Владимир Игоревич Гуревич, кандидат технических наук

Современные резервные источники электропитания на основе незащищенных с помощью специальных мер дизель-генераторных установок будут, с большой степенью вероятности, повреждены на обширной территории при воздействии электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ) или локально, при использовании различных видов электромагнитного оружия и не смогут выполнять свои функции как раз в тех критических ситуациях, для которых они изначально были предназначены. 

В статье предлагаются меры защиты современных дизель-генераторных установок различных мощностей и назначения, оснащенных микропроцессорными контроллерами.   

ВВЕДЕНИЕ

Электромагнитный импульс, возникающий при высотном (40 – 400 км) ядерном взрыве (ЭМИ ЯВ), создает у поверхности земли напряженность электрического поля, достигающую 50 кВ/м, что представляет серьезную опасность для всех видов электрического и электронного оборудования [1]. Проблема защиты дизель-генераторов (ДГ) от воздействия ЭМИ ЯВ приобретает особую актуальность. Во-первых, ДГ являются резервными источниками электропитания, предназначенными для питания особо ответственных потребителей в экстренных ситуациях и поэтому они должны иметь 100-процентную готовность к использованию, включая и ситуацию, связанную с применением высотного ЯВ.  Во-вторых, ДГ хранятся часто вне зданий, частично ослабляющих воздействие ЭМИ.  ДГ, хранящиеся на открытых площадках, могут стать также объектом нападения с использованием преднамеренного электромагнитного деструктивного воздействия (ПЭДВ), для создания которого сегодня имеются компактные возимые источники с излучаемой импульсной мощностью в направленной антенне, достигающей нескольких гигаватт [1].

Сегодня на рынке широко представлены тысячи типов ДГ мощностью от нескольких киловатт до десятков мегаватт. Одни из них выполнены в виде небольшого переносного агрегата открытой конструкции, который можно хранить в защищенном от электромагнитного излучения металлическом контейнере и использовать по мере необходимости после извлечения из этого контейнера. Как правило, такие ДГ малой мощности имеют простую конструкцию без использования чувствительной электроники и относительно дешевы, поэтому использовать какие-то специальные меры для защиты таких ДГ (кроме помещения их в металлический контейнер) нет смысла.

1. Повышенная уязвимость ДГ средней и большой мощности

Индустриальные ДГ средней мощности (от десятков до сотен киловатт) – это уже крупные и тяжелые агрегаты, предназначенные для перевозки. Как правило, они снабжены кожухом, в котором, кроме собственно самого ДГ, смонтированы многочисленные датчики и микропроцессорные контроллеры, управляющие режимом работы ДГ, производящие измерение и индикацию его параметров, защищающие от перегрузки и аварийных режимов. В ДГ большой мощности (1 – 50 МВт) защиту от аварийных режимов часто осуществляют микропроцессорные устройства релейной защиты (МУРЗ) таких же типов, как и те, что применяются на обычных электростанциях. Смонтированы они обычно в стандартных шкафах релейной защиты, установленных внутри кожуха ДГ, таких же, как и те, что применяются в электроэнергетике на электростанциях и подстанциях.

Использование в ДГ средней и большой мощности микропроцессорных контроллеров и МУРЗ, особенно уязвимых к ЭМИ ЯВ и ПЭДВ [2], резко снижает эффективность ДГ как резервного аварийного источника электроэнергии особо ответственных потребителей и поэтому требует срочного принятия специальных мер. При этом следует принять во внимание два принципиально различных с точки зрения защитных мер, режима использования ДГ, в одном из которых ДГ хранятся на складах в обесточенном состоянии, а в другом – постоянно подключены к местной электросети потребителя и могут автоматически запускаться в любой момент времени при возникновении необходимости возобновления прерванного основного электроснабжения или для выравнивания пиков нагрузки. Рассмотрим возможные меры защиты ДГ средней и большой мощности для этих двух случаев.

2. Защита ДГ, хранящихся в отключенном состоянии на открытых площадках

Следует отметить с самого начала, что хранить ДГ на централизованных складах, как это бывает обычно, – неправильный подход. ДГ являются резервными источниками электроэнергии, которые должны быть готовы к использованию в минимально короткий промежуток времени после возникновения чрезвычайной ситуации (в рассматриваемом случае – после воздействия ЭМИ ЯВ). Если учесть, что воздействие ЭМИ ЯВ является всеобъемлющим, создающим проблемы для транспорта, систем связи и компьютеризированного складского оборудования, то становится понятным, что следует стремиться к децентрализации мест хранения резервных ДГ и максимальному их приближению к потенциальным потребителям.

Самым простым решением для обеспечения защиты от ЭМИ внутреннего оборудования ДГ, хранящегося в отключенном состоянии, является внешний металлический кожух, одеваемый сверху на ДГ. Однако у этого решения имеется ряд серьезных недостатков. Во-первых, такой кожух для ДГ средней мощности, длиной 5 – 8 метров, шириной 1.5 – 2 метра и высотой около 3 метров должен быть снабжен специальными элементами жесткости и должен быть сварен из достаточно толстого металла для обеспечения необходимой жесткости конструкции. Такой кожух будет настолько тяжелый, что потребуется использование подъемного крана для его снятия с ДГ и подготовки ДГ к запуску. Вряд ли это можно признать оправданным в критической ситуации. Кроме того, такой кожух обеспечит защиту ДГ с 5 сторон. А как быть с защитой снизу? С неизбежными многочисленными и большими зазорами между стенками кожуха и основанием ДГ? С другой стороны, ДГ средней и большой мощности, как правило, уже снабжены металлическим кожухом. Другое дело, что в этом кожухе имеется большое количество вырезов, отверстий и жалюзи, которые резко ухудшают его экранирующие свойства.

В связи с изложенным, нами предлагается следующая концепция защиты ДГ средней мощности:

  1. Усиление экранирующей способности собственного кожуха ДГ за счет закрытия всех имеющихся в кожухе вырезов, отверстий и жалюзи съемными металлическими накладками, которые могут быть легко демонтированы при подготовке ДГ к запуску.
  2. Отключение разъемов всех электронных приборов и датчиков от внутренней проводки и кабельных жгутов.
  3. Установка в отключенные разъемы как со стороны электронных приборов и датчиков, так и со стороны кабельных жгутов, ответных частей разъемов таких же типов со всеми закороченными ножками. Общие точки соединения всех проводов кабельных жгутов должны быть соединены с шасси ДГ.
  4. Соединение в общую точку всех силовых выводов ротора и статора генератора и соединение этой общей точки с шасси ДГ.
  5. Извлечение электронного блока из силового автоматического выключателя на выходе генератора и помещение его в экранированную оболочку.

Рис. 1. Окна, напротив экранов управляющих контроллеров,

вырезанные в кожухах большинства типов ДГ.

При реализации п. 1 предложенной концепции следует особое внимание обращать на окно, вырезанное в кожухе ДГ напротив экрана микропроцессорного контроллера. Такие окна имеются в большинстве типов ДГ, рис. 1. Они предназначены для визуального наблюдения за показаниями контроллера и представляют собой наибольшую опасность с точки зрения уязвимости ДГ. Эти окна должны быть наглухо закрыты с помощью стальной пластины, приваренной или укрепленной на болтах с применением прокладки по контуру из электропроводной резины.  За показаниями на экране контроллера не наблюдают в постоянном режиме, а при запуске ДГ достаточно проконтролировать его параметры, открыв двери в кожухе ДГ в месте расположения контроллера. Можно, конечно, при особой необходимости, приварить небольшую дверцу напротив экрана контроллера вместо стальной пластины или использовать электропроводное стекло, закрывающее окна, или наклеить на обычное стекло прозрачную электропроводную пленку [3]. Однако нужно понимать, что все эти альтернативные варианты будут менее эффективны, чем первый.

Второй мерой усиления экранирующей способности кожуха ДГ является закрытие вентиляционных решеток и жалюзи (рис. 1) сплошной стальной пластиной с креплением на приваренных болтах и электропроводной резиновой прокладкой по контуру. Перед запуском ДГ эти экранирующие пластины должны быть демонтированы. Еще одним крупным отверстием в кожухе ДГ является вырез для внешних силовых кабелей, подключаемых к ДГ. Это отверстие также должно быть закрыто съемной стальной накладкой с креплением на болтах.

Рис. 2. Стандартные разъемы различных типов,

используемые для подключения датчиков в ДГ.

При реализации последующих пунктов предлагаемой концепции, связанных с отключением высокочувствительного электронного оборудования от внутренней электрической сети, нужно иметь в виду, что все точки вмешательства во внутренний монтаж ДГ должны быть записаны в чек-лист и каждая операция по отключению и восстановлению цепей должна отмечаться в этом чек-листе.

Рис. 3. Распространенный контроллер ДГ типа EMCP 4.

Многочисленные датчики в ДГ подключаются к кабельным жгутам с помощью стандартных разъемов (рис. 2), поэтому закупить ответные части к этим стандартным разъемам и использовать их в качестве заглушек для закорачивания выводов датчиков и проводов в жгутах не составляет проблемы.

В различных типах ДГ используются различные типы контроллеров и часто производители этих контроллеров используют в них для подключения внешних цепей нестандартные разъемы собственного производства. Например, один из таких разъемов, обозначенный в документации как 160-7689 использован в распространенном контроллере типа EMCP 4, широко применяемом в ДГ различных типов (рис. 3). Непосредственно на дизелях некоторых типов имеется еще один такой нестандартный разъем, обозначенный как 9X-4391. Однако наличие таких нестандартных разъемов не является непреодолимой проблемой, поскольку эти и многие другие типы разъемов, применяемых в ДГ, свободно продаются в качестве запасных частей и могут быть приобретены не только у производителя контроллеров, но даже и в виртуальных торговых сетях типа eBay, (рис. 4) по сравнительно невысокой цене в 50 – 60 долларов США.

Рис. 4. Нестандартные разъемы типов 160-7689 и 9Х-4391 контроллеров ДГ,

которые могут быть свободно приобретены на рынке

 

3. Защита ДГ, подключенных к сети потребителя

Здесь возможны два случая:

— стационарные ДГ, установленные на постоянном месте и запускаемые автоматически по мере необходимости;

— перевозимые ДГ, которые лишь временно устанавливаются для питания потребителя и предназначены для частых запусков или для непрерывной работы в определенные ограниченные периоды. В определенных случаях такие ДГ могут запускаться в работу заранее, при получении разведданных об опасности готовящегося электромагнитного воздействия и поэтому могут находиться в работе в момент воздействия ЭМИ.

В первом случае наиболее эффективной защитой является размещение ДГ в закрытом контейнере из железобетона с мелкоячеистой арматурой и металлическими дверями или сваренного из металлического листа. Такие контейнеры не должны содержать окна, а их вентиляционные отверстия, служащие для забора внешнего воздуха для охлаждения ДГ и для сброса нагретого воздуха наружу, а также отверстия для отвода выхлопных газов, должны быть закрыты специальными блоками с ячеистой структурой. Такие блоки, закрывающие вентиляционные отверстия хорошо видны на рис. 5.

Рис. 5. Защитные контейнеры для стационарных ДГ. Вентиляционные отверстия закрыты

специальными блоками с ячеистой структурой.

Рис. 6. Блоки с ячеистой структурой, предназначенные

для установки на вентиляционных отверстиях.

Блоки с ячеистой структурой (рис. 6) выполнены из набора сваренных по длине трубок круглого или прямоугольного (иногда шестиугольного) сечения. Назначение этих блоков – обеспечивать прохождение потока охлаждающего воздуха (или выхлопных газов), но при этом препятствовать проникновению электромагнитного излучения в защищаемую зону.

Как известно, полая металлическая трубка может служить волноводом, по которому может проходить высокочастотная электромагнитная волна. Но для того, чтобы такая трубка стала волноводом, она должна иметь вполне определенные геометрические размеры, связанные с длинной волны. Если эта трубка (волновод) имеет другие размеры, то она вносит очень существенные затухания, доходящие до 80 – 100 децибелл (дБ), то есть фактически не пропускает через себя электромагнитную волну. Такие волноводы, не пропускающие электромагнитные волны с частотой ниже определенного значения (называемого частотой среза), называются запредельными. Размеры запредельных волноводов (в нашем случае это размеры трубок, из которых изготовлены блоки ячеистой структуры) рассчитываются по известным формулам — рис. 7.

Как видно из кривых, приведенных на рис. 7 (полученных в [4] по результатам расчета по этим формулам), свойства запредельных волноводов ослаблять электромагнитное излучение сохраняется в широком диапазоне частот вплоть до частоты среза. Для обеспечения надежной работы запредельного волновода, его частота среза должна быть выбрана с полуторакратным запасом по отношению к максимальной рабочей частоте. В военном стандарте [5] приведены соотношения для выбора размеров элементарных трубок прямоугольного сечения для ячеистой структуры, рис. 8.

Рис. 7. Зависимость коэффициента ослабления электромагнитного излучения (K)

запредельными волноводами от их геометрических размеров и частоты.

L – длина волновода круглого сечения; D – диаметр волновода; f – частота излучения; fC – частота среза.

Рис. 8. Соотношения для выбора размеров элементарных трубок

прямоугольного сечения для ячеистой структуры [5].

Помимо рассмотренных выше блоков с ячеистой структурой, ДГ, расположенный в защитном контейнере, может содержать специальные ЭМИ фильтры, включаемые между силовыми выводами ДГ и нагрузкой, расположенной вне защищенной зоны. Такие фильтры, рассчитанные на полный ток нагрузки (рис. 9), являются достаточно крупными и тяжелыми устройствами и могут крепиться на защитном контейнере таким образом, чтобы в защищенную зону заходили лишь выходные кабели фильтров, «очищенные» от импульсных перенапряжений и мощных высокочастотных сигналов.

Рис. 9. Мощные ЭМИ фильтры для силовых цепей на токи 800 и 1200 А

То же самое относится и ко всем контрольным кабелям, которые также могут быть пропущены через соответствующие фильтры, прежде чем они попадут в защищенную зону. Все эти фильтры должны быть расположены в отдельном контейнере, рис. 10.

Рис. 10. Защитный контейнер для стационарного ДГ.

1 – блок фильтров; 2 – блок с ячеистой структурой,

закрывающий отверстие для сброса воздуха и выхлопную трубу;

3 – блок ячеистой структуры, закрывающей отверстие для забора внешнего воздуха.

В принципе, такими защитными контейнерами вполне могут снабжаться не только стационарные, но и перевозимые ДГ относительно небольшой мощности (до 100 – 200 кВт). Такие защищенные ДГ выпускаются некоторыми компаниями, например, компанией EMP Engineering. Стоимость ДГ мощностью 60 кВт в защитном контейнере этой компании составляет 85 тысяч долларов США.  Такие ДГ, как и расположенные в стационарных защитных контейнерах, могут нормально работать и во время воздействия ЭМИ ЯВ.

С учетом того, что воздействие ЭМИ ЯВ имеет глобальный характер и поражает обширные регионы или даже целые страны, подход к использованию резервных ДГ должен быть иной, нежели при других обстоятельствах, таких как техногенные или природные катастрофы, которые, во-первых, ограничены по площади, а во-вторых, эти площади заранее не могут быть определены. В отличие от локальных техногенных или природных катастроф, конкретные места установки резервных ДГ в случае воздействия глобального ЭМИ могут быть определены заблаговременно. В связи с этим, одним из возможных путей решения проблемы защиты тяжелых и крупногабаритных перевозимых ДГ большой мощности (свыше 0.5 — 1 МВт), без защитных контейнеров, предназначенных для работы у различных потребителей во время воздействия ЭМИ, может быть заблаговременная установка полностью укомплектованных пустых защитных контейнеров у особо ответственных потребителей, которых планируется обеспечивать электроэнергией от резервных ДГ во время воздействия ЭМИ. При этом ДГ должны будут доставлены на место и смонтированы в заранее приготовленных защитных контейнерах.

Заблаговременный перевод ответственных потребителей на электроснабжение от ДГ и отключение централизованного электроснабжения при опасности ЭМИ ЯВ имеет дополнительный эффект, связанный с существенным уменьшением риска серьезного повреждения энергосистемы, если она находится в погашенном (отключенном) состоянии и поэтому может быть востребован на практике.

Более сложный и менее надежный путь решения проблемы обеспечения работоспособности крупных ДГ, не имеющих специального дополнительного защитного кожуха, во время возможного воздействия ЭМИ, заключается в использовании набора известных стандартных мер защиты электрического и электронного оборудования электростанций и подстанций [7] в дополнение к установке блоков ячеистой структуры на вентиляционных отверстиях, силовых фильтров и заваривания окна напротив контроллера. Упомянутыми известными мерами защиты являются [7]:

— использование экранированных контрольных кабелей внутри кожуха ДГ;

— использование металлических кабельных лотков вместо пластмассовых;

— использование фильтров, врезаемых в контрольные кабели, или ферритовых фильтров, надеваемых на жгуты контрольных кабелей;

—  установка ограничителей перенапряжений на основе оксидно-цинковых варисторов или мощных лавинных диодов во всех силовых и контрольных цепях;

— включение высокочастотного дросселя в цепь заземления.

Следует признать, что этот путь решения проблемы является наиболее сложным в реализации для потребителя, имеющего незащищенный ДГ, тем не менее, в некоторых конкретных случаях он может оказаться предпочтительным. Например, если перечисленные выше меры защиты будут реализованы производителем ДГ на стадии выполнения заказа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные в статье технические меры защиты от воздействия ЭМИ охватывают ДГ всевозможных типоразмеров и назначений. Реализация этих мер вполне доступна для технического персонала средней квалификации и требует вполне умеренных затрат. Следует понимать, что без этих дополнительных затрат ДГ не смогут выполнять свои функции в случае использования ЭМИ в качестве поражающего фактора.

Литература:

  1. Гуревич В. И. Защита оборудования подстанций от электромагнитного импульса. – М.: Инфра-Инженерия, 2016. – 302 с.
  2. Гуревич В. И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты: проблемы и решения. – М.: Инфра-Инженерия, 2014. – 256 с.
  3. Гуревич В. И. Основные средства защиты подстанций от ЭМИ ЯВ: краткое руководство — Энергетика и электрооборудование, 2017, № 4, с. 12 – 15.
  4. Ивко А. Экранирование радиоэлектронной аппаратуры, как метод обеспечения электромагнитной совместимости. — Современная электроника, 2015, № 8, с. 86 – 90.
  5. MIL-STD-188-125-1. High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) Protection for Ground-Based C4I Facilities Performing Critical, Time-Urgent Mission. Part 1. Fixed Facilities, US Department of Defense, 1998.