какие требования предъявляются к конструкции экранирующего устройства
Какие требования предъявляются к конструкции экранирующего устройства
Система стандартов безопасности труда
УСТРОЙСТВА ЭКРАНИРУЮЩИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ
Общие технические требования, основные параметры и размеры
Occupational safety standards system.
Screening devices for protection from power frequency fields.
General technical requirements, basic parameters and dimensions
Дата введения 1986-07-01
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 4 марта 1985 г. N 452 дата введения установлена 01.07.86
Ограничение срока действия снято по протоколу N 4-93 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 4-94)
ПЕРЕИЗДАНИЕ. Сентябрь 2003 г.
Настоящий стандарт распространяется на экранирующие устройства (экраны) для защиты работающих в открытых распределительных устройствах (ОРУ) и воздушных линиях электропередачи (ВЛ) напряжением 330-750 кВ от электрических полей (ЭП) промышленной частоты, устанавливает типы, общие технические требования и основные параметры и размеры.
Термины, применяемые в настоящем стандарте, и их пояснения приведены в приложении.
1. ТИПЫ
В зависимости от конструктивных особенностей и назначения экранирующих устройств устанавливаются типы, указанные в таблице.
при напряжен-
ности ЭП более кВ/м
Защита от ЭП, создаваемого электрооборудованием соседних ячеек
Рабочие места у выключателя и включателя-отключателя
Вновь проектируемых ОРУ
Действующих ОРУ, где установка экранов возможна с соблюдением п.2.9 настоящего стандарта
Защита от ЭП, создаваемого системой сборных шин
То же, в ОРУ с разъединителями опорной конструкции
Экран-навес у разъеди-
Защита от ЭП, создаваемого разъединителем
Рабочие места у приводов разъединителей типа РНДЗ-330, РНДЗ-500
Экран-навес над пеше- ходными дорожками
Защита от ЭП, создаваемого электро-
оборудованием и шинами ОРУ
Участки маршрута обхода
Экран-навес у шкафов групповой установки
Защита от ЭП, создаваемого электро-
оборудованием и шинами ОРУ
Рабочие места у шкафов управления оборудования и шкафов вторичных цепей при их групповой установке
Рабочие места у приводов и отдельно стоящих шкафов различного назначения
Экран переносной для работ без подъема на высоту
Рабочие места, находящиеся вне зоны действия экранов другого типа
Вновь проектируемых и действующих ВЛ и пересекаемых ими объектах (ВЛ более низкого напряжения, линиях связи, трубопроводах и коммуникациях).
Экран съемный для люлек подъемных механизмов
То же. При обслуживании оборудования с применением гидроподъемников типа АГП-12, МШТС-2Т и телескопических вышек типа ТВ-26
Действующих ОРУ, где установка экранов другого типа невозможна с соблюдением п.2.9 настоящего стандарта.
Вновь проектируемых и действующих ОРУ, где настоящим стандартом установка экранов другого типа не предусмотрена
2. ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
2.1. Экранирующие устройства должны снижать напряженность электрического поля на рабочих местах до уровня, допустимого для пребывания в течение рабочего дня по ГОСТ 12.1.002-84.
Примечание. Допустимая высота снежного покрова на площадке рабочего места под экранами не более 0,6 м.
2.2. Экранирующие устройства должны выполняться из металла.
2.3. Диаметр канатов экранов типа ЭМ, ЭШ, ЭР, ЭД, ЭГ и прутков экрана типа ЭК должен обеспечивать отсутствие видимой короны и быть не менее 6 мм.
2.4. Расстояние между канатами экранов типа ЭМ, ЭР, ЭД, ЭГ должно составлять 500 мм, для экранов типа ЭШ 350-500 мм.
2.5. Ячейка сетки экранов типа ЭС и ЭП должна быть не более 50х50 мм.
2.6. Высота установки экранирующих устройств должна определяться от площадки рабочего места.
2.7. Экранирующие устройства должны быть заземлены путем присоединения к заземлителю или заземленным объектам (оборудованию, механизмам) заземляющим проводником или непосредственно с помощью болтов или сваркой по ГОСТ 5264-80.
2.8. Экранирующие устройства должны иметь антикоррозионное покрытие.
2.9. Расстояния от экранов до токоведущих частей оборудования должны быть не менее установленных правилами устройства электроустановок, утвержденными Главгосэнергонадзором.
3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И РАЗМЕРЫ
3.1. Размеры экранов типа ЭМ приведены на черт.1.
Размеры и принимаются соответственно равными длине и высоте (с учетом фундамента) выключателя или включателя-отключателя.
При установке экрана между аппаратами разных размеров габариты экрана должны соответствовать большему по размерам аппарату.
3.2. Размеры экранов типа ЭШ приведены на черт.2.
Экраны выполняются из трех канатов с размером не более 1000 мм.
Провес канатов экрана должен быть не более провеса проводов системы сборных шин.
3.3. Размеры экранов типа ЭР приведены на черт.3.
Экраны выполняются из двух канатов со стороны обслуживания привода ПРН и из трех канатов со стороны обслуживания привода ПДН с размерами:
При двухстороннем обслуживании привода ПДН экран выполняется из трех канатов с каждой стороны.
3.4. Размеры экранов типа ЭД приведены на черт.4.
Экраны выполняются из 5 канатов с размерами:
3.5. Размеры экранов типа ЭГ приведены на черт.5.
Экраны выполняются из 5 канатов с размерами:
При высоте шкафа менее 1800 мм устанавливается дополнительный канат (поз.2).
3.6. Размеры экранов типа ЭК приведены на черт.6.
Экраны устанавливаются на высоте от 2300 до 2500 мм и выполняются с размерами:
при напряжении ОРУ 330-500 кВ
— равен ширине шкафа или привода, но не менее 1400 мм,
при напряжении ОРУ 750 кВ
— равен ширине шкафа или привода, но не менее 1600 мм,
Допускается установка экрана непосредственно на шкафу или приводе.
3.7. Размеры экрана типа ЭС приведены на черт.7.
Разделы сайта
Хорев Анатолий Анатольевич,
доктор технических наук, профессор
Национальный исследовательский университет «МИЗТ», г.Москва
В статье рассмотрены вопросы, связанные с защитой объектов информатизации от утечки информации по техническим каналам путем использования средств электромагнитного экранирования.
1. Экранирование как способ уменьшения уровня побочных электромагнитных излучений
Одним из наиболее опасных технических каналов утечки информации на объектах информатизации является канал утечки информации, возникающий вследствие побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) технических средств обработки информации (ТСОИ). Такой канал утечки информации часто называют электромагнитным [8].
В области защиты информации под побочным электромагнитным излучением обычно понимается нежелательное радиоизлучение, возникающие в результате нелинейных процессов в электронной аппаратуре.
Функционирование любого технического средства обработки информации связано с протеканием по его токоведущим элементам электрических токов и образованием разности потенциалов между различными точками его электрической схемы, которые порождают магнитные и электрические поля [7].
Узлы и элементы электронной аппаратуры, в которых имеют место большие напряжения и протекают малые токи, создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием электрической составляющей. Преимущественное влияние электрических полей на элементы электронной аппаратуры наблюдается и в тех случаях, когда эти элементы малочувствительны к магнитной составляющей электромагнитного поля.
Узлы и элементы электронной аппаратуры, в которых протекают большие токи и имеют место малые перепады напряжения, создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием магнитной составляющей. Преимущественное влияние магнитных полей на аппаратуру наблюдается также в случае, если рассматриваемое устройство малочувствительно к электрической составляющей поля или последняя много меньше магнитной за счёт свойств излучателя.
Побочные электромагнитные излучения возникают также при «протекании» информативных сигналов по соединительным линиям ТСОИ.
Эффективным методом снижения уровня ПЭМИ является экранирование их источников.
Для оценки эффективности экранирования электрической или магнитной составляющей электромагнитного поля вводят понятие коэффициента экранирования (ослабления)
Различают следующие способы экранирования: электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное [7].
Электростатическое и магнитостатическое экранирование основаны на замыкании экраном (обладающим в первом случае высокой электропроводностью, а во втором магнитопроводностью) соответственно электрического и магнитного полей.
Электростатическое экранирование по существу сводится к замыканию электростатического поля на поверхность металлического экрана и отводу электрических зарядов на землю (на корпус прибора). Заземление электростатического экрана является необходимым элементом при реализации электростатического экранирования.
Основной задачей экранирования электрических полей является снижение ёмкости связи между экранируемыми элементами конструкции. Следовательно, эффективность экранирования определяется в основном отношением ёмкостей связи между источником и рецептором наводки до и после установки заземлённого экрана. Поэтому любые действия, приводящие к снижению ёмкости связи, увеличивают эффективность экранирования.
Экранирующее действие металлического листа существенно зависит от качества соединения экрана с корпусом прибора и частей экрана друг с другом. Особенно важно не иметь соединительных проводов между частями экрана и корпусом.
В диапазонах метровых и более коротких длин волн соединительные проводники длиной в несколько сантиметров могут резко ухудшить эффективность экранирования. На ещё более коротких волнах дециметрового и сантиметрового диапазонов соединительные проводники и шины между экранами недопустимы. Для получения высокой эффективности экранирования электрического поля здесь необходимо применять непосредственное сплошное соединение отдельных частей экрана друг с другом [7, 11].
Узкие щели и отверстия в металлическом экране, размеры которых малы по сравнению с длиной волны, практически не ухудшают экранирование электрического поля.
На частотах свыше 1 ГГц с увеличением частоты эффективность экранирования снижается.
Основные требования, которые предъявляются к электрическим экранам, можно сформулировать следующим образом [7]:
Основные требования, предъявляемые к магнитостатическим экранам, можно свести к следующим [7]:
Эффективность магнитостатического экранирования повышается при применении многослойных экранов.
Благодаря поверхностному эффекту плотность вихревых токов и напряжённость переменного магнитного поля по мере углубления в металл падают по экспоненциальному закону.
Эффективность магнитного экранирования зависит от частоты и электрических свойств материала экрана. Чем ниже частота, тем слабее действует экран, тем большей толщины приходится его делать для достижения одного и того же экранирующего эффекта. Для высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого металла толщиной 0,5-1,5 мм действует весьма эффективно. При выборе толщины и материала экрана следует учитывать механическую прочность, жёсткость, стойкость против коррозии, удобство стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобство пайки, сварки и пр. [7].
Для частот выше 10 МГц медная и, тем более, серебряная плёнка толщиной более 0,1 мм даёт значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольги-рованного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесённым на него медным или серебряным покрытием [7].
При экранировании магнитного поля заземление экрана не изменяет величины возбуждаемых в экране токов и, следовательно, на эффективность магнитного экранирования не влияет.
На высоких частотах применяется исключительно электромагнитное экранирование. Действие электромагнитного экрана основано на том, что высокочастотное электромагнитное поле ослабляется им же созданным (благодаря образующимся в толще экрана вихревым токам) полем обратного направления.
2. Экранирующие материалы
Выбор материала экрана проводится исходя из обеспечения требуемой эффективности экранирования в заданном диапазоне частот при определённых ограничениях. Эти ограничения связаны с массогабаритными характеристиками экрана, его влиянием на экранируемый объект, с механической прочностью и устойчивостью экрана против коррозии, с технологичностью его конструкции и т.д.
Таблица 1. Коэффициенты экранирования электромагнитного поля некоторых материалов
Диапазон частот, МГц
Коэффициент экранирования, дБ
Листовая сталь СТ-3, ГОСТ 19903-74
Фольга алюминиевая, ГОСТ 618-73
Фольга медная, ГОСТ 5638-75
Сетка стальная тканая, ГОСТ 5336-73
Радиозащитное стекло с одно- или с двухсторонним
полупроводниковым покрытием, ТУ 21-54-41-73
Ткань хлопчатобумажная с наноструктурным
ферромагнитным микропроводом
Ткань трикотажная (полиамид + проволока), ТУ 6-06-С202-90
Ткань металлизированная «Восход»
Толщина напыления 4-6 мкм
Толщина напыления 1-12 мкм
Для изготовления экранов используются: металлические материалы, материалы-диэлектрики, стёкла с токопроводящим покрытием, специальные металлизированные ткани, токопроводящие краски.
Коэффициенты экранирования некоторых материалов представлены в табл.1 [3,6,10].
Металлические материалы (сталь, медь, алюминий, цинк, латунь), применяемые для экранирования, изготавливаются в виде листов, сеток и фольги. Все эти материалы удовлетворяют требованию устойчивости против коррозии при использовании соответствующих защитных покрытий [7].
Для изготовления экрана целесообразно использовать следующие материалы [1]:
Теория и практика показывают, что с точки зрения стоимости материала и простоты изготовления преимущества на стороне экранированного помещения из листовой стали. Однако при применении сетчатого экрана могут значительно упроститься вопросы вентиляции и освещения помещения. В связи с этим сетчатые экраны также находят широкое применение.
Наиболее технологичными являются конструкции экранов из стали, так как при их изготовлении и монтаже можно широко использовать сварку или пайку. Металлические листы должны быть между собой электрически соединены по всему периметру. Шов электросварки или пайки должен быть непрерывным, с тем чтобы получить цельносварную конструкцию экрана. Толщина стали выбирается исходя из назначения конструкции экрана и условий его сборки, а также из возможности обеспечения сплошных сварных швов при изготовлении [7].
Экраны из стали обеспечивают ослабление электромагнитного излучения более чем на 100 дБ.
Сетчатые экраны проще в изготовлении, удобны для сборки и эксплуатации. Для защиты от коррозии сетки целесообразно покрывать антикоррозийным лаком. К недостаткам сетчатых экранов следует отнести невысокую механическую прочность и меньшую эффективность экранирования по сравнению с листовыми.
Материалы-диэлектрики также используются в качестве основы для создания экранов. Сами по себе диэлектрики не могут экранировать электромагнитные поля. Поэтому они чаще всего встречаются в сочетании либо с проводящими включениями, либо с дополнительными металлическими элементами и конструкциями [7].
На практике для улучшения экранирующих свойств диэлектрических экранов без существенного изменения их массы и конструкционных характеристик применяют проводящее покрытие экранов напылением металлов в виде тонких плёнок или оклеивание проводящей фольгой.
В общем случае при прочих равных условиях эффективность экранирования металлизированным слоем ниже, чем сплошным металлическим листом.
Металлизация поверхности может применяться для экранирования отдельных отсеков радиоэлектронной и электронной аппаратуры при наличии неметаллических несущих конструкций, пластмассовых корпусов аппаратуры и т.д. К металлизированным поверхностям могут быть припаяны контакты для заземления и подключения других цепей.
Токопроводящие краски создаются на основе диэлектрического пленкообразующего материала с добавлением в него проводящих компонентов, пластификатора и отвердите-ля. В качестве токопроводящих составляющих используются графит, сажа, коллоидное серебро, окиси металлов, порошковая медь, алюминий [7].
Стёкла с токопроводящим покрытием должны обеспечивать требуемую эффективность экранирования при ухудшении их оптических характеристик не ниже заданных граничных значений. Электрические и оптические свойства стёкол с токопроводящим покрытием зависят от природы окислов, составляющих плёнку, условий и методов её нанесения и свойств самого стекла. При условии сохранения прозрачности стёкол с потерями не более 20% и обеспечения достаточной электропроводности толщина плёнки покрытия может колебаться в широких пределах от 0,5 до 3 мкм. Наибольшее распространение получили плёнки на основе оксида олова, оксида индия олова и золота, так как они обеспечивают наибольшую механическую прочность, химически устойчивы и плотно соединяются со стеклянной подложкой [6, 7].
Стёкла с токопроводящим покрытием в основном используются в экранированных камерах при необходимости обеспечения в них освещённости. Выпускаемые промышленностью стёкла с токопроводящим покрытием имеют поверхностное сопротивление не менее 6 Ом при ухудшении прозрачности не более чем на 20%. Эффективность экранирования у таких стёкол в радиодиапазоне составляет около 30 дБ [7].
Специальные металлизированные ткани содержат в своей структуре металлические нити или специальные токопроводящие покрытия, наличие которых приводит к отражению электромагнитных волн. Такие ткани предназначены для защиты от электромагнитного поля.
В последние годы в качестве экранирующих материалов стали широко использоваться металлизированные ткани, производимые химико-гальваническим методом нанесения металлического покрытия на ткани, выполненные из полимерных, базальтовых, стеклянных, кремнезёмных, графитовых нитей. При данном методе на поверхности ткани осаждается тонкая плёнка никеля или сплава никеля с железом и другими металлами толщиной в несколько мкм.
После металлизации ткань сохраняет текстильные свойства: гибкость, воздухопроницаемость, что позволяет её сшивать, склеивать, паять.
Металлизированные ткани производятся рулонами до 100 м длиной и шириной 0,9-1,2 м.
В качестве примера таких тканей можно привести металлизированные ткани «Метакрон» и «Восход» [3, 6].
Металлизированная ткань «Метакрон» изготавливается химико-гальваническим методом, обеспечивающим сплошное двухстороннее никелевое или никелево-медное покрытие материала толщиной от 1 до 12 мкм соответственно. Металлизации указанным методом могут подвергаться разные виды тканей, в том числе полиэфирная, полиамидная, арамидная, кевлар, финелон, базальтовая, графитовая, стеклоткань, хлопок [3].
Для экранирования помещений приборов используются экранирующие ткани средней жёсткости марок 1П11Н5, 1,05П14-Н5, 1П12-Н3 (Н5), 1,2П25-Н3 (Н5), 1П22-Н5 и 0,94П17-Н3 (Н5) и экранирующие ткани с высокими показателями экранирования марок 1П11-Н10, 1,05П14-Н10, 1,2П13-Н5, 1,2П13-Н10, 1П3-Н3 и 1П4-Н3.
Рис. 1. Внешний вид тканей типа «Метакрон»
Рис. 2. Расшифровка марок тканей «Метакрон»
3. Экранирование технических средств обработки информации и их соединительных линий
С целью уменьшения уровня побочных электромагнитных излучений средства обработки информации ограниченного доступа выпускаются в специальном защищённом исполнении.
В качестве примера, на рис. 3 представлена ПЭВМ, выполненная в специальном экранированном корпусе [5].
Наряду c техническими средствами экранированию подлежат монтажные провода и соединительные линии [1,7,11].
Чтобы уменьшить уровень ПЭМИ, необходимо особенно тщательно выполнять соединение оболочки провода (экрана) с корпусом аппаратуры. Подключение оболочки должно осуществляться путём непосредственного контакта (лучше всего путём пайки или сварки) с корпусом.
Вместе с тем соединение оболочки провода с корпусом в одной точке не ослабляет в окружающем пространстве магнитное поле, создаваемое протекающим по проводу током. Для экранирования магнитного поля необходимо создать поле такой же величины и обратного направления. С этой целью необходимо весь обратный ток экранируемой цепи направить через экранирующую оплётку провода. Для полного осуществления этого принципа необходимо, чтобы экранирующая оболочка была единственным путём для протекания обратного тока.
Высокая эффективность экранирования обеспечивается при использовании витой пары, защищённой экранирующей оболочкой.
На более высоких частотах, когда толщина экрана значительно превышает глубину проникновения поля, необходимость в двойном экранировании отпадает. В этом случае внешняя поверхность играет роль электрического экрана, а по внутренней поверхности протекают обратные токи.
Применение экранирующей оболочки существенно увеличивает ёмкость между проводом и корпусом, что в большинстве случаев нежелательно. Экранированные провода более громоздки и неудобны при монтаже, требуют предохранения от случайных соединений с посторонними элементами и конструкциями.
Длина экранированного монтажного провода должна быть меньше четверти длины самой короткой волны передаваемого по проводу спектра сигнала. При использовании более длинных участков экранированных проводов необходимо иметь в виду, что в этом случае экранированный провод следует рассматривать как длинную линию, которая во избежание искажений формы передаваемого сигнала должна быть нагружена на сопротивление, равное волновому [7].
Экранированные провода и кабели следует применять в основном для соединения отдельных блоков и узлов друг с другом.
Кабельные экраны выполняются или в форме цилиндра из сплошных оболочек, или в виде спирально намотанной на кабель плоской ленты, или в виде оплётки из тонкой проволоки. Экраны при этом могут быть однослойными, многослойными и комбинированными, изготовленными из свинца, меди, стали, алюминия и их сочетаний (алюминий-свинец, алюминий-сталь, медь-сталь-медь и т.д.).
В кабелях с наружными пластмассовыми оболочками применяют экраны ленточного типа в основном из алюминиевых, медных и стальных лент, накладываемых спирально или продольно вдоль кабеля.
В области низких частот корпуса применяемых многоштырьковых низкочастотных разъёмов являются экранами и должны иметь надёжный электрический контакт с общей шиной или землёй прибора, а зазоры между разъёмом и корпусом должны быть закрыты электромагнитными уплотняющими прокладками. В области высоких частот коаксиальные кабели должны быть согласованы по волновому сопротивлению с используемыми высокочастотными разъёмами. При заделке коаксиального кабеля в высокочастотные разъёмы жила кабеля не должна иметь натяжения в месте соединения с контактом разъёма, а сам кабель должен быть жёстко прикреплён к шасси аппаратуры вблизи разъёма [7].
Наиболее экономичным способом экранирования информационных линий связи между устройствами ТСОИ считается групповое размещение их информационных кабелей в экранирующий распределительный короб. Когда такого короба не имеется, то приходится экранировать отдельные линии связи.
Для защиты линии связи от наводок необходимо разместить её в экранирующую оплётку или фольгу, заземлённую в одном месте, чтобы избежать протекания по экрану токов, вызванных неэквипотенциальностью точек заземления.
Для защиты линии связи от наводок необходимо минимизировать площадь контура, образованного прямым и обратным проводами линии. Если линия представляет собой одиночный провод, а возвратный ток течёт по некоторой заземляющей поверхности, то необходимо максимально приблизить провод к поверхности. Если линия образована двумя проводами, то их необходимо скрутить, образовав бифиляр (витую пару). Линии, выполненные из экранированного провода или коаксиального кабеля, в которых по оплётке протекает возвратный ток, также отвечают требованию минимизации площади контура линии.
Рис. 3. ПЭВМ«ЕС1855.М.02» в специальном
защищенном исполнении
Рис. 4. Сравнение защищённости различных цепей
от влияния внешних магнитных и электрических полей:
а) 0 дБ; б) 2 дБ; в) 5 дБ;
г) 49 дБ, скрученная пара, 18 витков на метр;
д) 57 дБ; е) 64 дБ, схема предпочтительна на высоких частотах;
ж) 64 дБ; з) 71 дБ; и) 79 дБ, скрученная пара (54 витка на метр)
Наилучшую защиту как от электрического, так и от магнитного полей обеспечивают информационные линии связи типа экранированного бифиляра, трифиляра (трёх скрученных вместе проводов, из которых один используется в качестве электрического экрана), триаксильного кабеля (изолированного коаксиального кабеля, помещённого в электрический экран), экранированного плоского кабеля (плоского многопроводного кабеля, покрытого с одной или обеих сторон медной фольгой).
Приведём несколько схем, используемых на частотах порядка 100 кГц [11].
Схема на рис. 4 (б) практически не уменьшает магнитную связь, так как обратный провод заземлён с обоих концов, и в этом смысле она аналогична схеме на рис. 4 (а). Степень улучшения соизмерима с погрешностью расчёта (измерения).
Схема на рис. 4 (г) позволяет существенно повысить защищённость цепи благодаря скрутке проводов. В этом случае (по сравнению со схемой на рис. 4 (б)) петли нет, поскольку правый конец цепи не заземлен.
Дальнейшее повышение защищённости цепи достигается применением схемы на рис. 4 (с), коаксиальная цепь которой обеспечивает лучшее магнитное экранирование, чем скрученная пара на рис. 4 (г).
Площадь петли в схеме на рис. 4 (д) не больше, чем в схеме на рис. 4 (г), так как продольная ось экрана коаксиального кабеля совпадает с его центральным проводом.
Таблица 2. Степень экранирующего действия различных типов зданий