Proteção de Eletrônica de Controle de Subestação de Energia de Alta Tensão de HEMP e IEMI

Este artigo descreve uma abordagem para fortalecer a eletrônica de controle de subestação de energia de alta tensão do pulso eletromagnético de alta altitude (HEMP) que ocorreria se uma arma nuclear fosse detonada no espaço. Embora esperemos que esse tipo de evento eletromagnético nunca ocorra, é uma possibilidade, e o impacto em eletrônicos desprotegidos e nas redes elétricas que eles controlam pode ser grave. No caso do HEMP, uma única explosão nuclear de alta altitude poderia expor milhares de subestações de energia a transientes de alta frequência em um ciclo de energia, criando essencialmente um evento distribuído simultâneo para o qual a rede elétrica não foi projetada.

Embora a ênfase deste artigo seja na proteção contra o HEMP antigo (E1), ele também discutirá os esforços adicionais que podem ser feitos para proteger a eletrônica da interferência eletromagnética intencional (IEMI) produzida por armas eletromagnéticas. Ao considerar o E1 HEMP e o IEMI juntos, cobrimos as principais ameaças EM (HPEM) transitórias de alta potência de alta frequência que se tornaram importantes nos últimos anos.

Conforme descrito no trabalho em IEC SC 77C, embora os distúrbios eletromagnéticos de alta potência (HPEM) sejam eventos de baixa probabilidade, eles podem ser protegidos com a tecnologia de proteção existente e, geralmente, a baixo custo. O campo de compatibilidade eletromagnética (EMC) está bem estabelecido e os métodos para proteção contra campos eletromagnéticos e atenuação de transientes conduzidos são amplamente conhecidos. A questão principal é determinar os requisitos para esses elementos de proteção no que se refere a E1 HEMP e IEMI.

Este artigo enfoca o fato de que os componentes eletrônicos encontrados nas casas de controle das subestações de energia elétrica já estão expostos a altos níveis de transientes EM do sistema de energia natural e, portanto, devem ter imunidade contra altos níveis de transientes irradiados e conduzidos. Os principais padrões genéricos de EMC para estabelecer testes de imunidade e níveis de teste para eletrônicos colocados em casas de controle são estabelecidos na IEC 61000-6-5 [1]. Ao considerar a imunidade básica da eletrônica nas casas de controle para EMC e as formas de onda de campo irradiadas HEMP e IEMI externas e seu acoplamento a cabos externos fora da casa de controle e cabos internos (criando assim distúrbios transitórios conduzidos), métodos de proteção podem ser estabelecidos . A recém-desenvolvida IEC 61000-5-10 [2] fornece diferentes estratégias de proteção para aplicações novas e adaptadas, contando com várias outras normas IEC SC 77C publicadas.

Neste artigo, primeiro revisaremos as formas de onda eletromagnéticas HEMP e IEMI básicas, conforme discutido em nosso artigo publicado anteriormente na revista In Compliance [3]. A seguir, descreveremos o layout básico de subestações de alta tensão e os componentes eletrônicos encontrados em uma casa de controle de subestação. Em seguida, discutiremos os requisitos de imunidade EMC para a eletrônica de controle e como eles podem ser aproveitados para determinar os métodos especializados de proteção HEMP/IEMI. Após esta discussão, iremos compartilhar e descrever as técnicas para avaliar rapidamente a blindagem existente e a proteção contra penetração de uma casa de controle existente. Finalmente, discutiremos algumas das opções de proteção disponíveis.

Conforme descrito em [3], o HEMP de alta altitude é definido como três formas de onda separadas, conforme mostrado na Figura 1. As formas de onda são descritas como formas de onda de tempo inicial, tempo intermediário e tempo tardio, e também são descritas mais brevemente como E1, E2 e E3 CÂNHAMO. A IEC padronizou essas formas de onda, que podem ser encontradas na IEC 61000-2-9 [5]. Neste artigo, nosso foco estará no E1 HEMP, pois os componentes eletrônicos da casa de controle são os mais afetados por essa forma de onda de alta frequência. Existem possíveis efeitos sobre esses componentes eletrônicos que podem ocorrer devido a harmônicos no sistema de alimentação atribuíveis ao E3 HEMP, mas esse aspecto está sendo avaliado em projetos de pesquisa separados.

Figura 1: Descrição gráfica de três funções analíticas que descrevem o HEMP de tempo inicial (E1), tempo intermediário (E2) e tempo tardio (E3) conforme descrito em [4]