125 Кібербезпека / 4 Курс / 4.1_Системи технічного захисту інформації / Лекції СТЗІ

Таблиця 2.2

Гранично досяжні величини загасання електромагнітних хвиль для різних типів екрануючих приміщень

Необхідно пам'ятати, що екранування ТСПИ і сполучних ліній ефективно тільки при правильному їх заземленні. Тому однією з найважливіших умов по захисту ТСПИ є правильне заземлення цих пристроїв.

Нині існують різні типи заземлень. Найчастіше використовуються одноточечні, багатоточкові і комбіновані (гібридні) схеми. На мал. 2.2 представлена одноточечна послідовна схема заземлення.

Ця схема найбільш проста. Проте їй властивий недолік, пов'язаний з протіканням зворотних струмів різних ланцюгів по загальній ділянці заземляючого ланцюга. Внаслідок цього можлива поява небезпечного сигналу в сторонніх ланцюгах.

У одноточечній паралельній схемі заземлення (мал. 2.3) цього недоліку немає. Проте така схема вимагає великого числа протяжних заземляючих провідників, через що може виникнути проблема із забезпеченням малого опору заземлення ділянок ланцюга. Крім того, між заземляючими провідниками можуть виникати небажані зв'язки, які створюють декілька шляхів заземлення для кожного пристрою.

В результаті в системі заземлення можуть виникнути зрівняльні струми і з'явитися різниця потенціалів між різними пристроями.

Багатоточкова схема заземлення (мал. 2.4) практично вільна від недоліків, властивих одноточечній схемі. В цьому випадку окремі пристрої і ділянки корпусу індивідуально заземлені. При проектуванні і реалізації багатоточкової системи заземлення необхідно вживати спеціальні заходи для виключення замкнутих контурів.

Як правило, одноточечне заземлення застосовується на низьких частотах при невеликих розмірах пристроїв, що заземляються, і відстанях між ними менше 0,5∙λ. На високих частотах при великих розмірах пристроїв, що заземляються, і значних відстанях між ними використовується багатоточкова система заземлення. У проміжних випадках ефективна комбінована (гібридна) система заземлення, що є різними поєднаннями одноточечної, багатоточкової і плаваючої заземляючих систем.

Заземлення технічних засобів систем інформатизації і зв'язку має бути виконане відповідно до певних правил. Основні вимоги, що пред'являються до системи заземлення, полягають в наступному:

-система заземлення повинна включати загальний заземлитель, що заземляє кабель, шини і дроти, що сполучають заземлитель з об'єктом;

-опору заземляючих провідників, а також земляних шин мають бути мінімальними;

-кожен елемент, що заземляється, має бути приєднаний до заземлителю або до заземляючої магістралі за допомогою окремого відгалуження. Послідовне включення в заземляючий провідник декількох елементів, що заземляються, забороняється;

-в системі заземлення мають бути відсутніми замкнуті контури, утворені з'єднаннями або небажаними зв'язками між сигнальними ланцюгами і корпусами пристроїв, між корпусами пристроїв і землею;

-слід уникати використання загальних провідників в системах екрануючих заземлень, захисних заземлень і сигнальних ланцюгів;

-якість електричних з'єднань в системі заземлення повинна забезпечувати мінімальний опір контакту, надійність і механічну міцність контакту в умовах кліматичних дій і вібрації;

-контактні з'єднання повинні унеможливлювати утворення оксидних плівок на контактуючих поверхнях і пов'язаних з цими плівками нелінійних явищ;

-контактні з'єднання повинні унеможливлювати утворення гальванічних пар для відвертання корозії в ланцюгах заземлення;

-забороняється використати в якості заземляючого пристрою нульові фази електромереж, металоконструкції будівель, що мають з'єднання із землею, металеві оболонки підземних кабелів, металеві труби систем опалювання, водопостачання, каналізації і так далі

Опір заземлення визначається головним чином опором розтікання струму в землі. Величину цього опору можна значно знизити за рахунок зменшення перехідного опору між заземлителем і грунтом шляхом ретельного очищення перед укладанням поверхні заземлителя і трамбуванням навколо нього грунти, а також підсипає кухарської солі.

Таким чином, величина опору заземлення в основному визначатиметься опором грунту.

Питомий опір різних грунтів (тобто електричний опір 1 см3 грунту) залежить від вологості грунту, її складу, щільності, температури і тому подібне, і коливається в дуже широких межах (див. таблицю. 2.3).

Таблиця 2.3

Значення питомого опору різних грунтів

Грунти, що добре проводять, втрачають свої властивості за відсутності вологи. Для більшості грунтів 30одержания вологи вистачає для забезпечення малого опору. Наприклад, для суглинків питомий опір при вологості 5оставляет 165 000 Ом/см3, а при вологості

30 6 400 Ом/см3.

При промерзанні опір грунтів різко зростає. Наприклад, для суглинків питомий опір при вологості 15 температурі 20°Із складає 7 200 Ом/см3, при температурі 5°З - 79 000 Ом/см3, а при температурі 15°З - 330 000 Ом/см3.

Зрошування грунту навколо заземлителей 2 ... 5 процентним соляним розчином значно (у 5 ... 10 разів) знижує опір заземлення.

Врахувати усі чинники, що впливають на провідність грунту, аналітичним шляхом практично неможливо, тому при облаштуванні заземлення величину питомого опору грунту в тих місцях, де передбачається розміщення заземлення, визначають досвідченим шляхом.

Як правило, вимір опору заземлення проводиться двічі в рік (взимку і літом).

Якщо заземлитель складається з металевої пластини радіусу r, розташованої безпосередньо у поверхні землі, то опір заземлення Rз можна розрахувати по формулі

Rз = ρ/(4∙rп), Ом,

де: ρ - питомий опір грунту, Ом/см3; rп - радіус пластини, см

При збільшенні глибини закапування lз пластини опір заземлення зменшується і при lз значно більше r (lз >> r) величина Rз зменшується в два рази.

Досить часто застосовують заземляючий пристрій у вигляді вертикально вбитої труби. Опір заземлення в цьому випадку визначається формулою

Rз = [ρ/(2∙π∙l)] ∙ [ln (4∙l/rт) - 1], Ом,

де: l - довжина труби, см;

rт - радіус труби, см

З формули видно, що опір заземлення залежить більшою мірою не від радіусу труби, а від її довжини. Тому при облаштуванні заземлення доцільніше застосовувати тонкі і довгі труби (стержні з арматури).

У таблиці. 2.4 приведені експериментально отримані значення опору заземлення стержневого заземлителя (Ø 15,9 мм, l = 1,5 м) для різних грунтів.

В якості поодиноких стержневих заземлителей доцільно використати мідні заземляючі стержні, конструкції яких приведені на мал. 2.5.

Як видно з таблиці. 2.4, опір простих поодиноких заземлителей виявляється досить великим. Тому такі заземлители знаходять застосування при невисоких вимогах до заземляючих пристроїв або при грунтах з дуже великою провідністю.

Таблиця 2.4

Значень опору заземлення стержневого заземлителя (Ø 15,9 мм, l = 1,5 м) для різних грунтів

При підвищених вимогах до величини опору заземлення (опір заземлення ТСПИ не повинен перевищувати 4 Ом) застосовують багатократне заземлення, що складається з ряду поодиноких симетрично розташованих заземлителей, сполучених між собою.

На практиці найчастіше в якості заземлителей застосовують:

-стержні з металу, що мають високу електропровідність, занурені в землю і сполучені з наземними металоконструкціями засобів ТСПИ;

-сіткові заземлители, виготовлені з елементів з високою електропровідністю і занурені в землю

(служать в якості доповнення до заземляючих стержнів).

На мал. 2.6. приведена схема комбінованого заземлення із стержнів і сітки.

При необхідності облаштування високочастотного заземлення треба враховувати не лише геометричні розміри заземлителей, їх конструкцію і властивості грунту, але і довжину хвилі високочастотного випромінювання. Сумарний високочастотний опір заземлення Zsскладається з високочастотного опору магістралі заземлення Zм (дроту, що йде від пристрою, що заземляється, до поверхні землі) і з високочастотного опору самого заземлителя Zs (дроту, металевого стержня або листа, що знаходиться в землі).

Величина заземлення в основному визначається не опором заземлення, а опором заземляючої магістралі. Для зменшення останнього слід прагнути передусім до зменшення індуктивності заземляючої магістралі, що досягається за рахунок зменшення її довжини і виготовлення магістралі у вигляді стрічки, що має в порівнянні з дротом круглого перерізу меншу індуктивність.

У тих випадках, коли індуктивність заземляючої магістралі можна зробити дуже невеликою або використати її для отримання послідовного резонансу при блокуванні випромінюючих мереж захисними конденсаторами на землю (наприклад, при комплексному пригніченні випромінювання в приміщеннях), доцільно значно зменшити величину опору заземлителя Zs. Зменшити величину Zs можна також багатократним заземленням з симетрично розташованих заземлителей.

При цьому загальний опір заземлення буде тим менше, чим далі один від одного розташовані окремі заземлители.

При облаштуванні заземлення в якості заземлителей найчастіше застосовуються сталеві труби завдовжки 2 ... 3 м і діаметром 35 ... 50 мм і сталеві смуги перерізом 50 ... 100 мм.

Найбільш придатними є труби, землі, що дозволяють досягти глибоких і найбільш вологих шарів, що мають найбільшу провідність і не піддаються висиханню або промерзанню. Проте тут необхідно враховувати, що зі зменшенням опору грунту зростає корозія металу. Крім того, застосування таких заземлителей не пов'язане зі значними земляними роботами, що неминуче, наприклад, при виконанні

заземлення з металевих листів або металевих стрічок, що горизонтально закладаються в землю, і

дротів.

Заземлители слід сполучати між собою шинами за допомогою зварювання. Переріз шин і магістралей заземлення за умовами механічної міцності і отримання достатньої провідності рекомендується брати не менше (24х4) мм2.

Провідник, що сполучає заземлитель з контуром заземлення, має бути лудженим для зменшення гальванічної корозії, а з'єднання мають бути захищені від дії вологи.

Магістралі заземлення поза будівлею необхідно прокладати на глибині близько 1,5 м, а усередині будівлі - по стіні або спеціальним каналам так, щоб їх можна було зовні оглядати. Сполучають магістралі із заземлителем тільки за допомогою зварювання. До облаштування ТСПИ, що заземляється, магістраль підключають за допомогою болтового з'єднання в одній точці.

Для зменшення опорів контактів найкращим являється постійне безпосереднє з'єднання металу з металом, отримане зварюванням або пайкою. При з'єднанні під гвинт необхідно застосовувати шайби (зірочки або Гровера), що забезпечують постійність щільності з'єднання.

При зіткненні двох металів у присутності вологи виникає гальванічна і (чи) електрична корозія. Гальванічна корозія є наслідком утворення гальванічного елементу, в якому волога є електролітом. Міра корозії визначається положенням цих металів в електричному ряду.

Електрична корозія може виникнути при зіткненні в електроліті двох однакових металів. Вона визначається наявністю локальних електрострумів в металі, наприклад, струмів в заземленнях силових ланцюгів.

Найбільш ефективним методом захисту від корозії є застосування металів з малою електрохімічною активністю, таких, як олово, свинець, мідь. Значно зменшити корозію і забезпечити хороший контакт можна, ретельно ізолюючи з'єднання від проникнення вологи.

Одним з методів локалізації небезпечних сигналів, циркулюючих в технічних засобах і системах обробки інформації, являється фільтрація. У джерелах електромагнітних полів і наведень фільтрація здійснюється з метою відвертання поширення небажаних електромагнітних коливань за межі пристрою - джерела небезпечного сигналу. Фільтрація в пристроях - рецепторах електромагнітних полів і наведень повинна виключити їх дію на рецептор.

Для фільтрації сигналів в ланцюгах живлення ТСПИ використовуються розділові трансформатори і перешкодоподавляючі фільтри.

Розділові трансформатори. Такі трансформатори повинні забезпечувати розв'язку первинною і вторинною ланцюгів по сигналах наведення. Це означає, що у вторинний ланцюг трансформатора не повинні проникати наведення, що з'являються в ланцюзі первинної обмотки. Проникнення наведень у вторинну обмотку пояснюється наявністю небажаних резистивних і ємнісних ланцюгів зв'язку між обмотками.

Для зменшення зв'язку обмоток по сигналах наведень часто застосовується внутрішній екран, що виконується у вигляді заземленого прокладення або фольги, що укладається між первинною і вторинною обмотками. За допомогою цього екрану наведення, що діє в первинній обмотці, замикається на землю. Проте електростатичне поле навколо екрану також може служити причиною проникнення наведень у вторинний ланцюг.

Розділові трансформатори використовуються з метою рішення ряду завдань, у тому числі для:

-розділення по ланцюгах живлення джерел і рецепторів наведення, якщо вони підключаються до одних і тих же шин змінного струму;

-усунення асиметричних наведень;

-послаблення симетричних наведень в ланцюзі вторинної обмотки, обумовлених наявністю асиметричних наведень в ланцюзі первинної обмотки.

Засоби розв'язки і екранування, вживані в розділових трансформаторах, забезпечують максимальне значення опору між обмотками і створюють для наведень шлях з малим опором з первинної обмотки на землю. Це досягається забезпеченням високого опору ізоляції відповідних елементів конструкції (~104 МОм) і незначної місткості між обмотками. Вказані особливості трансформаторів для ланцюгів живлення забезпечують більш високу міру пригнічення наведень, чим звичайні трансформатори.

Розділовий трансформатор із спеціальними засобами екранування і розв'язки забезпечує послаблення інформаційного сигналу наведення в навантаженні на 126 дБ при місткості між обмотками 0,005 пФ і на 140 дБ при місткості між обмотками 0,001 пФ.

Засоби екранування, вживані в розділових трансформаторах, повинні не лише усувати вплив асиметричних наведень на пристрій, що захищається, але і не допустити на виході трансформатора симетричних наведень, обумовлених асиметричними наведеннями на його вході. Застосовуючи в розділових трансформаторах спеціальні засоби екранування, можна істотно (більш ніж на 40 дБ) зменшити рівень таких наведень.

Перешкодоподавляючі фільтри. Нині існує велика кількість різних типів фільтрів, що забезпечують послаблення небажаних сигналів в різних ділянках частотного діапазону. Це фільтри нижніх і верхніх частот, смугові і загороджуючі фільтри і так далі. Основне призначення фільтрів - пропускати без значного послаблення сигнали з частотами, що лежать в робочій смузі частот, і пригнічувати (послабляти) сигнали з частотами, що лежать за межами цієї смуги.

Для виключення просочування інформаційних сигналів в ланцюзі електроживлення використовуються фільтри нижніх частот.

Фільтр нижніх частот (ФНЧ) пропускає сигнали з частотами нижче граничної частоти (f ≤ fгр) і

пригнічує - з частотами вище за граничну частоту.

Послідовна гілка ФНЧ повинна мати малий опір для постійного струму і нижніх частот. В той же час для того, щоб вищі частоти затримувалися фільтром, послідовний опір повинен рости з частотою. Цим вимогам задовольняє індуктивність L.

Паралельна гілка ФНЧ, навпаки, повинна мати малу провідність для низьких частот з тим, щоб струми цих частот не шунтувалися паралельним плечем. Для високих частот паралельна гілка повинна мати велику провідність, тоді коливання цих частот нею шунтуватимуться, і їх струм на виході фільтру ослаблятиметься. Таким вимогам відповідає місткість C.

Складніші багатоланкові ФНЧ (Чебышева, Баттерворта, Бесселя і так далі) конструюють на основі поєднань різних одиничних ланок.

Кількісно величина послаблення (фільтрації) небажаних (у тому числі і небезпечних) сигналів захисним фільтром оцінюється відповідно до вираження:

де: U1 (P1) - напруга (потужність) небезпечного сигналу на вході фільтру;

U2 (P2) - напруга (потужність) небезпечного сигналу на виході фільтру при включеному навантаженні

Zн.

Основні вимоги, що пред'являються до захисних фільтрів, полягають в наступному:

-величини робочої напруги і струму фільтру повинні відповідати напрузі і струму фільтрованого ланцюга;

-величина послаблення небажаних сигналів в діапазоні робочих частот має бути не менш потрібною;

-послаблення корисного сигналу в смузі прозорості фільтру має бути незначним;

-габарити і маса фільтрів мають бути мінімальними;

-фільтри повинні забезпечувати функціонування за певних умов експлуатації (температура, вологість, тиск) і механічних навантажень (удари, вібрація і так далі);

-конструкції фільтрів повинні відповідати вимогам техніки безпеки.

До фільтрів ланцюгів живлення разом із загальними пред'являються наступні додаткові вимоги:

-загасання, що вноситься такими фільтрами в ланцюзі постійного струму або змінного струму основної частоти, має бути мінімальним (наприклад, 0,2 дБ і менш) і мати велике значення (більше 60 дБ) в смузі пригнічення, яка залежно від конкретних умов може бути досить широкою (до 10 ГГц);

-мережеві фільтри повинні ефективно працювати при сильних струмах, що проходять, високій напрузі і високих рівнях потужності електромагнітних коливань, що проходять і затримуваних;

-обмеження, що накладаються на допустимі рівні нелінійних спотворень форми напруги живлення при максимальному навантаженні, мають бути досить жорсткими (наприклад, рівні гармонійних складових напруги живлення з частотами вище 10 кГц мають бути на 80 дБ нижче рівня основної гармоніки).

Розглянемо вплив цих параметрів детальніше.

Напруга, прикладена до фільтру, має бути таким, щоб воно не викликало пробою конденсаторів фільтру при різних скачках живлячої напруги, включаючи скачки, обумовлені перехідними процесами в ланцюгах живлення. Щоб при заданих масі і об'ємі фільтр забезпечував найкраще пригнічення наведень в необхідному діапазоні частот, його конденсатори повинні мати максимальну місткість на одиницю об'єму або маси.

Крім того, номінальне значення робочої напруги конденсаторів вибирають виходячи з максимальних значень стрибків напруги ланцюга живлення, що допускаються, але не більше їх.

Струм через фільтр має бути таким, щоб не виникало насичення сердечників котушок фільтру. Крім того, слід враховувати, що зі збільшенням струму через котушку збільшується реактивне падіння напруги на ній. Це може привести до того, що:

погіршується еквівалентний коефіцієнт стабілізації напруги в ланцюзі живлення, що містить фільтр;

виникає взаємозалежність перехідних процесів в різних навантаженнях ланцюга живлення.

Найбільші скачки напруги при цьому виникають під час відключення навантажень, оскільки більшість з них має індуктивний характер.

Характеристики фільтрів залежать від числа використаних реактивних елементів. Так, наприклад, фільтр з одного паралельного конденсатора або однієї послідовної індуктивної котушки може забезпечити загасання лише 20 дБ/декада поза смугою пропускання, а LCфільтр з десяти або більше за елементи - більше 200 дБ/декада.

Із-за паразитного зв'язку між входом і виходом фільтру на практиці важко отримати загасання більше 100 дБ. Якщо фільтр неекранований і сигнал подається на нього і знімається за допомогою неекранованих з'єднань (дротів), то розв'язка між входом і виходом зазвичай не перевищує 40 ... 60 дБ. Для забезпечення розв'язки більше 60 дБ необхідно використати екрановані фільтри з роз'ємами і використати для з'єднання екрановані дроти.

Фільтри із загасанням 100 дБ, що гарантується, виконують у вигляді вузла з електромагнітним екрануванням, який поміщається в корпус, виготовлений з матеріалу з високою магнітною проникністю магнітного екрану. Цим істотно зменшується можливість виникнення усередині корпусу паразитного зв'язку між входом і виходом фільтру із-за магнітних електричних або електромагнітних полів.

Із-за впливу паразитних місткостей і індуктивностей фільтр частенько не забезпечує необхідного загасання на частотах, що перевищують граничну частоту (fc) на дві декади, і повністю може втратити працездатність на частотах, що перевищують граничну частоту на декілька декад.

Частотний діапазон фільтрів типу ФП від 0,15 до 1000 Мгц. Орієнтовні значення максимального загасання для мережевих фільтрів, приведені в таблицю. 2.5.

Таблиця 2.5

Значення максимального загасання для мережевих фільтрів