韩群霞
(中国核动力研究设计院中核核反应堆热工水力技术重点实验室,成都,610041)
在测试模型中,整流柜内的汇流支母排和汇流总母排可以简化为有大电流通过的长直导线,汇流支母排和汇流总母排之间的“L”型连接母排可以简化为两段电流顺向、首尾连接、相互垂直的直导线进行分析。单个整流元件通电电流远远小于汇流母排电流,且紧贴汇流支母排布置,分布的空间小,所以在磁场分析中产生的影响非常小,忽略不计。
图1. 长直导线的磁感应强度Fig.1 Magnetic induction intensity of long and straight wire
如图1 所示从M点至N 点为一根长直导线的通电长度,磁感应强度的方向遵从右手定则,在本图中为穿入纸面的方向,根据毕奥萨定律可推算出长直导体在导体附近P 点的磁感应强度计算公式:
式中μ0为真空磁导率,其值为4π×10-7N·A-2;r0为P 点至长直导线的垂直距离,单位为米;I 为通电电流的大小,单位为安培;
由上式可知,通电电流I 增大、导线MN 长度加长、距离导线的垂直距离r0减短都是使磁感应强度增大的必要条件。汇流总母排在整流柜内电流最大、长度最长且柜体从上到下距离汇流总母排的垂直距离逐渐加长,汇流总母排位于整流柜上方,因此根据公式(1)可以推断出:汇流总母排产生的磁场强度对整流柜外侧空间的影响最大,该影响从上到下有逐渐减弱的趋势。
整流柜汇流支母排在水平方向的导电单元分布可简化为图2 进行分析,其中“⊙”代表汇流支母排的正极,电流穿入纸面流过,“”代表汇流支母排的负极,电流穿出纸面流过。
图2 汇流支母排导电单元分布图Fig.4 The conducting unit distribution of convergence branch busbar
图2 中1a+和1a-导体长度相等、通过的电流大小相等方向相反,首尾对齐且平行,至柜体中心线P 点的距离接近,根据公式(1)和右手安培定则可知1a+和1a-在P 点的磁感应强度B1a+、B1a-绝对值接近,矢量方向大致相反,矢量集成呈抵消状态,两导体相隔的距离越近,抵消的效果越明显;1b+和1b-在P 点的磁感应强度也遵从该规律。1a+和1a-在P 点没有完全抵消的磁感应强度Ba0与1b 和1b’ 在P 点没有完全抵消的磁感应强度Bb0在P 点的方向仍然呈相反方向分布,因此还可以进行二次抵消,对称度越好则磁感应强度二次抵消的效果越明显。将1a+、1a-和1b+、1b-视为一组,将2a+、2a-和2b+、2b 视为一组,以此类推。当P 点在柜体中轴线上时,三组通电导体全部对称布置,在P 点的磁感应强度二次抵消效果都非常明显。然而,随着P点往整流柜中轴线两边的偏移,每组导线在P 点的磁感应强度二次抵消效果将逐渐减弱,从而导致P 点磁感应强度的矢量集成值逐渐增大。由此可见汇流支母排使整流柜的磁感应强度从中间往两边有逐渐加强的趋势。
如图3 所示,“L”型连接母排中的1 段和2 段电流顺向,利用右手定则,两段导体在Q 点的磁感应强度B1、B2的方向相同,因此矢量集成的效果为叠加而非抵消关系,因此在电流相同、长度相等的情况下,“L”型连接母排在垂直距离相同的点上产生的感应强度远大于单根直导体产生的磁感应强度。所有的“L”型连接母排均位于整流柜上方,且在水平方向的分布规律与图2 中的汇流支母排相似,因此,“L”型连接母排之间相互平行的部分也遵从图2 中导体之间的磁场抵消原则,即位于边沿的电磁感应强度抵消效果差。
图3.“L”型导线磁感应强度Fig.3 Magnetic induction intensity of “L” shaped wire
在电流15kA 时在距离整流柜柜体正面0.5 米的位置进行磁场测试,测试点在垂直方向上分为上、中、下三层,每层分左、左中、中、右中、右5 个位置,共计15 个测点,柜体正面各个部位的测试结果见表1。对柜体顶部4 个拐角处的磁场强度进行测试,测试结果分别为6.5GS、6.3GS、6.8GS、6.6GS。水平方向垂直方向。
表1.柜体正面磁场测试记录Table 1. Magnetic field test records of front cabinet
测试结果表明磁场测试结果与本文第3 项中磁场分析的结果相吻合:①汇流支母排在不同方位时磁感应强度的抵消程度不同,使整流柜正面的磁场从中心往两侧逐渐增强;②受汇流总母排位置的影响,柜体从上到下的磁场逐渐减弱;③构成“L”型连接母排的两段直导线的磁场为叠加状态,且靠近边界四个顶角的磁场几乎不能与其他“L”型连接母排的磁场进行抵消,从而使整流柜顶部角落的磁场强度最大。
根据分析和推论 “两导体长度相等、通过的电流大小相等方向相反、首尾对齐且平行时两导体相隔的距离越近,抵消的效果越明显”可知:
①在整流柜的汇流支母排的布置中,正级和负极母排成对平行布置且尽可能靠近布置是减小整流柜内磁场的有效措施之一。在低压大电流的整流柜布置中汇流总母排何汇流支母排通过的电流大,但电压低对安全距离要求不高,正负极汇流母排间的间距可以进一步缩小,因此该方法对减小低压大电流整流柜产生的电磁感应强度尤为有效。
②根据柜内导电体的分布情况和通过电流大小对磁感应强度进行估算,选用适当的导率材料和相应厚度的屏蔽体进行电磁屏蔽,对干扰磁场进行分路,是实现主动屏蔽的有效措施。
③利用高导磁率的铁磁材料,如铁、硅钢片、坡莫合金等对靠近汇流总母排及靠近汇流总母排的柜体角落进行加强屏蔽处理也是实现主动屏蔽的有效措施。
在低压大电流整流电源的应用中整流柜为较强的干扰源,整流电源应用中常用的被动屏蔽具有抗干扰处理难度大、使测量和控制模块成本增加、手段单一难以达到满意的效果,整流电源的电磁屏蔽的研究主要局限于被动防护等原因,将主动屏蔽和被动屏蔽相结合抑制整流柜对外界的电磁干扰、主动实现电磁辐射防护意义重大。
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