電網(wǎng)中屏蔽體場(chǎng)強(qiáng)的分布特性研究與分析

牛帥 李琳

摘 要：較全面地闡述了閥廳電磁屏蔽的重要意義和這些年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究成果，說(shuō)明了閥廳作為大尺度屏蔽體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)的分布特性。電磁屏蔽是能防止或者減少電磁波侵入空間某些部位的措施；是抑制干擾，增強(qiáng)設(shè)備的可靠性及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。合理地使用電磁屏蔽，可以抑制外來(lái)高頻電磁波的干擾，也可以避免作為干擾源去影響其他設(shè)備。

關(guān)鍵詞：閥廳 電磁屏蔽 高頻 分布特性

0 引言

我國(guó)電力工業(yè)正處在一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，“西電東送”、“全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略使特高壓直流輸電技術(shù)重要性突現(xiàn)。上世紀(jì)80年代末以來(lái)，高壓直流輸電技術(shù)在電網(wǎng)互聯(lián)和遠(yuǎn)距離大容量輸電領(lǐng)域中得到飛速發(fā)展，由于與系統(tǒng)頻率無(wú)關(guān)、損耗小、輸送容量大、經(jīng)濟(jì)性突出等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃中比重大為提高。與一般設(shè)備的屏蔽相比，閥廳電磁屏蔽具有以下特點(diǎn)：1）大尺度，±500kV換流站閥廳的尺度可達(dá)30m以上；2）激勵(lì)源復(fù)雜，閥廳內(nèi)部分布著大量可產(chǎn)生電磁輻射的晶閘管和導(dǎo)線回路；3）接縫多，由于閥廳的尺寸很大，需要將成百上千塊金屬板通過(guò)螺釘搭接，從而在相鄰螺釘之間形成大量接縫。相鄰螺釘?shù)拈g距，即接縫長(zhǎng)度是影響電磁泄露程度的一個(gè)重要因素，同時(shí)也直接影響到閥廳屏蔽體建設(shè)的施工量。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，關(guān)于屏蔽體電磁泄露的研究對(duì)開孔或開縫分析的多，對(duì)接縫分析的少；對(duì)簡(jiǎn)單激勵(lì)源（平面波、單個(gè)電或磁偶極子及單根導(dǎo)線等）分析的多，對(duì)復(fù)雜分布的激勵(lì)源分析的少。

西門子公司對(duì)±500kV換流站電磁兼容問題進(jìn)行了長(zhǎng)期研究。主要工作有：

1.電路建模與仿真。他們對(duì)整流或逆變回路進(jìn)行建模，通過(guò)電路仿真方法預(yù)測(cè)計(jì)算晶閘管及其回路在觸發(fā)或關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓和瞬態(tài)電流，在頻譜分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算獲得這些瞬態(tài)電壓和瞬態(tài)電流以傳導(dǎo)方式外泄到交流側(cè)乃至到交流線路和外泄到直流側(cè)乃至到直流線路上的瞬態(tài)電壓和瞬態(tài)電流。

2.天線建模與仿真。他們對(duì)晶閘管本體、懸掛閥體、連接導(dǎo)線等建立天線模型，在頻譜分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算天線電磁場(chǎng)的矩量法預(yù)測(cè)計(jì)算閥廳內(nèi)外和換流站內(nèi)外的空間輻射電磁場(chǎng)分布。

3.對(duì)預(yù)測(cè)獲得的傳導(dǎo)電磁騷擾和輻射電磁騷擾進(jìn)行系統(tǒng)分析，并與保護(hù)和控制設(shè)備的電磁抗擾度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。一方面提出換流站閥廳電磁騷擾外泄抑制的控制指標(biāo)，另一方面提出對(duì)控制樓內(nèi)保護(hù)和控制設(shè)備的電磁抗擾度要求。

4.由于電磁兼容的復(fù)雜性，電磁兼容問題研究必須依賴于測(cè)試和試驗(yàn)技術(shù)。他們對(duì)換流站閥廳的電磁騷擾水平進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，獲得大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

5.對(duì)換流站閥廳屏蔽用的不同結(jié)構(gòu)形式、不同屏蔽材料、不同連接方式的屏蔽效能進(jìn)行了大量測(cè)量，獲得極具工業(yè)價(jià)值的屏蔽設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

2 主題

高壓換流站在運(yùn)行時(shí)會(huì)在站內(nèi)區(qū)域及其周圍環(huán)境中產(chǎn)生電磁騷擾。換流站的站內(nèi)區(qū)域由閥廳、直流開關(guān)場(chǎng)和交流開關(guān)場(chǎng)組成。從電磁騷擾的波形特征來(lái)分，換流站運(yùn)行期間將產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)電磁騷擾和瞬態(tài)電磁騷擾。從電磁騷擾的傳播途徑來(lái)分，電磁騷擾又分為傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾。換流站內(nèi)的保護(hù)、控制、測(cè)量和通信等以微電子器件組成的二次設(shè)備會(huì)不同程度的受到這些電磁騷擾的影響。當(dāng)這類影響大到使二次設(shè)備的功能喪失或性能下降時(shí)，將會(huì)對(duì)換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。對(duì)換流站不同區(qū)域的各類騷擾進(jìn)行測(cè)量與特征分析，獲得騷擾的特征信息，從而正確評(píng)估二次設(shè)備的電磁環(huán)境，是合理確定二次設(shè)備抗擾度水平的依據(jù)。

在閥廳周圍靠近墻體的位置，電場(chǎng)強(qiáng)度在頻率為幾十kHz時(shí)可達(dá)700V/m，隨著頻率的增加電場(chǎng)強(qiáng)度下降得很快，而根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，閥廳附近的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)該不超過(guò)10V/m。另外在相關(guān)區(qū)域的無(wú)線電干擾水平最大可達(dá)77dBμV/m，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限值，因此需要針對(duì)這兩種情況選擇合理的閥廳屏蔽效能標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于閥廳周圍電場(chǎng)強(qiáng)度，要由700V/m衰減到10V/m，要求屏蔽效能不低于37dB，要使無(wú)線電干擾水平由77dBμV/m衰減到39dBμV/m要求屏蔽效能不低于38dB。因此，閥廳的屏蔽效能最低不能小于40dB，考慮到一定的安全裕度以及工程建造的成本因素，我們建議采用目前設(shè)計(jì)方案的高壓換流站的閥廳應(yīng)具備40dB的屏蔽效能。

文獻(xiàn)[2] 針對(duì)目前電磁理論微擾法處理中的某些不足，提出微擾量、不變量和逐級(jí)處理這三個(gè)概念.以介質(zhì)微擾為例，得到了精度更高的諧振腔和波導(dǎo)的二級(jí)微擾結(jié)果。微擾法是電磁理論中經(jīng)常運(yùn)用的一種方法，其處理思想是把它歸結(jié)為兩個(gè)問題：未受擾問題（原問題）和微擾問題.而要計(jì)算的特征量（G）的變化，應(yīng)用原問題的知識(shí)加以求解。

文獻(xiàn)[3]提出了一種研究混響室問題的理論分析方法，從理想混響室的離散概率模型出發(fā)，采用蒙特卡羅模擬來(lái)獲得室內(nèi)電磁場(chǎng)量及其相關(guān)物理量的概率統(tǒng)計(jì)特性。運(yùn)用該方法獲得了混響室內(nèi)若干場(chǎng)量（均為歸一化值）的概率密度函數(shù)、室內(nèi)一段均勻無(wú)耗單導(dǎo)體傳輸線的負(fù)載平均耦合截面及負(fù)載電流響應(yīng)模值的概率分布，所得結(jié)果與已有文獻(xiàn)給出的結(jié)果（包括由解析公式計(jì)算或測(cè)量所得的結(jié)果）吻合良好。由于蒙特卡羅方法的普適性，采用該方法可以獲得任意待分析參量的全部概率統(tǒng)計(jì)特性（只要樣本數(shù)足夠大）。同時(shí)該方法無(wú)需針對(duì)具體混響室進(jìn)行，只要在其測(cè)試區(qū)域能較好地與理想混響室的基本概率模型相吻合，就能給出較精確的計(jì)算結(jié)果，且其計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基于全波分析的蒙特卡羅方法。

3 總結(jié)

傳統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法多用于單孔腔體計(jì)算，這篇論文基于腔內(nèi)電磁場(chǎng)的本征模展開和Bethe的小孔耦合理論，可以考慮開孔的形狀、尺寸、個(gè)數(shù)及位置和電磁波的傳播與極化方向等參數(shù)對(duì)腔模激勵(lì)的影響。本論文給出了一個(gè)分析平面波照射下開孔矩形金屬腔體的電磁耦合和屏蔽效能的近似解析理論模型。該模型基于Bethe的小孔電磁耦合理論，將入射場(chǎng)與腔內(nèi)電磁場(chǎng)的耦合過(guò)程用開孔上的等效電偶極子和磁偶極子來(lái)描述，通過(guò)對(duì)腔內(nèi)電磁場(chǎng)的本征模式展開，從電場(chǎng)有源波動(dòng)方程導(dǎo)出腔內(nèi)各模式與外加場(chǎng)的耦合關(guān)系，并得出了腔內(nèi)電磁場(chǎng)分布的一般表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，得出了開孔電磁耦合下腔模的激勵(lì)規(guī)律，并計(jì)算分析了開孔參數(shù)和入射場(chǎng)方向?qū)ζ帘涡艿挠绊懸?guī)律。與等效電路方法相比，由于該模型能考慮孔縫位置及高階模式的影響，給出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為接近。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪光正，楊仕友，邱捷等，《工程電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算》，機(jī)械工業(yè)出版社 2010

[2]梁昌洪，曹祥玉“廣義微擾法”電子學(xué)報(bào)， 2003年12月

[3]張華彬，趙翔，周海京，黃卡瑪“混響室的概率統(tǒng)計(jì)分析方法及其蒙特卡羅模擬”強(qiáng)激光與粒子束 第23卷第9期2011年9月