книги из ГПНТБ / Логинов, И. Л. Инженерно-технические мероприятия, повышающие устойчивость электротехнического и радиоэлектронного оборудования к поражающим факторам ядерного взрыва учебное пособие

ния в сравнении с электрической прочностью по постоянному напряжению будет более высокой. Несмотря на это, необхо­

димо проверять расчетом, насколько проектируемое оборудо-

Рис. 17. Зависимость Ebm от q и R

ванне соответствует предъявляемым требованиям по своей электропрочности. Эта проверка производится по тем напря­ жениям, которые развиваются в цепях под действием элек­ тромагнитного импульса.

52

К числу инженерно-технических мероприятий, повышаю­ щих устойчивость электро- и радиооборудования к электро­

магнитному импульсу, относятся:

—-использование симметричных по емкости двух- и трех­

жильных кабелей (двух- и трехпроводных линий);

—применение экранированных кабелей;

—применение грозозащитных средств;

—применение электропроводящих экранов.

§16. Использование симметричных по емкости двух-

итрехжильных кабелей (двух- и трехпроводных линий)

Жилы кабеля или провода будем называть для простоты

электродами. Емкость каждого электрода по отношению к

земле и между собой, как правило, отличаются друг от дру­

га. Как известно, емкость каждого электрода определяется

формой, геометрическими размерами и свойствами изолирую­ щей среды. Эти качества электрода всегда отличаются друг от друга, хотя и незначительно, в силу технологических

отклонений, допускаемых при изготовлении изоляционных материалов и электродов. Поэтому (при воздействии элек­

трического поля электромагнитного импульса на кабель или провод) каждый из электродов приобретает свой заряд, со­

ответствующий емкости электрода, а в диэлектрике, разде­

ляющем электроды, возникает электрическое смещение, кото­ рое при постоянной диэлектрической проницаемости пропор­ ционально напряженности электрического поля. Различие за­

рядов на электродах ведет к возникновению механической силы натяжения и к пробою при достаточной величине этой силы. Последняя является следствием взаимодействия заря­

дов соседних электродов.

Сила взаимодействия стремится удалить друг от друга за­

ряды одинаковых знаков и сблизить заряды противополож­

ных знаков. Величину механической силы натяжения на еди­

ницу площади поверхности электродов рассчитывают [14] по

электрического поля, кВ/м.

Наибольшие напряженности электрического поля выдер­

живают стекло и слюда. Для них практически предельные величины приблизительно равны 5 ∙ IO5 кВ/м. Подставив в

формулу (39) эту величину и относительную диэлектрическую

проницаемость, равную 8, найдем, что наибольшее натяже-

53

ние, создаваемое электрическим полем, которое можно полу­

чить при использовании этих изоляционных материалов, рав­

но 90 кН/м2 (9 Н/см2). Таким образом стеклянный или слю­

дяной диэлектрик может быть сжат поверхностным давле­

нием 90 кН/м2, обусловленным указанным электрическим по­

лем. Однако чаще судят о возможности пробоя по величине

напряжения, возникающего между ними в результате емко­ стной асимметрии. Величина его для двухэлектродной линии

может быть определена [9] по следующей формуле:

т. е. между двумя электродами вследствие емкостной асим­

метрии возникает напряжение 17,8 кВ.

Величины этого напряжения даже при импульсном его действии достаточно для пробоя многих изоляционных ма­

териалов.

Если бы емкости электродов были равны, т. е. C20 = Cio, то получили бы ¿7 = 0.

Для уменьшения межэлектродной емкости многослойную

изоляцию выполняют так, чтобы слои меньшего радиуса име­

ли большую диэлектрическую проницаемость. Это позволяет

добиться приблизительно равномерного распределения по­

тенциала между электродами. Существуют и другие способы

уменьшения межэлектродной емкости. Здесь на них останав­ ливаться не будем. О них говорят при изучении специальных

дисциплин.

§ 17. Применение экранированных кабелей

Для защиты кабелей от действия электромагнитных волн широко применяется их экранирование. Этот способ защиты в равной степени эффективен и от действия электромагнит-

54

ного импульса. Сущность его сводится к применению метал­

лических экранов, которые ослабляют электромагнитное поле созданным ими же полем в толще экрана. Эффективность

экранирования зависит от толщины, удельного сопротивления и магнитной проницаемости материала, из которого выпол­ нен экран, а также от частоты электромагнитного поля. Это видно из выражения, при помощи которого определяется глу­

бина проникновения электромагнитного поля в толщу экра­

напряженности поля в защищенной экраном области:

4=⅝. («)

где Eo ■— напряженность первоначального электрического по­ ля; Eη — напряженность электрического поля в защищённой

экраном области.

Величина, обратная эффективности экранирования, носит

Таким образом, для определения коэффициента экраниро­

вания необходимо рассчитать электромагнитное поле во вну­ тренней полости экрана и во внешней его области. Расчет

этих полей дается в специальных курсах для однородно и си­

нусоидально изменяющегося во времени магнитного поля.

При этом необходимо указывать на особенности расчета им­

пульсных электромагнитных полей. Практическое экраниро­

вание может осуществляться как по жиле, так и по изоляции жилы. Поверх кабеля может накладываться броня, которая

служит не только защитным покровом, но и экраном.

Экранирование по жиле и по изоляции жилы чаще всего

выполняется из двух-трех полупроводящих бумаг и в виде Металлического экрана (рис. 18). Полупроводящая бумага

экранирует от электромагнитных колебаний [6] с частотами,

55

измеряемыми в мегагерцах. Металлический экран обеспечи­

вает защиту от электромагнитных колебаний с меньшими ча­ стотами. Он может изготавливаться из ферромагнитных ма­

териалов толщиной в десятые доли миллиметра. Полупро­

водящая бумага имеет нанесен­ ный тонкий слой медного или

серебряного покрытия. Что касается

бронепокровов, то последние могут

выполняться в виде двух стальных

лент при отсутствии значительных

растягивающих условий [6] и в виде

напряжения, возникающая в жилах кабеля приближенно

определяется из соотношения:

а между жилами двухэлектродного кабеля, вследствие емко­

стной асимметрии, будет ориентировочно равна:

(46)

§18. Применение грозозащитных средств

Ксредствам грозозащиты относятся:

—стержневые или тросовые молниеотводы;

—трубчатые и вентильные разрядники;

—защитная емкость; ,

—реакторы.

Эти средства могут быть использованы для защиты элек­ трических линий и электротехнического и радиоэлектронного

оборудования, подключенного к линиям, так как перенапря­

жения при воздействии электромагнитного импульса носят такой же характер, как и при грозовых разрядах и имеют форму кратковременных всплесков.

56

Стержневые и тросовые молниеотводы применяются для защиты распределительных устройств и линий передачи. Рас­

стояние молниеотводов от объекта зависит от импульсного

сопротивления заземления молниеотвода.

Разрядники являются основным средством защиты от пе­

ренапряжений. Они определяют максимально-допустимое для

изоляции импульсное напряжение. Разрядники делятся на

трубчатые и вентильные. Трубчатый разрядник состоит из га­ сительной трубки, изготовленной из фибры или винипласта,

внутри которой находятся электроды. Один из них стержне­ вой, второй — кольцевой. Между ними в момент перенапря­ жения происходит пробой разрядного промежутка и гашение дуги сопровождающего тока. Трубчатые разрядники приме­ няются для защиты отдельных точек линии с ослабленной изоляцией, в которых может возникать дуга короткого замы­

кания. Сущность этой защиты сводится к гашению дуги ко­

роткого замыкания и предупреждению отключения линии. Вентильные разрядники состоят из колонки искровых про­

межутков обычных или с магнитным гашением дуги. Магнит­ ное поле в искровом промежутке создается катушками маг­

нитного дутья, присоединенными последовательно с искровы­

ми промежутками [11]. Вентильные разрядники применяются

для защиты подстанций и электрических машин, работающих

непосредственно на воздушные линии (не через трансформа­ торы) .

поддержания напряжения на шинах распределительного уст­ ройства при коротком замыкании в сети. На рис. 19 показа­

ны основные схемы защиты электрических машин от перена­

пряжений. На рисунке показаны кабельные вставки. Их обо­

лочки имеют защитные свойства от электромагнитного им­

пульса.

На судах правилами регистра СССР предусматривается установка на каждой мачте молниеотводного устройства. Молниеотвод изготавливается из металлического стержня Диаметром 12 мм и длиной не менее 300 мм. Отводящий про­

вод от молниеотвода прокладывается по наружной стороне Мачты и надстроек к месту заземления. На судах с непрово­

57

дящим корпусом заземления крепится ниже ватерлинии и изготовляется из медного листа толщиной 2—5 мм и площадью

около 0,2 м2. Если судно находится в доке, то молниеотвод-

ные провода присоединяются

к заземленному устройству

дока.

В результате воздействия

электромагнитного импульса в

приемных антеннах радио­

приемных устройств могут

ствие магнитостатического экрана основано на замыкании магнитного поля в толще экрана, выполненного из материала с большой магнитной проницаемостью. Действие электроста­

тического экрана основано на отведении в землю электриче­

ских зарядов, образующихся на поверхности экрана, выпол­

ненного с большой электропроводностью. Основным из трех видов экранирования является электромагнитное экранирова­

ние. Сущность его, как указывалось выше, состоит в том, что

электромагнитное поле, возникающее при ядерном взрыве,

ослабляется электромагнитным полем противоположного на­

правления, которое создается вихревыми токами, образующи­ мися в экране. Чем больше электропроводность материала, из которого сделан экран, тем меньше потерь в экране на на­

гревание вихревыми токами, тем сильнее создаваемое элек­

тромагнитное поле противоположного направления и лучше

экранирование.! Экраны могут выполняться сплошными или

58

сетчатыми. Сплошные экраны выполняются (с целью эконо­ мии цветных металлов) из стали, а сетчатые — из медной или

стальной сетки. Стальная сетка покрывается антикоррозий­

ным токопроводящим слоем.

При экранировании электротехнического и радиоэлектрон­

ного оборудования может применяться поблочное или общее экранирование. Общее экранирование выполняется в виде экранированных камер или целых помещений. Когда невоз­

можно осуществить общее экранирование или нет в этом не­ обходимости, производится поблочное экранирование. Толщи­

на материала, диаметр проволоки и размеры ячеек сетки за­

висят от эффективности экранирования. Для экранирования

возникающих при наземном ядерном взрыве, на предельных расстояниях расположения наземных объектов народного хозяйства

Исходными данными для определения параметров на пре­ дельных расстояниях являются следующие:

1. При слабых и средних разрушениях объект народного

хозяйства, восстанавливается [16], при этом электротехниче­

ское и радиоэлектронное оборудование должно функциониро­

вать, а в случае повреждения должно быть ремонтно-пригод­

ным (восстанавливаемым).

2. Предельными значениями [16] избыточных давлений во фронте ударной волны, при которых наземные объекты еще могут быть восстановлены, являются:

—для промышленных зданий . . . 30—50 кПа,

—для автомобилей.................................. 25—30 кПа,

—для гражданских самолетов . .10—15 кПа.

Меньшее число показывает избыточное давление, при ко­

тором оборудование еще должно функционировать, боль­

шее — когда восстанавливаться.

3.Против наземных объектов могут быть применены ра­

кеты с кассетными зарядами [4].

4.Наиболее вероятным видом взрыва является назем­

ный [3].

59

5. Основным поражающим фактором, возникающим при

функционировать. На этих расстояниях определяются осталь­

ные поражающие факторы.

Рекомендуется следующая последовательность определе­

ния параметров поражающих факторов:

1. По величине предельного избыточного давления и мощ­

ности взрыва по формуле (2) определяется предельное рас­

стояние Rnp (это расстояние, на котором объект еще может

быть восстановлен). Также определяется расстояние Rφ.

2. По формуле (7) определяется продолжительность дей­

ствия избыточного давления на расстояниях Rnp и /?ф, а за­

тем импульсы давления, величины скоростного напора и дав­ ления отражения ударной волны (формулы 1, 5, 8).

3.Находятся тепловой и световой импульсы и повышение температуры для тех элементов оборудования, которые под­ вержены прямому воздействию светового излучения, при этом следует пользоваться формулами (23, 24, 25, 26).

4.Параметры проникающей радиации определяются на

тех предельных расстояниях, для которых она представляет опасность. Обычно на предельных расстояниях нахождения

наземных объектов проникающая радиация опасности не представляет (формулы 27, 28, 29).

5.Далее определяются параметры электромагнитного им­

пульса и величины э.д.с., которые могут возникнуть в провод­ никах (формулы 37, 38).

6.Производится сравнение найденных параметров с нор­

мативными данными ударостойкости, теплостойкости и элек­ тропрочности и намечаются инженерные мероприятия, повы­

шающие устойчивость электротехнического и радиоэлектрон­

ного оборудования.

По данной методике найдены параметры поражающих

факторов для ядерных взрывов в 200 кт и в 1 Мт и сведены в табл. 19. Из таблицы видно, что большие величины импуль­ сов давления на предельных расстояниях характерны для

ядерных взрцівов с большей мощностью. Поэтому требования к ударостойкости оборудования предъявляются, исходя из большей мощности взрыва.

60