一種高壓輸電線路密閉金屬空間電磁防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)3種不同敷設(shè)環(huán)境下的高壓電纜工頻電磁場影響進(jìn)行了模擬仿真分析，掌握了密閉金屬空間內(nèi)的高壓電纜工頻電磁場狀態(tài)，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種由雙層屏蔽材料組成的工頻電磁場防護(hù)裝置，從傳輸途徑方面有效遏制了電磁場在密閉金屬空間內(nèi)的過度輻射，可降低高壓輸電線纜所產(chǎn)生電磁輻射對(duì)人員安全的影響，并為敏感設(shè)備、系統(tǒng)提供了良好的電磁環(huán)境。

關(guān)鍵詞：密閉金屬空間;工頻電磁場;電磁屏蔽;防護(hù)裝置

0 引言

隨著通信、電子、電力等技術(shù)的高速發(fā)展，相關(guān)設(shè)備的靈敏度越來越高，電磁輻射干擾現(xiàn)象也越來越受到人們的重視。在有限且密閉的空間中，受周圍金屬結(jié)構(gòu)影響，高壓輸電電纜等的電磁輻射干擾現(xiàn)象尤為明顯。電磁屏蔽作為有效解決電磁輻射干擾或傳導(dǎo)干擾問題的重要手段之一得到了廣泛應(yīng)用。為了有效保證密閉金屬空間內(nèi)的電磁兼容性，本文對(duì)密閉金屬空間內(nèi)的工頻電磁場狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)了一種由雙層屏蔽材料組成的工頻電磁場防護(hù)裝置，從傳輸途徑方面有效地遏制了電磁場在密閉金屬空間內(nèi)的過度輻射。

1 密閉金屬空間工頻電磁場

高壓輸電線路產(chǎn)生的電磁輻射效應(yīng)主要為工頻電磁場，即輸電線路產(chǎn)生的50 Hz的電磁輻射。目前關(guān)于高電壓輸電線路電磁輻射的相關(guān)規(guī)定包括：《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014），其規(guī)定在電場、磁場、電磁場所致的公眾曝露環(huán)境中，電場強(qiáng)度控制限值為4 kV/m，磁場強(qiáng)度控制限值為0.08 A/m;電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電業(yè)安全工作規(guī)程（發(fā)電廠和變電所電氣部分）》（DL 408—1991）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，35 kV高壓設(shè)備應(yīng)保證的安全距離為1.0 m。然而，需要注意的是，上述規(guī)定都是根據(jù)陸上發(fā)電廠及輸電線路的狀態(tài)。在封閉環(huán)境下，受周圍金屬結(jié)構(gòu)的影響，35 kV輸電線路的工頻電磁場狀態(tài)會(huì)呈現(xiàn)出不同的特性。為此，本文使用電磁仿真軟件CST建立了一套電磁分析對(duì)比模型，分別對(duì)架空電纜、金屬板上方電纜及金屬通道內(nèi)部電纜這3種不同環(huán)境下的高壓輸電線路（以35 kV的800 mm單線為例）的工頻電磁場影響進(jìn)行了模擬仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)模型對(duì)比分析結(jié)果可知，在密閉金屬通道內(nèi)，其電磁環(huán)境比開闊的架空電纜的電磁輻射量級(jí)要大數(shù)十倍甚至數(shù)百倍。因此，國家標(biāo)準(zhǔn)中的電磁輻射限值雖然不足以約束此種條件下的電磁輻射問題，但是電力行業(yè)遵照國家標(biāo)準(zhǔn)的電磁防護(hù)要求，將電磁輻射量級(jí)控制在安全范圍之內(nèi)，仍是電磁兼容設(shè)計(jì)及控制的目標(biāo)。

2 工頻電磁場防護(hù)裝置

2.1? ? 工頻電磁場防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

電磁干擾的三要素為電磁干擾源、干擾途徑、受擾設(shè)備，控制三者中的任何一個(gè)都可以解決電磁干擾問題?；趯?duì)電磁兼容核心問題的分析，控制工頻電磁場的傳播途徑是避免電磁干擾及實(shí)現(xiàn)電磁兼容控制的有效途徑之一。即在密閉金屬空間總體層面增加電磁干擾抑制手段，一方面控制了電磁干擾信號(hào)的無序傳播，另一方面為敏感設(shè)備和系統(tǒng)提供較好的電磁環(huán)境。

為了全面保障密閉金屬空間內(nèi)的電磁兼容安全性和可靠性，我們針對(duì)高壓電纜井采取有針對(duì)性的工頻電磁場屏蔽措施，從傳輸途徑方面遏制了電磁場在密閉金屬空間內(nèi)的過度輻射。

工頻電磁場專用防護(hù)裝置采用雙層屏蔽材料復(fù)合而成。根據(jù)電磁兼容的工程經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)電磁屏蔽材料性能的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于強(qiáng)磁場屏蔽，難以使用一種單一的電磁屏蔽材料，既能提供足夠的電磁屏蔽效能，又不至于發(fā)生電磁飽和問題，即一層屏蔽材料的性能往往不夠理想，不能兼顧電磁屏蔽效能和電磁飽和問題。因此，針對(duì)高壓電纜井的電磁屏蔽問題，我們采用了雙層屏蔽材料復(fù)合的方式。雙層電磁屏蔽材料布置方式與電磁輻射源的相對(duì)位置示意圖如圖2所示。

雙層電磁屏蔽技術(shù)的原理是先用飽和度較高、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率相對(duì)較低的材料，靠近電磁場發(fā)射源布置，將電磁場衰減到一定程度，然后再用磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率相對(duì)較高、飽和度相對(duì)較低的材料將剩余電磁場進(jìn)一步衰減到可接受范圍。

基于此雙層屏蔽技術(shù)原理，工頻電磁場專用防護(hù)裝置使用電磁飽和度達(dá)800 A/m的合金材料作為最內(nèi)層電磁場屏蔽合金材料（靠近電磁場源側(cè)布置），以達(dá)到抗強(qiáng)電磁輻射的作用;使用相對(duì)磁導(dǎo)率達(dá)15 000 H/m，起始磁導(dǎo)率達(dá)8 000 H/m的高磁導(dǎo)率合金材料，作為最外層屏蔽材料，通過其高導(dǎo)磁能力，有效衰減剩余低頻電磁場。

2.2? ? 硬件組成及安裝

工頻電磁場專用防護(hù)裝置采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，分為框架、內(nèi)屏蔽層、外屏蔽層三部分，如圖3所示。

框架包括內(nèi)層框架和外層框架兩部分，由面板、側(cè)板和外層框組成，材料為50 mm厚的絕緣尼龍板，主要作用為支撐和隔離屏蔽層及電纜。內(nèi)層框架中間放置電纜，面板直徑可根據(jù)電纜直徑大小及電纜數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。內(nèi)、外層框架間的縫隙用于安裝內(nèi)屏蔽層。

內(nèi)屏蔽層是將較高電磁飽和度的硅鋼基材復(fù)合材料外包在內(nèi)層框架的尼龍板上，考慮到加工難度，將硅鋼片分成3段，相鄰硅鋼片之間采用鉚釘連接固定。

外屏蔽層是將較高磁導(dǎo)率的硅鋼基材復(fù)合材料外包在外層框架上，分為圍板和底板兩部分，同樣將圍板分成3段，相鄰圍板之間采用鉚釘連接固定。另外，在硅鋼片和外層框架之間貼上2層0.55 mm的浸橡膠絲網(wǎng)屏（浸橡膠絲網(wǎng)屏是由浸沒了氯丁橡膠或硅橡膠的鋁絲網(wǎng)屏制成，主要起到EMI屏蔽和環(huán)境密封作用）。

在實(shí)際的EMI屏蔽中，電磁屏蔽效能很大程度上取決于裝置的物理結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電的連續(xù)性，裝置上的接縫和開口都是電磁波的泄漏源。本裝置的相鄰硅鋼片采用鉚釘連接，連接處存在接縫，接縫面積不大，但其線度尺寸（縫長）卻很長，采用導(dǎo)電襯墊等特殊屏蔽材料可以有效抑制電磁泄漏。因此，在相鄰硅鋼片交疊處夾一層環(huán)境密封絲網(wǎng)組合襯墊（環(huán)境密封絲網(wǎng)組合襯墊由金屬絲網(wǎng)和橡膠編制結(jié)合而成，可同時(shí)起到電磁密封和環(huán)境密封作用）進(jìn)行密封。

3 結(jié)語

本文通過仿真分析，掌握了密閉金屬空間內(nèi)工頻電磁場輻射情況，并設(shè)計(jì)了一種使用雙層屏蔽材料制成的工頻電磁場防護(hù)裝置，從傳輸途徑方面遏制了電磁場在密閉金屬空間內(nèi)的過度輻射，使高壓輸電線路產(chǎn)生的電磁輻射效應(yīng)對(duì)人員安全的影響降至國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并為敏感設(shè)備或系統(tǒng)提供了良好的電磁環(huán)境，對(duì)電磁兼容控制提供了有效幫助。

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收稿日期：2020-06-22

作者簡介：沈濤（1985—），男，湖北武漢人，工程師，主要從事輸電線路研究工作。