屏蔽網(wǎng)格寬度以及接地情況對(duì)雷電波屏蔽性能的影響

徐 沖，夏麗榮，傅亞玲，梁偉華，毛文武

（1.國網(wǎng)江西省電力公司鷹潭供電分公司，江西鷹潭 335001；2.國網(wǎng)江西省電力公司贛西供電分公司，江西新余 338000；3.國網(wǎng)江西省電力公司安?？h供電分公司，江西安福 343200；4.國網(wǎng)福建省光澤縣供電有限公司，福建光澤 354100）

0 引言

研究屏蔽網(wǎng)格對(duì)雷電流注入輸電線后輻射的雷電電磁波的屏蔽效能有較強(qiáng)的實(shí)際意義[1-5]，目前，國內(nèi)外的很多學(xué)者都在做這方面的研究。雷電電磁脈沖是自然環(huán)境中影響設(shè)備運(yùn)行的主要干擾源之一。雷電發(fā)生時(shí)，注入高壓輸電線后會(huì)向外產(chǎn)生電磁場，通常會(huì)造成附近設(shè)備的電子器件損壞、保護(hù)裝置誤動(dòng)作甚至停機(jī)等問題。通常會(huì)使用屏蔽設(shè)計(jì)來減小對(duì)腔內(nèi)電子設(shè)備的干擾，因此需要對(duì)金屬網(wǎng)格進(jìn)行雷電流流入輸電線后產(chǎn)生的雷電電磁波的屏蔽效能進(jìn)行研究。

關(guān)于屏蔽體的屏蔽效能，國內(nèi)許多學(xué)者做出了大量的研究。陳則煌等[6]利用ICGS沖擊平臺(tái)，研究了金屬網(wǎng)格對(duì)雷電波的屏蔽效能，得出了當(dāng)雷電流強(qiáng)度小于17 kA時(shí)，金屬網(wǎng)格對(duì)雷電信號(hào)的屏蔽效能為13 dB左右。趙旻[7]研究了柱形與方聲傳感器輻射屏蔽體屏蔽效能，他得出，要想讓屏蔽效能越強(qiáng)，就要讓空腔的體積越小，前提是使用相同量材料的狀況下。鈔杉[8]研究了含金屬纖維電磁屏蔽紡織品屏蔽效能的影響因素，得出同樣的金屬纖維紗線條件下，金屬纖維紗線排列間距是影響屏蔽效能的關(guān)鍵因素，不能簡單通過纖維含量、密度或緊度來分析該類織物屏蔽效能，在一定范圍內(nèi)，間距越小，屏蔽效能越好。徐亮[9]采用仿真計(jì)算的方法，研究了金屬腔屏蔽效能，研究得出孔縫的長度越短與金屬腔體的屏蔽效能之間存在一定的關(guān)系。還有其他學(xué)者[10-15]對(duì)屏蔽體屏蔽效能進(jìn)行了研究。

雖然有很多學(xué)者對(duì)不同屏蔽體的屏蔽效能進(jìn)行了分析，但是對(duì)雷電波的屏蔽效能研究相對(duì)較少，且網(wǎng)格寬度以及是否接地情況對(duì)雷電波的屏蔽效能還沒有學(xué)者進(jìn)行研究。因此，本文利用實(shí)際沖擊平臺(tái)，主要研究了金屬網(wǎng)格寬度以及是否接地對(duì)雷電波屏蔽效能的影響。研究所得結(jié)論能夠?yàn)榉览坠こ烫峁┮欢ǖ闹笇?dǎo)意義。

1 屏蔽理論及能量計(jì)算

屏蔽的目的是為了消弱騷擾電磁場，但屏蔽材料性能、厚度以及電磁場的頻率等對(duì)屏蔽效果怎么樣，還需要進(jìn)行定量計(jì)算。為了衡量屏蔽體的屏蔽效能，一般常用屏蔽效能來表示。屏蔽效能說的是沒有放屏蔽體時(shí)，其中一點(diǎn)的場強(qiáng)和放了屏蔽體后相同一點(diǎn)的場強(qiáng)之比，并以分貝（dB）表示，即

屏蔽效能有時(shí)候也稱屏蔽損耗（衰減），尤其在單個(gè)思考反射和吸收屏蔽性能時(shí)經(jīng)常使用吸收損耗或反射損耗去展示。

定義天線耦合得到的雷電電磁波能量為

式中：W為天線接收模擬雷電電磁波的能量；U為示波器采集得到的電壓信號(hào)幅值；t為采樣時(shí)間隔。由于實(shí)驗(yàn)中使用的是示波器進(jìn)行記錄天線耦合的電磁信號(hào)，因此R為示波器的內(nèi)阻，考慮到R始終不變，因此在后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，可以將其等效為1，這種做法對(duì)計(jì)算屏蔽效能毫無影響，對(duì)于反映電磁信號(hào)能量的變化也無影響。根據(jù)屏蔽效能的定義：

由于P=W/t，則可以根據(jù)下式對(duì)示波器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：

式中：W0為金屬網(wǎng)格外部天線接收的能量；W1為金屬網(wǎng)格內(nèi)部天線接收的能量。由于示波器以離散的形式將采集到的數(shù)據(jù)記錄下來，因此可以根據(jù)式（3）、式（4）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，得到屏蔽網(wǎng)格天線接收到的雷電電磁波的能量。

2 沖擊試驗(yàn)

利用雷電沖擊平臺(tái)產(chǎn)生幅值為6～40 kA雷電流，注入一根長為5 m、直徑為1cm的單芯輸電線，作為雷電電磁波發(fā)射裝置。在距離發(fā)射裝置6 m處放置1 m×1 m的大金屬網(wǎng)格，為了研究網(wǎng)格寬度對(duì)雷電波屏蔽效能的影響，筆者對(duì)大網(wǎng)格網(wǎng)孔進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057—2010），不同寬度的網(wǎng)格，屏蔽電磁場的能力不同，筆者主要研究兩種網(wǎng)格寬度對(duì)屏蔽雷電波的能力，具體設(shè)置的網(wǎng)孔尺寸分別為5 cm×5 cm和2.5 cm×2.5 cm這兩種情況（至于其余網(wǎng)格尺寸可以采用相同的試驗(yàn)方法），后來研究由這兩種尺寸構(gòu)成的網(wǎng)格對(duì)雷電波屏蔽效能的影響，主要通過模擬出的雷電信號(hào)產(chǎn)生的電磁場在網(wǎng)格內(nèi)的耦合作用。在網(wǎng)格內(nèi)外的同一水平線上分別放置兩個(gè)中心頻率與帶寬等參數(shù)相同的天線并分別與示波器的兩個(gè)通道CH1與CH2相連，其中CH1連接籠內(nèi)天線，CH2連接籠外的天線?？紤]到雷電流的頻帶很寬，本實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)條件以及雷電流頻譜的特征出發(fā)，采用中心頻率分別為2.5 GHz的1號(hào)、2號(hào)和1.75 GHz的3號(hào)、4號(hào)天線分別研究這兩個(gè)頻率附近的電磁信號(hào)與網(wǎng)格對(duì)雷電波屏蔽性能的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)主要研究不同網(wǎng)格寬度以及接地與不接地情況下網(wǎng)格的屏蔽效能。屏蔽網(wǎng)格沖擊試驗(yàn)示意圖見圖1。天線中心頻率及寬帶見表1。

圖1 屏蔽網(wǎng)格沖擊試驗(yàn)示意圖Fig.1 Sketch map of shielding grid impact test

表1 天線中心頻率及寬帶Table 1 Antenna center frequency and broadband

3 結(jié)果分析

3.1 網(wǎng)格寬度屏蔽效能

首先研究了網(wǎng)格寬度分別為2.5 cm、5 cm兩種情況下，且考慮不同中心頻率天線情況下網(wǎng)格的寬度對(duì)雷電波的屏蔽效能，見圖2。

圖2 不同中心頻率天線情況下不同網(wǎng)格寬度屏蔽效能隨沖擊電流的變化Fig.2 Variations of shielding effectiveness of different grid widths with shock current under different central frequency antennas

根據(jù)圖2可看出，隨著沖擊電流的升高，屏蔽效能總體上在逐步遞減，這是因?yàn)殡姶挪ㄟM(jìn)入金屬網(wǎng)格內(nèi)，會(huì)在籠內(nèi)來回反射，隨著沖擊電流的增強(qiáng)，反射的效果越加明顯，網(wǎng)格內(nèi)的電磁波會(huì)略微增強(qiáng)，因此電磁屏蔽效能會(huì)略微下降。且使用中心頻率2.5 GHz天線，寬度為2.5 cm的網(wǎng)格，平均屏蔽效能是2.5 dB。寬度為5 cm的網(wǎng)格，平均屏蔽效能是1.1 dB，可以看出，寬度為2.5 cm網(wǎng)格的屏蔽效能要比寬度為5 cm網(wǎng)格的屏蔽效能要高一些；使用中心頻率1.75 GHz天線，寬度為2.5 cm網(wǎng)格，平均屏蔽效能為6.6 dB，寬度為5 cm網(wǎng)格時(shí)，平均屏蔽效能為2.6 dB，可以看出，寬度為2.5 cm網(wǎng)格的屏蔽效能要比寬度為5 cm網(wǎng)格的屏蔽效能要高一些。從上述分析得出，同一種天線在改變網(wǎng)格寬度的情況下，網(wǎng)格寬度越小，它的屏蔽效能越強(qiáng)。

圖3、圖4分別為中心頻率為2.5 GHz、1.75 GHz天線情況下不同網(wǎng)格寬度籠內(nèi)外能量隨沖擊電流的變化趨勢，從圖中可看出，在不同中心頻率天線情況下，籠內(nèi)外接收到的能量具有一定的差異性。圖3中，中心頻率為2.5 GHz天線情況下，沖擊電流小于35 kV時(shí)網(wǎng)格寬度分別為2.5 cm、5 cm籠內(nèi)外接收到的能量差異性相對(duì)較小，當(dāng)沖擊電流高于35 kV時(shí)，籠內(nèi)外接收到的能量存在顯著性的差異性。圖4中顯示，中心頻率為1.75 GHz天線情況下，籠內(nèi)外接收到的能量存在顯著性的差異性。

圖3 中心頻率2.5 GHz天線情況下不同網(wǎng)格寬度籠內(nèi)外能量隨沖擊電流的變化Fig.3 The variation of the energy inside and outside the cage with the shock current in the case of the center frequency 2.5 GHz antenna

圖4 中心頻率1.75 GHz天線情況下不同網(wǎng)格寬度籠內(nèi)外能量隨沖擊電流的變化Fig.4 The variation of the energy inside and outside the cage with the shock current in the case of the center frequency 1.75 GHz antenna

3.2 網(wǎng)格有無接地屏蔽效能

在靜電場屏蔽中，接地與否對(duì)屏蔽體的屏蔽效能影響非常大，而在電磁場中，情況并不相同。從上一點(diǎn)網(wǎng)格大小對(duì)屏蔽效能的影響中可看出，本試驗(yàn)中網(wǎng)格大小為5 cm×5 cm的金屬籠的屏蔽效果相對(duì)較好，故在考察接地的影響時(shí)，仍采用該模型。當(dāng)ICGS雷電沖擊平臺(tái)產(chǎn)生幅值為6～40 kA雷電流，注入單芯輸電線，測試18組數(shù)據(jù)，根據(jù)式（3）和式（4）對(duì)記錄的波形數(shù)據(jù)分別進(jìn)行能量計(jì)算，網(wǎng)格寬度為5 cm。

圖5顯示了在1.75 GHz和2.5 GHz下接地與不接地時(shí)，金屬網(wǎng)格屏蔽效能的對(duì)比?？煽闯觯跊_擊電流超過8 kA后，未接地時(shí)的屏蔽效果比接地時(shí)的效果要好，在1.75 GHz下尤為明顯。且中心頻率為1.75 GHz時(shí)，5 cm×5 cm金屬籠接地的屏蔽效能主要變化范圍為2.28～3.28 dB；中心頻率為2.5 GHz時(shí)，5 cm×5 cm金屬籠接地的屏蔽效能主要變化范圍為6.19～7.79 dB。

不同于普通的靜電場屏蔽，金屬網(wǎng)格屏蔽體對(duì)電磁場的屏蔽效果不會(huì)因屏蔽體接地而增強(qiáng)。接地線對(duì)激勵(lì)源的耦合會(huì)使籠內(nèi)信號(hào)增強(qiáng)，削弱屏蔽效能。中心頻率為1.75 GHz時(shí)，5 cm×5 cm金屬籠接地后的屏蔽效能比未接地時(shí)的屏蔽效能平均小1.52 dB；中心頻率為2.5 GHz時(shí)，5cm×5cm金屬籠接地后的屏蔽效能比未接地時(shí)的屏蔽效能平均小0.51 dB。

金屬網(wǎng)格的接地是由一根金屬導(dǎo)線將金屬籠與接地母排相連，處在整個(gè)雷電流影響的電磁場中，接地導(dǎo)線上不可避免會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這時(shí)其又成為了一個(gè)源，并且所發(fā)出的信號(hào)被籠內(nèi)天線接收。天線收到的信號(hào)就是由沖擊電流和接地導(dǎo)線兩部分引起的，這兩部分信號(hào)因相位關(guān)系最終造成籠內(nèi)天線收到的信號(hào)增強(qiáng)。雖金屬網(wǎng)格仍然具有屏蔽效果，但接地后屏蔽效能大小并不如未接地時(shí)。

圖5 在1.75 GHz和2.5 GHz下5 cm×5 cm金屬籠接地與不接地的屏蔽效能對(duì)比Fig.5 Comparison of shielding effectiveness between 5 cm×5 cm metal cage ground and ungrounded under 1.75 GHz and 2.5 GHz

4 結(jié)論

利用沖擊平臺(tái)，研究了網(wǎng)孔尺寸為5 cm×5 cm和2.5 cm×2.5 cm大小為1 m×1 m金屬網(wǎng)格的寬度以及接地情況對(duì)雷電波屏蔽效能的影響，主要得出以下結(jié)論：

1）寬度為2.5 cm的網(wǎng)格，平均屏蔽效能是2.5 dB；寬度為5 cm的網(wǎng)格，平均屏蔽效能是1.1 dB。同一種天線在改變網(wǎng)格寬度的情況下，網(wǎng)格寬度越小，它的屏蔽效能越強(qiáng)。

2）在沖擊電流超過8 kA后，未接地時(shí)的屏蔽效果比接地時(shí)的效果要好，在1.75 GHz下尤為明顯。中心頻率為1.75 GHz時(shí)，5 cm×5 cm金屬籠接地后的屏蔽效能比未接地時(shí)的屏蔽效能平均小1.52 dB；中心頻率為2.5 GHz時(shí)，5 cm×5 cm金屬籠接地后的屏蔽效能比未接地時(shí)的屏蔽效能平均小0.51 dB。

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