Гизатуллин монография 1

Рис. 4.13. Эффективность экранирования исследуемых корпусов:

а – типичный корпус; б – модернизированный корпус; точка наблюдения в центре корпуса

Рис. 4.14. Электромагнитные помехи в межсоединении МПП:

а – типичный корпус; б – модернизированный корпус

Вариант 2 [298]. Рассмотрим электромагнитные помехи в межсоединении МПП при воздействии ЭСР (точка А, рис. 4.11) для рассмотренного типичного корпуса и модернизированного корпуса СВТ. Ток ЭСР соответствует ГОСТ 51317.4.2.-99. Максимальное напряжение ЭСР 2 кВ.

Как видим из примера (рис. 4.15 и 4.16), напряженность электрического поля на низшей резонансной частоте модернизированного корпуса СВТ при воздействии ЭСР существенно снижается. Как следствие, прогнозируемая электромагнитная помеха в межсоединении МПП внутри модернизированного корпуса СВТ при воздействии ЭСР существенно снижается по длительности (до 5 раз).

191

Рис. 4.15. Напряженность электрического поля в центре корпуса по оси Z

при воздействии ЭСР: а – для типичного корпуса; б – модернизированного корпуса

Рис. 4.16. Электромагнитные помехи в межсоединении МПП при воздействии ЭСР:

а – типичный корпус; б – модернизированный корпус

Вариант 3. Рассмотрим электромагнитные помехи в межсоединении МПП при воздействии ЭМИ высотного ЯВ для рассмотренного типичного корпуса и модернизированного корпуса (рис. 4.11). Данный ЭМИ представляется в виде плоской электромагнитной волны со стороны конструктивных отверстий корпуса

СВТ. Поляризация по оси Z

Рис. 4.17. Форма ЭМИ высотного ЯВ (нормированный) (рис. 4.17).

192

Рис. 4.18. Напряженность электрического поля в центре корпуса по оси Z при воздействии ЭМИ высотного ЯВ: а – типичный корпус; б – модернизированный корпус

Рис. 4.19. Электромагнитные помехи в межсоединении МПП:

а – типичный корпус; б – модернизированный корпус

Как видим из примера, напряженность электрического поля высотного ЯВ на низшей резонансной частоте модернизированного корпуса СВТ существенно снижается (рис. 4.18). Как следствие, прогнозируемая электромагнитная помеха в межсоединении МПП внутри модернизированного корпуса СВТ при воздействии ЭМИ высотного ЯВ существенно снижается по длительности (до 3 раз) и амплитуде (1,5 раза) (рис. 4.19).

4.3. Оптимизация системы молниезащиты здания

В данном разделе монографии предложена новая методика для повышения помехоустойчивости СВТ внутри зданий в услови-

193

ях внешних широкополосных электромагнитных воздействий, в частности разряда молнии, путем оптимизации системы молниезащиты здания. Предложена следующая формулировка задачи оптимизации [299, 300] – максимизировать площадь областей ЭМС (Sα) в исследуемой плоскости S, где максимальная напряженность магнитного поля меньше допустимой:

женность магнитного поля внутри здания при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты здания, состоящая из горизонтальных колец gi(x, yi, z) и вертикальных токоотводов vj(x, yi, z). Напряженность магнитного поля вычисляется путем имитационного моделирования в программе трехмерного электромагнитного анализа или рассчитывается с применением методики масштабного физического эксперимента, которая предложена в разделе 3.4 данной монографии. Hдоп выбирается в соответствии с ГОСТ Р 50649-94 (МЭК1000-4-9-93) «Устойчивость к импульсному магнитному полю» [210], где СВТ должны удовлетворять определенным требованиям. Например, степень жесткости испытаний 3 устанавливает напряженность магнитного поля до 100 А/м. Это электромагнитная обстановка характеризующейся близостью заземленных проводников систем молниеотводов и металлических конструкций. Примерами указанной электромагнитной обстановки могут служить здания, коммерческие зоны, центры управления предприятий промышленности при наличии систем молниеотводов или расположенных поблизости металлических конструкций.

194

В данной работе, в качестве примера, рассматривается типичная система молниезащиты здания, представляющая собой вертикальные токоотводы и горизонтальные кольца (рис. 4.20) [207, 301].

Рис. 4.20. Система молниезащиты зданий (вариант 2)

Параметры системы молниезащиты здания: длина а = 12 м; ширина б = 12 м; высота с = 13,5 м (4 этажа); h = 5 м; диаметр проводников d = 10 мм; удельное сопротивление земли 200 Ом/м.

Варианты конфигурации молниезащиты здания приведены в табл. 4.1 (1 – координаты горизонтального кольца (x, –6, z); 1* – координаты горизонтального кольца (x, –9, z); 2 – координаты (x, –3, z)

и (x, –9, z); 3 – координаты (x, –3, z), (x, –6, z), (x, –9, z)).

В качестве инструмента, для расчетов излучаемых магнитных полей внутри здания при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты здания, используется программа трехмерного электромагнитного моделирования. В работе рассматривается разрядный ток молнии с параметрами (фронт/полуспад): 0,25/25 мкс. В исследуемой плоскости S рассматривается 1/4 часть плоскости, в силу симметричности задачи, где расположены 144 точки измерения магнитного поля (сетка 12/12). Ниже приведены примеры расчетов излучаемых магнитных полей внутри здания при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты здания, направ-

195

ленные на нахождение оптимальной конфигурации системы молниезащиты здания по установленному критерию (рис. 4.21 и 4.22)

Результаты сравнения напряженности магнитного поля внутри здания, при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты здания, с допустимым значением (100 А/м) сведены в табл. 4.2. Наилучшее значение эффективности системы молниезащиты здания получили варианты № 11 и № 14. Данные варианты характеризуются наличием 16 вертикальных токоотводов и отсутствием или наличием 2 горизонтальных колец в системе молниезащиты здания. Наихудший вариант имеет показатель

196

меньше на 27,8 %. При этом варианты системы молниезащиты здания с 16 токоотводами в целом на 10 – 15 % лучше результатов с вариантами 8 вертикальных токоотводов и до 25 % вариантов с 4 вертикальными токоотводами, но на практике не всегда имеется возможность реализации системы молниезащиты с 16 токоотводами. Для случая с 4 токоотводами наилучшим вариантом является № 1 (лучше наихудшего варианта на 9 %). Для случая с 8 токоотводами наилучшим вариантом является № 6 или № 10 (лучше наихудшего варианта на 2,7 %).

Таблица 4.2

Эффективность системы молниезащиты здания

4.4. Генератор широкополосных электромагнитных воздействий

В данном разделе работы, с целью повышения эффективности экспериментальных исследований помехоустойчивости СВТ, предложен генератор высоковольтных импульсов с повышенной нагрузочной способностью и безопасностью использования [302, 303].

197

Генератор на выходе формирует высоковольтные ЭМИ, с длительность переднего фронта в несколько наносекунд, что позволяет его использовать для имитации источников широкополосных электромагнитных воздействий наносекундного диапазона. Например, данный генератор может быть использован для реализации экспериментального стенда приближенной имитации воздействия ЭМИ высотного ЯВ или СЭТ на СВТ.

В качестве прототипа разработанного генератора выбран генератор высоковольтных импульсов представленный в [304]. Данное устройство содержит источник постоянного высоковольтного напряжения, потенциальный и общий выводы которого соединены соответственно с выводом питания и общим выводом цепочки последовательно соединенных транзисторов имеющих режим «лавинного» пробоя, выход цепочки последовательно соединенных транзисторов является выходом генератора, управляющий вывод цепочки последовательно соединенных транзисторов соединен с выходом управляющего генератора. Представленная схема генератора также представляет собой генератор тока, который имеет низкую нагрузочную способность. Нагрузочная способность генератора повышается, если использовать схему генератора напряжения. Также, прототип содержит источник высоковольтного постоянного напряжения, который представляет повышенную опасность для здоровья пользователей данного устройства при его эксплуатации. Опасность для здоровья пользователей при эксплуатации можно снизить, применив источник высоковольтного импульсного напряжения.

С целью повышения нагрузочной способности и безопасности использования рассмотренных генераторов, в рамках данной работы, разработан новый генератор, в котором параллельно основной цепочки последовательно соединенных транзисторов имеющих режим «лавинного» пробоя, введены дополнительные n ³ 1 цепочек последовательно соединенных транзисторов, где n – нату-

198

ральный ряд чисел от 1 до ∞, и источник высоковольтного напряжения выполнен импульсным.

На рис. 4.23 приведена структурная схема нового генератора высоковольтных импульсов.

Рис. 4.23. Структурная схема генератора высоковольтных импульсов

Генератор высоковольтных импульсов (рис. 4.23) содержит источник высоковольтного напряжения 1 который выполнен импульсным, потенциальный и общий выводы источника высоковольтного напряжения 1 соединены соответственно с выводом питания и общим выводом основной 2 и дополнительных n ³ 1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3n имеющих режим «лавинного» пробоя, где n – натуральный ряд чисел от 1 до ∞, все одноименные выводы дополнительных n ³ 1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3n соединены параллельно между собой и параллельно основной цепочки последовательно соединенных транзисторов 2, выход основной цепочки последовательно соединенных транзисторов 2 и дополнительных n ³ 1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3n является выходом генератора, вход управляющего генератора 4 соединен с управляющим выводом источника высоковольтного напряжения 1, выход управляющего генератора 4 соединен с управляющим выводом основной 2 и дополнительных n ³ 1 цепочек последовательно

199

соединенных транзисторов 3n. Внутренняя структура дополнительных n ³ 1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3n аналогична основной цепочки последовательно соединенных транзисторов 2. Значение n может равняться двум.

На рис. 4.24 приведен график напряжения Uп на потенциальным выводе источника высоковольтного напряжения, где если напряжение Uп > Uлп (Uлп – суммарное напряжение «лавинного» пробоя одной цепочки последовательно соединенных транзисторов) в момент времени tп происходит «лавинный» пробой основной и дополнительных n ³ 1 цепочек последовательно соединенных транзисторов.

На рис. 4.25 приведен график напряжения на выходе генератора высоковольтных импульсов. Длительность фронта высоковольтных импульсов τфр = 2 – 5 нс. Управляющий генератор представляет собой двухкаскадный ждущий мультивибратор.

Источник высоковольтного напряжения (рис. 4.26) содержит источник постоянного низковольтного напряжения 5, ключ 6 с двумя положениями переключения, конденсатор 7, трансформатор 8 с магнитомягким сердечником первичная обмотка которого содержит количество витков W1, а вторичная обмотка количество витков W2 (W2 >> W1), цепочку последовательно соединенных диодов 9 (не менее десяти диодов).

200