автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование генератора электромагнитных импульсов для диагностики стойкости информационных систем безопасности

На правах рукописи

ПАРФЕНОВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СТОЙКОСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

^ Л..-.? ¿ьи 005012927 I

Москва-2012

005012927

Работа выполнена на кафедре «Теоретической электротехники» ФГБОУ ВПО «Московского авиационного института (национальный исследовательский университет)» (МАИ).

Научный руководитель: Доктор технических наук,

профессор

Резников Станислав Борисович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, проф ессор

Шевцов Даниил Андреевич; Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Романов Владимир Михайлович.

Ведущая организация: ОАО «Особое конструкторское

бюро высокоэнергетических лазеров «Гранат» имени В. К. Орлова» (ОАО «ОКБ «Гранат» им. В.К. Орлова)

Защита диссертации состоится 10 апреля 2012 г. в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного Совета Д212.125.07 при ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (МАИ) по адресу: 125993, А80, Москва, ГСП-3, Волоколамское шоссе, дом 4, ученый Совет МАИ.

С. диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, просьба направлять по адресу: 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

Автореферат разослан « 1 » марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

С

Совета Д212.125.07 к.т.н , доцент А.Б.Кондратьев

Обшая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время все актуальнее становится проблема защиты инженерных, информационных и технических систем. Информационные кабельные линии являются неотъемлемой составной частью любого электротехнического комплекса или системы. Диапазон применения информационных слаботочных линий связи функционально весьма широк, начиная с передачи простых сигналов оповещения и кончая передачей криптографических шифрованных сигналов. Проблема помехозащищенности кабельных линий постоянно изучается и широко отражена в многочисленных публикациях. Однако все более мощными становятся генераторы преднамеренных электромагнитных помех, различные импульсные генераторы и др. в связи с быстрыми темпами развития электроники и компонентов. Генераторы в свою очередь влияют на кабельные линии, передающие информационные сигналы между элементами всевозможных электротехнических систем. При этом усилия разработчиков и научных исследований направлены на обеспечение нормального функционирования кабельных линий в условиях действия электромагнитных помех непреднамеренного характера - как природного, так и техногенного происхождения. Основными источниками промышленных помех (ЭМП) являются: мощные радиопередающие станции и сети, радиолокационные станции, высоковольтные линии электропередачи, контактная сеть железных дорог, электросварка, работа коммутируемых электродвигателей. Среди природных источников помех наибольшую помеховую опасность представляют грозовые разряды, удары молнии, создающие мощные и сверхмощные электромагнитные импульсы (ЭМИ и СЭМИ).

Большинство проблем, связанных с защитой кабельных линий от помех и ЭМИ, вызываемых техногенными и природными источниками, достаточно широко исследованы и проработаны [1-4].

Тем не менее в последние годы приобрела актуальность проблема защиты инженерных систем от преднамеренных ЭМИ. Появился целый раздел науки по данной проблематике и новые термины, в частности термин "электромагнитный терроризм". Это явилось следствием того, что появились источники генерации сверхмощных электромагнитных воздействий (СЭМИ), которые вызывают деструктивные (разрушительные) последствия. К ним относятся генераторы, создающие сверхмощные ЭМИ которые мгновенно поражают работу информационных систем.

Вследствие развития исследования данной темы появились целые отделы и лаборатории, занимающиеся анализом сверхмощных техногенных ЭМИ. Все эти меры и исследования положили начало новой техногенной проблеме человечества - электромагнитному терроризму.

Кабельные линии весьма восприимчивы к сверхмощным ЭМИ как в силу своей

коммуникативной протяженности, так и в следствие несовершенства экранирования отдельных

проводящих линий. Исследованию проблемы взаимодействия кабельных линий с

3

электромагнитным полям высокой интенсивности, а также разработке методов и средств защиты, повышению их помехозащищенности посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученных: Н.В. Балюка, Дж.Э. Бриджеса, Э.Ф. Вэнса, JT.H. Кечиева, В.М. Кондратьева, К. Коппа, В И. Кравченко, В.М. Куприенко, A.A. Любомудрова, Дж. Майлетты, А.К. Михайлова, Л.О. Мыровой, P.M. Остафийчука, В.Д. Попова, Л.У. Рикетса, В.А. Сикарева, Т. Тэйлора, Д А. Фулхэма, А.З. Чепиженко, A.A. Шведова, и др.

В настоящее время разработан комплекс стандартов МЭК 61000 IEC, в котором определены параметры электромагнитных полей высотного ядерного взрыва, заданы требования к защите электротехнических систем, рассмотрены методы и средства защиты.

Также утвержден стандарт МЭК ГОСТ Р 50571.20-2000 (МЭК 60364-4-444-96), в котором определяются параметры ЭМИ и возможность их воздействия на электротехнические комплексы и системы, а также методы по уменьшению этого воздействия.

Информационные кабельные линии являются особенно уязвимым звеном в любой инженерной, информационной или коммуникационной системе по отношению к поражающему действию сверхмощных ЭМИ. Если сами системы и небольшие объекты, в которых установлены инженерные системы безопасности, можно полностью заключить в защитные экраны, то кабели, проложенные на местности, а также соединяющие отдельные контрольные приборы, либо элементы, представляют достаточно протяженную цепь для проникновения электромагнитного поля высокой мощности. В свою очередь, токи и напряжения, наведенные мощными ЭМИ в оболочках и жилах кабеля, могут оказать деструктивное воздействие на чувствительную аппаратуру, которая нуждается поэтому в устройствах защиты.

К сожалению, несмотря на большой практический интерес вопросы повышения стойкости кабельных цепей к воздействию сверхмощных ЭМИ в конкретной постановке до настоящего времени не нашли должного отражения в технической литературе. Сложность исследования данной проблемы проявляется также и в том, что проделанные теоретические исследования трудно поддаются экспериментальной проверке вследствие высокой стоимости эксперимента и больших территориальных объемов самого эксперимента. В нашем случае, при использовании миниатюрных имитаторов сверхмощных ЭМИ, упрощенный вариант выхода из этого положения -это проведение имитационного физического моделирования электромагнитной обстановки с помощью мощных импульсных разрядников, подключаемых непосредственно к кабелю. Однако, такое подключение не всегда возможно, а главное - не может адекватно и с достаточной точностью повторить кондуктивные импульсные возмущения, возникающие в кабеле при индукционном (электромагнитно-полевом) воздействии вышеперечисленных реальных источников ЭМИ и необратимо разрушающие слаботочные элементы современного информационного оборудования, высокочувствительного к импульсным перенапряжениям.

Таким образом, становится особо острой проблема создания относительно недорогих, мобильных испытательных имитаторных источников индукционных СЭМИ в кабельных линиях, способных индуцировать в небольших участках реальных кабельных линий такие же, что и реальные источники СЭМИ, по общему разрушающему воздействию, кондуктивные импульсы перенапряжений.

Имитатор источников индукционных СЭМИ (переносной) состоит из:

1) небольшой разборной экранированной электромагнитной камеры (ЭЭК), надеваемой поверх изоляции на исследуемый кабель;

2) соответствующего комплекса генераторов импульсного тока и напряжения (ГИТ и ГИН), питаемых от промышленной сети или от автономного источника электроэнергии и

3) контрольно-измерительной аппаратуры (КИА).

Исследования и разработки подобных переносных имитаторов источников индукционных СЭМИ в кабельных линиях в отечественной и зарубежной литературе не освещены. Однако в создании и исследовании отдельных устройств, подобных перечисленным (ГИТ, ГИН, КИА) приняли достойное участие многие отечественные организации и фирмы, в частности: ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва), ФГУП ВЭИ (г. Москва), МЭИ (г. Москва), РТИ им. академика А.Л. Минца (г. Москва), ФГУП НПО «Астрофизика» (г. Москва), ОАО «ПО «УОМЗ» (г. Екатеринбург), ФГУП ЦКБ «Геофизика» (г.Москва), ОАО НПК НИИДАР (г.Москва), НИИПМЭ МАИ (г.Москва), ОАО «ОКБ «Гранат» им. В.К. Орлова и др., а также многие отечественные и зарубежные ученые, в частности вышеперечисленные, а также С.Б. Резников, В.И.Владимиров, В.И.Дмитриев, М.В. Костенко, М.И. Михайлов, Н.М. Царьков, Ю.Е. Сидельников, А.Д. Князев, И.П. Харченко, Ю.А. Комиссаров, А.Ф. Апорович, С.С. Родионов, Н.И. Калашников, Е.М. Виноградов, В.И. Винокуров, В.Г. Хромых, А.Н. Селяев, М.В. Максимов, С.А. Лютов, В.Ю. Кириллов, В.П. Булеков, С Р. Мизюрин, В.М. Романов, R.F. Heoberling, M.V. Fazio, Дж. Барнс, Д.П. Бикфорд и др.

Значительное количество публикаций по отдельным вопросам и различным успешным разработкам, появившимся к настоящему времени, не отражают создания переносных имитаторов источников индукционных СЭМИ в кабельных линиях электротехнических комплексов. Это объясняется сложностью генерирования СЭМИ (подобного молнии) при удовлетворительной компактности и стоимости установки. Для этого очевидно требуются новые нетрадиционные принципы соблюдения критериев подобия при имитации, а также новые схемотехнические и конструкторские решения.

В связи с вышесказанным разработка и исследование указанного имитатора представляются актуальными и способствующими решению проблем, связанных с созданием перспективных высокоэффективных средств защиты электротехнических комплексов и информационных систем безопасности от СЭМИ.

Цель диссертационной работы - разработка на базе нового принципа имитации и новых схемотехнических и конструкторских решений высокоэффективного переносного испытательного генератора источников сверхмощных индукционных электромагнитных импульсов в кабельных линиях электротехнических комплексов, а также исследование его эффективности и предложение рекомендаций по проектированию узлов.

Объект исследования - имитационный генератор электромагнитных импульсов для диагностики стойкости информационных систем безопасности.

Предмет исследования - меры и средства повышения эффективности испытаний на стойкость к воздействию мощных ЭМИ информационных систем безопасности.

Задачи диссертационной работы:

1. Анализ вариантов и принципов имитации сверхмощных ЭМИ.

2. Выбор схемно-конструктивного решения и технических требований имитатора.

3. Выбор критериев оценки эффективности имитатора.

4. Моделирование и оценка сверхмощных электромагнитных импульсов воздействующих на инженерные системы.

5. Экспериментальные исследования эффективности имитатора и средств защиты от

сэми.

Методы исследования. При решении указанных задач нашли применение методы теории цепей, теории электромагнитной совместимости, теории поля, линий передач, математический аппарат теоретической электродинамики, уравнений Максвелла, прямого и обратного преобразования Фурье, элементы теории автоматического регулирования, а также методы математического и физического моделирования с учетом критериев подобия. Результаты экспериментальных исследований, полученные в ходе работы, сравнивались с результатами теоретических исследований и расчетных параметров.

Научная новизна:

- выявлены условно типовые параметры основных сверхмощных ЭМИ, рекомендуемые для имитации наиболее опасных для электронной аппаратуры (ЭМИ молнии, ЭМИ ядерного взрыва), а также обобщены критические параметры стойкости элементов к их деструктивным воздействиям;

- модернизирован и реализован принцип имитации деструктивного воздействия сверхмощных ЭМИ: принцип "интегрального импульса", основанный на эквивалентной по результату замене реального ЭМИ последовательностью из "п" менее мощных подобных индукционных ЭМИ; обоснованы базисные критерии подобия;

- предложена методика расчета составляющих полей ЭМИ в электромагнитно -индукционной камере, основанная на анализе передаточных функций для схем замещения уравнений Максвелла;

- разработаны способы расчета и моделирования процессов преобразования в кондуктивные импульсные помехи индукционных ЭМИ, основанные на введении фиктивных эквивалентных источников тока и напряжения, а также на упрощении телеграфных уравнений; разработана программа расчета токов и напряжений, наводимых наносекундными ЭМИ в одиночных кабелях и в системах кабельных линий;

- получены соотношения для процесса распространения кондуктивных импульсных возмущений с учетом влияния стыковочных узлов кабельных соединений;

Практическая ценность работы.

Обобщенным практическим результатом является разработка новых схемотехнических и конструкторских решений для реализации высокоэффективного переносного испытательного имитатора источников СЭМИ на кабельные линии, исследование его эффективности и выработка рекомендаций по проектированию узлов. При этом, в частности:

- разработан компактный и относительно недорогой переносной испытательный имитатор;

- предложена и защищена патентом РФ конструкция разборно - составной электромагнитно-индукционной камеры с новым типом комбинированного испытательного концентратора полей, обладающая большим индукционным эффектом;

- разработаны два типа совмещенных генераторов импульсного тока и напряжения с общим емкостным накопителем и раздельными цепями регулирования, обеспечивающие высокие пиковые значения импульсов в широком спектральном диапазоне (мс, мкс и не);

- исследованы и применены высокоэффективные вторичные источники импульсного питания (ВИИП), обеспечивающие сохранение качества электроэнергии первичной сети при удовлетворительных массо-энергетических характеристиках;

- разработаны индукционные датчики ЭМИ, позволяющие с достаточной для исследовательской практики точностью измерять параметры векторов импульсного поля в камере имитатора;

- предложена приближенная методика расчета составляющих полей ЭМИ в камере имитатора, адекватная задачам проектирования;

- результаты программных расчетов токов и напряжений, наводимых в кабельных линиях наносекундными СЭМИ обобщены, систематизированы и представлены в виде графиков;

- модернизированы методики расчета индукционных магнитометрических и электрометрических датчиков с целью обеспечения заданных метрологических характеристик при их проектировании;

- проведены экспериментальные исследования эффективности макетных образцов имитатора и средств защиты от СЭМИ, показавшие справедливость основных теоретических положений и удовлетворительную точность математического моделирования (с погрешностью до 10-15 %).

Основные схемотехнические и конструкторские решения защищены патентами РФ. Акты о внедрении результатов работы в НИР и в учебном процессе приведены в Приложении.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований использованы:

а) при разработке на каф. 309 и 310 МАИ ряда макетных и серийных образцов ВИИП в рамках НИР и НИОКР для предприятий ОАО «АКБ «Якорь» и ФГУП ПО «УОМЗ»;

б) в рамках НИОКР каф. 310 МАИ при разработке, изготовлении и всесторонних испытаниях вариантов макетов и опытных образцов трансформаторных конверторных модулей, входящих в состав конверторных преобразователей;

в) в учебном процессе кафедры «Теоретическая электротехника» МАИ в рамках курса «Электромагнитная совместимость комплексов ЛА»;

г) в инициативном проекте «Фундаментальное исследование: Новые принципы и методы имитации источников мощных электромагнитных импульсов с поражающим воздействием на информационные линии систем управления» РФФИ, 2007г.

д) в проекте по гранту РФФИ 2008-2010 гг. № 08-08-12245 "Исследование новых принципов и средств обеспечения электромагнитной совместимости сверхмощных источников импульсного питания" Руководитель проекта: д.т.н., профессор Резников С Б.;

Соответствующие акты о внедрении приведены в Приложении.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа наиболее опасных для электронной аппаратуры СЭМИ и индуцируемых ими перенапряжений в кабельных линиях, рекомендуемых для испытательных имитаций, а также выбранные базисные критерии подобия.

2. Модернизированный принцип имитации деструктивного воздействия СЭМИ на электронную аппаратуру через кабельные линии - принцип «интегрального импульса».

3. Разработанная, теоретически и экспериментально исследованная конструктивная и принципиальная схема переносного имитатора СЭМИ на базе разборно - составной экранированной камеры, комбинированных генераторов импульсных токов и напряжений и индукционных датчиков ЭМИ.

4. Методики расчета и моделирования процессов индуцирования и распространения кондуктивных импульсных возмущений в кабельных линиях.

Апробация работы. Полученные теоретические положения и результаты математического моделирования апробированы на 3 международных и отечественных научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе:

1. Восьмой российской научно - технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» ЭМС-2009 (г. Санкт - Петербург, сентябрь, 2009 г.);

2. Научно - технической конференции «Информационные средства и технологии», г. Москва, 2009 г;

3. 8-й Международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009» (г. Москва, 2009 г.),

а также неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах, совещаниях и научно-технических советах кафедры "Теоретическая электротехника" МАИ.

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 25 печатных работах, в их числе 17 статей и докладов и 8 патентов РФ на изобретения (полезные модели).

Структура ч обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит 155 страниц машинописного текста, включая 40 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 58 наименований, в том числе 10 на иностранных языках. Общий объем диссертационной работы составляет 155 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи, научная новизна и практическая ценность результатов проведенных исследований.

Первая глава диссертации посвящена анализу вариантов, обоснованию и разработке нового принципа имитации сверхмощных ЭМИ (СЭМИ), выбору схемно - конструктивного решения, технических требований и критериев оценки эффективности имитатора.

К наиболее опасным источникам генерации и индуцирования кондуктивных СЭМИ в кабельных линиях относят ЭМИ молнии, ядерных взрывов и «электромагнитных бомб» («Е-

бомб») двух видов: взрывного («РС») генератора и «Виракторной СВЧ - Е-бомбы». Обобщенные параметры соответствующих СЗМИ, полученные в работе на базе анализа литературных источников и рекомендуемые для имитации:

• ЭМИ молнии: Е„ = 40кВ/м; Нт = 160 А/м; Ц, = 0,2-2 мкс; и = 50 мкс; К = 4.

• ЭМИ ЯВ: Ет = 500кВ/м; Нга = 8 кА/м; ¡фр = 5-10 не; и = 0,6 мкс.

В работе приведены примеры математического описания процессов индуцирования с

помощью -^-и— кондуктивных СЭМИ в виде и„„„ и 1„мп ВД в кабельных фрагментах с/1 <11 Л

различных конфигураций (двухлинейных и коаксиальных).

Проведены анализ и экспериментальная оценка стойкости элементов и вводных цепей электронной аппаратуры, определяемой как по энергетическим, так и электрическим параметрам. Результаты сведены в соответствующие таблицы.

Важнейшим этапом создания адекватных средств защиты от СЭМИ является проведение полномасштабных испытаний с целью экспериментальной проверки их эффективности. Существующие три принципа испытаний на воздействие СЭМИ (натурно - полевые с реальным воздействием; на уникальных стационарных испытательных стендах со сверхмощными имитаторами; замена индукционных СЭМИ непосредственными высоковольтными разрядами в кабельные линии) не удовлетворяют комплексу следующих критериев эффективности испытаний:

• производственная и эксплуатационная экономичность и приемлемая трудоемкость испытаний;

• компактность и мобильность имитатора;

• универсальность по отношению к видам СЭМИ, объектам воздействия (кабельным фрагментам) и испытуемому оборудованию;

• бесконтактное подключение и гальванически развязанное (индукционное) воздействие без изменения схемы включения и конфигурации (сохранение основного критерия подобия),

• возможность проведения испытаний во время штатных режимов и при сохранении качества электроэнергии питающей сети.

Для удовлетворения всем перечисленным критериям предложен и модернизирован принцип имитации - принцип «интегрального импульса», основанный на следующих трех одновременно выполняемых положениях:

1. Электромагнитно - индукционный, волновой или комбинированный способ

преобразования [ Е(1),Н(1)! => { »„(/),'„(')} в соответствии с временными и пространственными критериями подобия (масштабными коэффициентами);

2. Воздействие кондуктнвного ЭМИ (Л„и(0 или !,„„(!) имитируется эквивалентной по суммарной энергии временной последовательности из «п» менее мощных импульсов и„(0 или ¡„(О той же формы, причем:

щ = ] Л»С){/,„,(ол=" • }'„(0»„СУ;

(I о

3, Энергия каждого имитационного импульса должна превышать критический уровень начального необратимого разрушения микроструктур исследуемых

электронных объектов: > , а также одна из амплитуд и„,„ или 1ти

о

должна превышать допустимый уровень для этих объектов.

При общей электромагнитной обстановке для объекта и модели за базисные приняты две пары масштабных коэффициентов (пространственно - временные и электромагнитные):

Р~т~ г~ г" 8~ ~ Е~ Н''

Минимальная необратимая деформация или микроразрушения, вызванные одним электромагнитным импульсом, диагностируются по их суммарному минимальному воздействию на входной узел (элемент) электронной аппаратуры, связанным с испытуемым фрагментом кабеля (питания, антенны, информационной связи и т.п.), вызывающему сбой

или отказ функционирования. При этом фиксируется число " поступивших ЭМИ и

исходная энергия одного импульса Затем опыт повторяется при измененных "п" и

1Уг=п -IV, =^-{№.-К) = сот1

Т1/ I Г

| для проверки инвариантности. Л >

Указанная инвариантность является экспериментальным подтверждением справедливости принципа "интегрального импульса" и возможности его использования при разработках испытательного оборудования и соответствующих дополнений в ГОСТы и другую регламентирующе ю документацию.

В соответствии с предложенным принципом имитации разработана конструктивная схема взаимного расположения фрагмента испытуемого кабеля и векторов напряженностей ЭМИ внутри экранированной камеры для прямолинейного фрагмента. Рассмотрены примеры схемных вариантов для генераторов импульсов тока и напряжения (ГИТ и ГИН).

Вторая глава посвящена разработке основных узлов имитатора. На рис.1 приведено схемно - конструктивное решение испытательного электромагнитно - индукционного переносного имитатора на базе параллельных формирующих обмоток, потенциальных электродов, разборно - составной экранированной камеры, а также совмещенных генераторов импульсных тока (ГИТ) и напряжения (ГИН). Камера имеет нетрадиционный тип комбинированного

11

концентратора поля, обладающий большим индукционным эффектом. Разработанный совмещенный генератор импульсов позволяет использовать общий емкостный накопитель, обеспечив при этом раздельное регулирование выходных параметров и высокие пиковые значения импульсов в широком спектральном диапазоне (мс, мкс и не).

Так как в предлагаемом имитаторе обеспечивается возможность проведения испытаний во время штатных рабочих режимов для аппаратуры, то необходимо при импульсно - циклическом характере нагрузки вторичного источника импульсного питания (ВИИП), т.е. при циклической зарядке емкостного накопителя, сохранять качество электроэнергии питающей сети, что также является важной технической задачей.

Еще одной из существенных задач, решаемых в работе явилась разработка малогабаритных и достаточно точных индукционных датчиков ЭМИ. Разработаны конструкции и схемы датчиков с нетрадиционными трекоординатными концентраторами полей, позволяющие с достаточной для исследовательской практики точностью измерять временные и пространственные параметры векторов импульсных электрической и магнитной составляющих поля в камере имитатора. Нетрадиционной особенностью датчиков является дуальное измерение электрической

- & я

составляющей —. на базе измерения производной поверхностной плотности заряда (в Л

соответствии с законом Гаусса) и на базе измерения магнитного потока, образуемого током смещения (в соответствии с уравнением Максвелла и законом полного тока).

1

8

2 7

9

3

5

Рис.1. Испытательный концентратор электромагнитного импульса для прямолинейного кабельного фрагмента.

В третьей главе проведены математическое моделирование и разработка методик расчета характеристик и параметров основных узлов имитатора.

Для приближенной оценки характеристик подобия и адекватности разрабатываемых имитаторов вначале проанализированы, выбраны, модернизированы известные и разработаны новые методики расчета и моделирования процессов индуцирования напряжений в линиях связи при воздействиях реальных СЭМИ.

В качестве характерного примера рассмотрена методика расчета процесса индуцирования напряжения в наземной линии связи при вертикальном разряде молнии, основанная на решении телеграфного уравнения в частных производных

52и, 1 д2и, = дЕ„

дх2 С2 812 ~ дх

в виде электрической составляющей

"„(*.') = + и,Ш) = ■СМЭФ' \ЕЛТ>* - т)]с1т

^ а

с добавлением магнитной составляющей

г гЗА(х,() „

•> 1 ст

Приведены примеры частных решений для ближайшей к месту разряда точки при прямоугольном и линейно возрастающих токах молнии.

Рассмотрена также методика упрощенных инженерных расчетов для оценки уровня наведенных токов в оболочке кабеля, находящегося в земле, при воздействии молнии дальней зоны.

Для определения токов в металлопокровах кабельных линий от СЭМИ молнии и ядерных взрывов с временными параметрами микросекундной длительности в общем виде можно использовать систему телеграфных уравнений:

Г ~(<Иск)(] = 1-\-Е, 1 -(<11сЫ)'1 = Ш.

где /,0,¿-комплексы (векторы) токов, напряжений и напряженности воздействующего

электрического поля; 2 И У - квадратные матрицы погонных параметров.

Реализация решения данных уравнений на ЭВМ с учетом прямого у 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 были разработаны упрощенные математические модели для наиболее характерных типов кабелей. Проникновение поля через неоднородности,

разрывы и т.п. учитывается введением распределенного по длине источника тока. Система телеграфных уравнений приобретает следующий вид:

'-(с1и2/£&)=4(/,"+/;')-£;•, - «¿а," + /;■))/ л) = {/2+/Л,

где Ен = ¿,г(/" + /°) - распределенный источник напряжения; /д = -Усн02 - распределенный источник тока;

¿°2 и - сопротивление и проводимость связи металлопокрова с внешней средой.

На основании указанной методики разработана программа расчета токов и напряжений в кабельных линиях систем электрорадиосвязи в частотной постановке, позволяющая рассчитывать токи и напряжения от СЭМИ в одиночных кабелях и системах линий. Время счета одного варианта от I до 15 минут в зависимости от заданной точности и типа ЭВМ. Расчет производится для трех произвольно выбранных точек по длине линии.

Результаты расчетов обобщены, систематизированы и представлены в виде графиков на рис. 2 и 3.

■^0.5 Ом у

Ч О»

2Ц0* «(Г1 не* 1С

Рис.2. Временные зависимости в кабельной Рис.3. Зависимости напряжений между жилой и линии (кабель РК50-17-17). металопокровом подлине кабеля.

В работе представлены сравнительные результаты расчетов токов и напряжений, наводимых СВЧ-ЭМИ в кабельных линиях различных типов.

Разработана приближенная методика расчета составляющих полей ЭМИ в электромагнитно - индукционных камерах с фигурным и прямолинейным кабельными фрагментами. Методика основана на исследовании передаточных функций и ЛАХ для схем замещения уравнений Максвелла и Гаусса, приведенных к следующей форме:

'll '(I л 'о

£.(/) - L% + я - -£-*(/);CI+ rC^ + i = С ■ e(i), dl Cj dt dt

e(t)

где £(r) = —--напряженность квазиоднородного электрического поля в зоне концентратора;

d

e(t) и J(t) - напряжение и ток ГИН и ГИТ;

С - емкость проходного цилиндрического конденсатора;

N,L,r- параметры кабельного фрагмента.

Методика представляется адекватной исследовательским и инженерным расчетам при проектировании имитатора.

Полученные соотношения для процесса распространения кондуктивных импульсных возмущений от имитатора до входных цепей электротехнического комплекса позволяет учесть влияние мест соединения двух и более линий.

В работе проведено математическое моделирование процессов во вторичных источниках импульсного питания (ВИИП) при работе с сетью соизмеримой мощности, позволяющее;

• исследовать влияние импульсно - циклических режимов ВИИП на качество электроэнергии первичной питающей сети;

• сравнить массо - энергетические показатели ВИИП с промежуточным емкостным накопителем различных типов;

• оптимизировать параметры и алгоритмы управления ВИИП.

Предложены модернизированные методики расчета индукционных магнитометрических и электрометрических датчиков ЭМИ, позволяющие обеспечить заданные метрологические характеристики при их проектировании. Они основаны на условиях квазистационарности, при выполнении которых датчики могут быть представлены совокупностью сосредоточенных элементов с идеализированными проводными связями. Оба типа датчиков благодаря приведенным схемам замещения (схемам Тевенина) могут быть описаны обобщенной передаточной функцией;

S3 + BS + A

Далее по амплитудно - частотной и фазочастотной характеристикам, а также по характеристической функции;

П

/(П) =

^(Л-Пг )2 + В2С12

имеется возможность синтезировать параметры датчиков для раооты лиоо в апериодическом режиме (для наблюдения формы и длительности импульсного воздействия), либо в колебательном

режиме (для более точного измерения амплитуды воздействия). Приводится алгоритм указанного выше синтеза параметров.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям эффективности имитатора и средств защиты от СЭМИ, а также проверке справедливости основных теоретических положений.

Макетирование и экспериментальное исследование электромагнитно - индукционной камеры с датчиками параметров ЭМИ (предварительно настроенными по эталонным тестам) подтвердили удовлетворительную для исследовательской практики точность предложенных приближенных методик расчетов (с погрешностью, не превышающей 10%).

Анализ результатов имитационного эксперимента по исследованию электромагнитных процессов в кабельных линиях типа РК50-13-П и РК75-7-11, показал, что расчетные значения амплитудно - временных параметров токов и напряжений отличаются от экспериментальных не более чем на 15%.

Экспериментальное исследование влияния параметров элементов коаксиальной линии межблоковой связи на прохождение кондуктивных импульсов напряжения выявило:

• степень затухания импульсов для кабелей типа ИКМ и РК50-2-11 с учетом разъемов и вакуумно - плотного соединения;

• влияние параметров элементов на длительность фронтов и спадов импульсов;

• возможность реализации линии с удовлетворительным прохождением информационных импульсов с помощью входных магистральных усилителей ТТЛ.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы. В приложении приведены акты о внедрении результатов работы в НИР и в учебном процессе.

Основные результаты диссертации

Обобщенным результатом диссертации является создание высокоэффективного переносного испытательного имитатора источников СЭМИ в кабельных линиях электротехнических комплексов, исследование его эффективности и разработка рекомендаций по проектированию его узлов. К его основным преимуществам относится следующее:

компактность и мобильность, позволяющие производить испытания непосредственно на эксплуатируемых объектах;

производственная и эксплуатационная экономичность и малая трудоемкость; универсальность по отношению к видам СЭМИ, объектам непосредственного воздействия (кабельным фрагментам) и испытуемым объектам (информационно - управляющему и электроэнергетическому оборудованию);

бесконтактное подключение и гальванически развязанное (индукционное) воздействие на испытуемый кабельный фрагмент без изменения его схемы включения и конфигурации (сохранение основного критерия подобия);

возможность проведения испытаний во время штатных режимов функционирования электронного оборудования при сохранении качества электроэнергии питающей сети. В качестве наиболее эффективного принципа имитации деструктивного воздействия СЭМИ на электронную аппаратуру через кабельные линии предложен модернезированный принцип «интегрального импульса», основанный на эквивалентной по результату замене реального СЭМИ последовательностью из «п» менее мощных подобных (по критериям подобия) индукционных ЭМИ с энергией каждого, превышающей критический уровень начального необратимого разрушения микроструктур исследуемых электронных объектов.

Основные схемотехнические и конструкторские решения защищены патентами РФ. Акты о внедрении результатов работы в промышленности и в учебном процессе приведены в приложении.

Работа явилась основой инициативного проекта 2007 г., и проекта по гранту РФФИ 20082010гг. одобренного и финансируемого Российским фондом фундаментальных исследований. К конкретным результатам разработок и исследований можно отнести следующее:

1. Результаты анализа источников генерации деструктивных воздействий СЭМИ, модернизация принципа их имитации (принципа «интегрального импульса») и критериев оценки эффективности имитатора, позволяющие в дополнение к указанному принципу сформулировать технические предложения для разработки имитатора.

2. В соответствии с выбранной и обоснованной конструктивной схемой переносного имитатора (на базе параллельных формирующих обмоток, потенциальных электродов, разборно - составной экранированной камеры, а также генераторов импульсных тока и напряжения) разработаны его основные узлы.

3. Проведенное математическое расчетно - модельное исследование основных узлов имитатора позволило разработать следующие методики расчета их характеристик и основных параметров.

4. Проведенные экспериментальные исследования эффективности имитатора и средств защиты от ЭМИ, а также проверка справедливости основных теоретических положений проявили адекватность полученных результатов по отношению к цели и задачам диссертации.

5. Основные схемотехнические и конструкторские решения защищены патентами РФ.

Публикации по теме диссертации

В рецензируемых журналах и изданиях:

1. С.Б.Резников, Бочаров В.В., Кабелев Б.В., Дубенский Г.А., Корнилов А.Б., Е.В.Парфенов. Обеспечение ЭМС импульсного преобразователя переменного тока без промежуточного емкостного фильтра. // «Технологии ЭМС» № 2(33)2010

2. С.Б.Резников. Н.В. Гуренков, Корнилов А.Б., Е.В.Парфенов. Сохранение качества электроэнергии на входе вторичных источников импульсного питания с ёмкостным накопителем. // «Технологии ЭМС» № 2(33)2010

3. Парфенов Е.В.. Резников СБ., Бочаров В.В. Накопительный принцип имитации разрушающего воздействия мощных электромагнитных импульсов на электронную аппаратуру через кабельные линии.//Технологии ЭМС, 2012, № I , с. 15-18.

В других изданиях:

4. Резников С Б, Бочаров В В., Парфенов Е.В., Дубенский ГЛ., Кабелев Б.В. Патент РФ. Электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядных ламп. Патент на полезную модель № 83166, опубликован 20.05.2009. Бюл.№14.

5. Резников С.Б., Бочаров В В., Парфенов Е.В., Гуренков Н.В. Патент РФ. Регулируемый преобразователь переменного напряжения. Патент на полезную модель № 83882, опубликован 20.06.2009. Бюл.ЛїІ7.

6. Резников С.Б., Бочаров В.В., Парфенов ЕВ., Гуренков Н.В. Патент РФ. Устройство комбинированного электропитания постоянного и переменного тока. Патент на полезную модель № 83878, опубликован 20.06.2009. Бюл.№17.

7. Резников С.Б., Бочаров ВВ., Парфенов Е.В., Гуренков Н.В., Корнилов А., Кабелев Б.В. Патент РФ. Электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп. Патент на полезную модель № 89909, опубликован 20.06.2009. Бюл.№17.

8. Резчиков С.Б.. Бочаров В.В., Парфенов Е.В., Гуренков Н.В., Kopnwioe А. Патент РФ. Регулятор выпрямленного тока и его варианты. Патент на полезную модель № 88876, опубликован 20.11.2009. Бюл.№32.

9. Резников С Б., Бочаров В.В., Парфенов ЕВ., Гуренков Н.В., Корнилов А. Патент РФ. Бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока и его варианты. Патент на полезную модель № 89911, опубликован 20.122009. Бюл.,\г935.

10. Резников С Б.. Бочаров В В., Парфенов Е.В., Дубенский ГА., Кабелев Б.В. Патент РФ. Электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядных ламп. Патент на полезную модель X« 85263 20.06.2009. Бюл.Л«17.

11. С.Б.Резников, В.В.Бочаров, Е.В.Парфенов. Патент РФ. Концентратор электромагнитного импульса. Патент на полезную модель № 96259, опубликован 08.07.2010. Бюл.№20.

12. С.Б.Резников, Е.В.Парфенов, О. Гилъбурд. Однонаправленные и обратимые бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения. // Силовая электроника, №2, 2008 г.

13. С.Б.Резников, Е.В.Парфенов, Н.В. Гуренков, Комбинированные автономные системы электроснабжения переменного и постоянного тока с повышенным качеством электроэнергии и ЭМС. // Компоненты и технологии, № 09, 2008 г.

14. С.Б.Резников, В.В.Бочаров, Е.В.Парфенов, Н.В. Гуренков, Корнилов А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных импульсных источников питания с автономными системами электроснабжения переменного тока Часть 1. Критерии эффективности схемотехнических средств. // Силовая Электроника, № 03, 2009 г.

15. С.Б.Резников, В.В.Бочаров, Е.В.Парфенов, Н.В. Гуренков, Корнилов А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Часть II. Обзор и систематизация известных структур и схем основных узлов Приближенные критерии оценки. // Силовая Электроника, № 04, 2009 г.

16. С.Б.Резников, В.В.Бочаров. Е.В.Парфенов, Н.В. Гуренков, Корнилов А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Часть III. Обзор и анализ схемотехнических средств, выбор перспективных направлений модернизации. Силовая Электроника, № 05, 2009 г.

17. С.Б.Резников, В.В.Бочаров, Е.В.Парфенов, Н.В. Гуренков, Корнилов А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Часть III Обзор и анализ схемотехнических средств, выбор перспективных направлений модернизации. // Силовая Электроника, № 1, 2010 г.

18. С.Б.Резников, В.ВЯочаров, Е.В.Парфенов, Н.В. Гуренков, Корнилов А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Часть IV. Модернизация известных и разработка новых схемотехнических средств. // Силовая Электроника, № 2 2010г.

19. С.Б.Резников, В.В.Бочаров. Е.В.Парфенов, Н.В. Гуренков, Корнилов А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников

импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Продолжение части IV. Модернизация известных и разработка новых схемотехнических средств. // Силовая Электроника, № 5, 2010 г.

20. С.Б.Резников, Бочаров В.В., Коняхин С.Ф., Е.В.Парфенов. Бездуговая коммутационная аппаратура для перспективных транспортных систем электроснабжения с повышенным постоянным напряжением. Статья, опубликована 03.2011 // Силовая Электроника с.4-6.

21. С.Б.Резников, Бочаров В.В., Кириллов В.Ю., Е.В.Парфенов, Гуренков Н.В. Исследование новых принципов и средств обеспечения электромагнитной совместимости сверхмощных источников импульсного питания. Отчеты по проекту РФФИ 08-0812245 ОФИ за 2008-2009гг. МАИ, научный руководитель Резников С.Б. Регистрация в системе "Грант-Экспресс" 2008 и 2009гг.

22. СЯ.Резников, Бочаров В.В., Е.В.Парфенов. Лабораторные работы по курсу: "Электротехническая совместимость комплексов ЛА" (электроэнергетическая и электромагнитная совместимость). Под редакцией В.В. Бочарова, изд-во МАИ 2009г.

23. С.Б.Резников. Болдырев В.Г., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Е.В. Парфенов. Н.В. Гуренков, А.Б. Корнилов. Лабораторные работы по курсу: "Электромагнитная совместимость комплексов ЛА" (электроэнергетическая и электромагно-помеховая совместимость) Под редакцией С.Б. Резникова, изд-во МАИ 2011г.

24. Парфенов Е.В. Диагностика стойкости информационных систем безопасности к воздействию электромагнитных импульсов. Доклад, конференция ЭМС-2009. // Опубликован в сборнике докладов конференции, стр.520-521.

25. Парфенов Е.В. Диагностика стойкости информационных систем безопасности к воздействию электромагнитных импульсов. Труды международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации" т. 17. Алушта 2007г.

Парфенов Евгений Владимирович Разработка и исследование генератора электромагнитных импульсов для диагностики стойкости информационных систем безопасности. Автореф. дисс, на соискание учёной степени кандидата техн. наук.

Подписано в печать .02.2012.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № /12 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского 39. (495) 978-43-34; \vw\y.reglet.ru

61 12-5/2043

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» МАИ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СТОЙКОСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

На правах рукописи

Парфенов Евгений Владимирович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Резников С.Б.

Москва - 2012

Список сокращений и условных обозначений:

ЭМС - электромагнитная совместимость

ЭМИ (СЭМИ) - электромагнитный импульс (сверхмощный ЭМИ) ЭПМ - электромагнитные помехи ЭТ - электромагнитный терроризм ЭТК - электротехнический комплекс ЯВ - ядерный взрыв

ВНИИ - вторичный источник импульсного питания МЭГ - магнитоэлектрический генератор

ИП (ИМИ, ИЭП) - измерительный импульсный индукционный преобразователь (магнитометрический, электрометрический) ИБП - индуктивно - емкостной преобразователь ЕН - емкостный накопитель

ТТТИМ (ШИР) - широтно - импульсный модулятор (регулятор)

ЦРУ - центральное распределительное устройство

АЗС - автомат защиты сети

УЗО - устройство защиты и отключения

Тр - трансформатор

- диод УТ - транзистор ЗТ - запираемый тиристор

КИА - контрольно - измерительная аппаратура ГИТ, ГИН - генераторы импульсов тока и напряжения

Содержание

стр.

Введение. 6

Глава 1. Анализ вариантов, обоснование и модернизация принципов имитации

сверхнормативных ЭМИ. 21

1.1. Анализ источников генерации сверхмощных индукционных ЭМИ в кабельных линиях. 21

1.2. Особенности деструктивного воздействия ЭМИ на элементы и системы электротехнических комплексов. 30

1.3. Оценка стойкости инженерных систем к воздействию

ЭМИ. 52

Глава 2. Выбор схем но- ко н структи вн ого решения, технических требований и критериев оценки эффективности генератора СЭМИ. 72

2.1. Выбор и модернизация принципа имитации деструктивного воздействия сверхнормативных ЭМИ -принципа «интегрального импульса». 72

2.2. Выбор схемно-конструктивного решения, технических требований и критериев оценки эффективности имитатора. 75

2.3. Разработка электромагнитно-индукционной камеры. 83

3.3. Выбор схем и параметров генераторов импульсов тока

(ГИТ) и высоковольтных импульсов напряжения (ГИН). 86

Глава 3. Аналитическое и компьютерное моделирование генератора электромагнитных импульсов. 90

3.1. Методики расчета и моделирования процессов преобразования индукционных ЭМИ в кондуктивные импульсные возмущения. 90

3.2. Методика расчета составляющих ЭМИ в электромагнитно-индукционной камере имитатора. 109

3.3. Соотношения для процесса распространения кондуктивных импульсных возмущений от имитатора до

входных цепей электротехнического комплекса. 116

3.4. Методики расчета индукционных магнитометрических и электрометрических датчиков и их метрологических характеристик. 121

Глава 4. Экспериментальные исследования эффективности генератора и средств защиты от СЭМИ. 128

4.1 Макетирование и экспериментальное исследование. 128

4.2 Анализ результатов имитационного эксперимента по исследованию электромагнитных процессов в кабельных

129

линиях.

4.3 Экспериментальное исследование влияния параметров элементов коаксиальной линии межблоковой связи на прохождение кондуктивных импульсов напряжения. 136

Выводы и заключение 145

Список использованной литературы.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время все актуальнее становится проблема защиты инженерных, информационных и технических систем. Информационные кабельные линии являются неотъемлемой составной частью любого электротехнического комплекса или системы. Диапазон применения информационных слаботочных линий связи функционально весьма широк, начиная с передачи простых сигналов оповещения и кончая передачей криптографических шифрованных сигналов. Проблема помехозащищенности кабельных линий постоянно изучается и широко отражена в многочисленных публикациях. Однако все более мощными становятся генераторы преднамеренных электромагнитных помех, различные импульсные генераторы и др. в связи с быстрыми темпами развития электроники и компонентов. Генераторы в свою очередь влияют на кабельные линии, передающие информационные сигналы между элементами всевозможных электротехнических систем. При этом усилия разработчиков и научных исследований направлены на обеспечение нормального функционирования кабельных линий в условиях действия электромагнитных помех непреднамеренного характера - как природного, так и техногенного происхождения. Основными источниками промышленных помех (ЭМП) являются: мощные радиопередающие станции и сети, радиолокационные станции, высоковольтные линии электропередачи, контактная сеть железных дорог, электросварка, работа коммутируемых электродвигателей. Среди природных источников помех наибольшую помеховую опасность представляют грозовые разряды, удары молнии, создающие мощные и сверхмощные электромагнитные импульсы (ЭМИ и СЭМИ).

Большинство проблем, связанных с защитой кабельных линий от помех и ЭМИ, вызываемых техногенными и природными источниками, достаточно широко исследованы и проработаны [1-4].

Тем не менее в последние годы приобрела актуальность проблема защиты инженерных систем от преднамеренных ЭМИ. Появился целый раздел науки по данной проблематике и новые термины, в частности термин "электромагнитный терроризм". Это явилось следствием того, что появились источники генерации сверхмощных электромагнитных воздействий (СЭМИ), которые вызывают деструктивные (разрушительные) последствия. К ним относятся генераторы, создающие сверхмощные ЭМИ которые мгновенно поражают работу информационных систем.

Вследствие развития исследования данной темы появились целые отделы и лаборатории, занимающиеся анализом сверхмощных техногенных ЭМИ. Все эти меры и исследования положили начало новой проблеме техногенного человечества - электромагнитному терроризму.

Кабельные линии весьма восприимчивы к сверхмощным ЭМИ как в силу своей коммуникативной протяженности, так и в следствие несовершенства экранирования отдельных проводящих линий. Исследованию проблемы взаимодействия кабельных линий с электромагнитными полями высокой интенсивности, а также разработке методов и средств защиты, повышению их помехозащищенности посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученных: Н.В. Балюка, Дж.Э. Бриджеса, Э.Ф. Вэнса, Л.Н. Кечиева, В.М. Кондратьева, К. Коппа, В.И. Кравченко, В.М. Куприенко, A.A. Любомудрова, Дж. Майлетты, А.К. Михайлова, Л.О. Мыровой, P.M. Остафийчука, В.Д. Попова,Л.У. Рикетса, В.А. Сикарева, Т. Тэйлора, Д.А. Фулхэма, А.З. Чепиженко, A.A. Шведова, и др.

В настоящее время разработан комплекс стандартов МЭК 61000 IEC, в котором определены параметры электромагнитных полей высотного ядерного взрыва, заданы требования к защите электротехнических систем, рассмотрены методы и средства защиты.

Также утвержден стандарт МЭК ГОСТ Р 50571.20-2000

(МЭК 60364-4-444-96), в котором определяются параметры ЭМИ и возможность их воздействия на электротехнические комплексы и системы, а также методы по уменьшению этого воздействия.

Информационные кабельные линии являются особенно уязвимым звеном в любой инженерной, информационной или коммуникационной системе по отношению к поражающему действию сверхмощных ЭМИ. Если сами системы и небольшие объекты, в которых установлены инженерные системы безопасности, можно полностью заключить в защитные экраны, то кабели, проложенные на местности, а также соединяющие отдельные контрольные приборы, либо элементы, представляют достаточно протяженную цепь для проникновения электромагнитного поля высокой мощности. В свою очередь, токи и напряжения, наведенные мощными ЭМИ в оболочках и жилах кабеля, могут оказать деструктивное воздействие на чувствительную аппаратуру, которая нуждается поэтому в устройствах защиты.

К сожалению, несмотря на большой практический интерес вопросы повышения стойкости кабельных цепей к воздействию сверхмощных ЭМИ в конкретной постановке до настоящего времени не нашли должного отражения в технической литературе. Сложность исследования данной проблемы проявляется также и в том, что проделанные теоретические исследования трудно поддаются экспериментальной проверке вследствие высокой стоимости эксперимента и больших территориальных объемов самого эксперимента. В нашем случае, при использовании миниатюрных имитаторов сверхмощных ЭМИ, упрощенный вариант выхода из этого положения - это проведение имитационного физического моделирования электромагнитной обстановки с помощью мощных импульсных разрядников, подключаемых непосредственно к кабелю. Однако, такое подключение не всегда возможно, а главное - не может адекватно и с достаточной точностью повторить кондуктивные импульсные возмущения,

возникающие в кабеле при индукционном (электромагнитно-полевом) воздействии вышеперечисленных реальных источников ЭМИ и необратимо разрушающие слаботочные элементы современного информационного оборудования, высокочувствительного к импульсным перенапряжениям.

Таким образом, становится особо острой проблема создания относительно недорогих, мобильных испытательных имитаторных источников индукционных СЭМИ в кабельных линиях, способных индуцировать в небольших участках реальных кабельных линий такие же, что и реальные источники СЭМИ, по общему разрушающему воздействию, кондуктивные импульсы перенапряжений.

Имитатор источников индукционных СЭМИ (переносной) состоит

из:

1) небольшой разборной экранированной электромагнитной камеры (ЭЭК), надеваемой поверх изоляции на исследуемый кабель;

2) соответствующего комплекса генераторов импульсного тока и напряжения (ГИТ и ГИБ), питаемых от промышленной сети или от автономного источника электроэнергии и

3) контрольно-измерительной аппаратуры (КИА).

Исследования и разработки подобных переносных имитаторов

источников индукционных СЭМИ в кабельных линиях в отечественной и зарубежной литературе не освещены. Однако в создании и исследовании отдельных устройств, подобных перечисленным (ГИТ, ГИН, КИА) приняли достойное участие многие отечественные организации и фирмы, в частности: ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва), ФГУП ВЭИ (г. Москва), МЭИ (г. Москва), РТИ им. академика А.Л. Минца (г. Москва), ФГУП НПО «Астрофизика» (г. Москва), ОАО «ПО «УОМЗ» (г. Екатеринбург), ФГУП ЦКБ «Геофизика» (г.Москва), ОАО НПК НИИДАР (г.Москва), ЫИИПМЭ МАИ (г.Москва), ОАО «ОКБ «Гранат» им. В.К. Орлова и др., а также

многие отечественные и зарубежные ученые, в частности вышеперечисленные, а также С.Б. Резников, В.И.Владимиров, В.И.Дмитриев, М.В. Костенко, М.И. Михайлов, Н.М. Царьков, Ю.Е. Сидельников, А.Д. Князев, И.П. Харченко, Ю.А. Комиссаров, А.Ф. Апорович, С.С. Родионов, Н.И. Калашников, Е.М. Виноградов, В.И. Винокуров, В.Г. Хромых, А.Н. Селяев, М.В. Максимов, С.А. Лютов, В.Ю. Кириллов, В.П. Булеков, С.Р. Мизюрин, В.М. Романов, R.F. Heoberling, M.V. Fazio, Дж. Барнс, Д.П. Бикфорд и др.

Значительное количество публикаций по отдельным вопросам и различным успешным разработкам, появившимся к настоящему времени, не отражают создания переносных имитаторов источников индукционных СЭМИ в кабельных линиях электротехнических комплексов. Это объясняется сложностью генерирования СЭМИ (подобного молнии) при удовлетворительной компактности и стоимости установки. Для этого очевидно требуются новые нетрадиционные принципы соблюдения критериев подобия при имитации, а также новые схемотехнические и

конструкторские решения.

В связи с вышесказанным разработка и исследование указанного имитатора представляются актуальными и способствующими решению проблем, связанных с созданием перспективных высокоэффективных средств защиты электротехнических комплексов и информационных систем безопасности от СЭМИ.

Цель диссертационной работы - разработка на базе нового принципа имитации и новых схемотехнических и конструкторских решений высокоэффективного переносного испытательного генератора источников сверхмощных индукционных электромагнитных импульсов в кабельных линиях электротехнических комплексов, а также исследование его эффективности и предложение рекомендаций по проектированию узлов.

Объект исследования - имитационный генератор электромагнитных импульсов для диагностики стойкости информационных систем безопасности.

Предмет исследования - меры и средства повышения эффективности испытаний на стойкость к воздействию мощных ЭМИ информационных систем безопасности.

Задачи диссертационной работы:

1. Анализ вариантов и принципов имитации сверхмощных ЭМИ.

2. Выбор схемно-конструктивного решения и технических требований имитатора.

3. Выбор критериев оценки эффективности имитатора.

4. Моделирование и оценка сверхмощных электромагнитных импульсов воздействующих на инженерные системы.

5. Экспериментальные исследования эффективности имитатора и средств защиты от СЭМИ.

Методы исследования. При решении указанных задач нашли применение методы теории цепей, теории электромагнитной совместимости, теории поля, линий передач, математический аппарат теоретической электродинамики, уравнений Максвелла, прямого и обратного преобразования Фурье, элементы теории автоматического регулирования, а также методы математического и физического моделирования с учетом критериев подобия. Результаты экспериментальных исследований, полученные в ходе работы, сравнивались с результатами теоретических исследований и расчетных параметров.

Научная новизна: - выявлены условно типовые параметры основных сверхмощных ЭМИ, рекомендуемые для имитации наиболее опасных для электронной

аппаратуры (ЭМИ молнии, ЭМИ ядерного взрыва), а также обобщены критические параметры стойкости элементов к их деструктивным воздействиям;

- модернизирован и реализован принцип имитации деструктивного воздействия сверхмощных ЭМИ: принцип "интегрального импульса", основанный на эквивалентной по результату замене реального ЭМИ последовательностью из "п" менее мощных подобных индукционных ЭМИ; обоснованы базисные критерии подобия;

- предложена методика расчета составляющих полей ЭМИ в электромагнитно - индукционной камере, основанная на анализе передаточных функций для схем замещения уравнений Максвелла;

- разработаны способы расчета и моделирования процессов преобразования в кондуктивные импульсные помехи индукционных ЭМИ, основанные на введении фиктивных эквивалентных источников тока и напряжения, а также на упрощении телеграфных уравнений; разработана программа расчета токов и напряжений, наводимых наносекундными ЭМИ в одиночных кабелях и в системах кабельных линий;

- получены соотношения для процесса распространения кондуктивных импульсных возмущений с учетом влияния стыковочных узлов кабельных соединений;

Практическая ценность работы.

Обобщенным практическим результатом является разработка новых схемотехнических и конструкторских решений для реализации высокоэффективного переносного испытательного имитатора источников СЭМИ на кабельные линии, исследование его эффективности и выработка рекомендаций по проектированию узлов. При этом, в частности:

- разработан компактный и относительно недорогой переносной испытательный имитатор;

- предложена и защищена патентом РФ конструкция разборно-составной электромагнитно-индукционной камеры с новым типом комбинированного испытательного концентратора полей, обладающая большим индукционным эффектом;

- разработаны два типа совмещенных генераторов импульсного тока и напряжения с общим емкостным накопителем и раздельными цепями регулирования, обеспечивающие высокие пиковые значения импульсов в широком спектральном диапазоне (мс, мкс и не);

- исследованы и применены высокоэффективные вторичные источники импульсного питания (ВИИП), обеспечивающие сохранение качества электроэнергии первичной сети при удовлетворительных массо-энергетических характеристиках;

- разработаны индукционные датчики ЭМИ, позволяющие с достаточной для исследовательской практики точностью измерять параметры векторов импульсного поля в камере имитатора;

- предложена приближенная методика расчета составляющих полей ЭМИ в камере имитатора, адекватная задачам проектирования;

- результаты программных расчетов токов и напряжений, наводимых в кабельных линиях наносекундными СЭМИ обобщены, систематизированы и представлены в виде графиков;

- модернизированы методики расчета индукционных магнитометрических и электрометрических д�