Повышение эффективности защиты антенно-фидерных систем от поражающего действия электромагнитного импульса путем комплексного применения мероприятий защиты

Измерения, контроль и управление качеством. Испытание образцов вооружения и военной техники

УДК 621.318

Борисов А.А., Хромов В.В.

Borisov A.A., Khromov V. V.

Повышение эффективности защиты антенно-фидерных систем от поражающего действия электромагнитного импульса путем комплексного применения мероприятий защиты

Effectiveness increase of the protection of antenna-feeder system from the damaging effects of an electromagnetic

pulse through integrated protection measures use

Аннотация:

В статье рассмотрены особенности радиоприемных и передающих центров пунктов управления Вооруженных Сил Российской Федерации с протяженными антенно-фидерными системами и основные пути воздействия поражающих факторов электромагнитного импульса на них. На основании полученных данных предложен вариант комплексно использования общих, системных и частных мероприятий защиты, который позволяет организовать эффективную защиту элементов антенно-фидерных системам и электрооборудования радиоприемных передающих центров. Подробно рассмотрены конструктивные решения и тактико-технические характеристики устройств защиты от импульсных перенапряжений, целевым назначением предназначенные для защиты данного объекта. Разработаны рекомендаций по размещению данных устройств, доказана эффективность их применения.

Abstract:

The article describes the features of radio transmitting centers of command and control points of the Russian Federation Armed Forces with long antenna-feeder systems and the main ways of influencing electromagnetic pulse on it. Based on these data a version of the integrated use of common, system and private protection measures is offered, which allows to organize an effective protection of the elements of antenna-feeder systems and electrical equipment of radio receiving and transmitting. Detailed consider is given to design solutions and tactical - technical characteristics of protection devices, earmarked for protecting the object. Recommendations for the placement of these devices and effectiveness of their application are given.

Ключевые слова: антенно-фидерные системы, электромагнитный импульс ядерного взрыва, устройства защиты от импульсных перенапряжений.

Keywords: antenna-feeder system, an electromagnetic pulse of a nuclear explosion, the device surge protection.

В настоящее время ряд стран НАТО непрерывно занимаются совершенствованием ядерного оружия, а так же разработкой электромагнитного неядерного оружия в целях электромагнитного терроризма. Таким образом, в современных условиях вероятность применения оружия, основанного на электромагнитных принципах (электромагнитные излучения, генерируемые источниками ядерного и неядерного происхождения) существенно возрастает. По оценкам ученых и специалистов, занимающихся проблемами обеспечения электромагнитной совместимости технических средств объектов военного и гражданского назначения, приоритетным направлением в современных условиях является защита систем управления и связи от воздействия электромагнитных излучений, генерируемых электромагнитным импульсом ядерных взрывов (ЭМИ ЯВ).

Международным стандартом МЭК, а также ГОСТами Российской Федерации регламентируются требования в части защиты данных систем от указанного поражающего фактора [1,2,3,4,5].

Для обеспечения надежной и качественной связи между удаленными объектами ВС РФ широкое применение находят радиопередающие (РПД) радиоприемные (РПР) комплексы с протяженными антенно-фидерными системы (АФС) различного частотного диапазона (от 50-80 кГц до 2-30 МГц и выше). Основными элементами РПД и РПР комплексов являются: радиопередающие (радиоприемные) устройства, активные вибраторы антенн и фидерные тракты. Активные вибраторы выполнены кабелем марки РК 50 - 44 - 19 без защитных экранов, а фидерные тракты кабелем марки РК 75 - 44 - 19Б с защитным экраном.

Современный этап проектирования и строительства пунктов управления (ПУ) характеризуется широким их оснащением электротехническим оборудованием и радиоэлектронной аппаратурой, которые наиболее подвержены воздействию поражающих факторов ЭМИ ЯВ. Проблема защиты электрооборудования данных ПУ от воздействия электромагнитных излучений становится особенно острой и актуальной в связи с разработкой новых систем ядерного оружия, характеризующегося повышенным выходом электромагнитных излучений.

Особенности данных радиопередающих комплексов состоят в следующем: 1- радиопередающие (радиоприемные) устройства располагаются в высокозащищенных экранируемых сплошными стальными конструкциями подземных сооружениях (сооружениях командного модуля), фидерные тракты прокладываются в тоннельных

3

выработках, оборудованных сеточными экранами в виде арматурных сеток, активные вибраторы антенн прокладываются в неэкранируемых тоннельных выработках; 2 - АФС представляют собой подземные протяженные и рассредоточенные на больших площадях и различных глубинах (от 50 м до 400.. .500 м) системы, имеющие сложную пространственную топологию, протяженность фидерных трактов и вибраторов антенн составляет от нескольких десятков до нескольких сотен метров; 3- в качестве вибраторов антенн применяются нетрадиционные материалы (радиочастотные коаксиальные кабели), 4 - среда, окружающая вибраторы и фидерные тракты, отличается низкой проводимостью, 5 - в качестве рабочих напряжений электрооборудования и АФС радиопередающих комплексов используются нестандартные напряжения 2 кВ, для систем, работающих в диапазоне частот 2.30 МГц, и 14 кВ, для систем, работающих в диапазоне частот 2.80 кГц [6,7,8].

Принципиальная схема радиопередающего комплекса представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема радиопередающего комплекса (вид сверху) 1 - радиопередающее (приемное) устройство; 2 - фидерные тракты; 3 - вибраторы антенн; 4 - заземляющие устройства

Актуальность данного исследования обусловлена невозможностью обеспечить надежную и эффективную защиту электрооборудования и АФС радиопередающих комплексов от поражающего действия электромагнитного импульса ядерных взрывов с помощью устройств, предназначенных для СЭС и связи по причинам несоответствия номинальных напряжений и рабочих частот и ограниченных возможностей существующих УЗИП по пропускной способности. Эти обстоятельства свидетельствуют о необходимости разработки УЗИП целевого назначения для электрооборудования РПДК пунктов управления ВС. Кроме того испытания показали, что эффективной защиты электрооборудования АФС возможно добиться только при комплексном применении общих, системных и частных мероприятий защиты. Решению данной научно- технической задачи посвящена данная статья.

Основные положения. Для принятия решения, какие мероприятия защиты необходимо применять при обеспечении живучести объекта с протяженными антенно-фидерными системами необходимо рассмотреть пути воздействия поражающих факторов ЭМИ на элементы АФС.

Основными путями воздействия поражающих факторов ЭМИ на АФС рассматриваемого объекта являются:

1. Прямое действие электромагнитного поля, проникающего через толщу грунта и строительные конструкции объекта, а также действия вторичных электромагнитных полей, вызванных токами, протекающими по электромагнитным экранам и инженерным коммуникациям. Поражающее действие проявляется в возможности перемагничивания и изменения электрических характеристик полупроводниковых и радиоэлектронных элементов, появления ложных сигналов, сбоев, помех и др.

2. Наведение напряжений и токов на участках антенн и фидерных трактов, приводящих к повреждению их изоляции и подключенной к ним аппаратуры передающего устройства. Поражающее действие проявляется в возможности электрического и теплового пробоя электротехнического оборудования и радиоэлектронной аппаратуры и кабельной продукции.

Для обеспечения надежной защиты объекта целесообразно проведение комплексных мероприятий по его защите. Применительно к специфике, использованным конструктивным решениям, режимам функционирования АФС и заданным снарядам ядерных боеприпасов, воздействующим по рассматриваемому объекту, мероприятия по защите АФС от поражающих факторов ЭМИ условно могут быть разделены на: I.- общие или инженерно-строительные, выполняемые

для всех систем объекта; включая и АФС; II - системные, выполняемые для отдельных систем; III - частные, выполняемые для отдельных элементов и блоков АФС.

Рассмотрим варианты использования вышеперечисленных мероприятий защиты применительно к радиопередающим, радиоприемным комплексам с протяженными антенно-фидерными системами.

На объекте применены следующие меры защиты от ЭМИ:

I. Общие: а) общее и местное экранирование сооружений объекта; б) рациональные объемно-планировочные и конструктивно-компоновочные решения сооружений всего объекта и его АФС; в) создание рациональной системы заземления и электрических связей строительных конструкций объекта и его системы АФС.

II. Системные: а) применение УЗИП, разработанных в Военном институте (инженерно техническом) (ВИ (ИТ)) целевым назначением предназначенные для защиты электрооборудования АФС; б) использование в качестве вибраторов и фидерных трактов кабелей с высокими экранирующими характеристиками; в) параллельная прокладка кабелей и их дополнительное экранирование; г) сокращение длины кабельных коммуникаций и антенн, непосредственно подверженных воздействию ЭМИ; д) автоматическое отключение кабельных коммуникаций и антенн, не участвующих в обеспечении боевых задач, по сигналу об угрозе применения ядерного оружия, а также отключение проводных коммуникаций от передающего устройства в нерабочем режиме; е) рациональные схемные решения и оптимальная прокладка кабельных трасс и др.

III. Частные: а) повышение стойкости элементов АФС к поражающему действию ЭМИ за счет применения соответствующей элементной базы, рационального соединения элементов, оптимального монтажа схем, узлов и блоков аппаратуры и т.д.; б) применение принципов каскадной защиты для наиболее чувствительных блоков и узлов к поражающему действию ЭМИ; в) повышение помехоустойчивости аппаратуры структурно-функциональными и алгоритмическими методами (использование оптоэлектроники, кодирования сигналов, помехоустойчивой модуляции и пр.).

Защита АФС от поражающих факторов ЭМИ была обеспечена реализацией комбинаций приведенных выше мер и средств защиты применительно к специфике конкретного объекта. Исходя из назначения и условий функционирования рассматриваемого АФС, защита от поражающего действия ЭМИ обеспечила:

1. Снижение до допустимого уровня величин электромагнитных полей, генерируемых ядерными взрывами в среде заложения АФС;

2. Снижение опасных импульсных токов и напряжений, наводимых ЭМИ на элементах АФС до уровней, не приводящих к отказам аппаратуры, фидерных трактов и антенн.

Обеспечение о надежной защиты стало возможным так же и благодаря тому, что впервые были применены разработанные в Военном институте (инженерно-техническом) УЗИП целевым назначением предназначенные для защиты электрооборудования АФС пунктов управления ВС РФ.

Для формирования тактико-технических требований к данным устройствам были рассчитаны амплитудно-временные параметры токов и напряжений, наводимых ЭМИ в элементах АФС. С этой целью разработана методика и проведены расчеты токов и напряжений, наводимых ЭМИ ЯВ в подземных, протяженных и рассредоточенных на больших площадях и различных глубинах АФС и подключенном к ним электрооборудовании РПДК, с учетом сложной пространственной топологии АФС и неоднородной структуры их электрофизических характеристик.

Анализ результатов расчетных оценок воздействия ЭМИ контактных ядерных взрывов на элементы АФС и подключенное к ним электрооборудование показывает, что максимальные уровни токов, наводимых в защитных экранах и жилах фидерных трактов и вибраторов антенн, могут достигать значений 23,8 кА и 5,84 кА, соответственно, а максимальные уровни перенапряжений свыше 1500 кВ. В качестве примера на рисунке 2 приведены временные зависимости токов и напряжений, наводимых ЭМИ наземного ЯВ мощностью 10 Мт и 0,5 Мт в фидерных трактах АФС и подключенном к ним электрооборудовании РПДУ, при попадании ядерных боеприпасов в точку, расположенную над передающим устройством [9].

Ь, 1ж кА 25

20

Иж-э, кВ

15

— Ь при q ^ Ь при д = 10Мт =0,5Мт

/ / л / / \ г

1 / 1 / // д/ при с| 10 Мт ^^^

г/- при с[0,. >Мт

2000

1500

1000

500

Иж-э при 1_Тж-э При 1=10Мт^ 1=0,5Мт

/ ^ / / «* — ^ ^ -_ _

/ / / У /у

1000

2000

3000 Ъ мкс

2000

4000

6000

1, МКС

Рис. 2. Временные зависимости токов и напряжений, наводимых ЭМИ ЯВ в фидерных трактах АФС На основе результатов выполненных расчетных оценок, анализа модели предполагаемых ядерных ударов по пункту управления ВС и конструктивных особенностей радиопередающих комплексов и их АФС разработаны научно -обоснованные тактико-технические требования, предъявляемые к УЗИП, предназначенные для защиты электрооборудования и АФС радиопередающих комплексов от ЭМИ ЯВ (таблица 1).

Таблица 1.

Тактико-технические характеристики разработанных УЗИП

№ п/ п Наименование технической характеристики Класс АФС по номинальному напряжению

14 кВ 2кВ

1. Номинальное напряжение (амплитудное значение), кВ 14,0 2,0

2. Диапазон рабочих частот, кГц 2.80 2000.30000

3. Емкость относительно корпуса, пФ до 40 до 6

4. Длительность фронта импульса тока, мкс 250±50 до 8

5. Амплитуда пропускаемого тока, кА 2,5 0,5

6. Длительность выдерживаемого импульса тока до полуспада амплитуды, мкс (не более) 2500 50

7. Уровень ограничения напряжения 27 2,5

8. Количество выдерживаемых воздействий без нарушения функциональных способностей 5 20

9. Исполнение однополюсное однополюсное

В качестве основного технического решения, позволяющего кардинальным образом решить задачу по созданию таких УЗИП, предложено решение, выполненное на базе комбинации устройств защиты коммутирующего и ограничивающего типов путем их последовательного соединения. В качестве устройств защиты ограничивающего типа предложены нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) на базе оксидно-цинковых варисторов, а в качестве устройств защиты коммутирующего типа - искровые газонаполненные разрядники с интенсивным гашением электрической дуги. Принципиальная электрическая схема представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема УЗИП 1- искровой газонаполненный разрядник; 2- нелинейный ограничитель перенапряжений

Искровые газонаполненные разрядники изготовлены на номинальные напряжения 14 кВ и рабочие частоты 2.80 кГц, и 2 кВ и рабочие частоты 2.30 МГц, соответственно. Данные разрядники обладают улучшенными техническими характеристиками в части быстродействия и высокой пропускной способностью, что достигается применением специальной электродной системы и определенной смеси газов.

В качестве нелинейных элементов УЗИП предложено использовать высоконелинейные варисторы, изготовленные на основе оксида цинка, обладающие высокой нелинейностью и большой пропускной способностью. Применение нелинейных элементов позволяет решить проблему локализации сопровождающих токов и исключить случаи несанкционированных отключений РПДУ. УЗИП на номинальное напряжение 2 кВ оснащен одним модулем (колонкой) варисторов, УЗИП на номинальное напряжение 14 кВ оснащен пятью модулями варисторов, соединенных параллельно [1,3]. Все токоведущие элементы УЗИП размещаются в корпусе, выполненном из изоляционного материала - полиуретана, который имеет улучшенные характеристики в сравнении с фарфоровыми изоляторами, что позволяет обеспечить необходимую механическую прочность[6,7,8].

Внешний вид УЗИП представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Внешний вид УЗИП

а) УЗИП на номинальное напряжение 14 кВ

б) УЗИП на номинальное напряжение 2 кВ Технические характеристики УЗИП соответствуют параметрам, приведенным в таблице 1.

Конструкции макетных образцов УЗИП и состав структурных элементов, входящих в УЗИП, представлены на рисунке 5.

а)

б)

1 - вводная клемма;

2 - полиуретановый корпус;

3 - пластмассовая прокладка;

4 - искровой газонаполненный разрядник;

5 - модуль высоко нелинейных варисторов;

6 - заземляющая клемма.

1 - вводная клемма;

2 - металлический корпус;

3, 6 - модули высоко нелинейных варисторов;

4 - искровой газонаполненный разрядник;

5 - медная шина;

7 -заземляющая клемма;

8 - полиуретановый корпус.

Рис. 5. Конструкция макетных образцов УЗИП

а) УЗИП на номинальное напряжение 14 кВ

б) УЗИП на номинальное напряжение 2 кВ

Таким образом, на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, впервые были разработаны УЗИП комбинированного типа, предназначенные целевым назначением для защиты электрооборудования и АФС радиопередающих комплексов пунктов управления ВС от поражающего действия ЭМИ ядерных взрывов.

С целью проверки соответствия разработанных УЗИП предъявляемым к ним тактико-техническим требованиям, авторами выполнены экспериментальные исследования эффективности опытных образцов УЗИП при воздействии импульсных токов и напряжений ЭМИ ЯВ, полученных расчетными методами.

Результаты проведенных экспериментальных исследований показали, что опытные образцы УЗИП соответствуют предъявляемым к ним требованиям и выполняют свои защитные функции при заданных расчетных воздействиях. Технические решения, реализованные в УЗИП, обеспечивают выполнение ими функций по ограничению

импульсных токов и напряжений ЭМИ ЯВ и не оказывают существенного влияния на качество рабочих сигналов РПДУ пунктов управления ВС [7,8,10].

Применение УЗИП обеспечивает снижение опасных импульсных токов и напряжений, наводимых ЭМИ на элементах АФС до уровней, не приводящих к отказам аппаратуры, фидерных трактов и антенн.

Для осуществления защиты элементов АФС были разработаны рекомендаций по размещению данных УЗИП, обеспечивающих защиту от поражающего действия ЭМИ ядерных взрывов.

Для обеспечения нормальной работы АФС в условиях интенсивного воздействия поражающих факторов ЭМИ ядерных взрывов необходимо:

1 - РПДК и по возможности фидерные тракты разместить в помещениях и потернах, оборудованных специальными электромагнитными экранами (сеточными или сплошными);

2 - на вводах фидерных трактов в передающее устройство установить специальные УЗИП, которые должны быть подключены между жилами и экранами кабельных линий (рисунок 6).

Рис.6. Условная однолинейная схема модуля радиопередающего комплекса с установкой УЗИП на входе РПДК 3 - установить специальные УЗИП в местах сопряжения кабельных линий фидерных трактов и антенн (рисунок 7).

Рис. 7. Условная однолинейная схема модуля радиопередающего комплекса с установкой УЗИП на входе РПДК и в

месте сопряжения вибраторов и фидерных трактов 4 - в период электромагнитных воздействий обеспечить надежное заземление концов вибраторов антенн, при невозможном выполнении данного условия в качестве альтернативного варианта предлагается установить специальные УЗИП на концах вибраторов антенн (рисунок 8).

I ™ ГЕЧгЧ 1Р Г

Рис. 8. Условная однолинейная схема модуля радиопередающего комплекса с установкой УЗИП на входе РПДК и в месте сопряжения вибраторов и фидерных трактов и на концах антенн

Реализация предлагаемых решений по применению и размещению специальных разрядников в АФС позволяет локализовать опасные уровни токов и перенапряжений, возбуждаемых ЭМИ ядерных взрывов в протяженных кабельных линиях и антеннах и обеспечить его надежное и бесперебойное функционирование в период массированных ядерных воздействий по рассматриваемому объекту. На основание выше изложенного, используя математическую модель расчета электромагнитных процессов в элементах антенно-фидерных систем передающих радиоцентров пунктов управления, проведена расчетная проверка эффективности предложенной концепции по защите элементов АФС от ЭМИ с помощью специальных разработанных УЗИП [9].

Выводы:

1. Для обеспечения надежной и качественной связи между удаленными объектами ВС РФ широкое применение находят радиопередающие радиоприемные комплексы с протяженными антенно-фидерными системы различного частотного диапазона (от 50-80 кГц до 2-30 МГц и выше).

2. Современный этап проектирования и строительства данных комплексов характеризуется широким их оснащением электротехническим оборудованием и радиоэлектронной аппаратурой, которые наиболее подвержены воздействию поражающих факторов ЭМИ ЯВ. Проблема защиты электрооборудования данных объектов от воздействия электромагнитных излучений становится особенно острой и актуальной в связи с разработкой новых систем ядерного оружия, характеризующегося повышенным выходом электромагнитных излучений.

3. В целях эффективной защиты данных объектов целесообразно комплексно использования общие, системные и частные мероприятий защиты, которые позволяют предотвратить повреждения элементов антенно-фидерных системам и электрооборудования радиоприемных передающих центров.

4. В качестве системных мероприятий защиты необходимо применение УЗИП комбинированного типа, целевым назначением разработанных для защиты пунктов управления с протяженными АФС.

5. Разработанные специальные УЗИП и предложенные рекомендации по их применению, а также комплексный подход проведения защитных мероприятий позволяют обеспечить эффективную защиту АФС пунктов управления ВС РФ от поражающих факторов ЭМИ ядерных взрывов.

Список литературы:

1. МЭК 107:1998. Электромагнитная совместимость. Руководство по разработке публикаций МЭК в области электромагнитной совместимости

2. МЭК 60050-161:1990. Международный электротехнический словарь. Глава 161: Электромагнитная совместимость.

3. МЭК 61000-4-4:1995. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4: Методы испытаний и измерений..

4. МЭК 61000-4-4:2004) Совместимость технических средств электромагнитная устойчивость к наносекундным импульсным помехам требования и методы испытаний.

5. Борисов А.А. Требования к устройствам защиты от импульсных перенапряжений электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва. «16 Туполевские чтения» Международная молодежная научная конференция, 28- 29 мая 2008 года: Труды конференции. Том 3. Казань: Изд - во Казан. гос. техн. ун-та им. А.Н. Туполева. 2008, с. 216-218. (536).

6. Хромов В.В., А.А. Борисов, А.В. Исаков, О.И.Громов. Устройства защиты от импульсных перенапряжений для технических средств антенно--фидерных систем // Технологии ЭМС / ООО «Издательский дом «Технологии». - М., 2009.

7. Борисов А.А. Разработка и обоснование средств защиты электрооборудования антенно-фидерных систем от воздействия мощных электромагнитных полей // Сб. научн. ст. сотрудников университета.: Дис. Исслед. адъюнктов и докторантов ВИТУ/ ВИТУ. - СПб., 2009. - Вып. 10. - С. 30-33. (141).

8. Борисов А. А., Савчук А.Д., Хромов В.В. Устройства защиты радиоэлектронной аппаратуры от импульсных перенапряжений // Инновац. деят. в ВС РФ.: Тр. всеармейской научн. - практ. конф./ СПб.: ВАС, 2009.

9. Борисов А.А. Математическая модель расчета электромагнитных процессов в элементах антенно-фидерных систем передающих радиоцентров пунктов управления // Сб. научн. тр. ВИТУ.: Научные проблемы специальных и фортификационных комплексов, обустройства войск, управления производственной деятельностью строительных предприятий / СПб., ОАО «Издательство Стойиздат СПб», 2009. - Вып. 8.

10. Отчет о составной части опытно - конструкторской работы: «Разработка рекомендаций по выбору мест установки устройств защиты от импульсных перенапряжений в АФУ СДВ IV диапазона». Санкт - Петербург 2007.38 с.