Beskyttelse mot elektromagnetisk puls og interferens

Beskyttelsen inkluderer LPIT (low power instrument transformer), som måler strøm og spenning i utendørsanlegg og i innendørs GIS-anlegg, signalkabler inn til kontroll- og datarom, relévern, rutere, kommunikasjon, styring med mer.

Det vil si all elektronikk i stasjonen som brukes til kontroll, styring og samband med driftssentral og andre stasjoner.

I REN har vi utarbeidet et nytt RENblad om sikring mot EMP og EMI. RENBlad 7686 EMP-sikring av transformatorstasjoner er laget for å gi en konkret og praktisk beskrivelse av hvordan sikringen kan utføres slik at forskriftskravene møtes.

Hva er EMP og EMI?

EMP utløses av lyn og kjernefysiske eksplosjoner. Hvis en atombombe utløses noen hundre kilometer over bakken, gjør ikke eksplosjonen fysisk skade nede på bakken.

Strålingen som utløses, brer seg ut i alle retninger. Strålingen dekker området som kan sees fra eksplosjonspunktet ut til horisonten (se figur 1).

Strålingen omfatter elektromagnetiske forstyrrelser i frekvensområdet 10 kHz opp til 2 GHz. Den mest ødeleggende pulsen er den initiale etter gammastrålingen fra eksplosjonen. Stigetiden er ca. 5 ns, eller tusen ganger raskere enn et lyn.

Beskyttelse mot EMP kommer i tillegg til tradisjonell beskyttelse mot lynoverspenninger. Alle kraftanlegg rammes samtidig, og samtidig med at all annen infrastruktur treffes.

Dannes av elektrisk støy

EMI dannes av elektriske støykilder som radiosignaler, radarstasjoner, belysning, teleteknisk utstyr, effektbryterkoblinger, osv. Transportable EMi-våpen er utviklet, og disse egner seg for bruk ved sabotasje.

Kraftig EMI dekker små områder og har kort rekkevidde. Det er utviklet lette, bærbare våpen som kan bringes tett inn på et stasjonsanlegg. De elektromagnetiske forstyrrelsene fra EMI kan dekke frekvensområdet 100 MHz til 100 GHz. Beskyttelsen mot EMI kommer i tillegg til tradisjonelle krav til EMC.

Stråling med ulik bølgelengde eller frekvens kobles inn i ledere ved antennevirkning – jo lavere frekvens, desto lenger antenne.  Høyfrekvent stråling trenger gjennom små åpninger, sprekker og hull (se figur 2).

Elektromagnetisk stråling kommer gjennom luften og bygningsvegger og kobles inn i ledninger til ledningsbundet støy.

Skader som kan oppstå

All elektronikk kan skades av EMP og EMI når den ikke er beskyttet. I tabellen nedenfor er det listet opp data for enkelte EMI-våpen. Utstyr som ikke er tilkoblet, har mindre antennevirkning, og påvirkes mindre, men er allikevel utsatt for stråling og refleksjoner inne i kabinettet.

I tabellen under vises et utvalg av tilgjengelige strålingskilder.

Vanlig kontorutstyr skal tåle 5 V/m etter EMC-direktivet, men testing tilsier at det i praksis kan tåle høyere feltstyrker. Fra 10 V/m er det ingen garanti for at utstyret ikke feiler. Feltstyrken fra våpnene i tabellen er vesentlig høyere.

Elektronisk utstyr som blir utsatt for elektromagnetisk stråling, blir påvirket på forskjellige måter. I «lettere» tilfeller kan det være forstyrrelser mens strålingen pågår. I ekstreme tilfeller kan det være fysisk ødeleggelse.

Konsekvenser av forskjellige påvirkningsnivåer kan være svært forskjellige. En forstyrrelse i et driftskontrollsystem som styrer mange anlegg under en skarp hendelse, kan være dramatisk, men for et lokalt kontrollanlegg kan det være akseptabelt at funksjoner avbrytes for nullstilling eller reparasjon.

Det er mulig å sabotere et adgangskontrollsystem med EMI.

Metoden er skjerming

Beskyttelsesmetoden mot elektromagnetisk stråling er skjerming. Det vil si at alle signalkabler og datarom har en så tett elektrisk ledende skjerm på utsiden som mulig, slik at stråling bare kobles inn i skjermen og ikke når datalederne som ledningsbundet støy, og forstyrrer signalene.

Kabelskjermer avkobles mot jord når kabelen går inn i et datarom. Fiberkabler er å anbefale, men disse må ikke ha elektrisk ledende ytterkappe eller skjerm. I kabelkulverter med signalkabler anbefales 2X120 mm² Cu-leder som skjerming, og på kabelbroer 50 mm² Cu.

Kabelbroene bør være så tette som mulig og av elektrisk ledende materiale. Alle kabler inn i et datarom tas inn gjennom en felles gjennomføringsplate som er separat jordet på utside og innside. Alle kabelskjermer kobles hele veien rundt til gjennomføringsplaten.

FeItskap med elektronikk må være dobbeltvegget med ledende dørpakning og gjennomføringsplate i bunnen. Figur 3 vises en prinsippskisse av et lokalkontrollanlegg i en transformatorstasjon. De blå feltene er gjennomføringsplater (single entry).

Fjellanlegg beskytter godt

Fjellanlegg har god beskyttelse med fjelloverdekning på 10 meter mot høye frekvenser. Vanlig armert betong gir dempning for lave frekvenser. Stålfiberarmert betong gir dempning av høye frekvenser.

Med betongelementer må armeringen i elementene sammenkobles. Armering i gulv, vegger og tak sammenkobles med god elektrisk forbindelse mellom de enkelte armeringsjern, og med 120 mm² Cu til jord.

Datarom og kontrollrom skal ikke ha vannrør inn i rommet. Ventilasjonskanaler skal ikke passere gjennom rommet, og det må gjøres spesielle tiltak der kanalen kommer inn i rommet for å stoppe ledningsbundet støy.

På gulvet legges en jordet metallplate som kan være bukket litt opp på veggen. Platen jordes ved gjennomføringsplaten, og alle kabler legges på lave kabelbroer nær platen. Kontrollskapenes bunn tjener som gjennomføringsplate. Se figur 5. De blå feltene illustrerer gjennomføringsplater.

Et rom som ikke har fullstendig metallkapsling, har en såkalt virtuell skjerm.

I stasjonsanlegg i klasse 1 og 2 er dette som regel tilstrekkelig når de andre sikringstiltakene er utført. I stasjoner i klasse 3 og i andre svært viktige stasjoner anbefales fullstendig metallkapsling (Faraday-bur).

Helge Ulsberg er sivilingeniør elkraft fra NTH og har jobbet i ulike stillinger i Oslo Lysverker/Oslo Energi, Viken Energinett, Hafslund ASA og senest i NVE, med beredskap. Ulsberg driver nå eget firma med rådgivning innen kraftforsyningsberedskap, blant annet for REN.