电网中屏蔽体场强的分布特性研究与分析

牛帅 李琳

摘 要：较全面地阐述了阀厅电磁屏蔽的重要意义和这些年来国内外的研究成果，说明了阀厅作为大尺度屏蔽体内部场强的分布特性。电磁屏蔽是能防止或者减少电磁波侵入空间某些部位的措施；是抑制干扰，增强设备的可靠性及提高产品质量的有效手段。合理地使用电磁屏蔽，可以抑制外来高频电磁波的干扰，也可以避免作为干扰源去影响其他设备。

关键词：阀厅 电磁屏蔽 高频 分布特性

0 引言

我国电力工业正处在一个快速发展的时期，“西电东送”、“全国联网”的电网发展战略使特高压直流输电技术重要性突现。上世纪80年代末以来，高压直流输电技术在电网互联和远距离大容量输电领域中得到飞速发展，由于与系统频率无关、损耗小、输送容量大、经济性突出等优势，在我国电网发展规划中比重大为提高。与一般设备的屏蔽相比，阀厅电磁屏蔽具有以下特点：1）大尺度，±500kV换流站阀厅的尺度可达30m以上；2）激励源复杂，阀厅内部分布着大量可产生电磁辐射的晶闸管和导线回路；3）接缝多，由于阀厅的尺寸很大，需要将成百上千块金属板通过螺钉搭接，从而在相邻螺钉之间形成大量接缝。相邻螺钉的间距，即接缝长度是影响电磁泄露程度的一个重要因素，同时也直接影响到阀厅屏蔽体建设的施工量。

1 国内外研究现状

目前，关于屏蔽体电磁泄露的研究对开孔或开缝分析的多，对接缝分析的少；对简单激励源（平面波、单个电或磁偶极子及单根导线等）分析的多，对复杂分布的激励源分析的少。

西门子公司对±500kV换流站电磁兼容问题进行了长期研究。主要工作有：

1.电路建模与仿真。他们对整流或逆变回路进行建模，通过电路仿真方法预测计算晶闸管及其回路在触发或关断瞬间产生的瞬态电压和瞬态电流，在频谱分析的基础上，计算获得这些瞬态电压和瞬态电流以传导方式外泄到交流侧乃至到交流线路和外泄到直流侧乃至到直流线路上的瞬态电压和瞬态电流。

2.天线建模与仿真。他们对晶闸管本体、悬挂阀体、连接导线等建立天线模型，在频谱分析的基础上，通过计算天线电磁场的矩量法预测计算阀厅内外和换流站内外的空间辐射电磁场分布。

3.对预测获得的传导电磁骚扰和辐射电磁骚扰进行系统分析，并与保护和控制设备的电磁抗扰度标准进行对比。一方面提出换流站阀厅电磁骚扰外泄抑制的控制指标，另一方面提出对控制楼内保护和控制设备的电磁抗扰度要求。

4.由于电磁兼容的复杂性，电磁兼容问题研究必须依赖于测试和试验技术。他们对换流站阀厅的电磁骚扰水平进行了大量的现场测量，获得大量实测数据。

5.对换流站阀厅屏蔽用的不同结构形式、不同屏蔽材料、不同连接方式的屏蔽效能进行了大量测量，获得极具工业价值的屏蔽设计数据。

2 主题

高压换流站在运行时会在站内区域及其周围环境中产生电磁骚扰。换流站的站内区域由阀厅、直流开关场和交流开关场组成。从电磁骚扰的波形特征来分，换流站运行期间将产生稳态电磁骚扰和瞬态电磁骚扰。从电磁骚扰的传播途径来分，电磁骚扰又分为传导骚扰和辐射骚扰。换流站内的保护、控制、测量和通信等以微电子器件组成的二次设备会不同程度的受到这些电磁骚扰的影响。当这类影响大到使二次设备的功能丧失或性能下降时，将会对换流站的安全稳定运行构成威胁。对换流站不同区域的各类骚扰进行测量与特征分析，获得骚扰的特征信息，从而正确评估二次设备的电磁环境，是合理确定二次设备抗扰度水平的依据。

在阀厅周围靠近墙体的位置，电场强度在频率为几十kHz时可达700V/m，随着频率的增加电场强度下降得很快，而根据相关标准的要求，阀厅附近的电场强度应该不超过10V/m。另外在相关区域的无线电干扰水平最大可达77dBμV/m，也远远超过了相关标准的限值，因此需要针对这两种情况选择合理的阀厅屏蔽效能标准。对于阀厅周围电场强度，要由700V/m衰减到10V/m，要求屏蔽效能不低于37dB，要使无线电干扰水平由77dBμV/m衰减到39dBμV/m要求屏蔽效能不低于38dB。因此，阀厅的屏蔽效能最低不能小于40dB，考虑到一定的安全裕度以及工程建造的成本因素，我们建议采用目前设计方案的高压换流站的阀厅应具备40dB的屏蔽效能。

文献[2] 针对目前电磁理论微扰法处理中的某些不足，提出微扰量、不变量和逐级处理这三个概念.以介质微扰为例，得到了精度更高的谐振腔和波导的二级微扰结果。微扰法是电磁理论中经常运用的一种方法，其处理思想是把它归结为两个问题：未受扰问题（原问题）和微扰问题.而要计算的特征量（G）的变化，应用原问题的知识加以求解。

文献[3]提出了一种研究混响室问题的理论分析方法，从理想混响室的离散概率模型出发，采用蒙特卡罗模拟来获得室内电磁场量及其相关物理量的概率统计特性。运用该方法获得了混响室内若干场量（均为归一化值）的概率密度函数、室内一段均匀无耗单导体传输线的负载平均耦合截面及负载电流响应模值的概率分布，所得结果与已有文献给出的结果（包括由解析公式计算或测量所得的结果）吻合良好。由于蒙特卡罗方法的普适性，采用该方法可以获得任意待分析参量的全部概率统计特性（只要样本数足够大）。同时该方法无需针对具体混响室进行，只要在其测试区域能较好地与理想混响室的基本概率模型相吻合，就能给出较精确的计算结果，且其计算量远远小于基于全波分析的蒙特卡罗方法。

3 总结

传统数值计算方法多用于单孔腔体计算，这篇论文基于腔内电磁场的本征模展开和Bethe的小孔耦合理论，可以考虑开孔的形状、尺寸、个数及位置和电磁波的传播与极化方向等参数对腔模激励的影响。本论文给出了一个分析平面波照射下开孔矩形金属腔体的电磁耦合和屏蔽效能的近似解析理论模型。该模型基于Bethe的小孔电磁耦合理论，将入射场与腔内电磁场的耦合过程用开孔上的等效电偶极子和磁偶极子来描述，通过对腔内电磁场的本征模式展开，从电场有源波动方程导出腔内各模式与外加场的耦合关系，并得出了腔内电磁场分布的一般表达式。在此基础上，得出了开孔电磁耦合下腔模的激励规律，并计算分析了开孔参数和入射场方向对屏蔽效能的影响规律。与等效电路方法相比，由于该模型能考虑孔缝位置及高阶模式的影响，给出的结果与实验结果更为接近。

参考文献：

[1]倪光正，杨仕友，邱捷等，《工程电磁场数值计算》，机械工业出版社 2010

[2]梁昌洪，曹祥玉“广义微扰法”电子学报， 2003年12月

[3]张华彬，赵翔，周海京，黄卡玛“混响室的概率统计分析方法及其蒙特卡罗模拟”强激光与粒子束 第23卷第9期2011年9月