一種高壓輸電線路密閉金屬空間電磁防護裝置設計

摘要：對3種不同敷設環境下的高壓電纜工頻電磁場影響進行了模擬仿真分析，掌握了密閉金屬空間內的高壓電纜工頻電磁場狀態，并據此設計了一種由雙層屏蔽材料組成的工頻電磁場防護裝置，從傳輸途徑方面有效遏制了電磁場在密閉金屬空間內的過度輻射，可降低高壓輸電線纜所產生電磁輻射對人員安全的影響，并為敏感設備、系統提供了良好的電磁環境。

關鍵詞：密閉金屬空間;工頻電磁場;電磁屏蔽;防護裝置

0 引言

隨著通信、電子、電力等技術的高速發展，相關設備的靈敏度越來越高，電磁輻射干擾現象也越來越受到人們的重視。在有限且密閉的空間中，受周圍金屬結構影響，高壓輸電電纜等的電磁輻射干擾現象尤為明顯。電磁屏蔽作為有效解決電磁輻射干擾或傳導干擾問題的重要手段之一得到了廣泛應用。為了有效保證密閉金屬空間內的電磁兼容性，本文對密閉金屬空間內的工頻電磁場狀態進行仿真分析，設計了一種由雙層屏蔽材料組成的工頻電磁場防護裝置，從傳輸途徑方面有效地遏制了電磁場在密閉金屬空間內的過度輻射。

1 密閉金屬空間工頻電磁場

高壓輸電線路產生的電磁輻射效應主要為工頻電磁場，即輸電線路產生的50 Hz的電磁輻射。目前關于高電壓輸電線路電磁輻射的相關規定包括：《電磁環境控制限值》（GB 8702—2014），其規定在電場、磁場、電磁場所致的公眾曝露環境中，電場強度控制限值為4 kV/m，磁場強度控制限值為0.08 A/m;電力行業標準《電業安全工作規程（發電廠和變電所電氣部分）》（DL 408—1991）等相關標準規定，35 kV高壓設備應保證的安全距離為1.0 m。然而，需要注意的是，上述規定都是根據陸上發電廠及輸電線路的狀態。在封閉環境下，受周圍金屬結構的影響，35 kV輸電線路的工頻電磁場狀態會呈現出不同的特性。為此，本文使用電磁仿真軟件CST建立了一套電磁分析對比模型，分別對架空電纜、金屬板上方電纜及金屬通道內部電纜這3種不同環境下的高壓輸電線路（以35 kV的800 mm單線為例）的工頻電磁場影響進行了模擬仿真計算，計算結果如圖1所示。

根據模型對比分析結果可知，在密閉金屬通道內，其電磁環境比開闊的架空電纜的電磁輻射量級要大數十倍甚至數百倍。因此，國家標準中的電磁輻射限值雖然不足以約束此種條件下的電磁輻射問題，但是電力行業遵照國家標準的電磁防護要求，將電磁輻射量級控制在安全范圍之內，仍是電磁兼容設計及控制的目標。

2 工頻電磁場防護裝置

2.1? ? 工頻電磁場防護裝置設計

電磁干擾的三要素為電磁干擾源、干擾途徑、受擾設備，控制三者中的任何一個都可以解決電磁干擾問題。基于對電磁兼容核心問題的分析，控制工頻電磁場的傳播途徑是避免電磁干擾及實現電磁兼容控制的有效途徑之一。即在密閉金屬空間總體層面增加電磁干擾抑制手段，一方面控制了電磁干擾信號的無序傳播，另一方面為敏感設備和系統提供較好的電磁環境。

為了全面保障密閉金屬空間內的電磁兼容安全性和可靠性，我們針對高壓電纜井采取有針對性的工頻電磁場屏蔽措施，從傳輸途徑方面遏制了電磁場在密閉金屬空間內的過度輻射。

工頻電磁場專用防護裝置采用雙層屏蔽材料復合而成。根據電磁兼容的工程經驗以及對電磁屏蔽材料性能的測試結果發現，對于強磁場屏蔽，難以使用一種單一的電磁屏蔽材料，既能提供足夠的電磁屏蔽效能，又不至于發生電磁飽和問題，即一層屏蔽材料的性能往往不夠理想，不能兼顧電磁屏蔽效能和電磁飽和問題。因此，針對高壓電纜井的電磁屏蔽問題，我們采用了雙層屏蔽材料復合的方式。雙層電磁屏蔽材料布置方式與電磁輻射源的相對位置示意圖如圖2所示。

雙層電磁屏蔽技術的原理是先用飽和度較高、磁導率和電導率相對較低的材料，靠近電磁場發射源布置，將電磁場衰減到一定程度，然后再用磁導率和電導率相對較高、飽和度相對較低的材料將剩余電磁場進一步衰減到可接受范圍。

基于此雙層屏蔽技術原理，工頻電磁場專用防護裝置使用電磁飽和度達800 A/m的合金材料作為最內層電磁場屏蔽合金材料（靠近電磁場源側布置），以達到抗強電磁輻射的作用;使用相對磁導率達15 000 H/m，起始磁導率達8 000 H/m的高磁導率合金材料，作為最外層屏蔽材料，通過其高導磁能力，有效衰減剩余低頻電磁場。

2.2? ? 硬件組成及安裝

工頻電磁場專用防護裝置采用雙層屏蔽結構，分為框架、內屏蔽層、外屏蔽層三部分，如圖3所示。

框架包括內層框架和外層框架兩部分，由面板、側板和外層框組成，材料為50 mm厚的絕緣尼龍板，主要作用為支撐和隔離屏蔽層及電纜。內層框架中間放置電纜，面板直徑可根據電纜直徑大小及電纜數量進行調整。內、外層框架間的縫隙用于安裝內屏蔽層。

內屏蔽層是將較高電磁飽和度的硅鋼基材復合材料外包在內層框架的尼龍板上，考慮到加工難度，將硅鋼片分成3段，相鄰硅鋼片之間采用鉚釘連接固定。

外屏蔽層是將較高磁導率的硅鋼基材復合材料外包在外層框架上，分為圍板和底板兩部分，同樣將圍板分成3段，相鄰圍板之間采用鉚釘連接固定。另外，在硅鋼片和外層框架之間貼上2層0.55 mm的浸橡膠絲網屏（浸橡膠絲網屏是由浸沒了氯丁橡膠或硅橡膠的鋁絲網屏制成，主要起到EMI屏蔽和環境密封作用）。

在實際的EMI屏蔽中，電磁屏蔽效能很大程度上取決于裝置的物理結構，即導電的連續性，裝置上的接縫和開口都是電磁波的泄漏源。本裝置的相鄰硅鋼片采用鉚釘連接，連接處存在接縫，接縫面積不大，但其線度尺寸（縫長）卻很長，采用導電襯墊等特殊屏蔽材料可以有效抑制電磁泄漏。因此，在相鄰硅鋼片交疊處夾一層環境密封絲網組合襯墊（環境密封絲網組合襯墊由金屬絲網和橡膠編制結合而成，可同時起到電磁密封和環境密封作用）進行密封。

3 結語

本文通過仿真分析，掌握了密閉金屬空間內工頻電磁場輻射情況，并設計了一種使用雙層屏蔽材料制成的工頻電磁場防護裝置，從傳輸途徑方面遏制了電磁場在密閉金屬空間內的過度輻射，使高壓輸電線路產生的電磁輻射效應對人員安全的影響降至國家相關標準范圍內，并為敏感設備或系統提供了良好的電磁環境，對電磁兼容控制提供了有效幫助。

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收稿日期：2020-06-22

作者簡介：沈濤（1985—），男，湖北武漢人，工程師，主要從事輸電線路研究工作。