特高壓直流換流站閥廳內(nèi)部檢修大廳磁場(chǎng)屏蔽分析與設(shè)計(jì)

朱弘釗，劉紹帥，2

(1.華北電力大學(xué)高電壓及電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 102206;2.華北電力大學(xué)數(shù)理實(shí)驗(yàn)室，北京市 102206)

0 引言

目前對(duì)±800kV特高壓直流換流站電磁干擾環(huán)境的研究較多，但輸電線路對(duì)換流站閥廳內(nèi)的檢修大廳磁場(chǎng)干擾方面的研究較少。換流站閥廳內(nèi)部輸電線路工頻電流較大，且線路較多，容易對(duì)閥廳檢修大廳內(nèi)的人體、設(shè)備及通信系統(tǒng)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)輻射［1］，因此在檢修大廳建設(shè)之前需要對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算并設(shè)計(jì)磁場(chǎng)屏蔽措施［2-5］。本文以糯扎渡直流工程普洱±800kV特高壓換流站檢修大廳磁場(chǎng)屏蔽工程為實(shí)例，推導(dǎo)出磁場(chǎng)計(jì)算一般性公式，并設(shè)計(jì)出較為合理、經(jīng)濟(jì)的屏蔽措施。

1 檢修大廳及輸電線路模型

普洱換流站閥廳內(nèi)部檢修大廳及輸電線路模型如圖1所示。按照設(shè)計(jì)要求，輸電線路電流水平為1000 A，因此，可算出檢修大廳磁場(chǎng)強(qiáng)度，并判斷是否超出設(shè)計(jì)限值。建立三維坐標(biāo)系，以檢修大廳左下角地面標(biāo)高處為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)。經(jīng)圖紙實(shí)測(cè)，檢修大廳尺寸為:x方向長(zhǎng)41.8 m，y方向長(zhǎng)73.4 m，z方向高為26 m。

根據(jù)文獻(xiàn)［6］，磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中:I為導(dǎo)線上的導(dǎo)流;μ0為真空磁導(dǎo)率。

結(jié)合式(1)，只要給出長(zhǎng)直輸電導(dǎo)線兩端點(diǎn)空間坐標(biāo)以及被測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)，即可推導(dǎo)出長(zhǎng)直導(dǎo)線在導(dǎo)線外任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度公式(2)。如圖2所示，長(zhǎng)度L、線電流i的導(dǎo)線在P點(diǎn)位置磁感應(yīng)強(qiáng)度公式為

2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(2)，需將輸電線路按直線分段，測(cè)量出每段直線兩邊端點(diǎn)的坐標(biāo)、被測(cè)點(diǎn)P點(diǎn)坐標(biāo)和電流i的值，即可計(jì)算出P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由設(shè)計(jì)圖紙查詢出所需坐標(biāo)值，電流取設(shè)計(jì)最大值1000 A，用matlab編程計(jì)算出結(jié)果。以實(shí)際的檢修大廳儀器設(shè)備位置和人體位置做參考，取大廳被測(cè)點(diǎn)P標(biāo)高h(yuǎn)1=0.5 m、h2=1.0 m、h3=1.5 m 3個(gè)水平標(biāo)高以對(duì)比計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度。

經(jīng)計(jì)算得出，在h1=0.5 m、h2=1.0 m、h3=1.5 m 3個(gè)水平標(biāo)高上磁感應(yīng)強(qiáng)度等值線圖，如圖3～5所示。由圖3～5可知，每個(gè)水平面上磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值都出現(xiàn)在大廳南側(cè)墻體上，且越接近南側(cè)墻體，等值線越密集，磁感應(yīng)強(qiáng)度增值速度越快。應(yīng)工程要求，需找出整個(gè)檢修大廳內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值及其存在的部位。對(duì)比得出在大廳高度h=8.0 m時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)最大值 Bmax=110.98 μT(見圖6)。

圖6 h=8.0 m大廳磁感應(yīng)強(qiáng)度(μT)等值線圖(磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值Bmax=110.98 μT)Fig.6 Isograms of magnetic field intensity at h=8.0 m(Bmax=110.98 μT)

3 屏蔽方案

經(jīng)過計(jì)算模擬分析，檢修大廳的磁場(chǎng)強(qiáng)度超過相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的限值(80 μT)［7］。因此，需要對(duì)檢修大廳采取電磁屏蔽措施。采用對(duì)大廳的側(cè)面墻體安裝金屬板、大廳地面安裝金屬網(wǎng)的方法來屏蔽磁場(chǎng)干擾;還需計(jì)算金屬板、網(wǎng)的尺寸和材質(zhì)對(duì)屏蔽效能的影響，以便根據(jù)屏蔽要求選取合適的屏蔽方案。

3.1 金屬板屏蔽效能計(jì)算

金屬板對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽效能主要分為3部分:反射損耗、吸收損耗和多次反射損耗［6，8-9］。公式為

根據(jù)閥廳內(nèi)作為場(chǎng)源的線路及檢修大廳墻體位置，取r=3 m、r=5 m做參考，并選擇金屬板為鋼和鋁2種材質(zhì)進(jìn)行比較(見圖7)。

圖7 金屬板屏蔽效能曲線Fig.7 Shielding effectiveness curves of metal plate

選取鋁質(zhì)金屬板時(shí)，屏蔽效能隨屏蔽體厚度增加變化幅度較小，但在屏蔽體厚度為2～8 mm時(shí)，屏蔽效果較好，為30～45 dB，高于此厚度的金屬鋼板的屏蔽效果;但在厚度大于8 mm時(shí)，屏蔽效果增加較少，并小于同厚度的金屬鋼板的屏蔽效果。根據(jù)設(shè)計(jì)要求屏蔽效能取40 dB，考慮其實(shí)際施工成本，選取厚度為5 mm的鋁質(zhì)金屬板。

3.2 金屬網(wǎng)屏蔽效能計(jì)算

對(duì)于大廳地面加金屬網(wǎng)屏蔽［6，8-9］，金屬網(wǎng)屏蔽效能SH可用式(4)計(jì)算。

式中:Z0為真空波阻抗;a為網(wǎng)孔正方形的邊長(zhǎng);d為組成金屬網(wǎng)的網(wǎng)線的直徑;σ為金屬網(wǎng)的電導(dǎo)率;Zs為近似網(wǎng)孔阻抗。

取d=3、5、7、9 mm 4種網(wǎng)線直徑，計(jì)算磁場(chǎng)屏蔽效果隨網(wǎng)孔邊長(zhǎng)變化曲線，如圖8所示。

圖8 金屬網(wǎng)屏蔽效能曲線Fig.8 Shielding effectiveness curves of metal mesh

由圖8可以看出，當(dāng)金屬網(wǎng)線直徑不變時(shí)，金屬網(wǎng)屏蔽效能隨網(wǎng)孔尺寸的增大而減小，而當(dāng)網(wǎng)孔尺寸不變時(shí)，金屬網(wǎng)線直徑越大，屏蔽效能越好?？紤]實(shí)際施工成本，選取直徑d=5 mm、網(wǎng)孔尺寸a=20 mm金屬網(wǎng)做大廳地面屏蔽。

3.3 HFSS軟件模擬計(jì)算

利用軟件Ansoft HFSS［10］建立檢修大廳模型，如圖9所示。

圖9 HFSS軟件模擬檢修大廳模型Fig.9 Model of maintenance hall simulated by HFSS software

大廳側(cè)壁用厚5 mm鋁質(zhì)板，地面采用直徑5 mm、網(wǎng)孔尺寸20 mm×20 mm銅質(zhì)網(wǎng)。磁場(chǎng)入射波沿z軸正方向入射，并取坐標(biāo)(20 m，0.01 m，8 m)處做磁場(chǎng)屏蔽效能參考點(diǎn)。經(jīng)HFSS軟件計(jì)算，參考點(diǎn)屏蔽效能為48.483 dB，與理論計(jì)算結(jié)果較為一致，且滿足屏蔽設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

目前國內(nèi)換流站閥廳的屏蔽效能基本按照40 dB來設(shè)計(jì)，在檢修大廳側(cè)壁采用厚5 mm鋁質(zhì)金屬板較好;大廳地面采用銅質(zhì)金屬網(wǎng)，網(wǎng)線直徑取5 mm，網(wǎng)孔邊長(zhǎng)取20 mm，此時(shí)屏蔽效能約大于40 dB。在實(shí)際應(yīng)用中，墻體采用雙層板屏蔽，屏蔽效能會(huì)更好，但施工成本也會(huì)相應(yīng)增加。本文通過理論計(jì)算和HFSS軟件模擬結(jié)合的方式，分析了閥廳內(nèi)部檢修大廳磁場(chǎng)屏蔽效能的計(jì)算方法，其結(jié)論為檢修大廳的屏蔽提供了一種最為經(jīng)濟(jì)適用的方案，對(duì)閥廳磁場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)及施工具有指導(dǎo)意義。

［1］崔翔.2002年國際大電網(wǎng)會(huì)議系列報(bào)道:電力系統(tǒng)電磁兼容研究進(jìn)展［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(4):1-5.

［2］趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］DL/T 5223—2005高壓直流換流站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.北京:中國電力出版社，2005.

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［6］馮慈章，馬西奎.工程電磁場(chǎng)導(dǎo)論［M］.北京:高等教育出版社，2002.

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［9］Jackson J D.1975 Classical Electrodynamics［M］.2nded.New York:Wiley interscience.

［10］Ansoft.HFSS 10.0 ［EB/OL］:http//www.ansoft.com/product/hf/hfss/.