Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса и постановка задач
исследования 11
1.1. Общая характеристика телекоммуникационных систем как объектов, подверженных воздействию электромагнитных излучений 11
1.2 Эффективность поражающего действия электромагнитных им пульсов различных источников 18
1.3. Анализ параметров существующих генераторов СШП ЭМИ и перспективных разработок 21
1.4. Анализ существующих методов оценки воздействия СШП ЭМИ на элементы ТКС 25
1.5 Анализ существующих методов и средств защиты ТКС от воздействия СШП ЭМИ 30
1.6 Выводы по главе и постановка задач исследований 36
ГЛАВА 2. Исследование поражающего действия сшп эми на ткс и ее элементы 39
2.1 Характеристика поражающего действия СШП ЭМИ на системы проводников 39
2.2 Анализ воздействия СШП ЭМИ на антенны и фидерные линии. 41
2.3 Физические основы взаимодействия СШП ЭМИ с кабельными и проводными соединениями 45
2.4 Исследование взаимодействия СШП ЭМИ с экранирующими конструкциями 57
2.5 Выводы по главе 58
ГЛАВА 3. Разработка и совершенствование методов оценки воздействия сшп эми на ткс и ее элементы 60
4 3.1 Математическая модель и программа расчета воздействия СШП ЭМИ на системы проводников 60
3.2. Математические модели и программа расчета воздействия СШП ЭМИ на кабельные линии 68
3.3. Математические модели воздействия СШП ЭМИ на антенны80
3.4. Математическая модель экранирования СШП ЭМИ 96
3.5 Выводы по главе 115
ГЛАВА 4. Разработка рекомендаций по обеспечению стойкости ткс к сшп эми 117
4.1. Обобщенные данные по ожидаемым уровням воздействия СШП ЭМИ на элементы ТКС 117
4.1.1. Уровни воздействия СШП ЭМИ на системы проводников 117
4.1.2. Максимальная энергия ЭМИ, проникающая через апертурные антенны ТКС 119
4.1.3. Наводки во вспомогательных штыревых антеннах... 120
4.1.4. Токи и напряжения, наводимые ЭМИ в кабелях сопряжения 121
4.1.5. Наводки в межаппаратных кабелях 122
4.1.6. Ослабление СШП ЭМИ экранами 123
4.2 Анализ эффективности действия существующих и перспек тивных средств защиты 124
4.3 Разработка требований к средствам защиты телекоммуни каций от воздействия СШП ЭМИ 151
4.4 Выводы по главе 167
Заключение 171
Литература
- Эффективность поражающего действия электромагнитных им пульсов различных источников
- Физические основы взаимодействия СШП ЭМИ с кабельными и проводными соединениями
- Математические модели и программа расчета воздействия СШП ЭМИ на кабельные линии
- Разработка требований к средствам защиты телекоммуни каций от воздействия СШП ЭМИ
Введение к работе
Современные телекоммуникационные системы все в большей степени оснащаются электронными системами управления, микропроцессорными устройствами, чувствительными к электромагнитным воздействиям. Повышение степени интеграции элементной базы электроники, и, как следствие, снижение электрической прочности отдельных компонентов аппаратуры приводит к повышению уязвимости телекоммуникационных систем к воздействию электромагнитных факторов различного происхождения.
С другой стороны, средства электромагнитного поражения радиоэлектронной техники также совершенствуются, создаются поражающие средства воздействия на системы связи нового типа. Так в последние годы появились новые стационарные и подвижные генераторы, излучающие периодические и однократные сверхширокополосные электромагнитные импульсы (СШП ЭМИ). Такие устройства обладают новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников преднамеренных помех - сверхширокополосно-стью и большой амплитудой. Одной из возможных областей применения таких излучателей является дистанционное поражение электронных компонентов телекоммуникационных (ТКС), информационно-управляющих систем различного назначения, технических средств связи. Уровни плотности потоков электромагнитного излучения этих генераторов таковы, что могут приводить к нарушению работоспособности радиоэлектронной аппаратуры, а в ряде случаев, к необратимым изменениям ее параметров. Кроме того, электронные компоненты и цепи, такие как микропроцессоры, составляющие сегодня основную часть используемых элементов, работают на все более высоких частотах и низких напряжениях и, таким образом, становятся все более восприимчивы к СШП ЭМИ.
Данные тенденции в развитии генераторов сверхмощных электромагнитных полей обуславливают необходимость проведения исследований, направленных на обеспечение стойкости телекоммуникационных систем к различного рода электромагнитным воздействиям.
О перспективности средств электромагнитного поражения можно также судить хотя бы по тому, что в США в начале 90-х годов научно-техническое направление создания ЭМИ-оружия было выделено как самостоятельное и включено в перечень наиболее важных военных технологий. В связи с этим в настоящее время вступило в действие новое положение национальных и международных стандартов, в которых установлены более жесткие требования по безопасности и стойкости изделий, аппаратуры и оборудования (технических средств) при воздействии электромагнитных факторов природного и техногенного происхождения. Новые параметры воздействующих электромагнитных полей существенно отличаются от действующих ранее как по амплитудным, так и по временным характеристикам. Увеличены в 2-3 раза амплитуды напряженностей полей с длительностью фронта до нескольких долей не. Кроме того, невозможность учета всех факторов, влияющих на поражающее действие СШП ЭМИ, сложность современных телекоммуникационных систем затрудняют получение достоверной информации о степени поражения систем и механизмах поражения с применением расчетных методов.
С учетом изложенного следует, что в настоящее время преднамеренные сверхширокополосные электромагнитные помехи являются новой серьезной угрозой для телекоммуникационных систем. Тем более, что зависимость общества от компьютерных систем за последнее десятилетие быстро возросла, и восприимчивость этих электронных систем к СШП ЭМИ помехам стремительно растет.
Такое качественное переоснащение отечественных телекоммуникационных систем и систем связи современной компьютерной техникой, повышение требований по стойкости к действию различных электромагнитных полей радиоэлектронной аппаратуры приводит к тому, что в современных условиях проблема воздействия электромагнитных импульсов на ТКС и средства связи и управления становится одной из ключевых.
Преднамеренная ЭМ помеха опасна еще и тем, что она может создаваться тайно, анонимно и на большом удалении от поражаемого объекта. Она может поразить большое число целей и не оставлять никаких следов. Поэтому, особенно актуально, на настоящий момент, стоит вопрос о защите ТКС от воздействия сверхширокополосных ЭМИ, при котором снижается эффективность применяемых защитных устройств, усиливается проникновение электромагнитных полей через неоднородности в корпусах и увеличиваются амплитуды наведенных токов и напряжений на выходах высокочастотных антенно-фидерных устройств , кабелей и проводов, расположенных вне экранов или имеющие плетеные и витые экраны, что приводит к ложным срабатываниям или катастрофическим отказам аппаратуры [1-8, 29, 31, 32, 37, 40, 106, 107].
Сегодня СШП ЭМИ является очень слабо изученным поражающим фактором, способным выводить из строя современные системы связи и управления [35].
В связи с этим, важным этапом при решении задач, направленных на обеспечение стойкости телекоммуникационных систем к действию электромагнитных факторов, является проведение исследований с использованием математических моделей взаимодействия СШП ЭМИ с элементами ТКС. Для проведения исследований воздействия СШП ЭМИ на ТКС необходима соответствующая система исходных данных, полученная на основе анализа перспективных характеристик генераторов СШП ЭМИ и существующих методов оценки их воздействия на элементы ТКС.
Проблеме исследования воздействия СШП ЭМИ на радиоэлектронные системы и разработке мер по их защите посвящены работы целого ряда известных отечественных и зарубежных ученых: Синий Л.Л., Соколов А.А., Фортов В.Е., Баум К.И., Радаски У.Ф., Мырова Л.О. и других.
Наряду с значительными достижениями в области обеспечения стойкости телекоммуникационных систем существующие методы оценки воздействия импульсных электромагнитных полей (ЭМП) не позволяют проводить
8 достоверную оценку воздействия СШП ЭМИ на ТКС. Это в значительной
мере обусловлено отсутствием совершенных методов расчета воздействия СШП ЭМИ на элементы РЭА и несовершенством метрологического обеспечения измерений в этих диапазонах. Поэтому исходные данные по амплитудно-временным параметрам СШП ЭМИ в работе получены из анализа известных характеристик генераторов СШП ЭМИ, средств измерений и эталонов электромагнитных полей субнаносекундного диапазона.
Следовательно, задача разработки и совершенствования методов оценки, средств определения характеристик СШП ЭМИ и результатов его воздействия на телекоммуникационные системы, а также разработка и уточнение требований к средствам защиты, является в настоящее время особенно актуальной. Кроме того, следует отметить, что подкомитетом 77с МЭК ведется разработка международных стандартов по СШП ЭМИ, которая в настоящее время находится в стадии подготовки рабочего проекта. Это еще раз подтверждает актуальность поставленной задачи.
Таким образом, актуальность поставленной задачи определяется:
необходимостью создания и совершенствования систем телекоммуникаций, соответствующих современным требованиям, предъявляемым к их надежности и стойкости в условиях воздействия СШП ЭМИ;
слабой теоретической и экспериментальной изученностью воздействия наносекундных электромагнитных полей на ТКС и ее элементы;
отсутствием в полном объеме технических средств защиты оборудования и кабельных сетей ТКС от наносекундных ЭМИ и экспериментальных данных по эффективности применения существующих средств защиты.
С учетом изложенного целью работы является исследование, разработка и совершенствование методов оценки воздействия СШП ЭМИ на ТКС и научно-обоснованных требований к средствам их защиты.
Поставленная цель достигается решением следующих задач: 1. Теоретические исследования воздействия сверхширокополосных электромагнитных полей на ТКС и ее элементы.
Разработка методов оценки воздействия сверхширокополосных электромагнитных полей на ТКС и ее элементы.
Разработка математических моделей и программ расчета воздействия сверхширокополосных электромагнитных полей на ТКС и ее элементы.
Разработка рекомендаций по методам и средствам защиты ТКС от воздействия сверхширокополосных электромагнитных полей.
На защиту выносятся:
Методы оценки воздействия СШП ЭМИ на ТКС и ее элементы.
Математические модели, описывающие воздействие СШП ЭМИ на элементы ТКС (кабельные линии, антенны, экраны) и разработанные на их основе программы расчета.
Результаты теоретических оценок воздействия СШП ЭМИ на элементы ТКС.
Методы защиты ТКС от поражающего действия СШП ЭМИ. Научная новизна работы заключается:
в исследовании поражающего действия СШП ЭМИ на ТКС и ее элементы;
в разработке и совершенствовании методов расчета воздействия наносекунд ных СШП ЭМИ на ТКС и ее элементы;
в разработке математических моделей и программ расчета воздействия
СШП ЭМИ на элементы ТКС (кабельные линии, антенны, экраны);
в получении новых данных по устойчивости элементов ТКС к воздействию СШП ЭМИ и разработке научно-обоснованных требований к методам и средствам защиты;
в результатах теоретических и экспериментальных исследований эффективности работы существующих и перспективных средств защиты в нано-секундном временном диапазоне;
Практическая значимость работы состоит: в разработке расчетных методик и прикладных программ по оценке поражающего действия наносекундных СШП ЭМИ на элементы телекоммуникационных систем (кабельные линии, антенны, экраны);
в результатах исследований эффективности средств защиты при воздействии наносекундных импульсных перенапряжений;
в разработке рекомендаций по защите элементов ТКС от токов и напряжений, генерируемых наносекундными ЭМИ.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается:
корректностью использования математического аппарата и математической статистики, теории испытаний и измерений;
апробацией и публикациями основных результатов исследований;
проверкой соответствия теоретических результатов по исследуемой проблеме экспериментальным данным;
проведением сопоставительного анализа с данными других исследований.
Реализация и внедрение научных результатов диссертации .
Основные теоретические и практические результаты работы реализованы при выполнении ряда НИОКР при непосредственном участии автора.
Разработанные методики, программы, конкретные технические решения внедрены при разработке стойких к воздействию СШП ЭМИ ряда ТКС и систем связи, а также при разработке технических заданий на создание ТКС и средств связи специального назначения.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: XIII НТК по защите сооружений от поражающего действия ЭМИ, М., 2000 г.; "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий", Сочи, 2002 г. и 2003 г., 7-ой Российской научно-технической конференции по "Электромагнитной совместимости технических средств и биологических объектов", С-Петербург , 2002г.
Эффективность поражающего действия электромагнитных им пульсов различных источников
Особая опасность ЭМИ для систем телекоммуникаций, кроме наличия протяженных проводящих коммуникаций, обусловлена так же сравнительно низкой электрической прочностью их элементов и напротив высокой чувствительностью к электрическим помехам. Эффекты в функциональных элементах систем телекоммуникаций, возникающие при воздействии ЭМИ, подробно рассмотрены в [5, 9].
Проведем анализ систем телекоммуникаций с точки зрения воздействия ЭМИ [5]. Система телекоммуникаций представляет собой совокупности удаленных на значительное расстояние объектов, имеющих специальное технологическое назначение, и связанных между собой сетью инженерных коммуникаций (трубопроводы, кабели электроснабжения, автоматики и связи). Основной объект системы телекоммуникаций имеет в целом ряде случаев экранированные помещения, предназначенные для размещения технологической аппаратуры и нескольких сооружений, предназначенных для размещения оборудования вспомогательных технических систем.
Экранированные помещения конструктивно выполняются в виде двойного экрана из листовой стали толщиной 4-6 мм. Во внутреннем экране размещается основная техническая аппаратура. Во внешней зоне экранирования (по примеру внутреннего экрана) размещается оборудование вспомогательных технических систем. Неэкранированные сооружения выполняются из армированного сборного железобетона. Между различными сооружениями объекта телекоммуникаций проложены внутриплощадочные кабели электроснабжения, связи и автоматики и других инженерных коммуникаций. С точки зрения оценки воздействия ЭМИ системы телекоммуникаций могут быть разбиты на составляющие системы, каждая из которых может рассматриваться отдельно. Это обусловлено следующими причинами [9]: ограниченными возможностями существующих методов оценки воздействия ЭМИ на системы в целом; различием требований к системам по защищенности от воздействия ЭМИ; отсутствием в подавляющем большинстве случаев гальванической связи между коммуникациями и оборудованием этих систем. В общем случае воздействующими факторами на элементы указанных систем при воздействии ЭМИ являются: электромагнитные поля (ЭМП), проникающие через ограждающие конструкции экранированных сооружений (помещений); ЭМП, заносимые импульсными токами с внешних кабельных и инженерных коммуникаций внутрь экранированных сооружений; импульсные напряжения и токи, наводимые в цепях «жила-металлопокров» кабелей и воздействующие на изоляцию оборудования и аппаратуры, имеющих гальваническую связь с наружными кабельными коммуникациями; импульсные напряжения и токи, наводимые в межстоечных кабелях ЭМП, проникающими через неоднородности экранов и ЭМП, заносимыми по внешним инженерным коммуникациям.
Особенностью заданий на разработку экранов и инженерных систем является наличие одновременно различных по спектру действующих ЭМИ. В настоящее время нормативно-методические документы по оценке действия ЭМИ на экраны сооружений, оборудование и коммуникации отсутствуют и расчетные оценки производятся раздельно по каждому фактору. Магистральные кабельные линейные тракты систем телекоммуникаций могут быть выполнены оптоволоконными кабелями, которые сами по себе не чувствительны к полям ЭМИ, однако аппаратура промежуточных необслуживаемых ре-генерационных пунктов (НРП), устанавливаемых через определенные стояния, и аппаратура концевых обслуживаемых пунктов критична к воздействию ЭМИ, что требует оценки воздействия ЭМИ, экспериментальной проверки стойкости отдельных узлов и аппаратуры и разработки мероприятий по защите.
Линейная и специальная технологическая аппаратура, как правило, выполняется на интегрально-полупроводниковой элементной базе, имеющей в общем случае достаточно низкую устойчивость к воздействию импульсных токов и напряжений, а в совокупности с межстоечными кабельными соединениями критична к воздействующим ЭМИ. Это обстоятельство было экспериментально подтверждено при испытаниях технологической аппаратуры на объектах [2, 5, 6, 9, 14,104,105].
Основной системой вспомогательных технических систем является система электроснабжения (СЭС). СЭС объекта состоит из системы внешнего и внутреннего электроснабжения. Система внешнего электроснабжения включает в себя воздушные линии электропередачи напряжением 35-110 кВ и трансформаторные подстанции открытого типа. Во всех элементах внешней СЭС предусматриваются типовые решения по молниезащите. С точки зрения воздействия ЭМИ система внешнего электроснабжения, имеющая типовые решения по молниезащите, не может рассматриваться гарантированным источником, так как возможны несанкционированные отключения питающих линий и повреждение изоляции подстанционного оборудования.
В состав системы внутриплощадочного (внутреннего) электроснабжения входят распределительные кабельные линии 6 (10) кВ, автономные источники питания, установки гарантированного питания (УГП), трансформаторные подстанции и внутриплощадочные кабельные сети напряжением 0,4 кВ. В системе внутреннего электроснабжения непосредственному воздействию ЭМИ подвергаются кабельные линии напряжением 6 (10) кВ и внутриплощадочные кабельные линии 0,4 кВ, для которых должна быть выполнена соответствующая расчетная оценка воздействия всех видов ЭМИ как на сами кабельные линии, так и на оборудование, имеющее гальваническую связь с этими линиями. Питание технологических потребителей электроэнергии внутри сооружений осуществляется от УГП, имеющих конструктивную гальваническую развязку с первичным источником питания, поэтому сети, питающие технологические потребители, могут подвергаться лишь воздействию вторичных полей, обусловленных проникновением через неоднородности экрана и инженерные коммуникации.
Импульсные напряжения, возникающие во внутренних сетях технологических потребителей, в большинстве случаев не представляет опасности для самих кабельных линий и электрооборудования, но могут представлять опасность для технологических потребителей (выпрямительные устройства, стабилизаторы и т.п.) или снижать их помехоустойчивость. По этой причине эти эффекты должны быть также количественно и качественно учтены для каждой конкретной системы.
Физические основы взаимодействия СШП ЭМИ с кабельными и проводными соединениями
Величина энергии СШП ЭМИ, передаваемой элементами ТКС в приемное устройство, определяется ее типом, конструкцией, частотным диапазоном. Наведенные в проводниках токи и напряжения тем больше, чем больше длина проводника, и зависят от условий его прокладки, ориентации и заземления. Наводка в рабочей цепи кабеля также существенно зависит от того, является ли данный кабель экранированным или нет. Подвержены действию СШП ЭМИ также воздушные линии передачи и воздушные телефонные линии. Ток определяется полным сопротивлением проводников, которое может быть всего несколько сотен ом. В местах, где имеет место резкий переход от воздушных линий к наземным кабельным или трансформаторам, возникают отраженные импульсы. Подземные кабели имеют некоторую защиту за счет слоя грунта и оболочки кабеля, поэтому наводка от СШП ЭМИ в них меньше, чем для воздушных линий. Если провода, кабели находятся внутри металлических кузовов, корпусов, то на них действуют поля СШП ЭМИ, ослабленные стенками этих экранирующих конструкций. В свою очередь, экранирующие свойства кузовов, корпусов, зависят от материала экрана и от того, является ли данный кузов сплошным или в нем имеются неоднородности в виде отверстий, щелей и т. д.
Импульсные напряжения и токи, наведенные в кабелях, приводят к целому ряду явлений в подключенных к ним электро-радиоизделиях. Факторы, определяющие выход из строя элементов, могут быть различными для разных классов элементов: напряжение, ток, энергия и т. д. Обычно же уровень стойкости элементов к электрическим перегрузкам определяется величиной электромагнитной энергии, выделенной в элементе.
Сильное воздействие СШП ЭМИ следует ожидать также за счет влияния наружных кабельных линий, выходящих за пределы экранов, в которых расположена аппаратура. В этом случае если кабель окажется вблизи источника СШП ЭМИ, то наведенные напряжения и токи могут вывести из строя хорошо экранированную аппаратуру, расположенную вне зоны действия других поражающих электромагнитных факторов. В этом состоит одна из важных отличительных особенностей воздействия ЭМИ на РЭА систем связи по сравнению с другими поражающими факторами (ПФ). Степень воздействия СШП ЭМИ в рассматриваемых зонах, как указывалось выше, зависит и от характеристик самой аппаратуры. Несмотря на большое разнообразие, различия в назначении и схемно-конструктивных решениях, сущность воздействия СШП ЭМИ на аппаратуру сводится к появлению в ее элементах, узлах, блоках либо кратковременных электромагнитных полей, либо наведенных напряжений и токов.
Механизм образования наведенных сигналов и поглощения энергии СШП ЭМИ облучаемыми объектами в большинстве случаев является довольно не простым в силу сложности анализа электродинамических процессов, возникающих в цепях аппаратуры, с полным учетом ее функциональных связей. Однако общая закономерность заключается в том, что количество поглощенной энергии (напряжения, тока) пропорциональна площади электрических контуров и протяженности проводящих элементов конкретного изделия. В связи с этим целесообразно в качестве характеристик воздействия СШП ЭМИ на аппаратуру принимать значение и форму либо наведенного тока, либо наведенного напряжения, либо энергии, выделяемой на том или ином элементе аппаратуры. Конкретное количественное значение названных величин может выступать в качестве обобщенного показателя стойкости аппаратуры ТКС к СШП ЭМИ. Если параметры этих величин превышают допустимые значения, то аппаратура может отказать в работе. Тогда вышеуказанные показатели выступают в роли критерия стойкости РЭА ТКС к СШП ЭМИ. Основными видами отказов могут являться пробои отдельных изделий, перегорание токонесущих элементов, потеря полезной информации, ложные сигналы и т. п.
В ТКС и системах связи применяется много различных типов антенн. Стойкость всех антенн к воздействию СШП ЭМИ в основном определяется стойкостью их к воздействию низкочастотной и высокочастотной частей спектра СШП ЭМИ. Такое разбиение спектра СШП ЭМИ на две составляющие обусловлено тем, что при конструировании АФУ, стойких к воздействию СШП ЭМИ, разработчик должен знать, какая часть антенны наиболее критична к воздействию СШП ЭМИ, в том числе к какой составляющей спектра СШП ЭМИ, так как воздействие указанных частей спектра на антенны отличается физикой возникающих от их действия эффектов. Так, низкочастотная часть спектра может вызвать разрушение токопроводящих частей АФУ, а высокочастотная часть спектра, которая перекрывает рабочий диапазон частот, может, проникнув через АФУ, привести к повреждению аппаратуры, являющейся нагрузкой АФУ. Чувствительность антенны к низкочастотной части спектра СШП ЭМИ определяется в большей мере особенностями конструкции антенны, в то время как чувствительность к высокочастотной части спектра определяется только электрическими характеристиками антенны.
Математические модели и программа расчета воздействия СШП ЭМИ на кабельные линии
Задача состоит в определении параметров токов и напряжений, наводимых на элементах ТКС при воздействии сверхширокополосных импульсов электромагнитного поля. Объектами воздействия являются протяженные проводники круглого сечения, не имеющие точек ветвления, такие как оплетки кабелей телекоммуникационных систем (ТКС) или проволоки, находящиеся в однородной непроводящей среде (воздух, вакуум). Может рассматриваться как один проводник, так и несколько отдельных произвольно расположенных проводников. Диаметр сечения проводников и погонное сопротивление могут изменяться в зависимости от локальной продольной координаты. Направление распространения воздействующего электромагнитного поля - произвольное.
Таким образом, при расчете токов и напряжений, наводимых на проводник или систему проводников при воздействии импульсного электромагнитного поля, исходными данными являются: - характеристики воздействующего импульса СШП-ЭМИ (форма, амплитуда, направление распространения поля); - геометрические и электрические параметры проводников; - граничные условия на концах кабельной линии.
Расчет токов, наводимых на оплетки кабелей телекоммуникационных систем при воздействии сверхширокополосных импульсов ЭМП, - частный случай задачи о взаимодействии электромагнитного поля и проводящего объекта. Основная проблема при оценке рассеянного или дифрагированного на проводящей структуре поля состоит, по сути, в том же самом - в нахождении токов и зарядов, наведенных на поверхности рассеивающего тела.
Расчет токов и напряжений, наведенных на объект, осуществляется с использованием интегрального уравнения электрического поля (ИУЭП) в частотном представлении [48,49,105,106]. При этом сначала вычисляются токи на частотах, а временная форма импульсов тока находится обратным преобразованием Фурье для свертки частотного представления токов со спектром воздействующего импульса поля.
Амплитудно-временные параметры токов и напряжений, наводимых импульсными электромагнитными полями в кабельных линиях, существенным образом зависят от конструктивных особенностей внешних экранов (ме-таллопокровов кабелей), их количества, толщины, материала, качества изготовления соответствующих математических моделей, позволяющих рассчитать процессы взаимодействия ЭМП с такими кабелями. Процесс взаимодействия ЭМП с кабельной линией, рассмотренный ниже, проведён для гармонически изменяющихся величин. Переход к ним от импульсных ЭМП, токов и напряжений проводится с помощью преобразования Фурье. Таким образом, приведённые ниже соотношения верны для спектральных плотностей напряженностей ЭМП, токов и напряжений. Рассмотрим процессы, происходящие при взаимодействии коаксиального кабеля, имеющего несколько оболочек (см. рис.3.4.), с импульсными ЭМП [10,43,46,63,85]. Удобнее, однако, использовать не фазные координаты, когда напряжение определяется относительно удаленной точки, а координаты, при которых разности потенциалов между соседними проводами связаны телеграфными уравнениями с контурными токами, протекающими в цепях, образованных этими, наличия неоднородностей и пр. Все это приводит к необходимости разработки проводами.
чем на высоких. Такой выбор узлов в квадратурных формулах (3.56) позволяет существенно сократить время решения задачи, не теряя точности вычислений по сравнению с равномерным шагом интегрирования [55]. Величины Q,, СО,, В зависят от характеристик кабелей, проводимости среды, вида функции Е(Ху(о) и выбираются экспериментально на основе предварительных расчетов на ЭВМ.
На основании изложенной методики разработана программа расчета токов и напряжений в кабельных линиях систем телекоммуникаций в частотной постановке, позволяющая рассчитывать токи и напряжения, наводимые наносекундными СШП ЭМИ, как в одиночных, так и в системах кабельных линий. Время счета одного варианта составляет от 1 до 15 минут в зависимости от точности расчета и типа ЭВМ. Расчет токов и напряжений производится для трех произвольно выбранных точек по длине линии. Точность рассчитываемых величин токов и напряжений определяется степенью приближения, задаваемой в исходных данных. Первая степень приближения позволяет за короткий промежуток времени определить общий характер процесса. Вторая степень приближения требует средней затраты машинного времени и обеспечивает лучшую сходимость процесса. Третья степень приближения требует большей затраты машинного времени и позволяет получить наиболее достоверные результаты расчетов. Использование программы предполагает наличие исходных данных о параметрах воздействия, геометрии кабельной линии относительно центра источника СШП ЭМИ, ее электрофизических характеристиках и нагрузке, а также электрофизических характеристиках подстилающей поверхности.
Разработка требований к средствам защиты телекоммуни каций от воздействия СШП ЭМИ
Системы телекоммуникаций представляют собой сложные электро технические и радиоэлектронные комплексы, располагающие разветвлённой сетью кабельных коммуникаций с блоками и стойками управления, сигнализации, обработки данных и т.д. Поражающее действие СШП ЭМИ, в большей степени проявляется на слаботочных системах - информационных, компьютерных, управления и других - вследствие их высокой чувствительности к действию высокочастотных электромагнитных помех поступающих, прежде всего, на входы аппаратуры с кабельных коммуникаций. Учитывая вышеизложенное, необходимо принимать меры по защите вводов данного оборудования и систем от токов и напряжений, наводимых СШП ЭМИ. Все это приводит к необходимости разработки соответствующих требований к методам и средствам защиты вводов слаботочного оборудования и аппаратуры систем телекоммуникаций от действия данных поражающих факторов [39,69,71,94,95,98].
Предъявляемые к УЗ требования должны быть обусловлены прежде всего основными функциями, возлагаемыми на них до, во время и после воздействия ЭМИ на объекты систем телекоммуникаций.
Возлагаемые на УЗ функции до и после воздействия ЭМИ определяются необходимостью обеспечения устойчивой работы аппаратуры и систем в целом. Для этого УЗ в эти периоды не должны оказывать влияние на параметры рабочих сигналов, аппаратуры, принимаемых и передаваемых по кабельным линиям. Кроме того, непосредственно после воздействия ЭМИ УЗ должны восстанавливать свои статические характеристики до исходных значений и тем самым создавать нормальные условия для приема и передачи рабочих сигналов аппаратуры. Главными функциями, возлагаемыми на УЗ во время воздействия ЭМИ, являются снижение импульсных напряжений U(t), наводимых в кабельных линиях, до безопасных для аппаратуры систем телекоммуникаций уровней, а также шунтирование импульсных токов I(t), не допуская их воздействия на защищаемые вводные цепи аппаратуры. К основным характеристикам УЗ, которые в какой-либо степени могут оказывать влияние на параметры рабочих сигналов аппаратуры относятся [95]: статическое напряжение пробоя Ucm. „/л; статическая междуэлектродная емкость Смэ, сопротивление изоляции междуэлектродных промежутков Яиз , напряжение погасания междуэлектродных промежутков Цпог. Междуэлектродная емкость УЗ в высокочастотной области рабочих сигналов может вносить определенные изменения величин входного сопротивления аппаратуры и, следовательно, всего приемо-передающего тракта, а также формы самих рабочих сигналов. В целях исключения влияния УЗ на параметры рабочих сигналов аппаратуры значения емкостного сопротивления Zcy3=I/a pCd\o {(Op частота рабочего сигнала) и сопротивление изоляции RM3 междуэлектродных промежутков УЗ в рабочем диапазоне частот должны быть не менее чем на порядок больше сопротивлений защищаемых цепей аппаратуры, т.е. %Суз Zcann И ЯиЗ : КиЗапп где ZCann-ёмкостное сопротивление аппаратуры; Rfoann -сопротивление изоляции аппаратуры.
Параметры Ucmnp и ипог определяют уровни срабатывания и погасания междуэлектродных промежутков УЗ от напряжений постоянного тока. В цепях аппаратуры систем телекоммуникаций передаются и принимаются рабочие сигналы, уровень которых может достигать 120 В, а в цепях дистанционного питания аппаратуры системы передачи - до 550 В. Эти сигналы могут вызывать ложные срабатывания УЗ, что, в конечном итоге, может привести к ухудшению качества или потере связи. Для исключения подобных явлений величины напряжений UcmMp и \]пог УЗ должны быть на 15-20% выше максимально возможных уровней рабочих сигналов, передаваемых и принимаемых по защищаемым цепям аппаратуры.
Результаты исследований схемно-технического построения вводных цепей аппаратуры систем телекоммуникаций показали, что их целесообразно классифицировать по группам, применительно к которым в дальнейшем необходимо разрабатывать устройства защиты.
Так, результаты экспериментальных исследований стойкости вводных цепей аппаратных полевых узлов связи (АПУС), приведенные в таблице 4.13, позволяют сделать вывод о том, что по допустимому импульсному напряжению вводные цепи АПУС могут быть разбиты на две группы. При разработке требований к УЗ необходимо учитывать, что по одному и тому же типу кабельной линии могут передаваться рабочие сигналы различного уровня, например с уровнем 120 В и 550 В. Кроме того, один и тот же тип кабельной линии может подключаться к вводным цепям, максимально допустимый уровень импульсного напряжения которых находится в различных классификационных группах. Это вызывает необходимость приведения классификационных групп вводных цепей во взаимосвязанную систему требований к устройствам защиты. Определим требования к статическим характеристикам УЗ (Rll3, Слп, Ucm.np, ипог), исходя из необходимости обеспечения условий, исключающих их влияние на параметры рабочих сигналов, передаваемых по кабельным линиям. Значения междуэлектродной ёмкости УЗ (СМэ) должны определяться исходя из допустимых значений данного параметра цепи "жила-экран (земля)" кабельных линий, непосредственно подключаемых к вводным цепям аппаратуры. Величина этой ёмкости составляет десятки нанофарад на метр. Следовательно, для исключения влияния УЗ на параметры рабочих сигналов аппаратуры их междуэлектродная ёмкость не должна превышать десятки-сотни пикофарад. В настоящее время промышленностью выпускаются разрядники, междуэлектродная емкость которых составляет единицы пикофарад. Требования к УЗ по статическому напряжению пробоя (Ucmnp) и напряжению погасания (У„ог) определяется на основе вышеизложенных условий и реальных уровней напряжений рабочих сигналов аппаратуры, передаваемых по кабельным линиям. возникающего в симметричной цепи ("жила-жила") кабельных
