CC BY
155
Защита информации от электромагнитных импульсов в интеллектуальных зданиях
Статья посвящена вопросам воздействия внешних электромагнитных полей на электронные системы и аппаратуру, установленные внутри технических и интеллектуальных зданий. По данным японских исследователей напряжённость электрического поля внутри здания может достигать величины 80-90 В/м в диапазоне от 0,3 до 2 ГГц. При этом наряду с существующими источниками электромагнитных импульсов от молнии, статического электричества, коротких замыканий в силовых линиях и от других технических устройств появляются преднамеренные электромагнитные воздействия. Рассматриваются возможные источники внешних полей, пути проникновения полей в здание, величины наведённых помех, а также основные защитные меры, в том числе такие, как клетка Фарадея и экранирование. Средства вычислительной техники обслуживаются кабельными линиями, которые в общем случае представляет собой сложную разветвлённую структуру с различной топологией из различного типа кабелей. Система может быть разложена на простые объекты, между которыми существует взаимосвязи, которые могут быть проанализированы и учтены. Рассматривается также метод DAS защиты зданий с помощью игольчатых ионизаторов.
Ключевые слова:
электромагнитные воздействия, электронные системы, источники полей, напряжённость поля, меры зашиты.
Морозов Б.Н., Соколов Е.Г.
Функции общества стали зависимыми от правильного функционирования средств вычислительной техники, которые часто работают в сложной электромагнитной обстановке. Объектами электромагнитного воздействия являются электронные системы и аппаратура различного назначения, структурированные кабельные системы локальных вычислительных сетей, системы электропитания. Средства вычислительной техники часто обслуживаются структурированными кабельными системами (СКС), которые в общем случае представляет собой сложную разветвлённую йпт из различного типа кабелей и оборудования. Топология систем может быть реализована в виде шины, звезды, кольца или их комбинаций с общей длиной несколько сот метров. При комбинации нескольких типов топологий сложная система может быть разложена на простые объекты, между которыми существует система взаимосвязей и которые могут быть проанализированы. Анализ связей может позволить рационально и оптимально определить меры защиты от внешних влияний. СКС является одним из самых подверженных влияниям объектов. По данным японских исследователей [1] в диапазоне от 0.3 до 2 ГГц напряжённость электрического поля вблизи неэкранированной витой пары может достигать величины 80-90 В/м. При этом наряду с существующими источниками электромагнитных импульсов от молнии, статического электричества и коротких замыканий силовых линий появляются преднамеренные электромагнитные воздействия. Возникновение проблемы связано с развитием возможности изготовления компактных устройств, способных создавать мощные сверхкороткие ЭМИ. По мнению экспертов, подобное сверхширо-кополосное электромагнитное оружие будет одним из главных видов оружия в будущем [2]. Источник сверхкоротких мощных ЭМИ может создавать импульсы с амплитудой до 10 кВ и длительностью порядка нс. Излучаемое поле на расстоянии 3 м может составлять 3 кВ/м. Размеры генератора — не более нескольких десятков сантиметров. При его действии длительность электромагнитной помехи составляет 50 — 100 нс, частота наведённых колебаний — порядка от 100МГц и до 1.2 ГГц.
Существует несколько вариантов проникновения электромагнитных полей на объект:
— по сети электропитания,
— по металлоконструкциям,
— по проводным линиям связи.
Основными средствами защиты в этих случаях является экранирование, зонирование помещений, система заземлений, фильтры, организация соединительной системы, каскадная защита вводов. Для наиболее чувствительных элементов требуется экранирование в 80 дБ, для остальных от 20 до 60 дБ.
Дифференциальные пары широко используются в качестве соединений быстродействующих цифровых плат. Однако существуют перекрёстные помехи, а также помехи от электромагнитных излучений. Для снижения воздействия внешних электромагнитных помех в этом случае можно рекомендовать выполнение межсоединений в виде витых пар [3]. Если для изготовления печатных плат использовать многослойные структуры из метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления, то проблемы электромагнитной совместимости могут быть радикально решены. В частности изменятся свойства отражения и диаграммы направленности [4].
Чтобы экономический эффект от применяемых мер защиты был максимальным, защитные мероприятия следует начинать одновременно с проектированием и строительством самого здания, и в первую очередь с оборудования заземления в фундаменте здания, создания заземлённой сетки арматуры, экранов, трубопроводов, то-есть создания клетки Фарадея. В этом случае стоимость защитных мер может составить менее 2% от стоимости всей разработки, а стоимость объекта возрастёт не более чем на 3-5%. Подверженные влиянию электронные средства размещены внутри здания, а большинство влияющих источников вне здания. При шаге сетки клетки Фарадея, в которой использованы арматура стен и потолков, порядка 40 см экранирующее действие на частоте 1 МГц составит 30 дБ, а при шаге в 20 см — 50 дБ. Даже при ударе молнии с напряженностью электрического поля вблизи здания в 100 кВ/м величина индуктированной помехи в проводах внутри здания в этом случае не превысит 300 мВ. Точность прогнозирования помех в этом случае будет порядка 15% [5].
Попытки решать вопросы защиты не до, а после установки электронных устройств, приводит к переделке зданий и большим тратам. Если же проблема решается на этапе проектирования до начала строительства, то затраты не превышают 2-5 % даже с учётом моделирования.
Защита здания от ударов молнии по прежнему необходима. Однако обычные традиционные молниеотводы со стержневыми остриями на вершине формируют восходящие стримеры, которые провоцируют последующий удар молнии.
Компания LEC (США) разработала новый вид грозозащиты зданий и площадей под названием DAS (Dissipation Array System), заключающийся в том, что на мачте молниеотвода устанавливается не
молниеотвод в виде острия, а многочисленные иголки, стекание зарядов с которых обеспечивает создание объёмного заряда в окружающем пространстве. Объёмный заряд препятствует развитию восходящих лидеров и возникновению грозового разряда в данном месте, который может возникнуть только за пределами защищаемой области. Многоточечный игольчатый ионизатор запускает процесс ионизации при большей напряжённости поля, чем одиночное острие, но при этом ионизационные токи возрастают и заряды распределяются по большому объёму. Поскольку по такому молниеотводу не протекают токи молнии, существенно снижаются требования к заземлению молниеотвода и к проводнику, соединяющему заземление с игольчатым ионизатором. Объёмный заряд определяется размером игольчатого ионизатора, электростатическим полем, временем между разрядами и скоростью перемещения зарядов. Заряды могут также перемещаться ветром во время грозы. При развитии удара молнии пространственный заряд подавляет формирование встречного лидера, задерживает его развитие, что приводит к развитию параллельных лидеров на периферии области, то-есть, к переносу точки удара молнии от объекта и уменьшению амплитуды тока. Наблюдения в США показали, что количество ударов молнии при использовании системы DAS снижается примерно в 5 раз.
Литература
1. Kuwara N., Ishida Y., Kawabata M. Calculation of electromagnetic field emitted from UTP cable by moment method from 0.3 GHz to 2 GHz. IEICE Transactions on Communications. 2009. R 1974-1980.
2. Гайнутдинов Р.Р. Экспериментальные исследования электромагнитных помех в линиях связи при преднамеренных сверхкоротких электромагнитных воздействиях. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 13-16 сентября 2011г. Санкт-Петербург, 2011. С. 464-467.
3. Гизатуллин З.М. Анализ электромагнитных помех в межсоединениях печатных плат в виде витых пар при внешних электромагнитных воздействиях. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 1З-16 сентября 2011г. Санкт-Петербург, 2011. С.24З-245
4. Лабунько О.С. Улучшение электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем на основе использования многослойных структур. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 1З-16 сентября 2011г. Санкт-Петербург, 2011. С.246-249.
5. Гизатуллин М. и др. Прогнозирование помехоустойчивости электронных средств внутри зданий при внешних электромагнитных воздействиях. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 1З-16 сентября 2011г. Санкт-Петербург, 2011. С.441-444.
6. Хухарева А.А. Разработка методики прогнозирования электромагнитного излучения структурированных кабельных систем интеллектуальных зданий. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 1З-16 сентября 2011г. Санкт-Петербург, 2011. С.472-474.
7. Акбашев Б.Б. и др. Обеспечение информационной и функциональной безопасности в специальных технических зданиях при электромагнитных воздействиях. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 1З-16 сентября 2011г. Санкт-Петербург, 2011. С479-482.
8. Чермошенцев С.Ф. Защита информации в цифровых электронных средствах интеллектуальных зданий электромагнитных воздействиях и излучениях. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 1З-16 сентября 2011г. Санкт-Петербург, 2011. С.495-496.
9. Тюренков С.Н., Ермаков К.В. Новые принципы обеспечения молни-езащиты в системе предотвращения ударов молний DAS компании LEC. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 1З-16 сентября 2011г. Санкт-Петербург, 2011. С.522-525.
ELECTROMAGNETIC PULSES PROTECTION of INFORMATION in INTELLECTUAL BUILDINGS Morozov B.N., Sokolov E.G.
Abstract: The presentation describes external electromagnetic fields influence on electronic devices and arrangements that are installed inside of intellectual buildings. According to Japanese researchers electric fields strength can reach amount 80 - 90V/m over the range 0.3-2 GHz. There are appeared intentional jamming along with existing electromagnetic pulses of lightning, static electricity, short fault in power lines and other engineering arrangements.
There are considered probable sources of external fields, ways of the penetration into buildings and key hardware of protection, in touch with Faraday cage and shielding. Computer aids are served by cable lines that have complex branched structure with various topologies. The system can be decomposed simple objects. There are interactions between blocks. These interactions can be analyzed and taken into account. The method DAS of buildings protection with assistance of needle ionizer is examined.
Keywords: electromagnetic influences, electronic systems, sources of fields, field strength, protective measures.
