電控撬用電磁屏蔽材料屏蔽特性實(shí)驗(yàn)

麻宏強(qiáng), 張春娥, 梁 諾, 劉葉敏, 陳維國, 韓喜蓮

(1. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2. 中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司, 河南 濮陽 457001; 3. 中原油田博士后科研工作站, 河南 濮陽 457001)

在天然氣集輸領(lǐng)域，為了縮短建設(shè)周期，提升氣田集氣站場建設(shè)效率[1-2]，開發(fā)“小型化、系列化、橇裝化”集輸關(guān)鍵裝置成為油氣集輸領(lǐng)域的熱門.對油氣集輸站場供配電及儀表控制系統(tǒng)進(jìn)行撬裝集成，通常被稱為電控撬[3-4]，其主要由強(qiáng)/弱電柜及變配電設(shè)備組成.由于電控撬結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部設(shè)備密集，防護(hù)距離小，將導(dǎo)致電控撬內(nèi)部強(qiáng)弱電之間以及變配電系統(tǒng)波動產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾，有可能引起電控撬內(nèi)部控制系統(tǒng)失靈以及誤操作，嚴(yán)重影響集氣站場設(shè)備安全可靠運(yùn)行.

目前天然氣集氣站場電控撬技術(shù)才剛剛起步，電控撬內(nèi)強(qiáng)弱電磁干擾復(fù)雜，撬內(nèi)電磁干擾屏蔽技術(shù)還不成熟，從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，尚未針對電控撬用電磁屏蔽材料屏蔽性能開展研究[3,5].相關(guān)研究主要集中在電磁屏蔽新材料的研制以及屏蔽性能測試方面，如趙慧慧[6]對泡沫型電磁屏蔽復(fù)合材料的制備，以及其電磁屏蔽性能進(jìn)行探究；狄瑩瑩[7]研究了石墨烯-羰基鐵/氰酸酯復(fù)合材料的制備及電磁屏蔽性能；潘振等[8]對比了不同電磁屏蔽織物的屏蔽效能，分析了其屏蔽性能的主要影響因素.綜上所述，目前針對電控撬用電磁屏蔽材料屏蔽效能研究未見相關(guān)報(bào)道[9-10].

本文搭建了電控撬用電磁屏蔽材料的屏蔽性能測試試驗(yàn)臺，采用實(shí)驗(yàn)方法，測試了三種典型電磁屏蔽材料的屏蔽性能，分析了發(fā)射電磁波頻率、電磁輻射距離對其屏蔽效能的影響，優(yōu)選了最佳電磁屏蔽材料.

1 實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)臺搭建

電磁屏蔽材料通過對干擾電磁波和內(nèi)部電磁波的吸收、反射和抵消，從而達(dá)到屏蔽的作用.圖1為電控撬用電磁屏蔽材料的屏蔽性能測試實(shí)驗(yàn)基本原理圖，其主要由模擬測試箱體、定向發(fā)射天線、接收天線以及高頻頻譜儀組成.電磁波發(fā)射機(jī)通過定向發(fā)射天線，發(fā)射能夠產(chǎn)生多個頻點(diǎn)的電磁波，電磁波可通過自由空間傳播到接收天線.為減小自由空間對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，接收天線將放置在模擬測試箱體內(nèi)；電磁屏蔽材料貼附在模擬測試箱體上，形成密閉屏蔽空間，然后測試模擬測試箱體貼附屏蔽材料后的電磁干擾信號.為對比分析電控撬用屏蔽材料的電磁屏蔽性能，在模擬測試箱體未貼屏蔽材料和貼附屏蔽材料時，分別測試模擬測試箱體內(nèi)部接收天線接收到的電磁波功率.通過對經(jīng)濟(jì)性和使用方便性的綜合考慮，本文選取鐵絲網(wǎng)、防輻射膠帶和防輻射布料三種屏蔽材料進(jìn)行了測試.

為減少自由空間閑雜電磁波，對電控撬用電磁屏蔽材料屏蔽性能測試結(jié)果的影響，該實(shí)驗(yàn)在弱電磁實(shí)驗(yàn)室環(huán)境(本文選擇較為空曠的教室，關(guān)閉教室內(nèi)所有儀器來實(shí)現(xiàn)弱電磁環(huán)境)下進(jìn)行，測試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境如圖2所示.測量時使用KC901S高頻頻譜儀及SR_LRD001_V909定向發(fā)射天線，如圖3所示.

2 電磁屏蔽性能評價方法

本文以屏蔽效能作為電控撬用典型電磁屏蔽材料的屏蔽性能評價主要指標(biāo)，評價其電磁屏蔽性能.

假設(shè)定向發(fā)射天線的輻射功率為Pr，則距離天線r處球面上的功率流密度S0為

(1)

設(shè)Ar是接收天線的有效面積,m2,則天線的接收功率為

(2)

式中：Pt為發(fā)射天線的發(fā)射功率，W；Dt為發(fā)射天線的方向系數(shù)；Dr為接收天線的方向系數(shù);π為圓周率；λ為波長,m.

若在電磁干擾空間，同一地點(diǎn)有電磁屏蔽材料屏蔽存在時，接收天線所接收的絕對功率值|P2|，無屏蔽存在時接收天線所接收的絕對功率值|P1|，|P2|與|P1|比值的對數(shù)被稱為屏蔽材料的屏蔽效能SE，其單位為dB，其主要表征了屏蔽材料屏蔽后電磁波的衰減程度.其表達(dá)式如下：

(3)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為實(shí)現(xiàn)天然氣集氣站場電控系統(tǒng)小型化和撬裝化，電控撬內(nèi)強(qiáng)弱電及供配電設(shè)備布置緊湊，難以滿足其電磁干擾安全防護(hù)距離，不同頻率電磁波在不同輻射距離下，對弱電系統(tǒng)干擾程度有所不同.經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，電控撬內(nèi)干擾最多的頻段發(fā)生在2 500 MHz內(nèi).因此，本文主要研究電控撬用典型電磁屏蔽材料材質(zhì)、發(fā)射電磁波頻率及電磁波輻射距離，對屏蔽材料(鐵絲網(wǎng)、防輻射膠帶和防輻射布料)屏蔽箱體屏蔽效能的影響.

圖4為電磁輻射頻率為50 MHz時，鐵絲網(wǎng)、鋁箔防輻射膠帶和防輻射布料屏蔽測試箱體的電磁屏蔽性能隨電磁波輻射距離變化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電磁輻射頻率為50 MHz時，使用鐵絲網(wǎng)屏蔽材料后,接收到的電磁波絕對功率值隨電磁輻射距離的增大而減小,其屏蔽效能隨電磁輻射距離近似呈線性增大趨勢；使用防輻射布料后接收到的電磁波絕對功率值在輻射距離0.5 m與1 m處分別出現(xiàn)極小值和極大值,其屏蔽效能隨電磁波輻射距離呈周期性波動規(guī)律；而使用鋁箔防輻射膠帶后接收到的電磁波絕對功率值與其屏蔽效能都隨電磁波輻射距離增大先增大后減小，電磁輻射距離0.5 m時達(dá)到最大值.防輻射布料的電磁屏蔽效能隨電磁波輻射距離變化，主要由屏蔽后測試箱體內(nèi)接受的電磁波功率隨輻射距離變化引起.總體來看，在上述三種材料屏蔽條件下，電磁輻射距離對材料屏蔽效能的影響較小.

圖5為電磁輻射頻率為50 MHz時，鐵絲網(wǎng)、鋁箔防輻射膠帶和防輻射布料等不同材料屏蔽測試箱體的電磁屏蔽效能隨電磁波輻射距離變化對比結(jié)果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在發(fā)射電磁波頻率為50 MHz時，鐵絲網(wǎng)、鋁箔防輻射膠帶和防輻射布料三種材料的電磁屏蔽效能基本接近，在給定電磁波發(fā)射頻率下屏蔽材料材質(zhì)對其影響受電磁輻射距離影響較大.

圖6為鐵絲網(wǎng)、鋁箔防輻射膠帶和防輻射布料屏蔽測試箱體的電磁屏蔽性能隨發(fā)射電磁波頻率變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在0.5 m的輻射距離下,使用三種屏蔽材料后,所接收到的電磁波絕對功率值隨發(fā)射頻率的變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律.但三種材料的電磁屏蔽效能隨發(fā)射電磁波頻率的增大均呈先增大后減小的趨勢；對于鐵絲網(wǎng)屏蔽測試箱體，在高頻率范圍內(nèi)發(fā)射電磁波頻率對其屏蔽效能的影響較小，反之影響較大；對于防輻射布料和鋁箔防輻射膠帶，發(fā)射電磁波頻率對其屏蔽效能的影響較大；在發(fā)射電磁波頻率為500 MHz和1 000 MHz時，防輻射布料和鋁箔防輻射膠帶的屏蔽效能分別達(dá)到最大.也就是說，在高頻范圍內(nèi)發(fā)射電磁波頻率對鐵絲網(wǎng)屏蔽性能的影響較?。环垒椛洳剂虾弯X箔防輻射膠帶的電磁屏蔽性能受發(fā)射電磁波頻率的影響較大，分別在發(fā)射電磁波頻率為500 MHz和1 000 MHz時屏蔽性能最好.

圖7為鐵絲網(wǎng)、鋁箔防輻射膠帶和防輻射布料等不同材料屏蔽測試箱體的電磁屏蔽效能隨發(fā)射電磁波頻率變化對比結(jié)果.結(jié)果表明，當(dāng)干擾電磁波頻率小于500 MHz時，鐵絲網(wǎng)和防輻射布料屏蔽的屏蔽性能優(yōu)于鋁箔防輻射膠帶；當(dāng)干擾電磁波頻率在500～1 000 MHz范圍鋁箔防輻射膠帶和防輻射布料屏蔽性能優(yōu)于鐵絲網(wǎng)；干擾電磁波頻率超過1 000 MHz時，鐵絲網(wǎng)和鋁箔防輻射膠帶的電磁屏蔽性能優(yōu)于防輻射布料.在不同干擾電磁波頻率范圍內(nèi)，屏蔽材料材質(zhì)對電磁干擾信號屏蔽性能的影響較大.

4 結(jié)論

本文采用實(shí)驗(yàn)方法，研究了天然氣集輸站場電控撬用典型屏蔽材料的電磁屏蔽性能，分析了電磁輻射距離、干擾電磁波頻率對屏蔽效能的影響，結(jié)論如下：

1) 鐵絲網(wǎng)、鋁箔防輻射膠帶和防輻射布料的電磁屏蔽效能，受干擾電磁波輻射距離的影響較小.

2) 三種材料的電磁屏蔽效能受干擾電磁波頻率的影響較大，并隨干擾電磁波頻率增大總體呈先增大后減小的趨勢；在高頻率范圍，鐵絲網(wǎng)發(fā)射電磁屏蔽效能受電磁波頻率影響較小，反之影響較大；防輻射布料和鋁箔防輻射膠帶的屏蔽性能，在干擾電磁波頻率為500 MHz和1 000 MHz波段最佳.

3) 在不同干擾電磁波頻率波段，鐵絲網(wǎng)、鋁箔防輻射膠帶和防輻射布料的電磁屏蔽效果各不相同.在0～500 MHz波段，鐵絲網(wǎng)和防輻射布料的屏蔽性能優(yōu)于鋁箔防輻射膠帶；在500～1 000 MHz波段，鋁箔防輻射膠帶和防輻射布料屏蔽性能優(yōu)于鐵絲網(wǎng)；在1 000～2 500 MHz波段，鐵絲網(wǎng)和鋁箔防輻射膠帶的電磁屏蔽性能優(yōu)于防輻射布料.