Воздействие ПЭДВ на микропроцессорные устройства релейной защиты

Путями проникновения электромагнитных излучений в электронную аппаратуру являются, прежде всего, различные антенные устройства и кабельные вводы, системы электропитания, а также токи, наводимые в обшивке, и излучения, проникающие через окна и двери, выполненные из неэлектропроводных материалов, вентиляционные каналы. Токи, наводимые ЭМИ в наземных и заглубленных кабелях электропитания протяженностью в сотни и тысячи километров, могут достигать тысяч ампер, а напряжение в разомкнутых цепях таких кабелей миллион вольт. В антенных вводах, длина которых не превышает десятков метров, наводимые ЭМИ токи могут иметь силу в несколько сотен ампер. ЭМИ, проникающий непосредственно через элементы сооружений из диэлектрических материалов (неэкранированные стены, окна, двери и т.п.), может наводить во внутренней электропроводке токи силой в десятки ампер. Особую опасность представляют собой длинные воздушные линии электропередач, абсорбирующие излучение с больших площадей и доставляющих его прямо к месту назначения - на входы высокочувствительной электронной аппаратуры. Наличие на этом пути трансформаторов (измерительных и силовых) практически не сказывается на этом процессе из-за значительной внутренней емкости между первичной и вторичной обмотками. А поскольку слаботочные цепи и радиоэлектронные приборы нормально действуют при напряжениях в несколько вольт и токах силой до нескольких десятков миллиампер, то для их надежной защиты от ЭМИ требуется обеспечить снижение величины токов и напряжений на их входах на несколько порядков. Помимо собственно МУРЗ, повышенной чувствительностью к ЭМИ обладают, как это ни странно, оптические системы передачи данных, широко используемые в релейной защите. Вернее, контроллеры, преобразующие электрические сигналы в оптические на одном конце волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) и восстанавливающие их из оптических на втором конце ВОЛС. Например, испытания на соответствие стандартам ВЕС по электромагнитной совместимости мультиплексора типа FOCUS [4.8], показал, что они не всегда выдерживают без сбоев и повреждений даже стандартные воздействия. Система SCADA с ее большим количеством микропроцессорных датчиков и измерительных преобразователей, объединенных в компьютерную сеть - еще один объект воздействия даже ослабленных ЭМИ.

Если к возможности использования мощного высотного ядерно- го взрыва для электромагнитного поражения национальной энергосистемы еще можно относиться как гипотетической, то поражение террористическими структурами отдельных локальных энергосистем с помощью одновременного воздействия на несколько наиболее важных узлов энергосистемы с помощью неядерных источников ЭМИ - вполне возможно в любой момент.

Наиболее уязвимы для воздействия преднамеренных электромагнитных воздействий оказываются системы передачи данных, использующие протоколы с широкой полосой частот. К ним относятся АТМ 155, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и другие. Последнее объясняется незначительной разницей мощности полезного сигнала и помех в верхней области спектра. Переход от коаксиального кабеля к простой витой паре с целью удешевления кабеля (что наблюдается сегодня повсеместно) ведет к еще большей уязвимости системы. А ведь Ethernet на базе витой пары уже сегодня начинает использоваться в релейной защите и, в соответствии со стратегией Smart Grid, его использование для управления всеми объектами в электроэнергетике будет только расширяться.

Дискретные электронные элементы имеют гораздо более высокую устойчивость к перенапряжениям и другим неблагоприятным воздействиям, чем интегральные микросхемы [4.9]. По данным [4.10] 75% всех повреждений микропроцессорных устройств происходит по причине воздействия перенапряжений. Такие перенапряжения с амплитудой от десятков вольт до нескольких киловольт, возникающие вследствие коммутационных процессов в цепях или при воздействии электростатических разрядов, являются «смертельными» для внутренних микроэлементов микросхем и процессоров. По данным [4.10] обычные транзисторы (дискретные элементы) могут выдерживать напряжение электростатического разряда почти в 70 раз более высокое, чем, например, микрочип памяти (EPROM) микропроцессорной системы. Компьютеризированное промышленное оборудование (в том числе и МУРЗ) особенно уязвимо к действию ЭМИ, так как оно в основном построено на МОП-приборах высокой плотности, которые очень чувствительны к воздействию высоковольтных переходных процессов. Особенностью МОП-приборов является очень малый уровень энергии (напряжения порядка десятков вольт), необходимый для их повреждения или полного уничтожения.

Известны три степени деградации полупроводниковых приборов при воздействии на них мощного ЭМИ: сбой функционирования, устойчивые изменения параметров, катастрофические необратимые отказы. Необратимый выход из строя полупроводников в основном происходит за счет их перегрева или полевого пробоя. [4.11 -4.13]. Повреждения микропроцессора или элементов памяти, вызванные ослабленными электромагнитными воздействиями, могут носить скрытый характер [4.14]. Такие повреждения не выявляются никакими тестами и могут проявляться в самые неожиданные моменты. Кроме того, под действием ослабленного защитными мерами ПЭМ могут произойти случайные, обратимые сбои, обусловленные самопроизвольным изменением содержания ячеек памяти, называются «мягкими ошибками» (“soft-failures” или “soft errors”). Ошибки такого рода (обратимые, самовосстанавливающиеся нарушения работоспособности) были не известны ранее для электронных устройств, выполненных на дискретных полупроводниковых элементах или на обычных микросхемах.

Прогресс последних лет в области нанотехнологий привел к существенному снижению размеров полупроводниковых элементов (речь идет о единицах и даже долях микрона), уменьшению толщины слоев полупроводниковых и изоляционных материалов, уменьшению рабочих напряжений, увеличению рабочей скорости, уменьшению электрической емкости отдельных ячеек памяти, увеличению плотности размещения элементарных логических ячеек в одном устройстве. Все это вместе взятое привело к резкому повышению чувствительности элементов памяти к электромагнитным воздействиям. Проблема усугубляется тем, что в современных микропроцессорных структурах наблюдается устойчивая тенденция расширения использования элементов памяти. Многие современные интегральные микросхемы высокого уровня интеграции, входящие в состав микропроцессорного устройства, содержат встроенные элементы памяти достаточно большого объема, исправность которых вообще никак не контролируется. Проблема резкого увеличения чувствительности к электромагнитным воздействиям актуальна не только для элементов памяти, но также и для высокоскоростных логических элементов, компараторов и т. д., то есть, практически, для всей современной микроэлектроники.

Хорошо известно защитное действие от электромагнитных воздействий клетки Фарадея. Здания из железобетона содержат заземленную сетку, реле защиты располагаются в металлических шкафах, сами МУРЗ имеют металлический корпус. Казалось бы - не клетка, а настоящая «матрешка Фарадея». Однако, все не так просто. Во-первых, импульсы высокой частоты свободно проникают сквозь отверстия в клетке Фарадея, сквозь любые неметаллические вставки и окошки, сквозь стеклянные окна зданий и систему вентиляции. При таком частично ослабленном воздействии ЭМИ на полупроводниковые приборы наблюдались случаи частичного разрушения их /;-л-переходов, что вело к изменениям их характеристик и появлению «мерцающих» сбоев в работе аппаратуры. Такие неисправности связывают значительное количество ресурсов, предназначенных для технического обслуживания и, кроме того, ограничивают уверенность в надежности аппаратуры. Такие «мерцающие» неисправности порой очень сложно выявить, что вызывает необходимость повторного многократного выведения оборудования из эксплуатации со значительными потерями эксплуатационного времени на диагностику повреждений. Этот фактор также должен приниматься во внимание при оценках степени защиты аппаратуры от электромагнитной атаки, так как частичная или неполная защита может привести к дополнительным проблемам.

Вторая проблема известна под названием «запаздывающего действия ЭМИ» и представляет собой очень опасное свойство ПДЭВ. Этот эффект проявляется в течение первых минут после детонации ядерного заряда или заряда электромагнитной бомбы. В это время ЭМИ, проникнув сквозь электрические системы, создает в них локализованные электромагнитные поля. При спадании полей возникают резкие перепады напряжения, которые распространяются в виде волн по проводам систем электропитания на довольно большие расстояния от места возникновения первичного ЭМИ. В-третьих, внешние кабели и провода, выходящие из шкафа релейной защиты (РЗ) и из здания, и тянущиеся на многие километры, практически лишают даже ослабляющего эффекта и здания и шкафы РЗ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >