低壓大電流整流電源電磁干擾分析及主動屏蔽技術(shù)

韓群霞

（中國核動力研究設(shè)計院中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點實驗室，成都,610041)

1 磁場分析

在測試模型中，整流柜內(nèi)的匯流支母排和匯流總母排可以簡化為有大電流通過的長直導(dǎo)線，匯流支母排和匯流總母排之間的“L”型連接母排可以簡化為兩段電流順向、首尾連接、相互垂直的直導(dǎo)線進行分析。單個整流元件通電電流遠遠小于匯流母排電流，且緊貼匯流支母排布置，分布的空間小，所以在磁場分析中產(chǎn)生的影響非常小，忽略不計。

圖1. 長直導(dǎo)線的磁感應(yīng)強度Fig.1 Magnetic induction intensity of long and straight wire

如圖1 所示從M點至N 點為一根長直導(dǎo)線的通電長度，磁感應(yīng)強度的方向遵從右手定則，在本圖中為穿入紙面的方向，根據(jù)畢奧薩定律可推算出長直導(dǎo)體在導(dǎo)體附近P 點的磁感應(yīng)強度計算公式：

式中μ0為真空磁導(dǎo)率，其值為4π×10-7N·A-2；r0為P 點至長直導(dǎo)線的垂直距離，單位為米；I 為通電電流的大小，單位為安培；

由上式可知，通電電流I 增大、導(dǎo)線MN 長度加長、距離導(dǎo)線的垂直距離r0減短都是使磁感應(yīng)強度增大的必要條件。匯流總母排在整流柜內(nèi)電流最大、長度最長且柜體從上到下距離匯流總母排的垂直距離逐漸加長，匯流總母排位于整流柜上方，因此根據(jù)公式（1）可以推斷出：匯流總母排產(chǎn)生的磁場強度對整流柜外側(cè)空間的影響最大，該影響從上到下有逐漸減弱的趨勢。

整流柜匯流支母排在水平方向的導(dǎo)電單元分布可簡化為圖2 進行分析，其中“⊙”代表匯流支母排的正極，電流穿入紙面流過，“”代表匯流支母排的負極，電流穿出紙面流過。

圖2 匯流支母排導(dǎo)電單元分布圖Fig.4 The conducting unit distribution of convergence branch busbar

圖2 中1a+和1a-導(dǎo)體長度相等、通過的電流大小相等方向相反，首尾對齊且平行，至柜體中心線P 點的距離接近，根據(jù)公式（1）和右手安培定則可知1a+和1a-在P 點的磁感應(yīng)強度B1a+、B1a-絕對值接近，矢量方向大致相反，矢量集成呈抵消狀態(tài)，兩導(dǎo)體相隔的距離越近，抵消的效果越明顯；1b+和1b-在P 點的磁感應(yīng)強度也遵從該規(guī)律。1a+和1a-在P 點沒有完全抵消的磁感應(yīng)強度Ba0與1b 和1b’ 在P 點沒有完全抵消的磁感應(yīng)強度Bb0在P 點的方向仍然呈相反方向分布，因此還可以進行二次抵消，對稱度越好則磁感應(yīng)強度二次抵消的效果越明顯。將1a+、1a-和1b+、1b-視為一組，將2a+、2a-和2b+、2b 視為一組，以此類推。當(dāng)P 點在柜體中軸線上時，三組通電導(dǎo)體全部對稱布置，在P 點的磁感應(yīng)強度二次抵消效果都非常明顯。然而，隨著P點往整流柜中軸線兩邊的偏移，每組導(dǎo)線在P 點的磁感應(yīng)強度二次抵消效果將逐漸減弱，從而導(dǎo)致P 點磁感應(yīng)強度的矢量集成值逐漸增大。由此可見匯流支母排使整流柜的磁感應(yīng)強度從中間往兩邊有逐漸加強的趨勢。

如圖3 所示，“L”型連接母排中的1 段和2 段電流順向，利用右手定則，兩段導(dǎo)體在Q 點的磁感應(yīng)強度B1、B2的方向相同，因此矢量集成的效果為疊加而非抵消關(guān)系，因此在電流相同、長度相等的情況下，“L”型連接母排在垂直距離相同的點上產(chǎn)生的感應(yīng)強度遠大于單根直導(dǎo)體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度。所有的“L”型連接母排均位于整流柜上方，且在水平方向的分布規(guī)律與圖2 中的匯流支母排相似，因此，“L”型連接母排之間相互平行的部分也遵從圖2 中導(dǎo)體之間的磁場抵消原則，即位于邊沿的電磁感應(yīng)強度抵消效果差。

圖3.“L”型導(dǎo)線磁感應(yīng)強度Fig.3 Magnetic induction intensity of “L” shaped wire

2 測試結(jié)果和主動屏蔽措施

2.1 測試結(jié)果

在電流15kA 時在距離整流柜柜體正面0.5 米的位置進行磁場測試，測試點在垂直方向上分為上、中、下三層，每層分左、左中、中、右中、右5 個位置，共計15 個測點，柜體正面各個部位的測試結(jié)果見表1。對柜體頂部4 個拐角處的磁場強度進行測試，測試結(jié)果分別為6.5GS、6.3GS、6.8GS、6.6GS。水平方向垂直方向。

表1.柜體正面磁場測試記錄Table 1. Magnetic field test records of front cabinet

測試結(jié)果表明磁場測試結(jié)果與本文第3 項中磁場分析的結(jié)果相吻合：①匯流支母排在不同方位時磁感應(yīng)強度的抵消程度不同，使整流柜正面的磁場從中心往兩側(cè)逐漸增強；②受匯流總母排位置的影響，柜體從上到下的磁場逐漸減弱；③構(gòu)成“L”型連接母排的兩段直導(dǎo)線的磁場為疊加狀態(tài)，且靠近邊界四個頂角的磁場幾乎不能與其他“L”型連接母排的磁場進行抵消，從而使整流柜頂部角落的磁場強度最大。

2.2 主動屏蔽措施

根據(jù)分析和推論 “兩導(dǎo)體長度相等、通過的電流大小相等方向相反、首尾對齊且平行時兩導(dǎo)體相隔的距離越近，抵消的效果越明顯”可知：

①在整流柜的匯流支母排的布置中，正級和負極母排成對平行布置且盡可能靠近布置是減小整流柜內(nèi)磁場的有效措施之一。在低壓大電流的整流柜布置中匯流總母排何匯流支母排通過的電流大，但電壓低對安全距離要求不高，正負極匯流母排間的間距可以進一步縮小，因此該方法對減小低壓大電流整流柜產(chǎn)生的電磁感應(yīng)強度尤為有效。

②根據(jù)柜內(nèi)導(dǎo)電體的分布情況和通過電流大小對磁感應(yīng)強度進行估算，選用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)率材料和相應(yīng)厚度的屏蔽體進行電磁屏蔽，對干擾磁場進行分路，是實現(xiàn)主動屏蔽的有效措施。

③利用高導(dǎo)磁率的鐵磁材料，如鐵、硅鋼片、坡莫合金等對靠近匯流總母排及靠近匯流總母排的柜體角落進行加強屏蔽處理也是實現(xiàn)主動屏蔽的有效措施。

3 結(jié)束語

在低壓大電流整流電源的應(yīng)用中整流柜為較強的干擾源，整流電源應(yīng)用中常用的被動屏蔽具有抗干擾處理難度大、使測量和控制模塊成本增加、手段單一難以達到滿意的效果，整流電源的電磁屏蔽的研究主要局限于被動防護等原因，將主動屏蔽和被動屏蔽相結(jié)合抑制整流柜對外界的電磁干擾、主動實現(xiàn)電磁輻射防護意義重大。

[1] 袁敏.電磁屏蔽技術(shù)研究.電子機械工程，1998/06.

[2] 席俊國，崔杜武，王若峻.電化學(xué)整流電源電磁兼容分析與設(shè)計.電工電能新技術(shù)，2001/04.

[3] 余暉，張瑜倩，潘瑞.固態(tài)發(fā)射機雙脈沖觸發(fā)整流電源電磁兼容設(shè)計.艦船電子工程，2013/07.

[4] 葉齊政，孫敏.電磁場.華中科技大學(xué)出版社，2012.

[5] 徐福平，馮晨，王以倫，鄧寶林.電磁屏蔽技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計.應(yīng)用科技，2005/01.