稀疏金屬柵格壁面微型靜電屏蔽室的研究

劉建河，趙玉丹

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 理學院，長春 130022）

稀疏金屬柵格壁面微型靜電屏蔽室的研究

劉建河1，趙玉丹2

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 理學院，長春 130022）

在科學試驗中高壓電會對周圍設備造成嚴重干擾，而使用密閉的法拉第靜電屏蔽籠會使試驗人員無法觀察和監測屏蔽籠內試驗進展的情況。為了解決這兩者之間的矛盾，針對用稀疏金屬柵格作為壁面的微型靜電屏蔽室進行了研究。首先利用簡化模型從理論上分析了稀疏金屬柵格的靜電屏蔽安全范圍，其次利用Comsol Multiphysics軟件對理論分析的結果進行了仿真，最后通過試驗驗證了這種方法的是可行的。

微型靜電屏蔽室；法拉第籠；稀疏金屬柵格；高壓電

在許多科學試驗中都不可避免地會用到高壓電，然而高壓電的引入會帶來如安全性和電磁干擾等諸多問題。人們處理此類問題最直接有效的手段就是用靜電屏蔽的方法，將高壓電局限于一定的安全空間中，歷史上最經典的此類案例就是法拉第籠［1］，其原理就是利用靜電場中處于平衡狀態的空腔導體在接地后，空腔內外電場互不影響的特點實現“靜電屏蔽”。為了應用中的方便，通常用編織很緊密的金屬絲網來代替空腔導體，如在電氣設備中高壓設備周圍的金屬柵網、校測電子儀器的屏蔽室、傳輸電子信號的金屬隔離線等都用金屬絲網進行靜電屏蔽。然而利用金屬絲網進行靜電屏蔽也存在一些問題。一方面用金屬絲網代替空腔導體做靜電屏蔽本身并不完全。隨著網孔大小的不同，在一定的距離之內這種不完全性更為嚴重，只有在一定的距離以外，屏蔽才是完全的［2］。另一方面，用編織緊密的金屬絲網使得試驗人員無法實時地觀測屏蔽室內試驗的進展狀況。如作者所做的一項用水作介質的電噴霧的試驗中，在用高壓電對水滴進行充電時，一旦加載上高壓電場，周圍一些檢測設備便立即不能正常工作，但是，在使用緊密的金屬網罩對高壓電進行屏蔽時，CCD照相機、激光光束等都無法照射到噴霧區域，也就無法檢測霧滴所形成流場的運動狀態。因此，在保證安全和節約成本的前提下，要想使試驗人員或一些光學設備能夠對屏蔽室內試驗的進展情況進行監測的同時實現對高壓電的屏蔽，就必需在屏蔽室的靜電屏蔽完全性和壁面透過率兩個方面找到一個恰當的平衡點。本文旨在該內容的研究上進行一些有益的探討。

1 金屬柵格靜電屏蔽的完全性理論分析

無限大的金屬平面薄板可視作用來實現靜電屏蔽的空腔導體［3-5］，亦即靜電屏蔽室。如果在被屏蔽區的另一側存在電場E?0，由于屏蔽平面有理想的電導率，則金屬薄板表面任一點的電場強度都垂直于此表面，如圖1（a）所示。為了實現對屏蔽室內部情況的觀察，該金屬平面薄板可以由一系列互相平行的金屬細絲構成，兩條金屬細絲之間的間距為a，則金屬薄板就變成了金屬柵格，如圖1（b）所示。

圖1 金屬柵格的無限大平板模型

為了計算電場E?0經過該金屬柵格“泄露”量的大小，簡明起見，假定金屬柵格均勻分布，且金屬細絲處于同一平面內，長度無限長，根數無限多，各根金屬線的電勢相等。這些假定的條件與一個處于靜電場中自成封閉，但帶有柵格的屏蔽室是等價的［6］。柵格外電場的等勢面是與金屬柵格平面相平行的一系列曲面，但隨著與金屬柵格距離的接近，電勢的起伏就會變大，如圖2所示。

圖2 金屬柵格外電勢分布

如果以垂直金屬線方向為x軸，平行金屬線方向為y軸，垂直網面方向為z軸（如圖1（a）所示），則電勢沿x軸的變化是周期性的，周期為金屬線的間距a，因為已假設金屬線為無限長，因此電勢與y方向無關，但是電勢沿z軸方向要逐漸變化。由于任何周期性變化的量都可以用余弦函數來表示，被屏蔽區空間各點的電勢分布可以表示為：

在被屏蔽區，電勢應滿足拉普拉斯方程：

將（1）式代入（2）式，可得：

由（4）式，當z=0時，即在金屬網格外表面處時：

Fn為某一定值，與屏蔽室內使用的電壓大小有關。當z→∞時，即當逐漸遠離金屬網格外表面時：

方程（3）的通解為：

（5）式和（6）式表明，在有金屬柵格屏蔽的作用下，從金屬柵格外表面逐漸遠離到無窮遠處，電勢從一定值呈指數規律逐漸衰減為0，在距離金屬柵格表面為柵格間距幾倍遠處時，金屬柵格的作用就相當于完整封閉的金屬殼體了，對高電壓的屏蔽效果可以認為是完全的，這為使用稀疏柵格實現對高電壓的屏蔽提供了理論依據。下面通過COMSOL Multiphysics軟件對實際的工況進行仿真分析，以期找到一個合理的能滿足使用要求的最大網格間距。

2 稀疏金屬柵格最大間距的仿真分析

如引言所述，為了滿足必須使用高壓電和對屏蔽室內情況進行觀察的雙重需要，需采用較稀疏的金屬柵格制作靜電屏蔽室的壁面，作為屏蔽室壁面的柵格間距要盡量大，但間距太大會影響靜電屏蔽的完全性。為了在兩者之間找到一個平衡點，下面將通過COMSOL Multiphysics軟件對實際的工況進行仿真分析，以期找到一個合理的能滿足使用要求的最大柵格間距。

圖3 用稀疏金屬柵格做壁面的微型靜電屏蔽室幾何模型及邊界條件

所模擬的工況如圖3所示。微型靜電屏蔽箱體為一個800×800×800mm3的立方體，除骨架外，上下兩側是完整金屬殼體屏蔽，其他四壁用稀疏金屬柵格屏蔽。由于箱體的完全對稱性，在模擬時，左右兩側為互相平行的兩組柵格，與高壓電源中心相距400mm，材料為銅，接地，在距離該金屬柵格100mm處設置“測量線”，所謂的測量線是指在軟件中所設定的該條直線所處位置上的數據集，其中包含了所有的仿真結果，由于其使用方法類似物理模型中的測量工具，因此稱其為“測量線”。此處用于查看屏蔽效果是否能達到安全性要求。仿真過程中采用COMSOL Multiphysics中的AD/DA模塊建立EC（Electric Currents）仿真模型，根據理論分析結果，將前后兩側設置為無限遠邊界條件。其它仿真參數的設置為：高壓電源的電壓為20KV，這是在實際試驗中所采用的最高電壓，加載到直徑為20mm的一個環形電極上。模擬仿真的結果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 在金屬柵格接地時屏蔽室內電勢分布

圖4給出了在有接地金屬柵格屏蔽時，屏蔽室內電勢分布情況。可以看出，從整體上看，在有接地金屬柵格存在時，電勢基本上被局限在屏蔽區域之內，但由于柵格尺寸不合適，就會有較大“泄漏”。

圖5 柵格尺寸、數量與測量線上電勢最大值間的關系

圖5為測量線上的電勢最大值與柵格數量和寬度之間的關系。為保證觀察者或攝像機等設備能對屏蔽室內情況進行監測，在模擬中，設置透過率（即除去金屬柵格所占壁面的面積后，剩下的能透過光線的面積與總面積之比）為80%。從圖中可以看出，在同樣的透過率下，使用數量較多，直徑較細的屏蔽方案比使用數量較少，寬度較大的屏蔽方案的屏蔽效果要好，其中最佳方案是使用寬度為2mm，在800mm長度上分布80條柵格的配置方式。柵格銅絲太細容易斷，太粗滿足不了安全性要求。

圖6 透過率為80%，接地屏蔽線為80條，寬度為2mm的銅線時，測量線上的電勢分布

圖6是采用上述最佳方案時測量線上的電勢分布圖。從圖中可以看出，最大電勢值為34.44V，透過率為80%，完全能滿足安全性和高透過率的要求。

3 實驗

為了驗證理論分析和模擬仿真的正確性，按照最佳配置方案制作了一個用稀疏金屬柵格為壁面的微型靜電屏蔽室，并利用Kleinw?chter公司的靜電場測試儀EFM-122在20KV工況下對仿真模型中測量線位置上的電勢進行了檢測，其中最大電勢值為34.98V，與模擬結果基本一致，完全滿足了安全性的要求。為了檢驗在80%透過率的前提下，金屬柵格對屏蔽室內觀察和監測效果的影響，給出了對屏蔽室內霧滴進行檢測試驗時的照片，如圖7所示。從圖中可見在這種工況下完全能夠滿足對屏蔽室內進行觀察和監測的要求。

圖7 80%透過率時屏蔽室內拍攝效果圖

4 結論

通過對稀疏金屬柵格壁面微型靜電屏蔽室的理論和仿真分析以及實驗驗證，可以得出如下幾條結論：

（1）在有屏蔽柵作用的情況下，從壁面開始到無限遠處，電勢的分布逐漸減小，在距離金屬柵格表面為柵格間距幾倍遠處時，就可以實現完全屏蔽。

（2）稀疏壁面微型靜電屏蔽室在內部電極電壓為20KV的情況下，實現了對內部高壓電的有效屏蔽，達到了安全要求（距表面10cm處電勢＜36V），避免了對其他用電設備的干擾，同時屏蔽室的側壁對可見光的透過率可達到80%，滿足了試驗人員近距離觀察及其它光學設備對指定的工作區域的監測的要求。

（3）制作稀疏金屬柵格壁面時，在保證同樣透過率的情況下，采用數量大、細條柵格比采用數量少、粗條柵格的屏蔽效果好。

［1]林政，黎梓華，唐雷，等.淺談如何利用法拉第籠原理防護雷電電磁脈沖［J］.氣象研究與應用，2009（1）：85-89.

［2]高振金.關于用金屬網罩做靜電屏蔽的完全性問題［J］.東北師大學報：自然科學版，1991（1）：59-61.

［3]劉文廣.金屬網的靜電屏蔽效果［J］.焦作教育學院學報，1998（2）：62-64.

［4]張鈞.金屬網罩的靜電屏蔽安全范圍［J］.焦作大學學報，1999（2）：21-22.

［5]劉應敏.金屬網罩的靜電屏蔽效果與網孔大小關系分析［J］.焦作大學學報，2007（3）：91-92.

［6]王澤忠，金玉生，盧斌先，等.工程電磁場［M］.北京：清華大學出版社，2010：65-69.

Research on Micro Electrostatic Shielding Room with Sparse Metal Grid Wall

LIU Jianhe1，ZHAO Yudan2
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

High voltage is a common disturbing source in scientific experiments，however，when we use Faraday cage as electro?static shielding，if the metal wall of the case is too dense，the experiment progressing could not be seen in the cage.To resolve the contradiction between them，a study of micro electrostatic shielding room with sparse metal grid wall was presented.Firstly，by using a simplified model，the safety scope of the electrostatic shielding room was analyzed theoretically.Secondly，the theoret?ical results were simulated with the software Comsol Mutiphysics on computer.Lastly，the feasibility of this method was verified by experiments.

micro electrostatic shielding room；faraday cage；sparse metal grid；high voltage

TM83

A

1672-9870（2017）02-0082-04

2016-10-15

吉林省自然科學基金（20120415）

劉建河（1976-），男，碩士，副研究員，E-mail：a_liu@cust.edu.cn