Medios para proteger los equipos electrónicos en la infraestructura crítica contra el Pulso Electromagnético y
la Interferencia Electromagnética (PEM/EMI).
Contra Potenciales amenazas como son: los PEM naturales (como las tormentas solares y los rayos) y los PEM hechos por el hombre (HEMP, NEMP, RFW etc.)
SOLUCIONES DE PROTECCIÓN CONTRA PEM / EMI EN INFRAESTRUCTURAS CRÍTICAS.
1.
Espen C. Brantzeg
Dok ID: wp/Rox_emp/001 Dato: 26.6.15 Prosj. nr: Rev.: V 1.2 Utsteder: EBr
LIBRO BLANCO
Soluciones para la protección de un evento
PEM /EMI en salas / centros de control en
infraestructura crítica
3. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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Índice Página
1. Resumen .......................................................................................................... 4
2. Introducción ................................................................................................. 5
2. Definiciones, amenazas y consecuencias ........................................................ 5
3. Infraestructuras críticas .................................................................................... 13
4. Requisitos y especificaciones .......................................................................... 15
5. Construcción y soluciones de blindaje contra PEM / EMI ......................... 15
6. Verificación, prueba y mediciones ................................................................. 29
7. Construcción, conocimientos y competencias .............................................. 33
8. Documentación .................................................................................................. 33
9. Documentos de referencia ............................................................................... 33
4. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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Resumen
Este Libro Blanco está escrito para visualizar y aplicar medios para proteger los
equipos electrónicos en la infraestructura crítica contra el Pulso Electromagnético y
la Interferencia Electromagnética (PEM/EMI).
En el documento se describe inicialmente las potenciales amenazas PEM / EMI; tanto
artificiales y naturales. Las dos principales amenazas; los PEM naturales (como las
tormentas solares y los rayos) y los PEM hechos por el hombre (HEMP, NEMP, RFW
etc.) se presentan y discuten como información de base necesaria para la planificación
de soluciones de protección adecuadas.
Por último, el Libro Blanco recomienda soluciones y medios para endurecer y
proteger los componentes actuales de la infraestructura civil crítica contra las
amenazas electromagnéticas recomienda.
5. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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1. Introducción
Con base en el hecho de que un número creciente de países han desarrollado o están en
un proceso de desarrollo de diferentes armas PEM con potenciales devastadores ha sido
más demandante la necesidad de soluciones de blindaje suficientes y eficaces con el fin de
proteger de averías los componentes y sistemas electrónicos en la infraestructura crítica.
Además, nuestro conocimiento y décadas de experiencia con fallas críticas e incidentes
causados por las tormentas solares y el hecho de que los dispositivos electrónicos son
cada vez más sensibles al ʺruido urbanoʺ, nos obliga a proteger los equipos electrónicos,
dispositivos y sistemas vulnerables con soluciones de blindaje altamente eficaces.
2. Definiciones, amenazas y consecuencias
Aquí se enumeran algunas definiciones y términos relacionados con PEM / EMI etc.
necesarias para comprender los siguientes capítulos de este documento.
2.1 CEM = Campo Electromagnético
Combinación de campo eléctrico (V / m) y el campo magnético (μT); dependiente
del voltaje y el flujo de corriente
CEM es un término general y común representativo para todos los siguientes temas en
este capítulo
Fuentes;
Transmisores de radio
Teléfonos móviles y la red
Líneas eléctricas, transformadores, generadores, etc.
Red eléctrica y aparatos electrodomésticos de la casa
Máquinas eléctricas etc.
Un CEM con un determinado campo de fuerza / flujo puede causar lesiones y daños a
humanos o la interrupción de los dispositivos electrónicos.
Oficina Lámpara
Red de energia 230 V
Trafico
Poste de telefonía
móvil
Micro
ondas
Unidad de radar
Servidio de radio
Electroncos de entretenimiento Maquinas y dispositivos
electricos
suministro
Interruptor
Teléfono móvil
Líneas electricias
Herramientas de
trabajo
Naturaleza
Fuentes de EMF
Equipo de
cocina convertidor
Panles soalres
lavadora
Electrodomesticos
Cableado
y
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2.2 EMC = Compatibilidad Electromagnética
Es una característica o propiedad de los equipos electrónicos para asegurar una
reciprocidad sin problemas con otros equipos electrónicos en el mismo medio
ambiente electromagnético (EMI)
Evita los efectos de interferencia no deseados debido a la generación no intencional
inducida, propagación y recepción de energía electromagnética entre los
dispositivos electrónicos
Nota !Para evitar un malentendido general; el término EMC no es igual a PEM/EMI!
2.3 EMI = Interferencia Electromagnética
La interferencia de radio frecuencia (RFI), debido a la radiación o inducción
electromagnética
El EMI puede causar la degradación de la funcionalidad electrónica del equipo,
degradación del rendimiento o en el peor de los casos la interrupción y de
desconexión.
Algunos órganos del ser humano han demostrado ser sensibles y vulnerables a las
emisiones de radiofrecuencia e interferencia electromagnética.
Algunas fuentes EMI típicas;
o Transmisiones de difusión de radio y televisión e inalámbricas
o Teléfonos móviles y redes inalámbricas
o Industrial, científica y equipos médicos
o Circuitos de procesamiento digital; microcontroladores etc.
o Aparatos de soldadura eléctrica
o El ruido de encendido de motores, etc., hornos de micro‐ondas
o Ruido por chispa de transmisión de energía eléctrica
o Actividad de la tormenta solar
o Auroras Boreales
2.4 PEM = Pulso Electromagnético
Pulsos magnéticos o eléctricos radiados o conducidos (Alta frecuencia) y
perturbaciones transitorias; explosiones pulsos cortos con alta intensidad (intensidad de
campo) y la energía
Un PEM puede causar la desconexión temporal o permanente y daños a los dispositivos
electrónicos y equipo.
7. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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Algunas fuentes típicas;
o Relámpagos/Rayos (LEMP)
o Armas‐PEM (HEMP/RFW/HPM etc.)
o Armas nucleares (NEMP)
o Actividad de la tormenta solar; perturbación geomagnética (GMD)
o Auroras Boreales
o Descarga electrostática (ESD)
o Sobretensiones de línea eléctrica
2.5 Algunos datos físicos
El espectro de frecuencia relacionada con las amenazas actuales es de aprox. 100 kHz a
algunos de 10ʹs de GHz; en la parte no ionizantes del espectro. Ver fig. 1 de abajo.
Fig. 1 | Banda de frecuencia actual de las amenazas PEM / EMI
Podemos dividir el espectro en tres principales ʺcomponentesʺ; campo magnético (B), campo
eléctrico (E) y ondas planas. Las ondas electromagnéticas se pueden imaginar como un auto‐
propagación de onda transversal de oscilación de campos eléctricos y magnéticos. La Fig. 2 a
continuación muestra una animación en 3D de un plano de onda lineal polarizada que se
propaga de izquierda a derecha. Los campos eléctricos y magnéticos en una onda tales están
en fase entre sí, alcanzando mínimos y máximos juntos en los mismos puntos en el espacio.
Fig. 2 | Ondas planas electromagnéticas
El espectro electromagnético
Frecuencia
Fuentes
Longitud de onda
(en metros)
Comunicación de
micro‐ondas
Comunicación
Inalámbrica
RayosEquipo
interruptor
Radiodifusión Transmisión
eléctrica
Onda electromagnética
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Intensidad de campo eléctrico vs frecuencia
El campo PEM normalmente disminuye significativamente con el aumento de la frecuencia;
como se muestra en fig. 3 de abajo.
Fig. 3 | Intensidad de campo vs. Frecuencia
Típicas formas de onda de pulso PEM
Como se muestra en la fig. 4 bajo el impulso PEM la forma varía dependiendo del tipo de
pulso. Las Armas PEM (HPM, HEMP) normalmente tienen una mayor intensidad del
campo eléctrico y duración más corta que por ejemplo, un PEM nuclear.
Fig. 4 | Diversas formas de onda de pulso PEM
µs
PEM Nuclear PEM hecho
por el hombre
PEM de alto
Voltaje
(HPM)
PEM de relámpago
Frecuencia
Intensidad de
campo
decenio
decenio
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2.6 LEMP = PEM de relámpago
Relativamente pulsos de larga duración (μs); f = hasta 100MHz; energía
muy alta en el canal del rayo (típicamente I=50‐150kA!)
Los LEMP generan perturbaciones, degradan el funcionamiento o
dañan permanente los dispositivos electrónicos, además de incendios
y accidentes humanos.
2.7 NEMP = armas nucleares
Es la radiación de las bombas y los misiles nucleares con base en tierra o en el aire
de alta frecuencia muy potente (f>1GHz) de pulsos muy cortos (ns)
Las armas nucleares generan efectos graves y permanentes mecánicos, térmicos, ionizantes
(radiación gamma), médicos y letales.
La radiación gamma ionizante crea un gran pulso electromagnético en tres etapas (E1‐E3)
cuando interactúan con el campo magnético de la tierra. Estos pulsos PEM pueden causar
daños serios temporales o permanentes en dispositivos / equipos / circuitos electrónicos.
E1
‐ E2
‐ E3
2.8 HEMP/RFW/HPM/NNEMP etc. = Armas ‐ PEM
Estas armas se dividen en dos grupos; nucleares y no nucleares como se describió
anteriormente. Las no nuclear son bastante débiles en comparación con las nucleares
(típicamente un millón de veces más débil), pero todavía capaces de noquear a los
dispositivos electrónicos en zonas regionales o locales. A continuación algunos tipos
comunes de armas y sus capacidades;
El HEMP es una alta energía / frecuencia muy potente (f>20GHz+) de pulsos ultra cortos
(ns) irradiados desde las armas PEM de una gran altitud. Véase el ejemplo de
http://www.boeing.com/ Features/2013/ 10/bds_cchamp_10_22_12.html
Las armas HEMP son una variación del arma NEMP descrita anteriormente; son
especialmente diseñadas para la exposición de alta energía PEM con el principal
propósito de destruir los dispositivos y sistemas electrónicos; más que causar daños
materiales y lesiones humanas
Los generadores NNEMP (no nucleares) como carga útil en bombas, misiles y aviones
no tripulados para ataques de gran altitud
Rayos gamma
Región fuente
Región
EMP
radiada
puede exponer todos los sistemas dentro de línea visual
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EL RWF también llamado IEMI (Interferencia electromagnética intencional) son
generadores colocados en vehículos o ʺmaletasʺ portátiles para corta distancia para
propósitos de objetivo.
La armas portátiles están disponibles en Internet (costo alrededor de $10 usd)
Las armas PEM causarán perturbaciones temporales, funcionamiento degradado o un daño
permanente en equipos y dispositivos electrónicos (circuitos electrónicos). El grado de daño
depende del tipo de arma, poder, distancia del objetivo, etc. Tales armas no son letales y
generan poco o ningún efecto mecánico, térmico o ionizante.
A continuación sigue un poco de información adicional con respecto a los tipos anteriormente
descritos de armas PEM.
2.8.1 HEMP
El PEM desde una gran altura (cientos de kilómetros por encima de la Tierra) explosión
nuclear (HEMP) consiste de tres componentes;
Pulso E1 | pulso muy corto (ns); fracciones de microsegundos de duración; genera un
choque que instantáneamente daña, perturba y destruye dispositivos y sistemas
electrónicos sobre un área muy grande. El pulso E1 se conecta de modo eficaz a los
cables / conductores cortos y largos, por ejemplo, cables USB de la computadora,
antenas de radio, líneas de telecomunicaciones de larga distancia y líneas de
transmisión de energía eléctrica. El pulso es capaz de causar trastorno, desconexión y
el agotamiento de los sistemas eléctricos y electrónicos en general. El E1 destruirá
sistemas de control importantes y críticos por ejemplo, SCADA para la gestión de la
infraestructura nacional (red eléctrica, control del tráfico aéreo, sistemas de transporte
con base en tierra, etc.). ¡El almacenamiento de componentes electrónicos críticos y
vulnerables será de un gran importancia para la implementación del proceso de
restauración!.
Pulso E2 | tiene un efecto similar a un rayo y también cubre grandes áreas (naciones)
en una fracción de segundos, pero en cierta medida, a más tardíamente que el E1,
ciertos micro / milisegundos después de la detonación. Los sistemas y dispositivos
electrónicos con protección incorporada en su mayoría probablemente evitaría daños
graves, pero los efectos sinérgicos pueden causar más daño que el E1 solo. !El
Almacenamiento de componentes críticos será muy recomendable!.
Pulso E3 | es un pulso mucho más largo, hasta varios minutos de duración. Este tipo
de pulso provoca efectos similares a los producidos por las tormentas / vientos solares
intensos. Se inducirá y acoplará en corrientes eléctricas altas en las redes de gran
longitud, líneas y cables de telecomunicaciones, tuberías, etc. Los componentes de la
red críticos e importantes como transformadores EHV, interruptores, sistemas de
control de gestión, etc. ¡Serán seriamente vulnerables!, Debido a que normalmente el
tiempo de ejecución es largo, el daño a esos grandes transformadores causará la
interrupción de red eléctrica por ¡mucho tiempo!.
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En general los pulsos E1 y E3 son los de mayor preocupación ya que cada efecto de
pulso tiene el potencial de colapsar la red eléctrica nacional y otros sistemas que
consisten en gran número de componentes eléctricos para largos períodos de
tiempo. ¡Esto a su vez causará daños catastróficos y consecuencias para las naciones
y aún más en la mayor parte de los continentes!. La combinación y sincronización
secuencial de los tres tipos de pulsos E darán una acumulación de efectos y
causarán más daño que por si solo, de un pulso E.
2.8.2 RFW, HEMP, NNEMP etc.
Armas menos potentes como la RFW también pueden causar graves daños en los sistemas y
dispositivos electrónicos, pero en menos escala debido a los efectos más pequeños y
expuestos sobre objetivos potenciales en distancias muchos menores.
En ataques terrestres con armas portátiles de baja potencia (RFW) causarán impactos
limitados y locales. La infraestructura sin protección local, cerca de centros de datos /
control, vehículos, etc. fallarán y se descompondrán de forma permanente o al menos
temporal.
En ataques terrestres con ʺgrandesʺ bombas‐E etc. (RFW, HPM, NNEMP) causarán daños
extensos y regionales. La mayoría de la infraestructura civil sin protección fallará y se
descompondrá de forma permanente o temporal por lo menos por un largo tiempo.
Un arma HEMP detonada sobre algunos kilómetros de la superficie terrestre destruiría
todos los dispositivos electrónicos dentro de ¡una gran área específica!
Altitud de explosión
300 millas
Altitud de explosión
120 millas
Altitud de explosión
30 millas
480 millas
1000 millas
1470 millas
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2.8.3 Algunos eventos históricos conocidos causados por armas NEMP / HEMP
Pruebas en EE .UU. “Star Fish Prime”, “Bluegill Triple Prime” y “Kingfish”; 1962 (NEMP)
Explosión a gran altitud; Ojiva nuclear detonada en la atmósfera
El pulso PEM dañó varios tipos de infraestructuras; a cientos de millas de distancia
Pruebas en la Unión Soviética “Test 184”; 1962(?) (NEMP)
Ojiva nuclear detonada en la atmósfera
P ulso PEM dañó varios tipos de infraestructura de energía y de telecomunicaciones en
Kazajstán
2.8.4 ʺAmenaza PEM Naturalʺ | tormentas solares / geomagnéticas
Una tormenta geomagnética; Eyección de la Masa Coronal (CME); es una perturbación
temporal de la magnetosfera de la tierra causada por una onda de choque del viento
solar y / o nube de campo magnético que interactúa con el campo magnético de la
tierra. Esta interacción causará perturbación geomagnética (GMD)
El GMD pueden producir un componente E3 muy perjudicial como el
componente de la amenaza nuclear PEM ¡(NEMP)!; como se ha descrito
previamente
Tales tormentas / vientos pueden generar alto voltaje / corrientes en los cables
eléctricos y las redes debido a la inducción
EL nivel de tormenta normal cíclica máxima solar aparece en ciclos de 11 años
Se espera que las tormentas extremas de nivel medio aparezcan cada 50 años; mientras
que las de niveles muy extremos son ʺPronosticadasʺ con un período de retorno de
cada 150 años
Recientemente (2012‐ʹ13) fue un periodo de alta intensidad
Las tormentas solares pueden causar graves daños o la
interrupción de:
líneas de energía, (red de alta tensión),
transformadores, etc..
Sistemas electrónicos; SCADA, vigilancia, satélites,
sistemas GPS‐, difusión, Emisores etc.
Red de radio y telecomunicaciones
Interrupción o daño permanente o temporal
(horas / días / semanas)
Algunos famosos acontecimientos históricos sobre tormentas solares;
Evento Carrington ; 1859
Intensa súper llamarada solar (tormenta geomagnética) en la atmósfera
afectada una gran parte de la Tierra
Los sistemas telegráficos en toda Europa y los Estados Unidos fallaron y
causaron lesiones a humanos
Un evento similar en la actualidad costaría los EE.UU. solamente ¡$ 1‐2 trillones!
Una tormenta solar grave golpeó las líneas eléctricas canadienses; 1989
Un fuerte campo electromagnético y un PEM máximos provocaron a altas
corrientes en partes de la red nacional
Resultado; interrumpidas todas las líneas eléctricas y transformadores fundidos en el área de
Quebec; apagón total.
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¡6 millones de personas sin electricidad durante semanas!.
El suministro de energía eléctrica de alrededor de 100 centrales eléctricas y
subestaciones fue interrumpido.
Algunos satélites tuvieron grandes problemas con la electrónica sensible y
temporalmente interrumpidos.
Varias tormentas solares en 2000, 2003, 2012
Dieron como resultado el corte / interrupción de dispositivos
electrónicos en los Estados Unidos, Francia, en los países
mediterráneos, Suecia, etc.
3. Infraestructura crítica
La infraestructura crítica es la espina dorsal de toda la economía, seguridad y salud de una
Nación. Que como sabemos es la electricidad que usamos en nuestros hogares, el agua que
bebemos, el transporte que nos mueve, y los sistemas de comunicación de los que
dependemos para estar en contacto con amigos y familiares.
Las infraestructuras críticas son los activos, sistemas y redes, ya sea físicos o virtuales, tan
vital para los países que su incapacitación o destrucción tendría un efecto debilitante en la
seguridad, en la seguridad económica de la nación, en el sistemas de salud pública o en la
seguridad nacional, o cualquier combinación de los mismas.
A continuación se enumeran algunos ejemplos típicos de la infraestructura crítica; que son
altamente sensibles y vulnerables a los impactos PEM / EMI;
Generación de electricidad / producción,
transmisión y distribución
Redes eléctricas y Sistemas de redes eléctricas
inteligentes
Producción de gas, transporte y distribución
Industrias de Proceso
Calefacción (gas, gasolina, vapor, etc.)
Telecomunicaciones; centros de transmisión y
control, redes
Red móvil; estaciones base y centros
Centros de datos; equipos de datos, centros de
control, fuentes de alimentación, refrigeración,
etc.
Sistemas de transporte ( suministro de
combustible, red ferroviaria, aeropuertos,
puertos, navegación interior)
Servicios financieros (banca etc.)
Producción de alimentos para la Agricultura
y la distribución
Suministro de agua (agua potable, aguas
residuales / aguas de desecho, la proveniente
de las aguas superficiales (diques y esclusas)
Salud pública (hospitales, ambulancias)
Servicios de seguridad (policía, militar)
14. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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La mayoría de las infraestructuras tienen sistemas
de datos o de telecomunicaciones altamente
dependientes de los sistemas y equipo electrónicos
críticos incluyendo los sistemas de energía ,
refrigeración , ventilación etc.
.
Sistemas de datos, de telecomunicación, de
procesamiento, de energía, los vehículos
modernos, etc. tienen dispositivos electrónicos
vulnerables, procesadores, etc. altamente
sensibles al ʺruidoʺ electromagnético como son
el PEM y el EMI etc.
Los sistemas y equipos no protegidos tienen
una alta posibilidad de avería; permanente o
temporal después de un ataque / evento PEM.
Los sistemas de satélites pueden ser afectados por un PEM
tormentas solares, explosión NEMP, e indirectamente causar
enormes problemas para diversos sistemas de transporte y de telecomunicaciones;
tráfico aéreo y naval, transporte terrestre, red de telefonía móvil, etc. El dibujo fig.
5 de abajo muestra los sistemas de infraestructura más importantes y su
dependencia en una sociedad moderna. L a Fig. 6 de abajo muestra los posibles
impactos relevantes sobre las infraestructuras críticas cuando se exponen a varios
tipos de ʺruidoʺ como el EMI y PEM.
Fig. 5 | Infraestructuras Modernas y la interdependencia
Industrial
Petróleo y gas
Transporte
Finanzas /
Banca/
Seguros
Energía /
Servicios
públicos
Venta al por
menor
Telecomunicaciones
y Medios
Salud
15. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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Fig. 6 | Posibles impactos en la infraestructura crítica cuando se exponen a un EMI/PEM
4. Requisitos y especificaciones técnicas de protección reglamentarios
Los requisitos reglamentarios para proteger dispositivos electrónicos vulnerables y sistema
contra un PEM / EMI en la infraestructura crítica se determinan normalmente por las
autoridades nacionales para el sistema civil (y militar).
El requisito de protección (eficacia de blindaje) define una atenuación mínima necesaria de
un pulso PEM / EMI dentro de una cierta banda de frecuencia; para asegurar que los pulsos
expuestos se mantienen bajo un límite crítico para evitar daños.
El requisito de protección varía de un país a otro, pero en general una especificación típica
es de aproximadamente 40dB en una determinada banda de frecuencias de LF (campo
magnético) hasta aproximadamente 10ʹS de GHz (ondas planas).
En algunos países; entre ellos Noruega; Dirección de Recursos Hídricos y Energía
Noruegos (NVE) ha generado normativa y requisitos para la protección contra un
evento PEM / EMI para salvaguardar los sistemas electrónicos críticos como la energía y
redes de control operativo (sistemas ‐ SCADA), telecomunicaciones, etc.
5. Construcción y soluciones de blindaje contra un PEM / EMI
5.1 Generalidades
Hay tres métodos principales para la protección de dispositivos vulnerables por un ataque
PEM / EMI dañino y eventos naturales PEM;
i) Colocar el equipo en un cuarto blindado basado en los principios de la jaula
de Faraday.
ii) Ocultarlos profundamente en instalaciones montañas o búnkeres
subterráneos.
iii) Colocarlos en el centro de un edificio sólido detrás de gruesos muros y techos de
hormigón armado; principalmente bajo el nivel del suelo.
Electrodomésticos
Problema de fallos de Electrodomésticos e interferencia
entre equipos debido a las perturbaciones externas
Problema de sobre
voltaje / puesta a tierra
Intercepción de filtración de ondas
electromagnéticas
Problema de seguridad de ondas
electromagnéticas
Micro‐ondas
Problema de fallas electromagnéticas y
radiación electromagnética no deseada
debido a perturbaciones externas
Radar
Rayos
Ondas de transmisión
Teléfonos móviles
Red inalámbrica LAN
Líneas de transmisión,
ferrocarriles eléctricos
Radio CB
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La primera alternativa, normalmente da la protección necesaria asumiendo que la
construcción es correcta y satisfactoria; se describe en capítulos posteriores.
La eficacia de protección en una instalación montañosa o un bunker depende de varios
factores como el tipo de roca y suelo, grado de cobertura, longitud de cable, dispositivos de
protección, como puertas y otras barreras en frente del túnel, etc. Esto será desarrollará en un
capítulo posterior.
La última alternativa iii) da solamente un grado limitado de protección y normalmente no
es suficiente a menos que se combine con soluciones adicionales; como la alternativa i).
5.2.1 Habitaciones blindadas / jaula Faraday
Una jaula Faraday o blindaje Faraday es un recinto formado por material conductor o por
una malla de dicho material. Por los bloques de un recinto, los campos eléctricos estáticos y
no estáticos canalizan la electricidad a través de la malla, proporcionando un voltaje
constante en todos los lados del recinto. Dado que la diferencia en el voltaje es la medida del
potencial eléctrico, no fluye corriente a través del blindaje. Las Jaulas de Faraday se nombran
por el científico Inglés Michael Faraday, quien las inventó en 1836. La Fig. 7 de abajo muestra
un esquema principal de una jaula de Faraday.
Una jaula de Faraday funciona porque un
campo eléctrico estático externa hace que las
cargas eléctricas dentro del material
conductor de la jaula se distribuya de tal
manera que anula el efecto de los campos
en el interior de la jaula.
La superficie metálica de la jaula absorbe
principalmente y reflejar la energía
electromagnética expuesta y conduce la corriente
a través de la conexión a tierra a las barras de
puesta a tierra de la construcciones. Ver fig. 8 de
abajo.
La jaula de Faraday es el principal método para
proteger los equipos electrónicos de la caída de
rayos, descargas electrostáticas y eventos PEM /
EMI.
Fig. 7 | Jaula Faraday
La Jaula de Faraday no pueden bloquear los campos
magnéticos estáticos o lentamente variables, tales como el
campo magnético de la tierra (una brújula seguirá
funcionando en el interior). En gran medida, sin
embargo, protegen el interior de la radiación
electromagnética externa si el conductor es lo
suficientemente grueso y los agujeros son
Fig. 8 | Absorción y reflexión de un PEM / EMI
en una Jaula de Faraday
Pulso/ruido radiantes
Entrada
Única
Electrónica
Puerta
blindada
Puerta blindada
Conducción de Impulsos/ ruido
inducidos en los cables y tubos;
kHz‐Mz
Vent. guía de onda
Absorbancia
Incidente de onda
Onda reflejada
Reflectancia
2da perdida
de reflexión
2da transmisión
Onda transmitida
Transmitancia (T)
Reflexión
interna
Campo de fuerza remanente
Distancia de la valla blindada (t)
Campo de fuerza
incidental
Superficial
17. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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significativamente más pequeños que la longitud de onda de la radiación. Por ejemplo, ciertos
procedimientos de prueba de informática forense de sistemas electrónicos que requieren un ambiente
libre de interferencias electromagnéticas pueden llevarse a cabo dentro de una zona protegida. Estas
habitaciones son espacios que están completamente encerrados por una o más capas de una malla
metálica fina o chapa perforada. Las capas de metal están conectadas a tierra para disipar las
corrientes eléctricas generadas a partir de los campos electromagnéticos externos o internos, y por lo
tanto bloquean una gran cantidad de la interferencia electromagnética.
5.2.2 Habitación blindada
Una jaula de Faraday ideal o una habitación blindada es una especie de caja de metal sin
aberturas; pero en la vida práctica, necesitamos algunas aberturas para entrar en la jaula
/ habitación, canales de cables, y aberturas para la ventilación y aire refrigerado, etc.
Construcción de la habitación
Las habitaciones blindadas se construyen
en dos soluciones óptimas;
i) Habitación prefabricada / modular con
elementos de placa de acero de 1‐2mm
prefabricados que se recogen y ensamblan en
el sitio con empaques‐ PEM entre todos los
elementos. Este tipo da muy alta atenuación
y eficacia de blindaje; típicamente 70‐80dB @
20GHz.
ii) La llamada construcción ʺPlaca finaʺ;
blindaje construido en el sitio con placas
finas de acero básicas que cubren todas las
superficies de las habitaciones. Este tipo da
bastante alta atenuación y eficacia de
blindaje; típicamente de 50‐80dB@20GHz.
La Fig. 9 de abajo demuestra la eficacia de blindaje
típica vs. la frecuencia para un recinto
prefabricado.
Ambos tipos de construcción cumplen con los
requisitos de atenuación regulatorios más
comunes para fines civiles.
El escudo en sí debe, como se describe en un
principio, ser construido de algún tipo de
material conductor eléctrico. Se utilizan
placas de acero galvanizado Normalmente
delgadas, pero en algunos casos también
Fig. 9 | Eficacia de blindaje en un recinto de ʺAlta claseʺ
Campo eléctrico y onda plana
Campo
magnético
ATENUACIÓN
18. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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Single Entry
otros metales como el cobre o lámina de latón
son aplicables.
Puertas
Las puertas en este tipo de habitación blindada son
especialmente diseñadas con un alto rendimiento de
atenuación PEM / EMI. El marco de la puerta y la hoja tienen
una junta o empaque especial PEM para un acoplamiento
suficiente y buen efecto de sellado.
Hay principalmente dos tipos diferentes de tales puertas;
i. Puerta de alto rendimiento con el marco de
cuchilla y empaque de dedos de cobre.
Efectividad de blindaje típico 100dB@20GHz
ii. Una puerta ligeramente menos robusta con sólo
una junta de malla en la hoja de la puerta.
Efectividad de blindaje típico 45dB@20GHz
Las fotos muestran ejemplos de una empaque PEM típico; de malla y un cuchilla / dedo.
Entrada única
Todo el cableado y tuberías eventuales para el sistema de
enfriamiento se alimentan normalmente a través de la
pantalla en un canal de cables; llamada “Entrada Única”.
En algunos casos, debido a la duplicación y redundancia de
requisitos la entrada ʺúnicaʺ se amplía al doble o al triple de
entradas.
Con la reducción al mínimo del número de entradas de
cable de uno o a unos pocos, se mantienen el control de la
estructura de cableado. Además evitamos pasamuros no
deseados de cableado instalados al azar;
19. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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que pueda causar fugas de LF/HF y en el peor de
los casos corrientes circulares en el blindaje.
Existen en principio dos tipos de Entrada Única;
i. Sistemas modulares con marcos sólidos regulares
con módulos de sellado para pasamuros (fig. 10).
Efectividad de blindaje típico de
50‐70dB@20GHz.
ii. Prensaestopas con junta de tubo de malla; montada
directamente en el muro de protección. Hay dos
tipos principales con diferente rendimiento; grado
MIL con eficacia de blindaje típico de
70‐80dB@20GHz, y prensaestopa industrial EMC
con eficacia típica de blindaje de aproximadamente
hasta 40dB@20GHz.
Fig. 10 | Entrada Única EMC Roxtec
Fotos de este lado muestran algunos ejemplos de Entrada Única en base al modular de Roxtec
Entrada Única EMC y prensaestopas (industrial EMC y grado MIL) de otros
proveedores.
Industrial EMC MIL grade
Protección contra Fuego y PI / agua / húmedas
Además de los requisitos descritos relacionados con la protección contra un eventos PEM /
EMI de los dispositivos electrónicos en las habitaciones blindadas y recintos similares, las
autoridades nacionales y los clientes en varios países también requieren soluciones de
protección contra el fuego y el agua y la intrusión de la humedad. Normalmente el requisito
de resistencia al fuego para la construcción de edificios incluyendo puertas, etc. es de
resistencia al fuego Clase EI60 Nota 1 o similar; También válido para recintos de
procesamiento de datos y equipo de telecomunicaciones. Eso significa que también
exigencias similares son válidas para algunos de los elementos actuales en dichos recintos;
como puertas blindadas, las entradas únicas, guías de onda de aire, etc.
20. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
| Libro Blanco| página 20 de 34
A modo de ejemplo algunas de las puertas
blindadas disponibles en el mercado no
cumplen con los requisitos de la clase de
resistencia al fuego mencionadas. Esto a
menudo se resuelve con una segunda puerta
contra fuego en frente de la puerta blindada
para obtener protección contra el evento
PEM / EMI y contra incendios. Ver foto aquí.
En cuanto a los requisitos de resistencia al
fuego y al agua para equipos Entrada Única
algunos de los fabricantes; entre ellos Roxtec;
tienen soluciones que cumplen con los
requisitos y clases mencionadas.
Nota 1 Clase de resistencia al fuego; un componente de construcción de separación al fuego
(por ejemplo, puerta cortafuegos) hecha a EI60 debe ser capaz de prevenir la propagación de
tanto calor como de gas de humo durante 60 minutos.
Cableado de Entrada Única
Cables eléctricos
¡Todos los cables eléctricos deben estar protegidos cuando se instalan a través del escudo /
entrada único!, ¡Este es un requisito absoluto! Los cables no blindados que penetran el
blindaje actuarán como antenas no deseadas y destruirán la eficacia del escudo. ¡Tales cables
sin blindaje o mal blindados causarán fugas graves y daños a los equipos instalados en el
interior de la sala blindada!.
¡Hay una gran variación en la alta calidad y también son los cables de menos recomendadas
en el mercado! Algunos fabricantes anuncian y promueven cables blindados como ʺEMCʺ sin
informar de que algunos de estos no son recomendados para la protección PEM; revelando
así la falta de competencia en este tema.
¡Dobles guardas trenzadas / escudo de malla o malla / lámina de blindaje son muy
recomendable! Ver ejemplos en la fig. 11 en las siguientes páginas.
23. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
| Libro Blanco| página 23 de 34
Cables de fibras ópticas
Los cables de fibra óptica con dimensión de forro del cable > que un límite crítico
(dependiente de la frecuencia) debe ser montado en la Entrada Única con una guía de
onda hecha de cinta metálica o una funda de cable de malla extra. Ver foto de abajo.
Filtros de cable
Los filtros de cable dan protección adicional
contra los pulsos PEM transversales
inducidos. Normalmente los filtros son
necesarios cuando se exige una eficacia extra
de alto de blindaje.
Normalmente se utilizan filtros de paso bajo
y de paso de banda.
Los filtros están instalados en el exterior del
recinto; cerca de la Entrada Única; directo en
el muro blindado. EL rendimiento de
atenuación típico de un filtro de potencia es de
100 dB a 10kHz aquí. Ver fotos en esta página.
Paneles de ventilación de aire de blindaje PEM
Los paneles de ventilación de blindaje PEM consisten en
un marco ya sea rectangular o circular con una estructura
de nido de abeja en el interior. El respiradero de nido de
abeja es series de ʺtubosʺ hexagonales que actúa como una
guía de onda, guía las ondas electromagnéticas de entrada
/ salida de la habitación blindada y bloquea el flujo de
aire. Típicamente, el tubo de dimensión L / W debería ser
5: 1 para obtener una buena eficacia rendimiento. El flujo
de aire es dirigido casi sin obstáculos.
24. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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a través del nido de abeja mientras que el
pulso electromagnético es detenido efectivamente.
La efectividad del blindaje típico es de
aproximadamente 80‐100dB@20GHz.
Las fotos en la página anterior y aquí muestran
Ventilas típicas con panal.
5.2.3 Tableros blindados / gabinetes
Los tableros blindados son principalmente pequeñas
jaulas de Faraday. Hay dos tipos diferentes de tales
gabinetes;
i. Tableros robustos de acero de alto
rendimiento con empaque PEM de cobre /
cuchillo en la puerta. Este tipo normalmente se
suministra con los filtros de cable
(de alimentación y de telecomunicaciones),
además del equipamiento de serie como es la
pequeña Entrada Única, panales y ventiladores
para la ventilación de aire. La efectividad de
blindaje típica es de 50‐80dB @ 18GHz
Entrada, panales y ventiladores para
ventilación de aire. La efectividad de blindaje
típica es de 50‐80dB@ 18GHz
ii. Tableros semi‐robustos de acero de alto rendimiento con un empaque PEM de malla
en la hoja de la puerta más simple (menos espacios). Al igual que el tipo de estos,
también está normalmente equipado con filtros, además de una Entrada Única, ventila
de panal etc. La efectividad de blindaje típica es de 40‐75dB @ 3GHz; con un límite
superior de frecuencia significativamente bajo.
El gráfico; fig. 13; de abajo muestra los resultados de pruebas de un Gabinete de clase 3
(100kHz‐18GHz) probado en el sitio con cables en los filtros y de Entrada Única.
25. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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Fig. 13 | Resultados de pruebas del gabinete en sitio
Gabinete de clase 3 (18GHz)
Los Tableros‐PEM son costosos, pero asequible en comparación con el costo de la habitación
blindada para un número limitado de equipos a instalar. El ensamble de los gabinetes es
obviamente mucho más fácil y más barato que el montaje de habitaciones blindadas. Las fotos
adjuntas muestran varios tipos de tableros de piso y tableros más pequeños para montaje en la
pared.
Frontal
Parte superior y paredes laterales
Atenuación
Medidas de frecuencia
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5.2.4 Refugio/contenedor
Un contenedor PEM o refugio es una más grande
que una jaula de Faraday; caja de acero; construida
con aprox. 3‐ placas de acero de 5 mm de espesor.
Estos contenedores están normalmente equipados
con una puerta blindada, salidas de aire con nido
de abeja, una sola entrada, filtros de cable, etc. La
efectividad de blindaje es muy alta; a menudo igual
o mejor que las habitaciones blindadas; típicamente
de 70‐80dB @ 18GHz. Esta solución es normalmente
bastante cara, pero asequible cuando hay falta de
espacio interno.
5.2.5 Puesta a tierra de las habitaciones y gabinetes blindados
La conexión a tierra o puesta a tierra de los sistemas eléctricos y equipo tiene varios
significados, definiciones y propósitos;
Puesta a tierra de protección | proteger a las personas y al usuario con el fin de evitar
el contacto con un voltaje peligroso si el aislamiento eléctrico falla, circuito de
referencia de potencial, la compensación de potencial / interconexión para obtener
igualdad de voltaje entre los circuitos evitando corrientes que flotan peligrosamente
entre estas, etc.
Puesta a tierra funcional | normalmente el neutro en un sistema de suministro de energía
eléctrica, nivel de referencia para supresores de sobretensiones y filtros PEM / EMI; la
interconexión es también una especie de puesta a tierra funcional.
Para blindaje PEM / EMI de habitaciones y gabinetes blindados la ʺredʺ de puesta a tierra es
más esencial para obtener una buena eficacia de blindaje. Así, el propósito principal de
blindaje; absorción y reflexión PEM y EMI; dependen totalmente de un correcto blindaje a
tierra.
Dado que la tarea principal de los sistemas de puesta a tierra es conducir y vaciar las
posibles corrientes no deseadas en una amplia banda de frecuencias desde DC hasta varios
GHz; ¡la topología de conexión a tierra es de gran importancia! Normalmente, el escudo
está conectada con un cable a tierra masivo conectado a la barra principal de puesta a tierra
en el edificio y de la varilla de puesta a tierra exterior en la Entrada Única. Es esencial que
la resistencia de puesta a tierra sea baja en el punto de conexión en el edificio; eso significa
baja resistencia del suelo (típicamente algunos pocos Ωʹs). ¡La resistencia de acoplamiento
entre el marco de Entrada Única y el cuarto blindado debe ser aún mejor! El valor
recomendado es < 1mΩ. Como ejemplo; Los sistemas EMC de Roxtec están diseñados
para una resistencia de acoplamiento aún mejor; típicamente menos de 1mΩ / DC y la
impedancia mejor que 10M / 30MHz.
La Fig. 14‐15 de abajo muestra el principio de conexión a tierra de una habitación blindada y
el gabinete mismo y la red de puesta a tierra interna y de conexión para el equipo técnico
dentro de la habitación / gabinete.
27. Libro blanco | Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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La conexión a tierra correcta proporcionará niveles potenciales iguales tanto en el exterior e
interior de la habitación / gabinete blindado. Por lo tanto evitar bucles de corriente no
deseados en el escudo en sí mismo y entre el equipo en el interior.
Fig. 14 | Esquema principal del sistema de puesta a tierra sala blindada.
Fig. 15 | Esquema principal de la puesta a tierra del gabinete.
Perno de puesta a tierra interna
Entrada Única
Perno de puesta a tierra externo
Marco
Equipo electrónico.
Parte superior del gabinete
Cable de puesta a tierra principal
Conexión de puesta a tierra principal
Cables eléctricos
Cables de fibra óptica
Tubos de enfriamiento
Entrada Única
Barra de
puesta a tierra
principal
Gabinete de
datos/telecom
unificación
Refrigeración
Puerta PEM
Rejilla de puesta a
tierra interna
Salida de aire / panal
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Tørket fjell
Fjell/betong/jord tørr
Måling fjell
Fuktig jord
Våt jord
dB/m
5.3 Funcionamiento y Mantenimiento Preventivo (MOM)
Los recintos y gabinetes blindados tienen que ser mantenidos regularmente para
asegurar la efectividad de blindaje especificado. Las actividades de mantenimiento
típicas son:
Inspección general y reparación eventual de agujeros, ranuras y otras aberturas
irregulares en la estructura metálica del recinto
Limpieza, lubricación y engrase de los empaques PEM (válidos para el cuchillo
/dedo Cu) de las puertas
Comprobación de posibles daños de los empaques PEM (dedos Cu‐rotos, cuchillo
dañado etc.)
Inspección y ajuste de engranajes de bloqueo la puerta
Quitar el polvo y limpieza al vacío de los orificios de ventilación (panales)
Inspección del marco de la Entrada Única y de los módulos
Inspección del filtro y apriete de los pernos de fijación
Inspección conexión a tierra y cables de conexión y tornillos de apriete,
terminales de cable, etc.
La frecuencia de mantenimiento depende, entre otras del tipo de puertas, frecuencia de
uso, etc. Por lo general este tipo de recintos tienen que ser inspeccionados una vez o dos
veces al año.
Normalmente el proveedor de un reciento terminado prepara un documento
MOM que contiene las listas de comprobación para las actividades de
mantenimiento descritas anteriormente.
5.4 Instalaciones en montañas / búnkeres subterráneos
La vulnerabilidad del equipo electrónico podría ser protegida con eficacia incluso sin
blindaje extra en una jaula de Faraday, si se coloca lo suficientemente profunda en el
interior de una instalación montañosa o búnker subterráneo. La efectividad de blindaje es
en este caso depende de algunas condiciones previas importantes relacionados con;
La profundidad del suelo y espesor de la roca; es decir, la pérdida de inserción masiva
de atenuación PEM .ver la fig. 16 de abajo
Tipo de roca y el suelo; es decir, la conductividad del suelo.
Ver la fig. 16 de abajo
Cables de fuera en la montaña; tipos, longitud; es decir, la atenuación total
del cable para diferentes frecuencias reales (100kHz‐18GHz)
Fig. 16 | Atenuación típica de suelo / suelo / roca vs rango de frecuencia real.
100,00
10,00
1,00
0,10
0,01
Frecuencia
1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 1,E+10
Suelo mojado
Suelo húmedo
Mediciones de montaña
Concreto, suelo seco, etc.
Roca seca.
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Además del espesor de la roca y la conductividad, la atenuación total del cable a lo largo del túnel de
entrada determina la eficacia de atenuación PEM de la instalación montañosa. La atenuación del cable
depende del blindaje del cable, la dimensión de cable y longitud total del cable en función vs. a la
frecuencia. Como la atenuación es proporcional al cuadrado de la longitud del cable y la frecuencia, el
impacto del PEM es más crítico para las bajas frecuencias; es decir, desde kHz hasta algunos MHz. La
conductividad cable para frecuencias más altas; GHz; normalmente será insignificante.
5.5 Otras barreras físicas y soluciones de protección
Además de las soluciones descritas anteriormente para la protección dedicadas a un evento
PEM / EMI con recintos hay otros métodos para obtener la protección física y robustez para
evitar o resistir el sabotaje y reducir el daño.
Especialmente para las armas PEM de baja potencia con alcance limitado (manuales, maleta
RFW) la distancia física entre el portador del arma y el objetivo es de vital importancia; como
un medio adicional al blindaje PEM. Típicamente tales medios son puertas, vallas y otros
obstáculos sólidos colocados en una distancia suficiente de la construcción que contiene los
dispositivos vulnerables.
6. Verificación, prueba y mediciones
Después del diseño, construcción y terminación de una sala blindada o la instalación de
un gabinete, es vital comprobar que el blindaje en sí ha obtenido la eficacia para el que
fue diseñado y requerido. Esto se hace normalmente en dos pasos; primero una
inspección visual cuidadosa seguida de una serie de pruebas y medidas de control.
Normalmente este tipo de pruebas se realizan de acuerdo a
las normas como el estándar IEEE 299‐2006 [3], MIL‐STD‐
285 o similares; como las pruebas CW o de pulso. Estos
estándares describen los métodos y procedimientos de
pruebas uniformes; incluidas las frecuencias de prueba
recomendados, instrumentos, antenas, etc. Las frecuencias
de prueba oscilan entre 9 kHz a 20 GHz (18 GHz);
extensible hasta 50 Hz y hasta 100GHz. El rango de
medición se divide en tres subintervalos;
Rango de baja frecuencia 9 kHz‐16MHz;
campo magnético
Rango resonante (ʺrango medioʺ) 20MHz‐
300MHz; campo eléctrico
Rango de alta frecuencia 300MHz‐18GHz;
ondas planas
Se recomienda probar una habitación blindada en dos etapas; la primera vez
después de la finalización de la construcción de la habitación y finalmente, después
de la instalación completa del equipo técnico con el cableado, bastidores, etc.
33. Libro Blanco| Soluciones para la protección de PEM / EMI en salas/ centros de control en infraestructuras críticas
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7. Construcción, conocimientos y competencias
La construcción y terminación de habitaciones blindadas
es normalmente un proceso que implica el
involucramiento de varias partes como consultores,
empresarios, empresas instaladoras y consultores
dedicados especiales para la medición de controles y
finales. El común denominador de todas estas partes es la
exigencia de suficientes competencias, conocimientos y
experiencia para asegurar un rendimiento de alta calidad
y la eficacia de blindaje.
Según los autores experimentar con la competencias sobre el PEM / EMI, en general, las amenazas, la
edificación y la construcción de recintos blindados es variable ya que a menudo es muy limitada. Por
lo tanto normalmente esto requiere una formación de las partes involucradas, tanto en la fase de
planificación (consultores) y posteriormente en la fase de construcción.
Las experiencias durante años de la gestión de este tipo de proyectos resultan de una alta
importancia de conocimiento y competencia suficientes para evitar la mala calidad en la fase
de construcción y por ende la eficacia de blindaje degradada.
8. Documentación
Un proyecto sobre la construcción una habitación blindada o la compra e
instalación de gabinetes, etc., no se completa antes de que todos los documentos
necesarios sean preparados y actualizados para la construcción. Los documentos
necesarios son descripciones de soluciones, esquemas, manuales; todo recopilado
en los documentos para la Gestión de Operación y Mantenimiento Preventivo
(MOM) y los reportes de prueba. Los temas típicos recomendados;
Descripción técnica de sala/habitación blindada o gabinete
Especificación técnica y manuales de materiales y equipos
Fotos y dibujos
Instrucciones para el control y mantenimiento de elementos y equipo actuales
incluyendo listas de control y plan de mantenimiento
9. Documentos de referencia
[1] Wikipedia
[2] ʺRegulations and requirements for PEM/EMI protection in power and grid operational
control systemsʺ; The Norwegian Water Resources and Energy Directorate; FOR
2012‐12‐07‐1157
[3] ʺIEEE 299‐2006 ‐ Standard Method for Measuring the Effectiveness of
Electromagnetic Shielding Enclosuresʺ
[4] Test reports from shielded rooms and cabinets; EB Consulting as