电控撬用电磁屏蔽材料屏蔽特性实验

麻宏强, 张春娥, 梁 诺, 刘叶敏, 陈维国, 韩喜莲

(1. 兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050; 2. 中石化中原石油工程设计有限公司, 河南 濮阳 457001; 3. 中原油田博士后科研工作站, 河南 濮阳 457001)

在天然气集输领域，为了缩短建设周期，提升气田集气站场建设效率[1-2]，开发“小型化、系列化、橇装化”集输关键装置成为油气集输领域的热门.对油气集输站场供配电及仪表控制系统进行撬装集成，通常被称为电控撬[3-4]，其主要由强/弱电柜及变配电设备组成.由于电控撬结构紧凑，内部设备密集，防护距离小，将导致电控撬内部强弱电之间以及变配电系统波动产生严重电磁干扰，有可能引起电控撬内部控制系统失灵以及误操作，严重影响集气站场设备安全可靠运行.

目前天然气集气站场电控撬技术才刚刚起步，电控撬内强弱电磁干扰复杂，撬内电磁干扰屏蔽技术还不成熟，从国内外研究现状来看，尚未针对电控撬用电磁屏蔽材料屏蔽性能开展研究[3,5].相关研究主要集中在电磁屏蔽新材料的研制以及屏蔽性能测试方面，如赵慧慧[6]对泡沫型电磁屏蔽复合材料的制备，以及其电磁屏蔽性能进行探究；狄莹莹[7]研究了石墨烯-羰基铁/氰酸酯复合材料的制备及电磁屏蔽性能；潘振等[8]对比了不同电磁屏蔽织物的屏蔽效能，分析了其屏蔽性能的主要影响因素.综上所述，目前针对电控撬用电磁屏蔽材料屏蔽效能研究未见相关报道[9-10].

本文搭建了电控撬用电磁屏蔽材料的屏蔽性能测试试验台，采用实验方法，测试了三种典型电磁屏蔽材料的屏蔽性能，分析了发射电磁波频率、电磁辐射距离对其屏蔽效能的影响，优选了最佳电磁屏蔽材料.

1 实验原理及实验台搭建

电磁屏蔽材料通过对干扰电磁波和内部电磁波的吸收、反射和抵消，从而达到屏蔽的作用.图1为电控撬用电磁屏蔽材料的屏蔽性能测试实验基本原理图，其主要由模拟测试箱体、定向发射天线、接收天线以及高频频谱仪组成.电磁波发射机通过定向发射天线，发射能够产生多个频点的电磁波，电磁波可通过自由空间传播到接收天线.为减小自由空间对实验结果的影响，接收天线将放置在模拟测试箱体内；电磁屏蔽材料贴附在模拟测试箱体上，形成密闭屏蔽空间，然后测试模拟测试箱体贴附屏蔽材料后的电磁干扰信号.为对比分析电控撬用屏蔽材料的电磁屏蔽性能，在模拟测试箱体未贴屏蔽材料和贴附屏蔽材料时，分别测试模拟测试箱体内部接收天线接收到的电磁波功率.通过对经济性和使用方便性的综合考虑，本文选取铁丝网、防辐射胶带和防辐射布料三种屏蔽材料进行了测试.

为减少自由空间闲杂电磁波，对电控撬用电磁屏蔽材料屏蔽性能测试结果的影响，该实验在弱电磁实验室环境(本文选择较为空旷的教室，关闭教室内所有仪器来实现弱电磁环境)下进行，测试实验室环境如图2所示.测量时使用KC901S高频频谱仪及SR_LRD001_V909定向发射天线，如图3所示.

2 电磁屏蔽性能评价方法

本文以屏蔽效能作为电控撬用典型电磁屏蔽材料的屏蔽性能评价主要指标，评价其电磁屏蔽性能.

假设定向发射天线的辐射功率为Pr，则距离天线r处球面上的功率流密度S0为

(1)

设Ar是接收天线的有效面积,m2,则天线的接收功率为

(2)

式中：Pt为发射天线的发射功率，W；Dt为发射天线的方向系数；Dr为接收天线的方向系数;π为圆周率；λ为波长,m.

若在电磁干扰空间，同一地点有电磁屏蔽材料屏蔽存在时，接收天线所接收的绝对功率值|P2|，无屏蔽存在时接收天线所接收的绝对功率值|P1|，|P2|与|P1|比值的对数被称为屏蔽材料的屏蔽效能SE，其单位为dB，其主要表征了屏蔽材料屏蔽后电磁波的衰减程度.其表达式如下：

(3)

3 实验结果分析

为实现天然气集气站场电控系统小型化和撬装化，电控撬内强弱电及供配电设备布置紧凑，难以满足其电磁干扰安全防护距离，不同频率电磁波在不同辐射距离下，对弱电系统干扰程度有所不同.经现场调研，电控撬内干扰最多的频段发生在2 500 MHz内.因此，本文主要研究电控撬用典型电磁屏蔽材料材质、发射电磁波频率及电磁波辐射距离，对屏蔽材料(铁丝网、防辐射胶带和防辐射布料)屏蔽箱体屏蔽效能的影响.

图4为电磁辐射频率为50 MHz时，铁丝网、铝箔防辐射胶带和防辐射布料屏蔽测试箱体的电磁屏蔽性能随电磁波辐射距离变化规律.实验结果表明：电磁辐射频率为50 MHz时，使用铁丝网屏蔽材料后,接收到的电磁波绝对功率值随电磁辐射距离的增大而减小,其屏蔽效能随电磁辐射距离近似呈线性增大趋势；使用防辐射布料后接收到的电磁波绝对功率值在辐射距离0.5 m与1 m处分别出现极小值和极大值,其屏蔽效能随电磁波辐射距离呈周期性波动规律；而使用铝箔防辐射胶带后接收到的电磁波绝对功率值与其屏蔽效能都随电磁波辐射距离增大先增大后减小，电磁辐射距离0.5 m时达到最大值.防辐射布料的电磁屏蔽效能随电磁波辐射距离变化，主要由屏蔽后测试箱体内接受的电磁波功率随辐射距离变化引起.总体来看，在上述三种材料屏蔽条件下，电磁辐射距离对材料屏蔽效能的影响较小.

图5为电磁辐射频率为50 MHz时，铁丝网、铝箔防辐射胶带和防辐射布料等不同材料屏蔽测试箱体的电磁屏蔽效能随电磁波辐射距离变化对比结果.实验结果表明，在发射电磁波频率为50 MHz时，铁丝网、铝箔防辐射胶带和防辐射布料三种材料的电磁屏蔽效能基本接近，在给定电磁波发射频率下屏蔽材料材质对其影响受电磁辐射距离影响较大.

图6为铁丝网、铝箔防辐射胶带和防辐射布料屏蔽测试箱体的电磁屏蔽性能随发射电磁波频率变化规律的实验测试结果.实验结果表明：在0.5 m的辐射距离下,使用三种屏蔽材料后,所接收到的电磁波绝对功率值随发射频率的变化呈现不同的变化规律.但三种材料的电磁屏蔽效能随发射电磁波频率的增大均呈先增大后减小的趋势；对于铁丝网屏蔽测试箱体，在高频率范围内发射电磁波频率对其屏蔽效能的影响较小，反之影响较大；对于防辐射布料和铝箔防辐射胶带，发射电磁波频率对其屏蔽效能的影响较大；在发射电磁波频率为500 MHz和1 000 MHz时，防辐射布料和铝箔防辐射胶带的屏蔽效能分别达到最大.也就是说，在高频范围内发射电磁波频率对铁丝网屏蔽性能的影响较小；防辐射布料和铝箔防辐射胶带的电磁屏蔽性能受发射电磁波频率的影响较大，分别在发射电磁波频率为500 MHz和1 000 MHz时屏蔽性能最好.

图7为铁丝网、铝箔防辐射胶带和防辐射布料等不同材料屏蔽测试箱体的电磁屏蔽效能随发射电磁波频率变化对比结果.结果表明，当干扰电磁波频率小于500 MHz时，铁丝网和防辐射布料屏蔽的屏蔽性能优于铝箔防辐射胶带；当干扰电磁波频率在500～1 000 MHz范围铝箔防辐射胶带和防辐射布料屏蔽性能优于铁丝网；干扰电磁波频率超过1 000 MHz时，铁丝网和铝箔防辐射胶带的电磁屏蔽性能优于防辐射布料.在不同干扰电磁波频率范围内，屏蔽材料材质对电磁干扰信号屏蔽性能的影响较大.

4 结论

本文采用实验方法，研究了天然气集输站场电控撬用典型屏蔽材料的电磁屏蔽性能，分析了电磁辐射距离、干扰电磁波频率对屏蔽效能的影响，结论如下：

1) 铁丝网、铝箔防辐射胶带和防辐射布料的电磁屏蔽效能，受干扰电磁波辐射距离的影响较小.

2) 三种材料的电磁屏蔽效能受干扰电磁波频率的影响较大，并随干扰电磁波频率增大总体呈先增大后减小的趋势；在高频率范围，铁丝网发射电磁屏蔽效能受电磁波频率影响较小，反之影响较大；防辐射布料和铝箔防辐射胶带的屏蔽性能，在干扰电磁波频率为500 MHz和1 000 MHz波段最佳.

3) 在不同干扰电磁波频率波段，铁丝网、铝箔防辐射胶带和防辐射布料的电磁屏蔽效果各不相同.在0～500 MHz波段，铁丝网和防辐射布料的屏蔽性能优于铝箔防辐射胶带；在500～1 000 MHz波段，铝箔防辐射胶带和防辐射布料屏蔽性能优于铁丝网；在1 000～2 500 MHz波段，铁丝网和铝箔防辐射胶带的电磁屏蔽性能优于防辐射布料.