论文部分内容阅读
【摘 要】本文重点研究了矩量法（MoM）在大尺度屏蔽体及HVDC阀厅屏蔽效能分析中的应用。通过建立大尺度空间屏蔽体模型分析了不同孔缝参数、不同孔洞参数、不同搭接参数、不同屏蔽材料对屏蔽体的屏蔽效能的影响，再通过与参考文献算例计算结果对比以及与实际模型测量试验对比两方面进行验证，验证了本文所采用方法的正确性。
【关键词】大尺度屏蔽 矩量法 屏蔽效能 HVDC阀厅
一、引言
高压直流输电工程的电磁兼容性设计已成为“十一五”期间国家电网重点项目工程，所以，在测量、试验、建模、计算等方面对HVDC换流站的电磁兼容性问题开展深入的研究具有重大意义。目前，我国在HVDC换流站的电磁兼容性研究工作才刚刚起步，虽然我国正在逐步实现高压直流输电工程国产化，但换流站的电磁兼容性设计还处于模仿国外设计阶段。尤其对HVDC换流站的电磁骚扰特性和阀厅的电磁骚扰外泄抑制措施方面我国还缺乏必要的研究和认识，这在很大程度上制约了我国高压直流输电工程国产化进展速度。
二、研究方法及内容
屏蔽是电磁干扰防护控制的最基本方法之一。电磁屏蔽的含义是使用某种导电或导磁材料制成的屏蔽体封闭需要屏蔽的区域，形成电磁隔离，使其内部的电磁场不能泄漏出去或外来的辐射电磁场不能进入这个区域。屏蔽体可以大如一个安装有整体金属材料的建筑物，小到柔软的电缆金属编织带，常见的屏蔽如仪器设备的金属外壳。
矩量法基本原理是把整个连续区域剖分为许多离散子域。在子域中，用带有未知系数的基函数来表示未知函数。因此，无限个自由度问题就被转化成了有限个自由度问题，采用伽略金等方法得到一矩阵方程，求解这一矩阵方程获得上述问题的解。
（一）不同参数对屏蔽效能影响
本文以一尺寸为10m×6m×10m的金属屏蔽体建立模型，材料为普通钢板，厚度为1mm，激励源采用平面波，场强大小为10V/m，平面波沿-Z方向传播，电场垂直于Y轴极化，分析屏蔽体中心电场屏蔽效能。
1.不同缝隙宽度对屏蔽效能影响。
通过仿真结果的对比我们可以得出以下结论：在100MHz整个频段内，当缝隙宽度为0.5mm和1mm时，屏蔽体中心点屏蔽效能基本一致，当缝隙宽度增大到 1cm，中心点屏蔽效能明显下降，电磁波通过宽缝隙耦合进入屏蔽体内部的场强增大，屏蔽效能降低。
2.不同参数孔洞结构对屏蔽效能影响
分别在两个模型+Z表面开4个半径0.5cm、16个半径0.25cm的圆孔，使其总面积相同，辐射源为平面波，幅值为10V/m，沿-Z方向入射，电场平行于Y轴极化。通过仿真结果的对比，我们可以得出以下结论：在100MHz整个频段内，在孔洞总面积相等情况下，除个别频点外，16孔阵屏蔽效能要好于4孔阵的屏蔽效能。
3.搭接结构对屏蔽效能影响
通过仿真计算结果的对比，屏蔽体采用搭接结构后，屏蔽体的屏蔽效能随着搭接长度的增大而升高。
为了验证本文计算程序的正确性，本文从数值计算方面进行了验证，建立与文献[3]相同模型应用矩量法进行计算。对比模型为一个30cm×30cm×12cm大小的屏蔽体（材料为良导体），激励源采用平面波，场强大小为10V/m，平面波入射方向为-X，极化方向平行于Z轴。频率范围0.1-1GHz。通过比较我们可以出，MoM法计算结果与参考文献结果基本吻合，证明了本文所采用算法的正确性。
（二）HVDC 阀厅屏蔽效能分析
1.穿墙套管建模及屏蔽效能分析
换流站内换流变压器、平波电抗器等设备部分结构须由墙壁穿入与阀厅内换流阀塔连接，从而在阀厅墙壁形成穿墙套管结构。为防止阀厅内电磁辐射通过这些孔洞结构外泄，必须在穿墙套管处进行封堵处理。根据计算结果得知，随着频率升高屏蔽效能逐渐降低，在1-10MHz整个频段内，采用单层封堵材料和双层封堵材料后穿墙套管处SE均满足40dB屏蔽要求。双层封堵材料屏蔽效果明显好于单层封堵材料屏蔽效果，两者相差约30dB左右。
2.搭接结构建模及屏蔽效能分析
根据计算结果得知，随着频率升高屏蔽效能逐渐增大，在1-4MHz频段内，搭接长度L=3cm时和L=5cm时屏蔽效能基本相同。随着频率升高，搭接长度L=3cm时屏蔽效能明显下降，频率10MHz时，已不满足40dB屏蔽要求；搭接长度L=5cm时，尤其是在大于5MHz频段屏蔽效能明显好于搭接长度L=3cm时的屏蔽效能，1-10MHz整个频段内都满足40dB屏蔽要求。
三、总结
通过建模对大尺度屏蔽体进行了计算仿真，分别计算了屏蔽体采用不用孔缝结构、孔洞结构、不同屏蔽材料及入射波不同极化方向时屏蔽效能的变化，并且分析了屏蔽体内部屏蔽效能分布情况。最后与其它文献数值计算方法和实验方法两方面对比，验证了计算程序的正确性。本章主要按实际的HVDC阀厅建筑参数，根据工程图，利用基于矩量法的FEKO对阀厅建模，计算了一定频段内穿墙套管、墙壁搭接、阀厅门三处电场强度，分析了上述三处屏蔽结构的屏蔽效能。由计算结果可以得到，如不进行封堵等工艺处理，此三处屏蔽结构存在电磁泄漏，场强明显大于其它阀厅其它处。在穿墙套管和门缝处进行封堵处理后，屏蔽效能能够达到40dB屏蔽要求 。
参考文献：
[1]马卫民，聂定珍.高压直流换流阀厅屏蔽效能的研究[J].高电压术.2008，11（34）：2400-2407
[2]周开基，赵刚.电磁兼容性原理[M]，黑龙江：哈尔滨工程大学出版社，2003
[3]M.P.Robinson，Trevor M.Benson，Christos Christopoulos，et al.Analytical
Formulation for the Shielding Effectiveness of Enclosures with Apertures [J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1998，40（3）：240-248
[4]N.Hylten-Cavallius，E.Olsson.Radio Noise from High Voltage Direct Current Systems[J]..Gas Discharges and the Electric Supply Industry，1962：295-306
【关键词】大尺度屏蔽 矩量法 屏蔽效能 HVDC阀厅
一、引言
高压直流输电工程的电磁兼容性设计已成为“十一五”期间国家电网重点项目工程，所以，在测量、试验、建模、计算等方面对HVDC换流站的电磁兼容性问题开展深入的研究具有重大意义。目前，我国在HVDC换流站的电磁兼容性研究工作才刚刚起步，虽然我国正在逐步实现高压直流输电工程国产化，但换流站的电磁兼容性设计还处于模仿国外设计阶段。尤其对HVDC换流站的电磁骚扰特性和阀厅的电磁骚扰外泄抑制措施方面我国还缺乏必要的研究和认识，这在很大程度上制约了我国高压直流输电工程国产化进展速度。
二、研究方法及内容
屏蔽是电磁干扰防护控制的最基本方法之一。电磁屏蔽的含义是使用某种导电或导磁材料制成的屏蔽体封闭需要屏蔽的区域，形成电磁隔离，使其内部的电磁场不能泄漏出去或外来的辐射电磁场不能进入这个区域。屏蔽体可以大如一个安装有整体金属材料的建筑物，小到柔软的电缆金属编织带，常见的屏蔽如仪器设备的金属外壳。
矩量法基本原理是把整个连续区域剖分为许多离散子域。在子域中，用带有未知系数的基函数来表示未知函数。因此，无限个自由度问题就被转化成了有限个自由度问题，采用伽略金等方法得到一矩阵方程，求解这一矩阵方程获得上述问题的解。
（一）不同参数对屏蔽效能影响
本文以一尺寸为10m×6m×10m的金属屏蔽体建立模型，材料为普通钢板，厚度为1mm，激励源采用平面波，场强大小为10V/m，平面波沿-Z方向传播，电场垂直于Y轴极化，分析屏蔽体中心电场屏蔽效能。
1.不同缝隙宽度对屏蔽效能影响。
通过仿真结果的对比我们可以得出以下结论：在100MHz整个频段内，当缝隙宽度为0.5mm和1mm时，屏蔽体中心点屏蔽效能基本一致，当缝隙宽度增大到 1cm，中心点屏蔽效能明显下降，电磁波通过宽缝隙耦合进入屏蔽体内部的场强增大，屏蔽效能降低。
2.不同参数孔洞结构对屏蔽效能影响
分别在两个模型+Z表面开4个半径0.5cm、16个半径0.25cm的圆孔，使其总面积相同，辐射源为平面波，幅值为10V/m，沿-Z方向入射，电场平行于Y轴极化。通过仿真结果的对比，我们可以得出以下结论：在100MHz整个频段内，在孔洞总面积相等情况下，除个别频点外，16孔阵屏蔽效能要好于4孔阵的屏蔽效能。
3.搭接结构对屏蔽效能影响
通过仿真计算结果的对比，屏蔽体采用搭接结构后，屏蔽体的屏蔽效能随着搭接长度的增大而升高。
为了验证本文计算程序的正确性，本文从数值计算方面进行了验证，建立与文献[3]相同模型应用矩量法进行计算。对比模型为一个30cm×30cm×12cm大小的屏蔽体（材料为良导体），激励源采用平面波，场强大小为10V/m，平面波入射方向为-X，极化方向平行于Z轴。频率范围0.1-1GHz。通过比较我们可以出，MoM法计算结果与参考文献结果基本吻合，证明了本文所采用算法的正确性。
（二）HVDC 阀厅屏蔽效能分析
1.穿墙套管建模及屏蔽效能分析
换流站内换流变压器、平波电抗器等设备部分结构须由墙壁穿入与阀厅内换流阀塔连接，从而在阀厅墙壁形成穿墙套管结构。为防止阀厅内电磁辐射通过这些孔洞结构外泄，必须在穿墙套管处进行封堵处理。根据计算结果得知，随着频率升高屏蔽效能逐渐降低，在1-10MHz整个频段内，采用单层封堵材料和双层封堵材料后穿墙套管处SE均满足40dB屏蔽要求。双层封堵材料屏蔽效果明显好于单层封堵材料屏蔽效果，两者相差约30dB左右。
2.搭接结构建模及屏蔽效能分析
根据计算结果得知，随着频率升高屏蔽效能逐渐增大，在1-4MHz频段内，搭接长度L=3cm时和L=5cm时屏蔽效能基本相同。随着频率升高，搭接长度L=3cm时屏蔽效能明显下降，频率10MHz时，已不满足40dB屏蔽要求；搭接长度L=5cm时，尤其是在大于5MHz频段屏蔽效能明显好于搭接长度L=3cm时的屏蔽效能，1-10MHz整个频段内都满足40dB屏蔽要求。
三、总结
通过建模对大尺度屏蔽体进行了计算仿真，分别计算了屏蔽体采用不用孔缝结构、孔洞结构、不同屏蔽材料及入射波不同极化方向时屏蔽效能的变化，并且分析了屏蔽体内部屏蔽效能分布情况。最后与其它文献数值计算方法和实验方法两方面对比，验证了计算程序的正确性。本章主要按实际的HVDC阀厅建筑参数，根据工程图，利用基于矩量法的FEKO对阀厅建模，计算了一定频段内穿墙套管、墙壁搭接、阀厅门三处电场强度，分析了上述三处屏蔽结构的屏蔽效能。由计算结果可以得到，如不进行封堵等工艺处理，此三处屏蔽结构存在电磁泄漏，场强明显大于其它阀厅其它处。在穿墙套管和门缝处进行封堵处理后，屏蔽效能能够达到40dB屏蔽要求 。
参考文献：
[1]马卫民，聂定珍.高压直流换流阀厅屏蔽效能的研究[J].高电压术.2008，11（34）：2400-2407
[2]周开基，赵刚.电磁兼容性原理[M]，黑龙江：哈尔滨工程大学出版社，2003
[3]M.P.Robinson，Trevor M.Benson，Christos Christopoulos，et al.Analytical
Formulation for the Shielding Effectiveness of Enclosures with Apertures [J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1998，40（3）：240-248
[4]N.Hylten-Cavallius，E.Olsson.Radio Noise from High Voltage Direct Current Systems[J]..Gas Discharges and the Electric Supply Industry，1962：295-306