CC BY
108
ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
НА КОМПЬЮТЕРЫ
Соколов Евгений Глебович,
МТУСИ, Москва, Россия
Морозов Борис Николаевич,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова: напряжённость электрического поля, внутриоблачные разряды, система контроля, электростатические разряды, излучение компьютера.
Возрастает число насыщенных компьютерами корпоративных сетей. Однако одновременно возрастает и число влияющих источников. Основными источниками внешних полей для компьютеров являются соединительные и подводящие провода, грозовые разряды, аварии и переключения в сети питания (сопровождающиеся резким возрастанием переходных токов в более высокочастотной области), рост амплитуды и спектра высокочастотной мобильной связи, электростатические разряды. Напряжённость электрических полей вне здания может составлять величину в десятки кВ/м, а магнитных полей сотни и даже тысячи А/м. Спектр внешних воздействий достигает десятков ГГц. В этих условиях внутри здания возникают помехи, воздействующие на установленную аппаратуру и компьютеры. Буквально в последние годы В.Раковым (университет Флориды) и др. проанализирован механизм ещё одного вида грозовых разрядов - внутриоблачных (по американской терминологии CID - compact introcloud discharges), ответственных за излучения в спектре до 30 МГц.
Известно, что корона на проводах ЛЭП является сильным источником высокочастотных помех. Негладкость проводов, их загрязнение и влажность приводят к возникновению электрического разряда с поверхности провода. Очаги разрядов возникают в отдельных местах вдоль провода, а также на арматуре крепления проводов у гирлянд изоляторов, распорках на расщеплённой фазе и других местах. Отмечено возникновение короны на арматуре крепления оптических кабелей, подвешенных на опорах контактных сетей электрифицированных железных дорог и опорах высоковольтных ЛЭП. Распространение современных методов отделки помещений, широкое применение синтетических покрытий полов, стен, использование пластмассы и т.п. привели к увеличению внутри помещений числа электростатических разрядов (ЭСтР), непосредственное действие которых, а также их электромагнитное поле оказывает существенное воздействие на персонал и аппаратуру, установленную в помещении.
Если учесть продолжающуюся тенденцию к микроминиатюризации элементов устройств, то воздействие электростатических разрядов становится опасным не только для людей, но и для установленной аппаратуры. Особенно чувствительны к электростатическим разрядам полупроводниковые устройства типа p-n. Отдельные блоки и узлы аппаратуры связи, микропроцессоры, а также портативные электронные устройства, такие как карманные компьютеры, электронные записные книжки, словари и т.п. становятся всё меньше по размеру, более высокочастотными и чувствительными к внешним электромагнитным воздействиям. Рассматриваются конкретные воздействия действующих полей, их некоторые характеристики и возможные меры защиты.
Информация об авторах:
Соколов Евгений Глебович, аспирант Московского технического университета связи (МТУСИ), Москва, Россия
Морозов Борис Николаевич, к.т.н., доцент, Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ),
Москва, Россия
Для цитирования:
Соколов Е.Г., Морозов Б.Н. Воздействия внешних электромагнитных полей на компьютеры // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №11. С. 52-56.
For citation:
Sokolov Y.G., Morozov B.N. (2017). The electromagnetic fields influence upon computers. T-Comm, vol. 11, no.11, рр. 52-56. (in Russian)
Корпоративные сети получают всё большее распространение, и их насыщенность компьютерами и сложной аппаратурой возрастает. Одновременно возрастает число влияющих источников, расположенных как снаружи, так и внутри здания с установленной аппаратурой. В частности влияниям подвергаются компьютеры, которые в свою очередь также являются источниками излучений, воздействующими на окружающее пространство.
Основными источниками внешних полей для компьютеров являются соединительные и подводящие провода, грозовые разряды, аварии и переключения в сети питания (сопровождающиеся резким возрастанием переходных токов в более высокочастотной области), рост амплитуды и спектра высокочастотной мобильной связи, электростатические разряды, Напряжённость электрических полей вне здания может составлять величину в десятки кВ/м, а магнитных полей сотни и даже тысячи А/м. Спектр внешних воздействий достигает десятков ГГц. В этих условиях внутри здания возникают помехи, воздействующие на установленную аппаратуру и компьютеры. Вокруг заземляющих проводников и металлических конструкций, проводящих переходные токи, возникают магнитные поля, амплитуды которых могут достигать сотен и даже тысяч Л/м. С помощью экранов влияние можно уменьшить, однако защититься от магнитного поля значительно труднее чем от электрического. Особенно плохо металлы защищают от повторяющегося импульсного или от пульсирующего полей, так как ферромагнетики имеют свойство насыщения. Если период магнитных биений больше, чем время затухания вихревого тока, возникает переход от магнитной непрозрачности к полной магнитной прозрачности и проникновению неослабленного магнитного поля к защищаемым элементам. Проникающее поле может разрушить чувствительные элементы в электронных устройствах и даже перемагнитить память. Если компьютер находится в небольшом объёме со сторонами примерно 1 м, и вблизи протекает ток с амплитудой порядка от 1 до 2,5 кЛ двойной экспоненциальной формы, то нормальная работа компьютера прекращается при значениях полей от 0,2 до 2,5 мТ в зависимости от наличия стенок на системном блоке и формы волны влияющего импульса. Величина 1,2 мТ является пороговой величиной, при которой происходит нарушение работы компьютера даже при наличии защитных стенок при волне с фронтом 1,2-1,5 мксек. Разрушение пульта и мыши происходит при электрическом поле порядка 30 кВ/м и магнитном поле 2,9 мТ [1].
Низшим уровнем контроля за системой компьютеров является система DDC, которая контролирует работу мониторов, состояние работающих систем и соединяется с компьютерным уровнем через определённые интервалы. Сердцем DDC является вид микроэлектронного контроллера, работающего при низком напряжении. К сожалению, часто поблизости находятся и устройства высокого напряжения и устройства с большими протекающими токами. Вдобавок контроллер часто связан с уровнем компьютеров длинными проводами, которые подвержены помехам различного происхождения вплоть до статических разрядов. Абсолютная защита этих проводов невозможна. Однако существует несколько возможностей, таких как оптические изоляторы, изолирующие трансформаторы и т.д. С появлением так называемых "интеллигентных" зданий вместо традиционного
централизованного контроля компьютерных систем получает распространение система распределённого контроля за компьютерами DCCS (distributed computer control system), которая работает на уровне файлов и по сравнению с системой централизованного контроля работает в более усложнённых условиях.
Если длина соединительной витой пары составляет 30 см, то при напряжённости импульсного электрического поля Е = 12 кВ/м и длительности импульса около 1 мсек максимальное наведённое
напряжение на нагрузке составит примерно 3 вольта. Обычно размеры системы DDC малы, и наводки в цепях DDC" также невелики. Чтобы надёжно обезопасить их от помех, проникающих через кабели, входящие и выходящие экранированные кабели теоретически могут быть снабжены фильтрами, но на практике фильтры являются сложными устройствами и стоят дорого. Эффективную защиту обеспечивает заключение кабеля в металлическую трубу.
Буквально в последние годы В.Раковым (университет Флориды) и др. проанализирован механизм ещё одного вида грозовых разрядов - внутри облачных (по американской терминологии CID - compact introcloud discharges), ответственных за излучения в спектре до 30 МГц. Как выяснили В.Раков и др.12], механизм этих разрядов таков. Они случаются в грозовых облаках, расположенных на большой высоте (10-15 км) от поверхности земли, где величина поля недостаточна для пробоя к земле. Как известно, облака в нижней своей части, как правило, заряжены отрицательно. При достижении критической величины напряжённости электрического поля в отдельных местах начинается разряд из нижней части облака к заряженной положительно верхней части. Разряд обычно движется со скоростью порядка 200 м/мке (две трети от скорости свега), и, если толщина облака небольшая (на такой высоте не больше нескольких сот метров), за доли микросекунды начало разряда достигает верхней части облака. Здесь пришедший заряд частично поглощается, частично отражается в обратном направлении. Возникает так называемая подпрыгивающая волна - «bouncing wave». Этому словосочетанию лучше всего соответствуют в русском языке понятие «пульсирующая волна». Путём экспериментальных исследований, в том числе на моделях, В.Ракову удалось выяснить, что коэффициент отражения заключён в пределах от 0 до -0,5. Далее импульс тока движется вниз, и в конце пути внизу облака происходит новое отражение. Полная волна тока имеет длительность порядка нескольких десятков микросекунд, и она много больше времени прохождения отражённых волн вверх-вниз. Основная волна продолжает развиваться, на неё периодически накладываются отражения начала импульса от концов канала. Волна приобретает вид импульса, на который наложены многочисленные скачки, связанные с наложением отражённых волн. Расстояние между скачками соответствуют времени обхода канала туда-обратно, то есть порядка долей мкс. График крутизны поля (dE/dt) показан на рис. 1.
Электрическое поле внутриоблачного разряда у поверхности земли имеет индукционную, статическую и радиационную составляющие. Па расстоянии 2 км (по горизонтали) превалирует индукционная составляющая, так что поле по форме практически совпадает с основной волной тока.
T-Comm Vol. 11. #11-2017
7Т>
На расстоянии 200 км поле представляет собой радиационную составляющую и измеренная величина достигала амплитуды 1,5 В/м (при токе около 50 кА).
•2 0 2 4 6 8 10 12 14
Рис. 1. График изменения крутизны поля «прыгающего» разряда.
Расстояние между скачками соответствует времени прохождения импульсом тока толщины облака
Вспышка излучения имеет спектр до 30 МГц, так что эти воздействия опасны для спутников и других летающих объектов, например, для безлицензионных беспроводных технологий, таких как так называемая аэростатная связь. «Скачущая» или «пульсирующая» волна ответственна за вспышки излучения, которые происходят примерно каждые At = 1 / v = 100 m / 200 (m/цз) = 0.5 мкс (при толщине облака 100 м), когда прыгающая волна достигает конца канала. Амплитуда отражённой волны увеличивается, если условия на конце канала приближаются к «холостому ходу».
Пробои и рассеивание энергии при отражениях на концах канала делают процесс нелинейным и затрагивают электронные оболочки атомов. Отражения и скачки крутизны при отражении сопровождаются вспышками высокочастотного излучения. Полная амплитуда тока может достигать величины в несколько десятков килоампер, так что энергия излучения достаточно велика. Явления при отражениях от концов подобны явлениям, происходящим при короне на проводах высоковольтных линий электропередачи. Внутри-облачные разряды CID вполне могут быть ответственны за сбои в работе высотных систем связи, а также радиорелейных линий, наряду с коронными разрядами высоковольтных линий электропередачи и тиристорными системами управления.
Известно, что корона на проводах ЛЭП является сильным источником высокочастотных помех [3]. Не гладкость проводов, их загрязнение и влажность приводят к возникновению электрического разряда с поверхности провода. При повышении напряжения коронный разряд переходит в стри-мерную форму. Развитие стримера сопровождается протеканием импульса тока с фронтом порядка 0,1 мкс и полной длительностью а десятые доли микросекунды, что соответствует частотам порядка нескольких мегагерц. Очаги разрядов возникают в отдельных местах вдоль провода, на которых имеется повышенная напряжённость поля вследствие загрязнения и повреждений. Они могут появиться также на арматуре крепления проводов у гирлянд изоляторов, распорках на расщеплённой фазе и других местах. Отмечено возникновение короны на арматуре крепления оптических кабелей, подвешенных на опорах контактных сетей элек-
трифицированных железных дорог [4] и опорах высоковольтных ЛЭП. Метеорологические условия оказывают существенное влияние па развитие коронного разряда на проводах линий. Осадки (дождь, снег, изморозь) значительно увеличивают число очагов короны. Ионы от провода могут удаляться на расстояние до 60 см. Уход электронов из стримера на провод вызывает импульс тока. Число импульсов тока в одном очаге может изменяться от десятков до нескольких сотен в секунду. Среднее значение длины фронта импульсов составляет 0,08 мксек, а длина на уровне половины амплитуды 0,21 мксек. Спектр электромагнитных волн, распространяющихся вдоль линии, определяется интегральным эффектом от всех очагов короны. Он чрезвычайно широк — от сотен килогерц до сотен мегагерц. Время фронта может составлять десятые доли наносекунды, при этом основная энергия заключена в спектре от 500 до 600 МГц, амплитуда наведённых на проводах соседней линии сигналов — от нескольких вольт до нескольких десятков вольт. Время фронта положительной короны порядка 2 не, отрицательной - 0,8 не, амплитуда токов отрицательной короны больше, чем положительной. Корона на арматуре крепления оптических кабелей может вызывать оплавления и повреждения оболочки кабеля.
Излучение радиопомех при работе высоковольтных линий электропередачи производится расщеплёнными проводами, коронными разрядами, утечками через изоляторы, в моменты включения и выключения при плохих контактах, при резких изменениях нагрузки, при воздушных искровых разрядах и т.д. Часто эти явления имеют прямую связь с погодой. В 80% случаев в течение года эти излучения не превышают допустимого уровня, но иногда эти влияния очень велики.
При удалённых разрядах электрическое поле вблизи кабеля очень мало. Магнитное поле удалённых грозовых разрядов в среднем можно оценить величиной порядка 15 мА/м.
К серьёзным источникам электромагнитного воздействия на линии и аппаратуру связи, установленные в здании, относятся также статические разряды [5].
Распространение современных методов отделки помещений, широкое применение синтетических покрытий полов, стен, использование пластмассы и т.п. привели к увеличению внутри помещений числа электростатических разрядов (ЭСтР), непосредственное действие которых, а также их электромагнитное поле оказывает существенное воздействие на персонал и аппаратуру, установленную в помещении. Если учесть продолжающуюся тенденцию к микроминиатюризации элементов устройств, то воздействие электростатических разрядов становится опасным не только для людей, но и для установленной аппаратуры. Особенно чувствительны к электростатическим разрядам полупроводниковые устройства типа р-п. Их чувствительность зависит от геометрии и размеров устройства, наличия и расположения металлических деталей, наличия примесей, собственной ёмкости, теплового сопротивления, токов обратной утечки и пробивного напряжения. У транзисторов наибольшей чувствительностью обладает переход эмиттер-база. Согласно некоторым исследованиям наиболее чувствительными являются биполярные транзисторы. Отдельные блоки и узлы аппаратуры связи, микропроцессоры, а также портативные электронные
T-Comm Том 11. #11-20 17
устройства, такие как карманные компьютеры, электронные записные книжки, словари и тл. становятся всё меньше по размеру, более высокочастотными и чувствительными к внешним электромагнитным воздействиям.
Более подробные исследования позволили установить, что для высокочастотных транзисторов очень чувствительным к электростатическим разрядам является также переход коллектор-база. По мере увеличения мощности пороги чувствительности увеличиваются.
Электростатический разряд возникает в виде внезапного обмена зарядами между объектами с различным электростатическим потенциалом. Этот разряд может причинить вред человеку, повредить схему и изменить электрические характеристики полупроводниковых устройств, вызвать их разрушение или деградацию параметров как посредством напряжения и тока, так и воздействием связанного с ними электромагнитного поля. Стандарт МЭК устанавливает уровень контактного напряжения в 8 кВ, однако последние измерения показали, что его величина может достигать 20 кВ, а ток разряда — десят ков мА.
Типичная форма разрядов имеет крутой всплеск с фронтом порядка 1 мке и даже менее, затем такое же быстрое уменьшение примерно до половины амплитуды с последующим медленным небольшим подъёмом и спадом до нуля за несколько десятков микросекунд. Измерения показывают, что спектр наводок от электростатических разрядов чрезвычайно широк и может достигать 2 ГГц, но большая часть энергии выделяется в низкочастотной части спектра до 0,2 ГГц. Мощность излучения при этом уменьшается в спектре до 0,2 ГГц на 4 порядка, а от 0,2 до 2,0 ГТц ещё на 4-5 порядков. Изменения электрического тока проводимости вызывают изменения электрического и магнитного поля и большие токи смещения в устройствах связи. Крутизна тока, в соответствии со стандартом МЭК, может достигать величины 4,2 ГА/с, но согласно отдельным измерениям может быть даже на порядок выше (45 ГА/с), что характеризует скорость изменения поля и величину токов смещения. ЭСтР генерирует не только ток проводимости, но и производит ток смещения, который возникает из энергии, запасённой электромагнитным полем в пространстве между заряженными объектами.
1 - ток проводимости; 2 - ток смещения
Амплитуда тока смещения может быть даже больше амплитуды тока проводимости, В отличие от тока проводимости ток смешения имеет большой всплеск в самом начале, который за 1,5-2 мке падает до нуля, переходя в колебательный разряд малой амплитуды (рис. 2).
Оказалось также, что на амплитуду тока разряда и его крутизну влияет скорость сближения объектов. Коэффициент корреляции возрастает при увеличении скорости сближения от 1 до 50 см/с. 11охоже, что реальное воздействие ЭСтР несколько больше предполагавшегося рамками Рекомендаций МЭК. Для исследования электростатических разрядов разработаны специальные имитаторы, которые повторяют рекомендуемую форму импульсов.
Хорошо известно, что все компоненты компьютера излучают, и теоретически возможно перехватить команды. Силовые и заземляющие линии, кабели связи, периферийное и другое оборудование в компьютерной системе являются источниками излучения. Среди них самым мощным источником эмиссии является видеодисплей. Следующие характеристики излучения получены из экспериментальных данных:
1) Основной шум сосредоточен в низкочастотной области менее 10 кГц и около 100 МГц.
2) Энергия излучения от видеодисплея концентрируется на частоте между 10 кГц и 100 МГц, а также вблизи 150 МГц.
3) Излучение системного блока компьютера может быть найдено на частоте ниже 450 МГц, где имеется несколько пиков амплитуды, в том числе на частоте 200 МГц, и несколько гармонических компонент.
4) Сканирование в спектре частот до 1,8 ГГц показало, что на расстоянии от 0,5 до 2 м от компьютера напряжённость поля составляет величину до 75 мкВ.
5) Разные типы компьютеров имеют сходные излучения.
Выпущенное Международным Союзом электросвязи
Руководство по заземлениям рекомендует проектирование и оборудование заземлений начинать до строительства самого здания. Точно также предварительный учёт возможных помех и мер защиты позволяет существенно сэкономить средства на оборудование защиты.
1. Соколов Е.Г. I 1скоторые вопросы электромагнитной совместимости в корпоративных сетях. РАН. Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. Материалы Международной научно-технической конференции «Intermatic-2011», 14-17 ноября 2011 г., часть 3, Москва-2011. С. 167-169.
2. A. Nag, V.A.Rakov. D.Tsalikis. New experimental data on lightning events producing intence VHK radiation bursts. EOS trans. AGU vol.89, №53.
3. Michel Ianoz. Power network Disturbances due to the Presence of FACTS. Proceedings. Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics CEEM'2009. Pp. 1-4.
4. Филиппов Ю.И. и др. Электротермическая деградация оптического кабеля // Lightwave. Русское издание. №3 и №4,2006.
5. Соколов С.А. Воздействие электростатических разрядов на устройства связи / Международный форум информатизации (МФИ-2006). Международный конгресс "Коммуникационные технологии и ссти" (CTN-2006). Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы", Москва, 29 ноября 2006.
Литература
Y
COMPUTER SCIENCE
THE ELECTROMAGNETIC FIELDS INFLUENCE UPON COMPUTERS
Yevgeny G. Sokolov, Moscow technical university of communications and informatics, Moscow, Russia Boris N. Morozov, Moscow technical university of communications and informatics, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract
The number of corporate networks with numerous computers increases. The number of influencing sources increases too. The main sources of external fields for computers are connective and joining leading conductors, lightning discharges, damages and switching in power networks (which is accompanied by growth of transient currents), growth of amplitude and spectrum of mobile communication, electrostatic discharges. External fields intensity can have outside building tens kV/m and magnetic fields can come to hundreds and thousands A/m. The external influences spectrum reaches some tens GHz. On these conditions disturbances rise inside the building and influence upon established devices and computers. Meanwhile investigations, that were conducted last years by Rakov (Florida university) have showed that there is one more mechanism of lightning discharges: CID - compact introcloud discharges, that are responsible for radiation banding up to 30 MHz MHz. Inside cloud upstairs it is possible appearance of bouncing wave, that can have some V/m even distantly 200 km. It is known too, that corona on power line is very strong source of high-frequency disturbances. Absence of smoothness, dirtying and humidity put to electrical discharge rise from surface of conductor. Discharges centers are rising in some places along conductor and its mount armature near insulators, in spreader of split phase and other places. Modern finishing apartments methods, the wide spreading of synthetic floor and wall covering has brought to electrostatic discharges indoor (ESD), which direct action and its electromagnetic field exerts essential influence upon staff and devices that are installed indoor.
The tendency to microminiaturization in components of devices is lasting and electrostatic influence comes dangerous for staff and for installed equipment. Semiconducting devices of p-n type are particularly sensible to electrostatic discharges. Individual blocks and units, microprocessors, portable electronic devices, pocket computers, alphabetic directories, dictionaries are standing very small, more sensitive to high frequency and electromagnetic influences. It is well known that all the computer components radiate and it is possible to intercept its commands. In this paper some concrete influences of acting fields are examined, some their characteristics and possible protective actions.
Keywords: electric field intensity, intracloud discharge, control system, electrostatic discharge, computer radiation. References
1. Sokolov Y.G. (2011). Some subjects of electromagnetic compatibility in corporate networks. Proceedings of international conference "Intermatic-2011", 14-17 November, part 3, Moscow, pp.167-169. (in Russian)
2. Nag A., Rakov V.A., Tsalikis D. New experimental data on lightning events producing intence VHF radiation bursts. EOS trans. AGU vol. 89, № 53.
3. Michel lanoz. (2009). Power network Disturbances due to the Presence of FACTS. Proceedings. Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics CEEM'2009, pp. 1-4.
4. Philippov J.I. et al. (2006). Electrothermal degradation of optical cable. Lightwave, Russian edition, no.3 and no. 4. (in Russian)
5. Sokolov S.A. (2006). Electrostatic influence upon communication devices. Proceedings of CTN-2006. (in Russian)
Information about authors:
Sokolov Yevgeny Glebovich, Post-graduate student, Moscow technical university of communications and informatics, Moscow, Russia
Morozov Boris Nikolaevich, Candidate of technical science, docent, Moscow technical university of communications and informatics, dean's office of SISS,
Moscow, Russia
m
