特高壓直流換流站閥廳內部檢修大廳磁場屏蔽分析與設計

朱弘釗，劉紹帥，2

(1.華北電力大學高電壓及電磁兼容北京市重點實驗室，北京市 102206;2.華北電力大學數理實驗室，北京市 102206)

0 引言

目前對±800kV特高壓直流換流站電磁干擾環境的研究較多，但輸電線路對換流站閥廳內的檢修大廳磁場干擾方面的研究較少。換流站閥廳內部輸電線路工頻電流較大，且線路較多，容易對閥廳檢修大廳內的人體、設備及通信系統產生較強的磁場輻射［1］，因此在檢修大廳建設之前需要對磁場進行計算并設計磁場屏蔽措施［2-5］。本文以糯扎渡直流工程普洱±800kV特高壓換流站檢修大廳磁場屏蔽工程為實例，推導出磁場計算一般性公式，并設計出較為合理、經濟的屏蔽措施。

1 檢修大廳及輸電線路模型

普洱換流站閥廳內部檢修大廳及輸電線路模型如圖1所示。按照設計要求，輸電線路電流水平為1000 A，因此，可算出檢修大廳磁場強度，并判斷是否超出設計限值。建立三維坐標系，以檢修大廳左下角地面標高處為坐標原點(0，0，0)。經圖紙實測，檢修大廳尺寸為:x方向長41.8 m，y方向長73.4 m，z方向高為26 m。

根據文獻［6］，磁場強度計算公式為

式中:I為導線上的導流;μ0為真空磁導率。

結合式(1)，只要給出長直輸電導線兩端點空間坐標以及被測點空間坐標，即可推導出長直導線在導線外任意一點的磁感應強度公式(2)。如圖2所示，長度L、線電流i的導線在P點位置磁感應強度公式為

2 計算結果

根據式(2)，需將輸電線路按直線分段，測量出每段直線兩邊端點的坐標、被測點P點坐標和電流i的值，即可計算出P點的磁感應強度。由設計圖紙查詢出所需坐標值，電流取設計最大值1000 A，用matlab編程計算出結果。以實際的檢修大廳儀器設備位置和人體位置做參考，取大廳被測點P標高h1=0.5 m、h2=1.0 m、h3=1.5 m 3個水平標高以對比計算磁感應強度。

經計算得出，在h1=0.5 m、h2=1.0 m、h3=1.5 m 3個水平標高上磁感應強度等值線圖，如圖3～5所示。由圖3～5可知，每個水平面上磁感應強度最大值都出現在大廳南側墻體上，且越接近南側墻體，等值線越密集，磁感應強度增值速度越快。應工程要求，需找出整個檢修大廳內部磁感應強度最大值及其存在的部位。對比得出在大廳高度h=8.0 m時，磁感應強度出現最大值 Bmax=110.98 μT(見圖6)。

圖6 h=8.0 m大廳磁感應強度(μT)等值線圖(磁感應強度最大值Bmax=110.98 μT)Fig.6 Isograms of magnetic field intensity at h=8.0 m(Bmax=110.98 μT)

3 屏蔽方案

經過計算模擬分析，檢修大廳的磁場強度超過相關設計規范的限值(80 μT)［7］。因此，需要對檢修大廳采取電磁屏蔽措施。采用對大廳的側面墻體安裝金屬板、大廳地面安裝金屬網的方法來屏蔽磁場干擾;還需計算金屬板、網的尺寸和材質對屏蔽效能的影響，以便根據屏蔽要求選取合適的屏蔽方案。

3.1 金屬板屏蔽效能計算

金屬板對磁場的屏蔽效能主要分為3部分:反射損耗、吸收損耗和多次反射損耗［6，8-9］。公式為

根據閥廳內作為場源的線路及檢修大廳墻體位置，取r=3 m、r=5 m做參考，并選擇金屬板為鋼和鋁2種材質進行比較(見圖7)。

圖7 金屬板屏蔽效能曲線Fig.7 Shielding effectiveness curves of metal plate

選取鋁質金屬板時，屏蔽效能隨屏蔽體厚度增加變化幅度較小，但在屏蔽體厚度為2～8 mm時，屏蔽效果較好，為30～45 dB，高于此厚度的金屬鋼板的屏蔽效果;但在厚度大于8 mm時，屏蔽效果增加較少，并小于同厚度的金屬鋼板的屏蔽效果。根據設計要求屏蔽效能取40 dB，考慮其實際施工成本，選取厚度為5 mm的鋁質金屬板。

3.2 金屬網屏蔽效能計算

對于大廳地面加金屬網屏蔽［6，8-9］，金屬網屏蔽效能SH可用式(4)計算。

式中:Z0為真空波阻抗;a為網孔正方形的邊長;d為組成金屬網的網線的直徑;σ為金屬網的電導率;Zs為近似網孔阻抗。

取d=3、5、7、9 mm 4種網線直徑，計算磁場屏蔽效果隨網孔邊長變化曲線，如圖8所示。

圖8 金屬網屏蔽效能曲線Fig.8 Shielding effectiveness curves of metal mesh

由圖8可以看出，當金屬網線直徑不變時，金屬網屏蔽效能隨網孔尺寸的增大而減小，而當網孔尺寸不變時，金屬網線直徑越大，屏蔽效能越好。考慮實際施工成本，選取直徑d=5 mm、網孔尺寸a=20 mm金屬網做大廳地面屏蔽。

3.3 HFSS軟件模擬計算

利用軟件Ansoft HFSS［10］建立檢修大廳模型，如圖9所示。

圖9 HFSS軟件模擬檢修大廳模型Fig.9 Model of maintenance hall simulated by HFSS software

大廳側壁用厚5 mm鋁質板，地面采用直徑5 mm、網孔尺寸20 mm×20 mm銅質網。磁場入射波沿z軸正方向入射，并取坐標(20 m，0.01 m，8 m)處做磁場屏蔽效能參考點。經HFSS軟件計算，參考點屏蔽效能為48.483 dB，與理論計算結果較為一致，且滿足屏蔽設計要求。

4 結論

目前國內換流站閥廳的屏蔽效能基本按照40 dB來設計，在檢修大廳側壁采用厚5 mm鋁質金屬板較好;大廳地面采用銅質金屬網，網線直徑取5 mm，網孔邊長取20 mm，此時屏蔽效能約大于40 dB。在實際應用中，墻體采用雙層板屏蔽，屏蔽效能會更好，但施工成本也會相應增加。本文通過理論計算和HFSS軟件模擬結合的方式，分析了閥廳內部檢修大廳磁場屏蔽效能的計算方法，其結論為檢修大廳的屏蔽提供了一種最為經濟適用的方案，對閥廳磁場屏蔽設計及施工具有指導意義。

［1］崔翔.2002年國際大電網會議系列報道:電力系統電磁兼容研究進展［J］.電力系統自動化，2003，27(4):1-5.

［2］趙婉君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］DL/T 5223—2005高壓直流換流站設計技術規定［S］.北京:中國電力出版社，2005.

［4］Q/DG 1-A103—2008±800kV高壓直流換流站設計技術導則［S］.北京:中國電力工程顧問集團公司，2008.

［5］張先偉，鐘偉華.±800kV特高壓換流站閥廳及控制樓電磁屏蔽［J］.電力建設，2012，33(2):36-39.

［6］馮慈章，馬西奎.工程電磁場導論［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［7］DL/T 275—2012±800kV特高壓直流換流站電磁環境限值［S］.

［8］王澤忠.工程電磁場［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［9］Jackson J D.1975 Classical Electrodynamics［M］.2nded.New York:Wiley interscience.

［10］Ansoft.HFSS 10.0 ［EB/OL］:http//www.ansoft.com/product/hf/hfss/.