發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高頻段混響室場均勻性仿真

趙 俊 高會(huì)芳 徐大鵬 王 磊 郭浩南

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高頻段混響室場均勻性仿真

趙 俊 高會(huì)芳 徐大鵬 王 磊 郭浩南

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

本文介紹了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高頻段混響室場均勻性校準(zhǔn)內(nèi)容，利用仿真軟件對實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行建模，在1.1GHz頻率下進(jìn)行場均勻性校準(zhǔn)仿真。通過仿真區(qū)域中9個(gè)位置的電場強(qiáng)度值計(jì)算得到場均勻性偏差。根據(jù)獲得的仿真結(jié)果，在相應(yīng)頻段混響室的場均勻性符合RTCA/DO—160G標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子；混響室；場均勻性仿真；高頻段

0 引言

當(dāng)前發(fā)電企業(yè)電磁環(huán)境復(fù)雜多變，作為本身依靠電磁感應(yīng)原理運(yùn)行的裝置，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在不同工況下產(chǎn)生復(fù)雜的畸變電磁環(huán)境，運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及其在線監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行性能受到高強(qiáng)輻射場較大影響。該類問題愈發(fā)引起發(fā)電企業(yè)的重視[1-4]。

混響室作為一種新興的高強(qiáng)輻射場試驗(yàn)場所，已在國內(nèi)外有了較為深入的應(yīng)用，其主要應(yīng)用于各類涉網(wǎng)一次設(shè)備射頻敏感度及屏蔽效能測試。混響室內(nèi)部殼體表面設(shè)置有銅質(zhì)或鋅鋼材質(zhì)等高導(dǎo)電反射的金屬層，當(dāng)發(fā)射天線在此環(huán)境中進(jìn)行照射時(shí)，電磁波將會(huì)在攪拌器和殼體的反射下不斷疊加，進(jìn)而得到統(tǒng)計(jì)均勻、隨機(jī)極化、各向同性的高強(qiáng)輻射場。利用該電磁環(huán)境對發(fā)電機(jī)及相應(yīng)在線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行照射，可以得到更高的場強(qiáng)和動(dòng)態(tài)范圍的試驗(yàn)工況，更符合實(shí)際的高強(qiáng)輻射場環(huán)境。

就混響室仿真而言，有關(guān)專家學(xué)者已利用GEMS、FEKO、CST STUDIO等電磁仿真軟件構(gòu)建模型，所得到的模型可以較好地體現(xiàn)混響室場均勻性的要求，為混響室應(yīng)用于發(fā)電機(jī)電磁環(huán)境仿真研究提供重要參考[5-12]。但由于軟件計(jì)算性能及邊界條件等因素的限制，此類模型設(shè)計(jì)主要集中于頻段1GHz以下，而對較高頻段的模型建立還存在空白。本文利用CST STUDIO仿真軟件在較高頻段下建立發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子混響室仿真模型并進(jìn)行研究。

1 混響室場均勻性判定方法

為了論證混響室的初始構(gòu)造或在重大調(diào)整之后是否滿足混響室場強(qiáng)環(huán)境要求，應(yīng)先進(jìn)行場均勻性測試。本文利用混響室的校準(zhǔn)技術(shù)來證實(shí)混響室符合該方法中所規(guī)定的場均勻性要求。本文所述混響室的場均勻性校準(zhǔn)需在包含測試臺(tái)在內(nèi)的整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)。混響室校準(zhǔn)模式只能設(shè)置為調(diào)節(jié)工作模式（攪拌器步進(jìn)旋轉(zhuǎn)）。場校準(zhǔn)探頭位置如圖1所示，就每個(gè)攪拌器測試工況而言，須在3個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)（、、）的9個(gè)位置進(jìn)行計(jì)算，共計(jì)27個(gè)測試位置。

圖1 場校準(zhǔn)探頭位置

若判定混響室在工作區(qū)域內(nèi)的場均勻性，首先應(yīng)計(jì)算該區(qū)域9個(gè)測試點(diǎn)電場的各分量值。依照攪拌器步進(jìn)的工作形式進(jìn)行取樣，在攪拌器攪拌一周的過程中，需記錄9個(gè)測試點(diǎn)在各個(gè)正交軸上出現(xiàn)的最大場強(qiáng)值Max和發(fā)射天線在攪拌器攪拌一周的平均輸入功率Input，進(jìn)而通過這些數(shù)據(jù)將各個(gè)探頭最大電場測試值歸一化至平均輸入功率平方根值，即

式中：Maxx,y,z為各個(gè)探頭軸向最大測量值；為各個(gè)探頭軸歸一化的最大測量值；Input為在攪拌器攪拌周期內(nèi)，記錄Maxx,y,z時(shí)的混響室平均輸入 功率。

攪拌器攪拌一周的期間內(nèi)，要以9個(gè)位置上各個(gè)位置獲得的最大平均值的標(biāo)準(zhǔn)差來確定場均勻性。用各個(gè)探頭軸向單獨(dú)數(shù)據(jù)（例如）及總數(shù)數(shù)據(jù)（例如27）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差為

例如，對于向量，有

對于所有的向量，有

將以上計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差以dB形式表示，即

場均勻性測試允許的標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖2所示，如果在400MHz以上頻率的標(biāo)準(zhǔn)偏差在3dB以內(nèi)，100～400MHz頻段范圍從6dB線性下降至3dB（利用半對數(shù)曲線圖），則可判定該混響室內(nèi)的電場是均 勻的。

2 混響室場均勻性仿真

2.1 混響室建模

本文設(shè)定混響室尺寸為340cm×270cm×250cm，攪拌器設(shè)計(jì)為30cm×30cm×230cm的“W”型結(jié)構(gòu)。為了更有效模擬實(shí)際的電磁環(huán)境，這里利用電磁仿真軟件構(gòu)建了同樣尺寸的腔體和攪拌器模型。就產(chǎn)生高頻段電磁波而言，若利用常規(guī)平面波照射或?qū)?shù)周期天線的方法不能滿足要求，這里采用仿真軟件中內(nèi)置的可發(fā)射1GHz以上電磁波的喇叭天線，獲得的電磁環(huán)境符合仿真要求。

對于混響室腔體，仿真建模時(shí)采用銅質(zhì)材料，對于攪拌器和喇叭天線，采用鍍鋅鋼板材料，仿真計(jì)算區(qū)域的空間設(shè)置為有損空氣。以上材質(zhì)的導(dǎo)電率和密度均按照實(shí)際材質(zhì)屬性設(shè)置，按照該設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)置基本符合混響室實(shí)際情況，計(jì)算所得仿真結(jié)果也能更好體現(xiàn)工況。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)RTCA/DO—160G[13]，在工作區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)以坐標(biāo)（40, 130, 0）為幾何中心、100cm×100cm× 100cm立方體區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，取該區(qū)域立方體8個(gè)頂點(diǎn)和幾何中心點(diǎn)作為計(jì)算位置（見圖3）。仿真中喇叭天線發(fā)射的頻段為1～1.2GHz，攪拌器以步進(jìn)方式運(yùn)行，其每步進(jìn)一次，則利用仿真軟件進(jìn)行一次計(jì)算，采樣9個(gè)測試位置3個(gè)軸向的電場分量。攪拌器攪拌一周至少需要12次采樣，所得到對應(yīng)的結(jié)果存在含有12×27組數(shù)據(jù)。

圖3 混響室設(shè)備及場均勻性測試位置

2.2 仿真結(jié)果分析

在所有攪拌位置中，喇叭天線發(fā)射相同的Gaussian波形，其信號(hào)的平均輸入功率Input在理想的仿真環(huán)境中為一定值，其對仿真結(jié)果的影響會(huì)在最終以dB形式表示的標(biāo)準(zhǔn)偏差下抵消掉，所以仿真計(jì)算獲得的場強(qiáng)Maxx,y,z可以轉(zhuǎn)換為歸一化之后探頭最大測量值E,y,z。

場均勻性判定的公式轉(zhuǎn)化為

根據(jù)上述模型的建立，攪拌器步進(jìn)攪拌一周共獲得12×27組數(shù)據(jù)，為更好體現(xiàn)仿真場均勻性結(jié)果，這里選擇的測試頻點(diǎn)為1.1GHz。表1為1.1GHz頻點(diǎn)9個(gè)測試位置的歸一化最大電場強(qiáng)度值。

依據(jù)RTCA/DO—160G中混響室場均勻性標(biāo)準(zhǔn)的判定方法，計(jì)算得到測試區(qū)域的場分量標(biāo)準(zhǔn)偏差。表2和表3分別為1.1GHz頻點(diǎn)下測試區(qū)域的總標(biāo)準(zhǔn)偏差和場分量標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中，27為總標(biāo)準(zhǔn)偏差，、、為分量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1 1.1GHz頻點(diǎn)9個(gè)測試位置歸一化最大電場強(qiáng)度值

通過以上數(shù)據(jù)可以得到，單獨(dú)場分量標(biāo)準(zhǔn)偏差超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)偏差的有兩個(gè)，總標(biāo)準(zhǔn)偏差沒有超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)RTCA/DO—160G的判定內(nèi)容，可以認(rèn)為該混響室符合場均勻性要求，進(jìn)而也說明了該模型在頻率1GHz以上可以用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子混響室高強(qiáng)輻射場射頻敏感度仿真。

表2 1.1GHz頻點(diǎn)下測試區(qū)域的總標(biāo)準(zhǔn)偏差

表3 1.1GHz頻點(diǎn)下測試區(qū)域的場分量標(biāo)準(zhǔn)偏差

3 結(jié)論

對于混響室的初始構(gòu)造或在重大調(diào)整后的混響室環(huán)境，需要進(jìn)行混響室的場均勻性校準(zhǔn)。一旦場均勻性校驗(yàn)通過，未來的環(huán)境都要保持與校準(zhǔn)時(shí)過程和結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一性。本文通過CST電磁仿真軟件構(gòu)建混響室立體結(jié)構(gòu)模型，并通過喇叭天線作為電磁環(huán)境發(fā)射源，實(shí)現(xiàn)了頻率1.1GHz頻率下混響室電磁環(huán)境仿真，填補(bǔ)了該類模型在頻率1GHz以上仿真計(jì)算的空白。通過仿真結(jié)果可以看出，所建立的模型符合標(biāo)準(zhǔn)RCTA/DO—160G有關(guān)混響室場均勻性的要求。這為未來利用混響室對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行射頻敏感度的仿真研究提供了重要參考。

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Field uniformity simulation of generator rotor reverberation chamber at high frequency

ZHAO Jun GAO Huifang XU Dapeng WANG Lei GUO Haonan

(Inner Mongolia Power Research Institute, Hohhot 010020)

The generator rotor reverberation chamber field uniformity calibration test is introduced in this paper. Model of reverberation chamber is created with the electromagnetic simulation software, and field uniformity simulation is taken at 1.1GHz. The electric field intensity values of 9 positions of the workplace and standard deviation of field uniformity are calculated. The simulation results present that the performance of the reverberation chamber conforms to RTCA/DO—160G.

generator rotor; reverberation chamber; field uniformity simulation; high frequency channel

2020-12-31

2021-01-21

趙 俊（1990—），男，河北省張家口市人，碩士，工程師，主要從事高壓一次設(shè)備防護(hù)研究工作。

內(nèi)蒙古電科院2019年自籌項(xiàng)目（2019-zc-08）