電網中屏蔽體場強的分布特性研究與分析

牛帥 李琳

摘 要：較全面地闡述了閥廳電磁屏蔽的重要意義和這些年來國內外的研究成果，說明了閥廳作為大尺度屏蔽體內部場強的分布特性。電磁屏蔽是能防止或者減少電磁波侵入空間某些部位的措施；是抑制干擾，增強設備的可靠性及提高產品質量的有效手段。合理地使用電磁屏蔽，可以抑制外來高頻電磁波的干擾，也可以避免作為干擾源去影響其他設備。

關鍵詞：閥廳 電磁屏蔽 高頻 分布特性

0 引言

我國電力工業正處在一個快速發展的時期，“西電東送”、“全國聯網”的電網發展戰略使特高壓直流輸電技術重要性突現。上世紀80年代末以來，高壓直流輸電技術在電網互聯和遠距離大容量輸電領域中得到飛速發展，由于與系統頻率無關、損耗小、輸送容量大、經濟性突出等優勢，在我國電網發展規劃中比重大為提高。與一般設備的屏蔽相比，閥廳電磁屏蔽具有以下特點：1）大尺度，±500kV換流站閥廳的尺度可達30m以上；2）激勵源復雜，閥廳內部分布著大量可產生電磁輻射的晶閘管和導線回路；3）接縫多，由于閥廳的尺寸很大，需要將成百上千塊金屬板通過螺釘搭接，從而在相鄰螺釘之間形成大量接縫。相鄰螺釘的間距，即接縫長度是影響電磁泄露程度的一個重要因素，同時也直接影響到閥廳屏蔽體建設的施工量。

1 國內外研究現狀

目前，關于屏蔽體電磁泄露的研究對開孔或開縫分析的多，對接縫分析的少；對簡單激勵源（平面波、單個電或磁偶極子及單根導線等）分析的多，對復雜分布的激勵源分析的少。

西門子公司對±500kV換流站電磁兼容問題進行了長期研究。主要工作有：

1.電路建模與仿真。他們對整流或逆變回路進行建模，通過電路仿真方法預測計算晶閘管及其回路在觸發或關斷瞬間產生的瞬態電壓和瞬態電流，在頻譜分析的基礎上，計算獲得這些瞬態電壓和瞬態電流以傳導方式外泄到交流側乃至到交流線路和外泄到直流側乃至到直流線路上的瞬態電壓和瞬態電流。

2.天線建模與仿真。他們對晶閘管本體、懸掛閥體、連接導線等建立天線模型，在頻譜分析的基礎上，通過計算天線電磁場的矩量法預測計算閥廳內外和換流站內外的空間輻射電磁場分布。

3.對預測獲得的傳導電磁騷擾和輻射電磁騷擾進行系統分析，并與保護和控制設備的電磁抗擾度標準進行對比。一方面提出換流站閥廳電磁騷擾外泄抑制的控制指標，另一方面提出對控制樓內保護和控制設備的電磁抗擾度要求。

4.由于電磁兼容的復雜性，電磁兼容問題研究必須依賴于測試和試驗技術。他們對換流站閥廳的電磁騷擾水平進行了大量的現場測量，獲得大量實測數據。

5.對換流站閥廳屏蔽用的不同結構形式、不同屏蔽材料、不同連接方式的屏蔽效能進行了大量測量，獲得極具工業價值的屏蔽設計數據。

2 主題

高壓換流站在運行時會在站內區域及其周圍環境中產生電磁騷擾。換流站的站內區域由閥廳、直流開關場和交流開關場組成。從電磁騷擾的波形特征來分，換流站運行期間將產生穩態電磁騷擾和瞬態電磁騷擾。從電磁騷擾的傳播途徑來分，電磁騷擾又分為傳導騷擾和輻射騷擾。換流站內的保護、控制、測量和通信等以微電子器件組成的二次設備會不同程度的受到這些電磁騷擾的影響。當這類影響大到使二次設備的功能喪失或性能下降時，將會對換流站的安全穩定運行構成威脅。對換流站不同區域的各類騷擾進行測量與特征分析，獲得騷擾的特征信息，從而正確評估二次設備的電磁環境，是合理確定二次設備抗擾度水平的依據。

在閥廳周圍靠近墻體的位置，電場強度在頻率為幾十kHz時可達700V/m，隨著頻率的增加電場強度下降得很快，而根據相關標準的要求，閥廳附近的電場強度應該不超過10V/m。另外在相關區域的無線電干擾水平最大可達77dBμV/m，也遠遠超過了相關標準的限值，因此需要針對這兩種情況選擇合理的閥廳屏蔽效能標準。對于閥廳周圍電場強度，要由700V/m衰減到10V/m，要求屏蔽效能不低于37dB，要使無線電干擾水平由77dBμV/m衰減到39dBμV/m要求屏蔽效能不低于38dB。因此，閥廳的屏蔽效能最低不能小于40dB，考慮到一定的安全裕度以及工程建造的成本因素，我們建議采用目前設計方案的高壓換流站的閥廳應具備40dB的屏蔽效能。

文獻[2] 針對目前電磁理論微擾法處理中的某些不足，提出微擾量、不變量和逐級處理這三個概念.以介質微擾為例，得到了精度更高的諧振腔和波導的二級微擾結果。微擾法是電磁理論中經常運用的一種方法，其處理思想是把它歸結為兩個問題：未受擾問題（原問題）和微擾問題.而要計算的特征量（G）的變化，應用原問題的知識加以求解。

文獻[3]提出了一種研究混響室問題的理論分析方法，從理想混響室的離散概率模型出發，采用蒙特卡羅模擬來獲得室內電磁場量及其相關物理量的概率統計特性。運用該方法獲得了混響室內若干場量（均為歸一化值）的概率密度函數、室內一段均勻無耗單導體傳輸線的負載平均耦合截面及負載電流響應模值的概率分布，所得結果與已有文獻給出的結果（包括由解析公式計算或測量所得的結果）吻合良好。由于蒙特卡羅方法的普適性，采用該方法可以獲得任意待分析參量的全部概率統計特性（只要樣本數足夠大）。同時該方法無需針對具體混響室進行，只要在其測試區域能較好地與理想混響室的基本概率模型相吻合，就能給出較精確的計算結果，且其計算量遠遠小于基于全波分析的蒙特卡羅方法。

3 總結

傳統數值計算方法多用于單孔腔體計算，這篇論文基于腔內電磁場的本征模展開和Bethe的小孔耦合理論，可以考慮開孔的形狀、尺寸、個數及位置和電磁波的傳播與極化方向等參數對腔模激勵的影響。本論文給出了一個分析平面波照射下開孔矩形金屬腔體的電磁耦合和屏蔽效能的近似解析理論模型。該模型基于Bethe的小孔電磁耦合理論，將入射場與腔內電磁場的耦合過程用開孔上的等效電偶極子和磁偶極子來描述，通過對腔內電磁場的本征模式展開，從電場有源波動方程導出腔內各模式與外加場的耦合關系，并得出了腔內電磁場分布的一般表達式。在此基礎上，得出了開孔電磁耦合下腔模的激勵規律，并計算分析了開孔參數和入射場方向對屏蔽效能的影響規律。與等效電路方法相比，由于該模型能考慮孔縫位置及高階模式的影響，給出的結果與實驗結果更為接近。

參考文獻：

[1]倪光正，楊仕友，邱捷等，《工程電磁場數值計算》，機械工業出版社 2010

[2]梁昌洪，曹祥玉“廣義微擾法”電子學報， 2003年12月

[3]張華彬，趙翔，周海京，黃卡瑪“混響室的概率統計分析方法及其蒙特卡羅模擬”強激光與粒子束 第23卷第9期2011年9月