Гражданская оборона устойчивость лаборатории к воздействию Электромагнитного Импульса(ЭМИ)

4  гражданская оборона

Необходимо оценить устойчивость лаборатории физики твердого тела к воздействию электромагнитного импульса (ЭМИ) ядерного взрыва и предложить мероприятия по повышению устойчивости.

4.1  Основные положения

Одной из основных задач ГО является проведение мероприятий, направленных на повышение устойчивости работы объектов в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС) мирного и военного времени.

Под устойчивостью работы промышленного объекта понимают способность его в условиях ЧС выпускать продукцию в запланированных объеме и номенклатуре, а при получении слабых и средних разрушений или нарушении связей по кооперации и поставкам восстанавливать производство в минимальные сроки.

Под устойчивостью работы объектов, непосредственно не производящих материальные ценности, понимают способность их выполнять свои функции в условиях ЧС.

На устойчивость работы объектов народного хозяйства в ЧС влияют следующие факторы [15]:

1)       надежность защиты рабочих и служащих от воздействия чрезвычайных событий;

2)       способность инженерно-технического комплекса объекта противостоять в определенной степени ударной волне, световому излучению и радиации;

3)       защищенность объекта от вторичных поражающих факторов (пожаров, взрывов, затоплений, заражений сильнодействующими ядовитыми веществами);

4)       надежность системы снабжения объекта всем необходимым для производства продукции (сырьем, топливом, электроэнергией, водой и т.п.);

5)       устойчивость и непрерывность управления производством и ГО;

6)       подготовленность объекта к ведению спасательных и других неотложных работ и работ по восстановлению нарушенного производства.

Исследование устойчивости работы объекта народного хозяйства заключается во всестороннем изучении условий, которые могут сложиться в ЧС, и в определении их влияния на производственную деятельность.

Цель исследования состоит в том, чтобы выявить уязвимые места в работе объекта в ЧС и выработать наиболее эффективные рекомендации, направленные на повышение его устойчивости. В дальнейшем эти рекомендации включаются в план мероприятий по повышению устойчивости работы объекта, который и реализуется.

Исследование устойчивости предприятий проводится силами инженерно-технического персонала с привлечением специалистов научно-исследовательских и проектных организаций, связанных с данным предприятием. Весь процесс планирования и проведения исследования можно разделить на три этапа [15]:

1.        Подготовительный этап.

На первом этапе разрабатываются руководящие документы, определяется состав участников исследования и организуется их подготовка.

2.        Оценка устойчивости работы объекта в условиях ЧС.

На втором этапе проводится непосредственно исследование устойчивости работы объекта в ЧС.

3.        Разработка мероприятий, повышающих устойчивость работы объекта.

На третьем этапе подводятся итоги проведенных исследований. Группы специалистов по результатам исследований подготавливают доклады, в которых излагаются выводы и предложения по защите рабочих и служащих и повышению устойчивости оцениваемых элементов производства.

На каждом предприятии, исходя из его назначения, размещения и специфики производства, мероприятия по повышению устойчивости могут быть различными.

На образование ЭМИ расходуется небольшая часть ядерной энергии, однако, он способен вызывать мощные импульсы токов и напряжений в проводах и кабелях воздушных и подземных линий связи, сигнализации, управления, электропередачи, в антеннах радиостанций и т.п.

Воздействие ЭМИ может привести к сгоранию чувствительных электронных и электрических элементов, связанных с большими антеннами или открытыми проводами, а также к серьезным нарушениям в цифровых и контрольных устройствах, обычно без необратимых изменений.

Особенностью ЭМИ как поражающего фактора является его способность распространяться на десятки и сотни километров в окружающей среде и по различным коммуникациям. Поэтому ЭМИ может оказать воздействие там, где ударная волна, световое излучение и проникающая радиация теряют свое значение как поражающие факторы.

При наземных и низких воздушных взрывах в зоне, радиусом в несколько километров от места взрыва, в линиях связи и электроснабжения возникают напряжения, которые могут вызвать пробой изоляции проводов и кабелей относительно земли, а также пробой изоляции элементов аппаратуры и устройств, подключенных к воздушным и подземным линиям.

Степень повреждения зависит в основном от амплитуды наведенного импульса напряжения или тока и электрической прочности оборудования.

Главная задача защитных устройств от ЭМИ — исключить доступ наведенных токов к чувствительным узлам и элементам защищаемого оборудования. Проблема защиты от ЭМИ усложняется тем, что импульс протекает примерно в 50 раз быстрее, чем, например, разряд молнии, и поэтому простые газовые разрядники в данном случае малоэффективны.

В каждом конкретном случае должны быть найдены наиболее эффективные и экономически целесообразные методы защиты электронной аппаратуры и крупных разветвленных электротехнических систем. Рассмотрим основные методы защиты [15]:

1.        Экраны и защитные устройства.

Металлические экраны отражают электромагнитные волны и гасят высокочастотную энергию. Через систему заземления ток, наведенный ЭМИ, стекает в землю, не причиняя вреда электронной аппаратуре, находящейся внутри металлических шкафов или коробов.

2.        Защита кабелей.

Соединительные кабели для защиты прокладывают в земляных траншеях под цементным или бетонированным полом зданий либо заключают в стальные короба, которые заземляют. Можно размещать кабеля и на поверхности поля, закрыв их заземленными швеллерами.

Надежность повышается, если кабель разветвляется и подводится к нескольким шкафам с разделительными трансформаторами. В этом случае изолированные участки сети обладают большим сопротивлением изоляции и малой емкостью проводов относительно земли. Также целесообразно применять фильтры от высокочастотных помех.

3.        Защитные разрядники и плавкие предохранители.

Основные функции защитного разрядника — разомкнуть линию или отвести энергию для предотвращения повреждения в защищаемом оборудовании. Устанавливается на входы и выходы аппаратуры.

Для защиты аппаратуры могут быть рекомендованы плавкие предохранители и защитные входные приспособления, которые представляют собой различные релейные или электронные устройства, реагирующие на превышение тока или напряжения в цепи.

4.        Грозозащитные устройства.

Обеспечивают «стекание» большого разряда в землю без повреждения изоляционных элементов линий.

5.        Использование симметричных двухпроводных линий.

6.        Защита периферийных устройств.

Указанные способы и средства защиты должны внедряться во все виды электротехнической и радиоэлектронной аппаратуры с учетом характера поражающего действия электромагнитных излучений ядерного взрыва для обеспечения надежности работы предприятий в условиях ЧС мирного и военного времени.

4.2 Исходные данные

Оценить устойчивость работы лаборатории физики твердого тела к воздействию ЭМИ ядерного взрыва по исходным данным, занесенным в таблицу 4.1.

Объект располагается на расстоянии R = 5 км от вероятного ядерного взрыва. Ожидаемая мощность ядерного боеприпаса q = 1000 кт, взрыв наземный. Элементы системы, подверженные воздействию ЭМИ:

1. Питание электродвигателей: напряжения 380 В и 6000 В по подземным неэкранированным кабелям l₁ = 75 м. Кабели имеют вертикальное отклонение к электродвигателям высотой l₁ = 1,5 м. Допустимые колебания напряжения сети ±5%, коэффициент экранирования кабеля h = 2.

2. Система автоматического управления энергоблока состоит из устройства ввода, ЭВМ, блока управления исполнительными органами, разводящей сети управления дополнительными агрегатами. Устройство ввода, ЭВМ, блок управления выполнены на микросхемах, имеющих токопроводящие элементы высотой l₃ = 0,05 м. Рабочее напряжение микросхем 5 В. Питание от общей сети напряжения 220 В через трансформатор. Допустимые колебания напряжения сети ±5%. Разводящая сеть управления имеет горизонтальную линию l₂ = 50 м и вертикальные ответвления высотой l₂ = 2 м к блокам управления. Рабочее напряжение питания 220В. Допустимые колебания напряжения сети ±5%, коэффициент экранирования разводящей сети h = 2.

Таблица 4.1 — Исходные данные по оценке воздействия ЭМИ на устойчивость объекта

4.3 Исследование устойчивости объекта к воздействию ЭМИ

1. Рассчитаем ожидаемые на объекте максимальные значения вертикальной E_В и горизонтальной E_Г составляющих напряженности электрического поля [16]:

                        (4.1)

                            (4.2)

где R — расстояние объекта от вероятного ядерного взрыва;

q — ожидаемая мощность ядерного боеприпаса.

 В/м,

 В/м.

2. Определим максимальные ожидаемые напряжения наводок [16]:

а) в системе электропитания:

                                                 (4.3)

                                                (4.4)

где l₁ — высота вертикального отклонения кабеля к электродвигателям,

L₁ — длина подземного экранированного кабеля;

h — коэффициент экранирования кабеля.

б) в разводящей сети управления:

                                                (4.5)

                                              (4.6)

где l₂ — высота вертикального ответвления разводящей сети управления к блокам управления,

L₂ — длина горизонтальной линии разводящей сети управления;

h — коэффициент экранирования кабеля.

 В

в) в устройстве ввода, ЭВМ, блоке управления:

                                                (4.7)

где l₃ — высота токопроводящих элементов;

h — коэффициент экранирования кабеля.

 В

3. Определим допустимые максимальные напряжения наводок [16]:

а) в сети питания:

                                         (4.8)

где U — напряжение питания электродвигателей;

б) в разводящей сети управления:

в) в устройстве ввода, ЭВМ, блоке управления:

4. Рассчитаем коэффициент безопасности [16]:

                                         (4.9)

где U_Д — допустимое максимальное напряжение наводок в устройстве ввода, ЭВМ, блоке управления,

U_Э — ожидаемое максимальное напряжение наводок в устройстве ввода, ЭВМ, блоке управления.

Сведем полученные данные в таблицу (см. таблицу 4.2).

Таблица 4.2 — Результаты оценки устойчивости объекта к воздействию ЭМИ

4.4 Выводы по результатам исследования

Данный объект может оказаться в зоне воздействия ЭМИ наземного ядерного взрыва. Возможен выход из строя элементов объекта от величины вертикальной составляющей электрического поля. Наиболее уязвимыми элементами объекта являются: устройство ввода, ЭВМ, блок управления исполнительными агрегатами. Объект не устойчив к воздействию ЭМИ, так как коэффициент безопасности значительно меньше удовлетворительного значения, составляющего К³40 дБ.

4.5 Предложения по повышению устойчивости объекта

Для повышения устойчивости работы объекта к воздействию ЭМИ ядерного взрыва необходимо провести следующие мероприятия:

1)  кабель питания двигателей экранировать, поместив в стальные трубы, а на входах двигателей установить быстродействующие отключающие устройства (разрядники);

2)  разводящую сеть блока управления исполнительными агрегатами проложить в стальных трубах, а пульт управления и блоки управления закрыть заземленными экранами, экраны заземлить;

3)  на входах и выходах пульта управления и блоков управления установить быстродействующие отключающие устройства (разрядники, плавкие предохранители).