Содержание к диссертации
Введение
Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования 10
Общая характеристика систем электросвязи как объектов, подверженных воздействию электромагнитных излучений 10
Характеристики параметров электромагнитных излучений ядер ных взрывов 19
Анализ существующих методов оценки поражающего действия ЭМИ на кабельные линии систем электросвязи 33
Средства защиты устройств и кабельных линий электросвязи от ЭМИ ядерных взрывов 39
Выводы по главе и постановка задач исследования 55
Разработка и совершенствование методов расчета воздействия наносекундных импульсных полей высотных ядерных взрывов на кабельные линии электросвязи 57
Физические основы взаимодействия импульсных полей с подзем ными кабельными линиями 57
Разработка математических моделей воздействия наносекундных ЭМИ на кабельные линии 69
Разработка упрощенных математических моделей 77
Математическая модель взаимодействия полей ЭМИ с системами кабельных линий 88
Электрофизические характеристики кабельных линий, проложен ных в грунте, при воздействии высокочастотных полей 95
Разработка методов решения и программ расчета токов и напря жений в кабельных линиях 103
Выводы по главе 108
Исследование поражающего действия эми высотных яв на кабельные линии систем электро связи
3.1. Оценка воздействия раннего, промежуточного и позднего ЭМИ высотного ЯВ на кабельные коммуникации 110
3.2. Исследование параметров токов и напряжений в кабельных линиях систем электросвязи и управления при воздействии сверхвы-сокочастотных-ЭМИ высотных 117
3.3 Исследование воздействия ЭМИ на кабельные линии и оборудование, расположенные в экранированных сооружениях 124
3.4 Экспериментальная проверка методов расчёта токов и напряжений, наводимых ЭМИ ВЯВ в цепях кабельных линий электросвязи 135
3.5. Анализ показателей стойкости оборудования и сетей электросвязи
к воздействию ЭМИ высотных ЯВ 145
Выводы по главе 153
4. Экспериментальные исследования и разработка требований к методам и средствам защиты устройств и кабельных линий электросвязи от поражающего действия эми высотных яв 156
4.1. Особенности поражающего воздействия наносекундных ЭМИ на различные элементы систем электросвязи 156
4.2. Экспериментальные исследования эффективности работы существующих и макетных образцов перспективных средств защиты ... 158
4.3. Экспериментальные исследование импульсной прочности изоляции оборудования систем и сетей электросвязи при воздействии наносекундных импульсных напряжений 184
4.4. Разработка требований к методам и средствам защиты от наводок на внешних кабельных линиях систем электросвязи от действием
ЭМИ высотных ЯВ 192
Выводы по главе 206
Заключение 209
Список использованной литературы
- Характеристики параметров электромагнитных излучений ядер ных взрывов
- Разработка математических моделей воздействия наносекундных ЭМИ на кабельные линии
- Исследование параметров токов и напряжений в кабельных линиях систем электросвязи и управления при воздействии сверхвы-сокочастотных-ЭМИ высотных
- Экспериментальные исследования эффективности работы существующих и макетных образцов перспективных средств защиты
Введение к работе
Опыт разработки и эксплуатации систем электросвязи показывает, что одной из наиболее сложных задач является обеспечение их устойчивой работы в условиях воздействия мощных электромагнитных помех естественного и искусственного происхождения (МЭМП). В отличие от радиопомех и шумов воздействие МЭМП на системы электросвязи может вызывать нарушение их функционирования в результате наведения во внешних и внутренних цепях больших значений импульсных напряжений и токов.
В связи с увеличением функциональной сложности современных систем электросвязи, повышением их быстродействия, широким применением в них высокочувствительных элементов вопросы обеспечения их стойкости к воздействию МЭМП становятся все более актуальными. Их своевременное решение позволяет реализовать технические требования при минимальных затратах на разработку, что соответствует современной стратегии режима экономии.
Реализация общих требований и основных мероприятий, направленных на повышение стойкости систем электросвязи к воздействий МЭМП, непосредственно связана с достоверной (экспериментальной, расчетной или экспериментально-расчетной) оценкой уровней наведенных в цепях электросвязи напряжений и токов, выделением на ее основе критических к воздействию МЭМП устройств, блоков, узлов, ячеек и элементов и определением оптимальных методов их эффективной защиты.
Основными источниками мощных электромагнитных помех естественного и искусственного происхождения являются: грозовые разряды; мощные радиопередающие средства и радиолокационные станции; высоковольтные линии электропередачи; контактная сеть железных дорог и т.д.
Вопросы защиты систем электросвязи и радиоэлектронного оборудования от естественных и искусственных непреднамереных излучений достаточно полно проработаны и освещены в литературе /2, 4, 14, 31, 34, 38, 40-43, 50, 57, 59, 62/.
В диссертационной работе рассмотрены вопросы оценки стойкости систем электросвязи к искусственным преднамеренным излучениям. В качестве наиболее мощных искусственных преднамеренных излучений, с точки зрения поражающего действия, являются электромагнитные излучения ядерных взрывов 1X1.
Несмотря на большой практический интерес вопросы повышения устойчивости и надежности функционирования систем электросвязи к воздействию электромагнитных излучений ядерных взрывов в комплексной постановке до настоящего времени не нашли должного отражения в технической литературе и носят разрозненный характер.
В настоящее время электромагнитные воздействия, в том числе электромагнитные импульсы ядерных взрывов (ЭМИ ЯВ), рассматриваются специалистами как самостоятельные и наиболее перспективные поражающие факторы для систем электросвязи /1, 2, 4, 8-Ю/. Особенностью ЭМИ, по сравнению с другими поражающими факторами ЯВ, является способность распространяться на большие расстояния и оказывать поражающее действие там, где такие факторы, как ударная волна, проникающая радиация и световое излучение теряют свое значение.
Проблеме исследования воздействия ЭМИ наземных и высотных ядерных взрывов на системы электросвязи, связи, управления и разработке мероприятий по защите посвящены работы ученых и специалистов различных отраслей промышленности: Н.В. Балюка, А.А. Любомудрова, А.К. Михайлова, Л.О. Мыровой, В.А. Сикарева, Э.Н. Фоминича, А.З. Чепиженко, В.Д. Попова, В.М. Кондратьева, А.А. Шведова, P.M. Остафийчука, В.М. Куприенко и многих других. В результате данных исследований получены значительные результаты в области исследования поражающего действия ЭМИ на электрооборудование и аппаратуру систем электросвязи: разработаны методы расчета; алгоритмы, программы и нормативные документы по оценке воздействия обычных ЭМИ на сооружения и их системы и выбору средств защиты.
Среди военных исследовательских программ США одно из приоритетных мест занимает ядерное оружие третьего поколения, представляющее собой заряды особой конструкции, позволяющей добиваться перераспределения энергии взрыва в пользу одного из поражающих факторов и создавать фокусировку поражающего действия в определенном направлении, значительно усиливая его. В настоящее время разработаны специальные ядерные боеприпасы, создающие мощные электромагнитные поля наносекундной длительности при напряженности поля до нескольких сотен киловольт на метр /8, 9, 54/.
В настоящее время военная доктрина НАТО предусматривает в качестве первого удара проведение серии высотных ядерных взрывов над территорией предполагаемого противника. В результате такого воздействия образуются мощные ЭМИ, распространяющиеся на сотни и тысячи километров, которые могут выводить из строя системы электросвязи, управления и связи как военных, так и гражданских объектов /54/.
Учитывая возможности возникновения локальных вооруженных конфликтов с ограниченным применением ядерного оружия, Международная Электротехническая Комиссия (МЭК) выступила с инициативой по разработке требований к защите важных для каждой страны систем связи, информационных сетей и линий электропередачи, обеспечивающих безопасное функционирование промышленности и управления страной. В настоящее время разработан комплекс стандартов МЭК 61000 IEC, в котором определены параметры электромагнитных полей высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ), заданы требования к защите электротехнических систем, рассморены методы и средства защиты /5-7, 63, 64/. Причем, необходимо отметить, что параметры полей ЭМИ высотного ЯВ, заданные МЭК, существенно отличаются от параметров, задаваемых предыдущими источниками.
В связи с этим проблема исследования поражающего действия наносекундных ЭМИ высотных ЯВ и разработка рекомендаций по защите приобрела новую остроту, так как исследований воздействия наносекундных ЭМИ на системы электросвязи до настоящего времени проводилось недостаточно. Это обстоятельство привело к необходимости разработки и усовершенствования расчетных методов оценки наводимых токов и напряжений в элементах систем связи и уточнения требований к средствам защиты.
Актуальность дальнейшей работы над рассматриваемой проблемой определяется: необходимостью строительства и совершенствования систем электросвязи, соответствующих по своему качеству новым требованиям, предъявляемым к надежности и живучести объектов связи при воздействии внешних факторов; слабой теоретической и экспериментальной изученностью воздействия наносекундных электромагнитных полей на кабельные коммуникации и стойкости устройств электросвязи к данному поражающему фактору; отсутствием в полном объеме технических средств защиты оборудования и кабельных сетей электросвязи от наносекундных ЭМИ и экспериментальных данных по эффективности применения существующих средств защиты. Целью работы является исследование воздействия электромагнитных импульсов высотного ядерного взрыва наносекунднои длительности на устройства и кабельные сети электросвязи и разработка научно-обоснованных требований к средствам их защиты.
Поставленные задачи решались автором в рамках научно-исследовательских работ: "Сеть-2", "Повесть -22", "Экран" и других тем.
Научная новизна работы заключается: в разработке и совершенствовании методов расчета воздействия наносекундных ЭМИ на кабельные линии; в исследовании поражающего действия наносекундных ЭМИ на системы электросвязи; в получении новых данных по устойчивости оборудования электросвязи к перенапряжениям наносекундной длительности и разработке научно-обоснованных требований к методам и средствам защиты; в результатах теоретических и экспериментальных исследованиях эффективности работы существующих и перспективных средств защиты в наносекундном временном диапазоне; в исследовании возможных путей дальнейшего совершенствования инженерных решений по защите устройств и кабельных сетей электросвязи от высокочастотных электромагнитных излучений.
Практическая значимость работы состоит: в разработке расчетных методик и прикладных программ по оценке поражающего действия наносекундных ЭМИ на элементы систем электросвязи; в результатах экспериментальных исследований импульсной прочности изоляционных материалов и эффективности средств защиты при воздействии наносекундных импульсных перенапряжений; в уточнении технических требований к специальным аппаратным средствам защиты сетей и устройств электросвязи от ЭМИ наносекундной длительности.
Основные теоретические положения и выводы, приведенные в диссертации, опубликованы в виде статей и сообщений на конференциях и в научных отчетах /14, 22-30, 49, 66-68/, реализованы в Ведомственном Своде Правил ВСП-36, при разработке мероприятий по защите технических средств ряда объектов электросвязи и связи и в технических заданиях на создание специальных устройств защиты от токов и напряжений, генерируемых наносекундными ЭМИ высотных ЯВ.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13 научно-технической конференции по защите сооружений от ЭМИ ЯВ (1999 г., г. Санкт- Петербург), на Шестой Российской научно-технической конференции по "Электромагнитной совместимости технических средств и биологических объектов" (2000 г., г. Санкт-Петербург), на международных научно-технических конференциях "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий" (1999 г. и 2000 г., г. Сочи).
На защиту выносятся:
1. Методика оценки воздействия наносекундных ЭМИ высотных ядерных взрывов на кабельные линии систем электросвязи и разработанный на ее основе комплекс прикладных программ.
2. Функциональные зависимости динамических характеристик существующих и перспективных средств защиты и импульсной электрической прочности основных видов изоляции в наносекундном временном диапазоне.
3. Технические требования и рекомендации по защите оборудования систем электросвязи от поражающего действия наносекундных ЭМИ.
Считаю своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук Мыровой Л.О. за руководство при работе над диссертацией и сыгравшей большую роль в формировании научного мировоззрения автора. Выражаю искреннюю благодарность коллективу Военного Инженерно-технического Университета за большую помощь в постановке и проведении экспериментальных исследований и разработке расчетных программ при выполнении НИР "Сеть-2" и "Повесть-22".
Характеристики параметров электромагнитных излучений ядер ных взрывов
Проблема стойкости систем и сетей телекоммуникаций к воздействию мощных электромагнитных полей тесно связана со знанием электромагнитной обстановки, создаваемой различными источниками электромагнитных излучений /62/.
В зависимости от вида и характера источников излучения мощные электромагнитные излучения подразделяются на два больших класса: излучения естественного и искусственного происхождения.
Излучения естественного происхождения не связаны с процессами жизнедеятельности человека (грозовые разряды). Излучения искусственного происхождения возникают в процессе человеческой деятельности.
Излучения искусственного происхождения, в свою, очередь, делятся на непреднамеренные (излучение электрооборудования и линий электропередачи, контактная сеть железных дорог, высоковольтные установки и т.д.) и преднамеренные.
Преднамеренные излучения создаются искусственно с целью ухудшения функционирования или вывода из строя различных радиоэлектронных средств. Вопросы защиты систем телекоммуникаций и радиоэлектронного оборудования от естественных и искусственных непреднамереных излучений достаточно полно проработаны и освещены в литературе /2, 4, 14, 31, 34, 38, 40-43,50,57,59,62/.
В настоящей работе рассмотрены вопросы оценки стойкости систем телекоммуникаций к искусственным преднамеренным излучениям. В качестве наиболее мощных искусственных преднамеренных излучений, с точки зрения поражающего действия, являются электромагнитные излучения ядерных взрывов.
Ядерные взрывы сопровождаются возникновением в окружающем пространстве мощных электромагнитных полей, объединенных общим термином -электромагнитный импульс ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ) /1,2, 3-7, 57/. Поля
ЭМИ вызывают в расположенных в зоне их влияния объектах техники и кабельных коммуникациях систем связи и управления сложный электромагнитный процесс, в результате которого данные объекты и техника могут быть выведены из строя.
Эффективность расчетной оценки поражающего действия ЭМИ ядерных взрывов определяется полнотой и достоверностью исходных данных по параметрам ЭМИ, задаваемых требованиями руководящих документов. Для всех типов ядерных взрывов определяющими параметрами ЭМИ являются: амплитудно-временные зависимости, характер изменения и ориентации векторов напряженностей электромагнитных полей в пространстве. Напряженности электрического Е и магнитного Н полей зависят от мощности взрыва q, расстояния от его эпицентра R, высоты взрыва Н и времени, а также параметров окружающей среды: проводимости а, абсолютной диэлектрической є и магнитной /л проницаемостей. Напряженности электрического и магнитного полей являются векторными величинами. Вектор напряженности электрического поля имеет произвольное направление, но у поверхности земли его раскладывают на вертикальную Ев и горизонтальную Ер составляющие. Вектор напряженности магнитного поля наземного ЯВ лежит в горизонтальной плоскости и перпендикулярен радиусу, проведенному из эпицентра взрыва /1/.
Параметры ЭМИ ЯВ определяются на основе последовательного применения комплекса методик, включающих в себя расчет пространственно-временных распределений плотности тока комптоновских электронов, проводимости воздуха и электромагнитных полей /1, 2, 57/. Исследование поражающего действия ЭМИ ЯВ производится на основании модели воздействия и исходных данных по характеристикам сооружений и его технологических систем.
В связи с постоянным совершенствованием математических моделей и методов расчета параметры ЭМИ в течение 70-80-х годов неоднократно видоизменялись и к настоящему времени систематизированы как у нас в стране, так и за рубежом /1,2, 4-7/. В настоящее время разработан и принят комплекс стандартов МЭК 61000 /5-7, 65. 64/, в которых приведены характеристики ЭМИ высотного ядерного взрыва, требования к средствам защиты и методам испытаний. Материалы этих обобщений приведены в открытой литературе и используются в настоящей работе.
При оценке стойкости аппаратуры к действию ЭМИ рассматриваются электромагнитные излучения наземного (ЭМИ КЯВ) и высотного (ЭМИ ВЯВ) ядерных взрывов, а также мощные электромагнитные излучения естественного и искусственного происхождения.
Параметры ЭМИ наземных ЯВ (НЯВ), в зависимости от модели воздействия, рассчитываются для зоны источника (варианты прямого контакта взрыва с элементами сооружения) и для волновой зоны III.
Параметры ЭМИ наземных ЯВ для волновой зоны задаются пространственно-временным распределением составляющих напряжённостей (горизонтальной и вертикальной) электрических и магнитных полей на поверхности земли или на глубине заложения сооружений.
Напряженность электрического поля существенно зависит от расстояния до эпицентра ЯВ. На рис. 1.3 приведены напряженности радиального электрического Ег и магнитного На, полей на различных расстояниях R от центра контактного ядерного взрыва мощностью q =0,5 Мт и проводимости грунта Огр = 10"3 См/м /1/.
На параметры полей влияет проводимость грунта, однако, менее сильно, чем расстояние до взрыва. На рис. 1.4 в качестве примера приведены результаты расчетов радиальных составляющих полей ЭМИ, возникающих у поверхности земли в грунтах с проводимостями 7гр=Ю и 7гр=10" См/м, при ядерном взрыве мощностью q =0,5 Мт на расстоянии 215м от эпицентра ядерного взрыва /1/.
Разработка математических моделей воздействия наносекундных ЭМИ на кабельные линии
При проектировании защиты систем электросвязи от поражающего действия ЭМИ одна из главных задач состоит в расчете величин токов и напряжений, наводимых во внешних элементах систем. Взаимодействие электромагнитных полей ЯВ с разветвленными проводящими коммуникациями, расположенными в грунте, описывается уравнениями электродинамики. Получить решение в общем виде не представляется возможным в силу нестационарности полей ЭМИ, большой протяженности и сложной топологии на местности сооружений и его коммуникации, неоднородности грунта и рельефа местности в месте подсадки сооружений, изменения электрофизических характеристик проводников и грунта при протекании по ним больших импульсных токов и т.д.
Для приближенных оценок величин наводимых токов используются методы расчета, основанные на различных упрощениях и допущениях /4, И, 12,13-19, 31-39/. Необходимо отметить, что одной из основных особенностей генерации ЭМИ высотных ЯВ являются наносекундные фронты и малая длительность волн электромагнитного поля, что соответствует частотным спектрам от десятков кГц до единиц ПІД. Анализ литературных источников по данной проблеме показывает, что в настоящее время нет достаточно универсальных методов расчета, которые позволили бы решить поставленную задачу с учетом частотных спектров ЭМП и всех других влияющих факторов.
Наиболее общее решение задачи взаимодействия полей ЭМИ с сооружениями и его коммуникациями может быть получено на основе теории дифракции электромагнитных волн. Однако решение в такой постановке представляет значительные математические трудности, обусловленные необходимостью учета геометрической формы объекта, и получено только для оценки токов в простейших случаях: одного, двух параллельных, двух пересекающихся цилиндров бесконечной длины, возбуждаемых монохроматической волной /13, 14/. Использовать полученные зависимости для конкретных расчетов не представляется возможным вследствие сложной геометрии подземных сооружений и его коммуникаций.
Решение задачи взаимодействия полей ЭМИ с сооружениями и кабельными линиями в общем виде не основе уравнений Максвелла можно получить лишь для прямого протяженного сооружения или кабеля. Вследствие этого, представляется целесообразным получить сначала решение для данного простого случая, а затем, используя методы математического и электрофизического моделирования, получить приближенные математические модели и решения для сооружений сложной формы, а также рассмотреть влияние на величины наводимых токов различных нелинейных процессов.
Основным источником наведенных токов и напряжений в протяженных коммуникациях и экранах сооружений, расположенных в грунте, является проекция электрического поля ЭМИ в грунте на ось проводника Ex(x,t). Под действием этого поля в проводнике наводится ток. Закон распределения тока в горизонтальном проводнике при воздействии продольного электрического поля Ex(x,t) определяется на основе решения системы уравнений Максвелла, связывающей внешние поля с полями внутри проводника с учетом граничных условий.
Система уравнений Максвелла в частотной области решается значительно проще, чем во временной для импульсных полей, какими являются поля ЭМИ. К тому же, электрофизические характеристики кабелей, проло женных в грунте, существенным образом зависят от частоты (особенно для спектра частот выше 10 кГц). Вследствие этого решать данную задачу целесообразно, используя прямое и обратное преобразование Фурье, т.е. получить решение для спектральной плотности тока /( ,ю)при воздействии спектральной плотности радиального электрического поля Е(хло). Применяя к полученному уравнению спектральной плотности тока обратное преобразование Фурье, получим решение для тока во временной области /43/.
Рассмотрим уравнения взаимодействия протяженного проводника (кабель, экран сооружения) радиусом г о, с толщиной стенок 6 (пустотелый цилиндрический проводник), проводимостью ао, находящегося на глубине h в однородном грунте с проводимостью стгр, причем проводимость цилиндра ао много больше проводимости грунта ао » а . При этом не учитываются нелинейные процессы, связанные с изменением электрофизических характеристик фунта и проводника и т.д. /19, 44, 45/.
Введем цилиндрическую систему координат (г, р, х) так, чтобы ось х совпадала с осью цилиндра (рис.2.1.). В случае достаточно тонкого и хорошо проводящего цилиндра зависимостью тока от угла р можно пренебречь, т.е. считать, что ток в сечение зависит только от радиуса. Кроме того, в этом случае можно считать, что изменение тока и магнитного поля в сечении значительно больше изменения тока и магнитного поля вдоль проводника на расстояниях, соизмеримых с радиусом проводника, что справедливо при длине проводника много большой его поперечного размера.
Исследование параметров токов и напряжений в кабельных линиях систем электросвязи и управления при воздействии сверхвы-сокочастотных-ЭМИ высотных
Амплитудно-временные параметры токов и напряжений, наводимых импульсными электромагнитными полями (ЭМП) в кабельных линиях, существенным образом зависят от конструктивных особенностей внешних экранов (металлопокровов кабелей), их количества, толщины, материала, качества изготовления, наличия неоднородностей и пр. Все это приводит к необходимости разработки 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. 23.), с импульсными ЭМП/35/.
Будем рассматривать этот кабель как т - проводную линию. За первый провод принимаем эквивалентную жилу кабеля, за второй - внутреннюю первую оболочку. Внешняя оболочка рассматривается, как т -ый провод (обычно т - 2 - 4).
Радиус эквивалентной жилы - rt, внутренний радиус к -го провода - г2к-2, внешний - r2k-i- Слой изоляции за к -ым проводом (к -ый слой) имеет внутренний радиус r2k-h внешний Г2к- В проводах протекают токи Д , /2 ,.... 1т .
Каждый провод относительно точки, удаленной по прямой, перпендикулярной оси провода и параллельной поверхности раздела воздух-грунт, характеризуется напряжением U0l, /02,... Umn .
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 проводами. Переход к новым координатам осуществляется следующим образом:
Схематичное распределение токов в рассматриваемой кабельной линии показано на рис. 2.3. В новых координатах упрощается анализ электромагнитного поля проводов. Это позволяет с учетом всех принятых допущений получить систему телеграфных уравнений, описывающих взаимодействие кабельной линии с импульсным электромагнитным полем. Напряжение между к-ми(к+ 1)-м проводами будет/38/: ит=-Як-— , к=\,2,....,т-\,т; ах где Rk - поперечное сопротивление цепи между ( к + 1)-м и к-м. проводами (при к т): Rm - поперечное сопротивление цепи "наружный металлопокров грунт". Для цепей, образуемых соседними металлопокровами на основе второго закона Кирхгофа можно записать (см. рис. 2.4) Uk -[Uk -dUk)= -E?k(r2k_x)dx-]ЫФк - E k+X\r2k)dx (2.29) где Ё"р ( 2 -і) " напряженность продольного электрического поля на внешней поверхности к -ого металлопокрова; Е + (г2к) напряженность продольного электрического поля на внутренней поверхности ( к +1)-ого металлопокрова; dOk - магнитный поток в контуре 1-2-3-4, создаваемый контурным током 1к. Матрица P является транспонированной матрицей P, что справедливо вследствие симметричности матриц Z и Y.
Решение уравнений (2.42), (2.43) может быть поучено методом волновых каналов. После соответствующих преобразований /35, 41, 42/ , каждое из матричных уравнений распадается на п независимых уравнений (где п - порядок исходных систем). Величины U и /являются векторами напряжений и токов волновых каналов. Каждое из независимых уравнений является неоднородным уравнением второго порядка, аналогично уравнению (2.22), решение которого хорошо известно /31, 37 38/. Выражение для тока 1т имеет вид: їт{х) = e-i (Kj + Р(х)) + е (К2 + Q(x)) (2.44) где Кj, К2 - векторы-столбцы постоянных, определяемых из граничных условий; у- диагональная матрица коэффициентов распространения (матрица собственных значений); Р(х), Q(x)- векторы-столбцы, определяемые по выражениям (2.18).
Постоянные интегрирования определяются из граничных условий по концам кабельной линии. В частности, если они задаются в импедансных значениях, то могут быть записаны в виде: где Zj , Z2 - квадратные матрицы сопротивлений по концам кабельной линии. Постоянные Kj и К2 определяются из решения (2.45) совместно с (2.41) , (смотри выражения (2.19)).
Таким образом можно рассчитать токи и напряжения, наводимые воздействующим импульсным электромагнитным полем как в модальных, так и в фазных координатах.
Реализация решения данных уравнений на ЭВМ в общем виде с учетом прямого и обратного преобразования Фурье довольно затруднительна, так как на каждом шаге по частоте требуется решать системы матричных уравнений, что требует больших затрат машинного времени.
Для проведения инженерных расчетов с участием автора были разработаны упрощенные математические модели для наиболее характерных типов кабелей, позволяющие достаточно оперативно проводить соответствующие вычисления.
Экспериментальные исследования эффективности работы существующих и макетных образцов перспективных средств защиты
Как отмечалось в п. 1.2., в настоящее время разработаны ядерные боеприпасы нового поколения, имеющие существенно отличные параметры электромагнитных полей, которые квалифицированы в некоторых открытых источниках как супер-ЭМИ /54/ или СВЧ ЭМИ /58/. В связи с тем, что терминология по данным видам излучений в открытой литературе не установлена, в работе поля данного вида будем называть СВЧ ЭМИ. Учитывая специфические особенности данного поражающего фактора (интенсивные амплитуды электромагнитных полей и большие их крутизны) встала необходимость разработать научно-обоснованные методы оценки токов и напряжений, наводимых во внешних кабельных линиях систем электросвязи, электромагнитными полями с ещё более жёсткими амплитудно-временными характеристиками, чем заданные для ЭМИ ВЯВ.
На основе математических моделей, приведенных в главе 2, при участии автора, разработан комплекс научно-исследовательских программ, позволяющих рассчитывать амплитудно-временные параметры токов и напряжений в кабельных линиях с различными типами защитных экранов (сплошные, сетчатые, ленточные) /67/. Наличие данного комплекса программ позволяет исследовать высокочастотные импульсные электромагнитные процессы, используя в каждом конкретном случае наиболее подходящую программу.
Так как открытых данных по параметрам СВЧ ЭМИ (супер-ЭМИ) нет, а заданы лишь возможные их диапазоны, в качестве источников воздействующих ЭМП принимались условные (предполагаемые) параметры: Ет=150 кВ/м, 118 Тф-Л не, То.5=5 не. Вследствие малой длительности напряженности воздействующего поля и отсутствия в настоящее время открытых данных по видам поляризации электромагнитных полей СВЧ ЭМИ ЯВ, в настоящей работе рассматривались варианты воздействий полей, характерные для нормальных падений волн на кабельную линию (угол в = 0, см. рис. 1.5).
На основе разработанных научно-исследовательских программ с участием автора выполнен комплекс исследований по оценкам амплитудно-временных параметров токов и напряжений, наводимых СВЧ ЭМИ в кабельных линиях систем электросвязи (кабели типов КУПВ, РК и др.) /68/.
Выполненные исследования позволили выявить ряд общих закономерностей, характерных для токов, наводимых СВЧ ЭМИ в металлопокровах всех типов кабелей, из которых следует, что максимальные значения токов практически не зависят от длины кабельных линий. Амплитуды наводимых токов изменяются от 200 А при проводимости окружающего грунта 0 =10" См/м до 400 - 450 А при проводимости грунта 0 =10"4 См/м. Амплитуды указанных токов при увеличении сечения кабелей возрастают на 10 - 15% и практически не зависят от сопротивления металлопокрова (при прочих равных условиях). Следует заметить, что общие закономерности, полученные для токов, наводимых ЭМИ ВЯВ (см.п.3.1), также характерны для токов, наводимых и СВЧ ЭМИ (супер-ЭМИ).
Длительности фронта наведенных токов составляют Тф={А - 5) 10"9 с, а длительности на уровне полуспада - то95= 610 с и 6 10" с для проводимо-стей грунта 7гр =10"2 См/м и а =10 См/м, соответственно. Сопротивления заземления по концам КЛ и наличие изоляции на металлопокровах практически не оказывают влияния на амплитудно-временные параметры токов. На рис. 3.3 - 3.4 представлены временные зависимости токов в металлопокровах различных типов кабелей.
Амплитудно-временные параметры напряжений, наводимых СВЧ ЭМИ между жилой и металлопокровами, и токов в жилах зависят от длины кабельных линий, геометрических размеров кабеля (диаметра и толщины металлопокровов), первичных параметров цепей и конструктивных особенностей защитных экранов (сплошной, плетеный, ленточный и т.п.)
В кабельных линиях со сплошными металлопокровами амплитуды напряжений, могут достигать значений от единиц до нескольких сотен вольт (свинцовые оболочки) и от долей вольт до нескольких десятков вольт (алюминиевые оболочки), а уровни токов в жилах - от единиц до нескольких десятков ампер.
Временные параметры напряжений, наводимых между жилами и металлопокровами, и токов в жилах находятся в следующих пределах: длительность фронта импульса напряжения - ц =1 - 40 мкс; длительность до полуспада - то,5= 5 - 200 мкс; длительность фронта импульса тока - Тф = 3 - 20 мкс (свинцовые оболочки), 10-100 мкс (алюминиевые оболочки); длительность до полуспада - То,5= 20 - 200 мкс (свинцовые оболочки) и 40 -1500 мкс (алюминиевые оболочки).
С увеличением толщины защитного экрана длительности токов и напряжений возрастают.
Амплитудно-временные параметры токов, наводимых в жилах, и напряжений, наводимых между жилами и металлопокровами в кабельных линиях с неоднородными оболочками (сетчатые экраны), имеют более сложные временные зависимости: помимо основного максимума, характерного для сплошных металлопокровов (и приведенных к ним неоднородных оболочек), появляется дополнительный всплеск на временах (20 - 25) 10"9 с. Этот максимум обусловлен процессами проникновения воздействующих полей через неоднородности на внутреннюю стенку металлопокрова.
