сопротивлений, емкостей, поперечных проводимостей на единицу длины. Е(х, t) - векторная функция распределенного источника ЭДС. Метод характеристик заключается в следующем. Определяется зависимость полных дифференциалов dU и И друг от друга. Для этого необходимо записать частные производные U по времени и координате х: Для дальнейшего преобразования полного дифференциала dU необходимо наложить определенные условия на вид сетки конечно-разностной схемы. Выбираем сетку, изображенную на рис. 2.1. Предположим, что Дх и At связаны соотношением: где I - единичная матрица. Тогда при движении из точки (/, п) сетки в точку ((+1/2, и+1/2) на прямой t=+V Х выполняется соотношение: При движении из точки (Ж, л) сетки в точку (Ї+1/2, и+1/2) на прямой t= -V -х выполняется соотношение: Тем самым определены значения функций U, I на любом временном слое для заданных граничных и начальных условий. Этот метод может быть применен к решению системы 3-х телеграфных уравнений вида: Для этого система (2.6) приводится к системе двух телеграфных уравнений. При этом два последних уравнения (2.6) являются одним: Подобная замена двух уравнений возможна, поскольку выполняется соотношение С. G. Таким образом, система (2.6) решается с использованием метода характеристик, аналогично системе (2.4).
Токи и напряжения в электрических цепях многожильных параллельно проложенных кабельных линий при действии ЭМИ описываются системой матричных неоднородных телеграфных уравнений: где tj(x, і), J(x, t) - векторные функции U и I; R, L, G, С матрицы сопротивлений, индуктивностей, проводимостей и емкостей на единицу длины; E(xt І) - векторная функция распределенного источника ЭДС. Векторные функции токов и напряжений имеют N составляющих. При этом К-я составляющая соответствует токам и напряжениям в цепи («металлопокров-земля», «жила-металлопокров») К-того кабеля (жилы). Матрицы Rt L, G, С имеют размерность NxN. Диагонали главной матрицы равны соответственно параметрам линии (жилы), а недиагональные члены характеризуют взаимные влияния параллельных кабелей (жил). Элементы матриц R, L, G, С могут быть заданы на основе экспериментального определения параметров или получены на основе расчетных соотношений. Элементы матрицы L рассчитываются: где ay - собственный радиус 1-го кабеля (жилы) при i=j или расстояние между ї-той иу-той кабельной линией (жнламн) при frj; 5 - параметр, равный среднему значению толщины скин-слоя в грунте (внутренний диаметр металлопокрова кабельной линии). Матрица индуктивностей определяет матрицу емкостей: Vі где V — скорость распространения электромагнитной волны в среде, окружающей кабельную линию (диэлектрик кабеля). Величина V определяется экспериментально или рассчитывается по электрофизическим характеристикам окружающей кабель среды (диэлектрик кабеля). Матрица поперечных проводимостей описывается через матрицу емкостей: где о, — проводимость и относительная диэлектрическая проницаемость окружающего кабель грунта (внутренний диэлектрик кабельной линии). Значение ЭДС распределенного источника в сечении Хх кабеля соответствующего времени t для определения / и U на внутренних цепях кабельной линии вычисляется в виде свертки: где /мп(х, 0 - известная функция тока в металлопокрове кабельной линии; 2с»(0 — импульсная функция сопротивления связи.
Разработка алгоритма расчета и программ с применением пакета Mathematica.
Естественными стилями (парадигмами) программирования в пакете Mathematiea являются функциональный стиль и стиль "правил преобразований". Функциональный стиль основан на том, что в пакете Mathematiea результаты вычислений, как бы они ни были. представлены, т.е. в символьной, численной или графической форме, непосредственно доступны для дальнейших вычислений. Поэтому ее команды можно интерпретировать как заголовки функций, аргументами которых могут являться как вводимые пользователем данные, так и результаты предьідущих вычислений. Таким образом, в сеансе вычислений пользователь применяет команды к данным, новые команды к результатам предыдущих команд и т.д., т.е. осуществляет то, что математики, называют суперпозицией команд, или функций.. Последнее есть естественный способ математических вычислений, выполняемых каждым инженером или математиком вручную. Вместо того чтобы самому выполнять команду за командой, пользователь может оформить такую последовательность команд в виде программы. Идею функционального программирования Mathematiea заимствовала у языка LISP.
В пакете Mathematiea нет типа данных, и основной структурной единицей хранения данных является список. Программирование в стиле правил преобразований основано на шаблонах. Конструкция шаблонов взята у языка PROLOG.
Самый общий шаблон имеет вид _ (подчеркивание). Он обозначает класс всех вообще выражений пакета Mathematiea. Конкретные выражения, например, х+у являются самыми узкими шаблонами. Под такой шаблон подходит только одно выражение х+у. Остальные шаблоны по степени общности занимают промежуточное положение. Под шаблон _Л3 подходят выражения 3, Йя[у]л3 и т.д. "нечто в третьей степени". Шаблон можно снабдить именем, скажем, х_ и получить именованный шаблон. Именованные шаблоны используются при определении новых функций.
Вычислительный процесс, осуществляемый пакетом Mathematiea, состоит в том, что к исходному выражению применяются различные правила его преобразования до тех пор, пока получаемые на промежуточном этапе выражения не перестают изменяться. Неизменяемое далее выражение принимается за окончательный ответ. Правила преобразования бывают системными, т.е. определенными разработчиком продукта, и устанавливаемыми пользователем.
Таким образом, математическое моделирование физических, химических, технологических и других процессов в инженерных разработках приобретает с течением времени все возрастающее значение. Однако математическая модель приносит пользу только в том случае, если имеются эффективные математические средства ее исследования. Поэтому для инженеров-разработчиков использование в качестве математического инструмента нахождения численных и точных решений математических моделей пакета Mathematica очень удобно и перспективно.
В пакете Mathematica для расчетов токов и напряжений в кабельной линии методом характеристик бьша разработана его математическая реализация. Алгоритм математической реализации метода характеристик построен таким образом, что решение достигается при любом корректном описании уравнений. Алгоритм решения иллюстрируется графически на рис. 3.2. линиям. Во-первых, в этих случаях наблюдаются наибольшие наводки, во-вторых, очень трудно провести полномасштабные испытания кабельных систем совместно с коммуникациями из-за ограниченных размеров испытательного объема моделирующих. установок.
Кабельные и проводные линии, применяемые в стационарных узлах связи могут подразделяться на следующие основные группы, отличающиеся функциональными назначением и длиной: 1. Внешние кабельные линии. Находятся за пределами экранированных объемов. Могут быть проложены в грунте, в бетонных лотках, на специальных кабельных стойках. Длина их составляет от сотни метров до десятков километров. 2. Межблочные кабельные и проводные соединения. Соединяют, отдельные аппаратные стойки, блоки, приборы, оборудование, расположенное, как правило, внутри экранированного объема или корпуса сооружения. Длина межстоечных соединений составляет обычно единицы - десятки метров. 3. Стоечно-монтажные провода. Соединяют отдельные платы, блоки, расположенные в корпусе стойки. Длина их составляет до единицы метров.
Номенклатура проводов и кабелей, применяемых в системе связи очень важна. В высокочастотных цепях преимущественно используются коаксиальные кабели типа РК, в низкочастотных цепях экранированные и неэкранированные кабели и провода различных, типов,
В общем случае кабель как изделие представляет собой сложную конструкцию из многих проводящих и изолирующих материалов. Кабельные изделия отличаются количеством токопроводящих жил, типом и материалом изоляции, конструкцией экранных оболочек и защитных покровов. Учесть в расчетных моделях все реальные особенности конструкции кабеля и. условия их прокладки удается с некоторым приближением. Поэтому расчетные модели и имеют свою область применения и свои ограничения.
Обобщенные характеристики воздействия ЭМИ ВЯВ на телекоммуникационные сети
Временные параметры испытательного воздействия должны соответствовать параметрам, заданных в стандартах. Реализация изложенных положений возможна только на отдельных испытательных установках [110]. На практике более широко используется расчетно-эксперименталъный метод, который заключается в сравнении параметров токов и напряжений, наводимых в ТКС при воздействии ЭМИ ВЯВ с критическими нагрузками для соответствующих цепей. Метод может использоваться на этапе как предварительных, так: и приемочных: испытаний, а также при выборе средств защиты. 4.2. Обобщенные характеристики воздействия ЭМИ ВЯВ на телекоммуникационные сети В результате выполненных исследований и анализа известных автору литературных источников получены следующие обобщенные характеристики воздействия ЭМИ ВЯВ на проводниках в воздухе, кабельных линиях в грунте и внутри сооружений телефонной связи с параметрами, заданными в стандартах МЭК. Наводки получены от падающего электрического поля Е0=50 кВ/м, Тф=2.5 не, т„05=23 не, в диапазоне проводимостей а Ю Мо 4 См/м и характеризуются амплитудой, длительностью фронта импульса (на уровне 10. ..90% от максимального) и длительностью импульса на полувысоте. 1. Проводник над землей [43]: а) 200 м, /„ =500-4000 А; б) 100 / 200 м, /„,„=500-4000 А; в) КІ00 м, 4 =500-2000 А. Форма импульса 1ф/тя =10/100 не. 2. Кабельная линия длиной более 10 м в грунте [43]:
Ток в металлопокрове /„„=200-400 А, временная форма импульса Тф/т„ =25/500 не. 3. Расчетные значения токов и напряжений, полученные автором, для кабельных линий стационарного узла связи: ток в металлопокрове: Л.п=150-700 А; длительность фронта Тф=25-50 не; длительность импульса тн =500-600 не, напряжение холостого хода /«=800-1600 В; длительность фронта Тф=5-15 мкс; длительность импульса ти =20-35 мкс. Ток короткого замыкания: /«=50-1200 А; длительность фронта Тф=5-12 мкс; длительность импульса ти05=20-35 мкс. В разветвленной кабельной сети наведенные в металлопокровах кабельные линии при воздействии - ЭМИ" отличаются друг от друга по амплитуде, длительности и: полярности. Учет в расчетах многожильной структуры кабельных линий и асимметрии их нагрузок показал, что расчетные значения тока в жиле 1Ж и напряжения ІІЖЧ4П в цепи «жила-металлопокров» могут на 30-100% отличаться от аналогичных параметров в случае неучета этих особенностей. 4. Токи в кабелях, измеренные внутри сооружений телефонной связи [43]: Кабельная разводка внутри коммутационного сооружения телефонной связи облучалась гармоническими незатухающими электромагнитными полями. Величина токов в экране кабельной линии, расположенной внутри бетонной строительной конструкции 10-25
А, для армированного бетона- 3-7 А. Временная форма импульса - затухающая синусоида. 5. Испытания на имитаторах [60,92-93]: Имитаторы ЭМИ ВЯВ генерируют импульсы электрического и магнитного полей в ограниченном объеме. Поэтому испытаниям подвергались только короткие кабельные линии. В случае действия поле стандартного ЭМИ ВЯВ амплитудой 50 кВ/м амплитуда токов в оплетке кабеля достигала 130 А. Полученные обобщенные характеристики являются основой для рекомендаций по методам и средствам воспроизведения и разработки, предложенной по защите. Эффективность воздействия электромагнитных импульсов различной природы в значительной степени определяется их широкополосностью, которая обеспечивает воздействие электромагнитного излучения на различные элементы электронной аппаратуры с включением различных механизмов взаимодействия. Воздействие внешнего электромагнитного фактора на систему может быть описано с помощью передаточной функции [65]: PmU0) спектр воздействия. Эффективность воздействия может быть определена как отношение энергий: Данная величина была оценена для четырех типовых двухэкспоненциальных импульсов ЭМП, параметры которых приведены в Табл. 4.1, а формы показаны на рис., 4.2. В последнем столбце Таблицы 4.1 приведены плотности энергии импульсов с амплитудой 100 кВ/м. Для упрощения полагалось, что передаточная функция G{Ja ) равна 1 в определенном диапазоне частот и равна нулю вне его [102]. Результаты оценки эффективности воздействия для проволочных проводников различной длины L приведены в Табл. 4.2. Верхняя и нижняя частоты диапазона были определены на половине высоты амплитудно-частотной характеристики проводников, нагруженных в средней точке на R=5Q Ом, при воздействии ЭМП с электрической составляющей Е, направленной параллельно проводнику (рис .4.3).
