基于FEKO建模的變電站電磁干擾研究

洪雯，關(guān)志杰，于寧

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢430072；2.哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱150028；3.國網(wǎng)大連供電公司，遼寧大連116021）

0 引 言

近年來，變電站系統(tǒng)自動化正成為一種不可改變的趨勢，其監(jiān)控和通信系統(tǒng)的重要性日益凸顯。變電站現(xiàn)有測控系統(tǒng)多采用有線通信方式，但是，有線通信的弊端是顯而易見的，例如傳輸線鋪設(shè)復(fù)雜、不易檢修和維護，長距離傳輸線易受電磁干擾的影響等等。而無線通信［1-3］則具有運行可靠、安裝靈活、成本低廉等優(yōu)點，尤其是在需要實時監(jiān)控變電站信息的情況下，無線通信更是具有極大的優(yōu)勢。無線傳感器的性能好壞直接影響著信息的傳輸效率和站內(nèi)各種設(shè)備的正常運行，然而在變電站內(nèi)，因為電線、手機、變壓器、桿塔等物體的存在，會對無線通信造成電磁干擾，對無線通信的有效性產(chǎn)生一定的影響。電磁干擾［4］是指某些電磁現(xiàn)象引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。大量的理論和實驗研究表明形成電磁干擾必須同時具備以下三個要素：干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備。只有同時具備上述三個因素才可能發(fā)生電磁干擾，所以把這三個因素稱為電磁干擾三要素。電磁干擾源可以分為自然電磁干擾源和人為電磁干擾源。自然電磁干擾源主要來自于大氣層的噪聲，人為電磁干擾源是伴隨電氣與電子設(shè)備工作時產(chǎn)生的電磁干擾。一般來說人為電磁干擾源比自然電磁干擾源發(fā)射的干擾強度更大，造成影響更嚴(yán)重。

1 仿真軟件FEKO及主要模型

FEKO是一款功能強大的三維全波電磁場高頻計算軟件［5］，其主要算法是矩量法（MOM）、物理光學(xué)法（PO）、一致性幾何繞射理論（UTD）、快速多極子求解法（MLFMM）等。本文所用模型是以電偶極子作為干擾源［6-8］，以下分析電偶極子的電磁場輻射模型。電偶極子為一段載有高頻電流且?guī)в械戎诞愄栯姾傻亩虒?dǎo)線，其直徑為d，長度為L，波長為λ。因為此短導(dǎo)線長度足夠小，所以電流的振幅和相位分布可近似認(rèn)為是均勻的。

1.1 幾何建模

設(shè)置電偶極子：在坐標(biāo)原點沿z軸方向設(shè)置一段長為λ/2的導(dǎo)線；在導(dǎo)線中點設(shè)置一端口作為電壓源；設(shè)置頻率為2.4 GHz，電壓10 V，得到其幾何模型圖1所示。

圖1 點偶極子模型Fig.1 Electric dipole model

運行軟件后在POSTFEKO中查看仿真結(jié)果，如圖2所示。其中最中心部分場強最強，最外側(cè)部分場強最弱，黑色的等勢線表明了不同的等勢面位置。

圖2展示了平行于xoz平面且y=0的平面上的電場強度?？梢婋妶鲈陔娕紭O子中心部分最強，且沿著垂直于z軸的方向向外輻射，等勢線較稀疏，場強變化相對較??；而沿著z軸方向即導(dǎo)線方向的場強較弱，等勢線密集，場強變化相對較大。整個電場被z軸分成了左右兩個“瓣”。

圖2 電偶極子在xoy平面的場強圖Fig.2 Field strength figure of electric dipole in xoy flat

1.2 變壓器模型的仿真

變電站內(nèi)的大型變壓器體型巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。從外觀上看，一臺變壓器既包括箱體、底座、散熱片、油枕等主體結(jié)構(gòu)［9-10］。對這樣大型復(fù)雜的設(shè)備構(gòu)建幾何模型是比較困難的，模型太復(fù)雜也會使FEKO在解算時占用過多的計算資源，耗費大量的時間，因此有必要對模型進行簡化。最終建立的經(jīng)簡化的變壓器模型如圖3所示。

圖3 簡化后的變壓器模型Fig.3 Simplified transformer model

變壓器長6.6 m，寬4 m，高4 m，表面材料為良導(dǎo)體，包括了底座，散熱片，箱體，頂部這些主要結(jié)構(gòu)，整個幾何體具備變壓器的輪廓，是一臺完整變壓器的近似模型，可用于仿真分析。以一電偶極子作為干擾源，在xoy平面的位置如圖4所示，高度為1 m，電壓10 V，頻率2.4 GHz。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 xoy平面的場強分布圖Fig.4 Field strength distribution figure in xoy plat

圖4展示了電場強度分布?？梢娢挥谟蚁路降母蓴_源附近電場強度最強，并以此區(qū)域為中心向周圍擴散出去。隨著距離的增加，場強逐漸減小，右上方和左下方區(qū)域場強變化明顯。而在放置了變壓器的一面由于有變壓器的阻擋，微波無法通過，因此變壓器的左側(cè)和上方場強幾乎為零。

仿真的結(jié)果顯示，由于變壓器的存在，微波的輻射受到了很大地限制，導(dǎo)致了電場分布的不均勻。變壓器的一側(cè)輻射強度很高，這部分的設(shè)備將會受到不同程度的輻射干擾；而另一側(cè)則幾乎接收不到輻射，這一部分的設(shè)備將不會受到輻射干擾。

2 變壓器模型的仿真

2.1 幾何建模

在圖4所示的變壓器模型周圍增加墻體和地面，另外在距離變壓器大于10m的地方設(shè)置一個圓柱形的電容器和一間保護室，建立一個簡化的變電站模型。墻長25 m，高2 m，厚0.5 m，兩面墻間距離12.5 m，墻體介質(zhì)為磚塊。變電站模型如圖5所示。

圖5 變電站模型Fig.5 Transformer substation model

2.2 仿真結(jié)果

在變壓器背對保護室一側(cè)設(shè)置干擾源，高度設(shè)置為1 m，電壓10 V，頻率2.4 GHz。

（1）將干擾源置于變壓器背對保護室一側(cè)，圖中最左側(cè)的紅點即為干擾源，仿真的結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 高度為0.5 m的場強Fig.6 Field strength of 0.5-meter-high

圖7 高度為1 m的場強Fig.7 Field strength of 1-meter-high

圖8 高度為1.5 m的場強Fig.8 Field strength of 1.5-meter-high

圖9 高度為2 m的場強Fig.9 Field strength of 2-meter-high

圖6至圖9展示了變電站內(nèi)干擾源位于變壓器背對保護室一側(cè)的情況，不同高度的電場分布情況基本相同。干擾源附近的電場強度最強，在圖中為綠色和黃色。變壓器擋住了大部分的輻射，使保護室和電容器附近的場強降到比較低的程度，但是輻射并未完全消失。此外，變壓器和變電室之間的廣闊區(qū)域，電場擴散開來，形成了“漣漪”形狀的波紋，這些“波紋”圍繞著保護室和電容器，說明在變壓器的遮擋下仍有較弱的電磁干擾發(fā)生。

（2）改變干擾源的位置，使之處于變壓器與保護室之間，其他條件不變，仿真結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10 高度為0.5 m的場強（改變位置后）Fig.10 Field strength of 0.5-meter-high（after changing the position）

圖11 高度為1 m的場強（改變位置后）Fig.11 Field strength of 1-meter-high（after changing the position）

圖12 高度為1.5 m的場強（改變位置后）Fig.12 Field strength of 1.5-meter-high（after changing the position）

圖13 高度為2 m的場強（改變位置后）Fig.13 Field strength of 2-meter-high（after changing the position）

圖10～圖13顯示，當(dāng)干擾源位于保護室和變壓器之間時，保護室和電容器周圍的電場強度較高，明顯高于擾源置于變壓器背對保護室一側(cè)時的情況，電磁干擾十分嚴(yán)重。由于墻體、地面和變壓器本身對輻射的反射等作用，整個變電站內(nèi)都受到了一定程度的干擾。從圖上可以看到，各個區(qū)域電場強度分布均勻，沒有明顯的死角，且大部分區(qū)域的電場強度在4 V/m～8 V/m的區(qū)間內(nèi)。此外，隨著所取截面高度的增加，場強也逐漸減弱。

3 結(jié)束語

使用FEKO軟件，將一段小導(dǎo)線構(gòu)成的電偶極子作為干擾源，在一臺簡化的變壓器模型附近設(shè)置干擾源后，分析變壓器附近的場強情況，再對經(jīng)簡化的變電站模型內(nèi)不同位置設(shè)置干擾源的情況進行了仿真，得到干擾源在不同高度的水平面上產(chǎn)生的電場的分布圖像，由此分析干擾源對變電站的電磁干擾情況。

仿真顯示，電偶極子在自由空間中向四周圍輻射電磁場。在垂直于短導(dǎo)線的方向上電場強度最大，隨著距離的增加，電場強度快速減??；在沿著導(dǎo)線的方向上電場強度最弱且?guī)缀鯙榱?，隨著距離的增加場強變化不大?？梢婋娕紭O子對不同方向上的輻射強度不同。由于變壓器的存在，微波的輻射范圍受到了很大地限制，導(dǎo)致了空間中電場分布的不均勻。變壓器側(cè)的輻射強度很高，這部分的結(jié)構(gòu)將會受到干擾，受干擾的程度隨著距離的增加而減??；而另一側(cè)則幾乎接收不到輻射，變壓器在這一部分的結(jié)構(gòu)將不會受到干擾。將干擾源設(shè)置在不同的位置上，保護室和電容器都會受到干擾，但是干擾源位置會直接影響干擾的強度。當(dāng)干擾源位于保護室和變壓器之間時，保護室和電容器周圍的電場強度較高，電磁干擾嚴(yán)重，而且各個方向上收到的干擾強度相近；當(dāng)干擾源位于變壓器背對保護室一側(cè)時，較強的電磁輻射被變壓器阻擋，但是由于墻體、地面和變壓器本身對輻射的反射等作用，輻射繞過變壓器進入到變壓器另一側(cè)，使保護室和電容器受到較弱程度的干擾。在保護室和電容器周圍區(qū)域的電場強度分布均勻，輻射沒有明顯的死角。

實驗驗證了物體對電磁干擾的遮擋作用，干擾源的場強在物體直接遮擋下下降明顯，但是并不均勻。