特高压直流换流站阀厅内部检修大厅磁场屏蔽分析与设计

朱弘钊，刘绍帅，2

(1.华北电力大学高电压及电磁兼容北京市重点实验室，北京市 102206;2.华北电力大学数理实验室，北京市 102206)

0 引言

目前对±800kV特高压直流换流站电磁干扰环境的研究较多，但输电线路对换流站阀厅内的检修大厅磁场干扰方面的研究较少。换流站阀厅内部输电线路工频电流较大，且线路较多，容易对阀厅检修大厅内的人体、设备及通信系统产生较强的磁场辐射［1］，因此在检修大厅建设之前需要对磁场进行计算并设计磁场屏蔽措施［2-5］。本文以糯扎渡直流工程普洱±800kV特高压换流站检修大厅磁场屏蔽工程为实例，推导出磁场计算一般性公式，并设计出较为合理、经济的屏蔽措施。

1 检修大厅及输电线路模型

普洱换流站阀厅内部检修大厅及输电线路模型如图1所示。按照设计要求，输电线路电流水平为1000 A，因此，可算出检修大厅磁场强度，并判断是否超出设计限值。建立三维坐标系，以检修大厅左下角地面标高处为坐标原点(0，0，0)。经图纸实测，检修大厅尺寸为:x方向长41.8 m，y方向长73.4 m，z方向高为26 m。

根据文献［6］，磁场强度计算公式为

式中:I为导线上的导流;μ0为真空磁导率。

结合式(1)，只要给出长直输电导线两端点空间坐标以及被测点空间坐标，即可推导出长直导线在导线外任意一点的磁感应强度公式(2)。如图2所示，长度L、线电流i的导线在P点位置磁感应强度公式为

2 计算结果

根据式(2)，需将输电线路按直线分段，测量出每段直线两边端点的坐标、被测点P点坐标和电流i的值，即可计算出P点的磁感应强度。由设计图纸查询出所需坐标值，电流取设计最大值1000 A，用matlab编程计算出结果。以实际的检修大厅仪器设备位置和人体位置做参考，取大厅被测点P标高h1=0.5 m、h2=1.0 m、h3=1.5 m 3个水平标高以对比计算磁感应强度。

经计算得出，在h1=0.5 m、h2=1.0 m、h3=1.5 m 3个水平标高上磁感应强度等值线图，如图3～5所示。由图3～5可知，每个水平面上磁感应强度最大值都出现在大厅南侧墙体上，且越接近南侧墙体，等值线越密集，磁感应强度增值速度越快。应工程要求，需找出整个检修大厅内部磁感应强度最大值及其存在的部位。对比得出在大厅高度h=8.0 m时，磁感应强度出现最大值 Bmax=110.98 μT(见图6)。

图6 h=8.0 m大厅磁感应强度(μT)等值线图(磁感应强度最大值Bmax=110.98 μT)Fig.6 Isograms of magnetic field intensity at h=8.0 m(Bmax=110.98 μT)

3 屏蔽方案

经过计算模拟分析，检修大厅的磁场强度超过相关设计规范的限值(80 μT)［7］。因此，需要对检修大厅采取电磁屏蔽措施。采用对大厅的侧面墙体安装金属板、大厅地面安装金属网的方法来屏蔽磁场干扰;还需计算金属板、网的尺寸和材质对屏蔽效能的影响，以便根据屏蔽要求选取合适的屏蔽方案。

3.1 金属板屏蔽效能计算

金属板对磁场的屏蔽效能主要分为3部分:反射损耗、吸收损耗和多次反射损耗［6，8-9］。公式为

根据阀厅内作为场源的线路及检修大厅墙体位置，取r=3 m、r=5 m做参考，并选择金属板为钢和铝2种材质进行比较(见图7)。

图7 金属板屏蔽效能曲线Fig.7 Shielding effectiveness curves of metal plate

选取铝质金属板时，屏蔽效能随屏蔽体厚度增加变化幅度较小，但在屏蔽体厚度为2～8 mm时，屏蔽效果较好，为30～45 dB，高于此厚度的金属钢板的屏蔽效果;但在厚度大于8 mm时，屏蔽效果增加较少，并小于同厚度的金属钢板的屏蔽效果。根据设计要求屏蔽效能取40 dB，考虑其实际施工成本，选取厚度为5 mm的铝质金属板。

3.2 金属网屏蔽效能计算

对于大厅地面加金属网屏蔽［6，8-9］，金属网屏蔽效能SH可用式(4)计算。

式中:Z0为真空波阻抗;a为网孔正方形的边长;d为组成金属网的网线的直径;σ为金属网的电导率;Zs为近似网孔阻抗。

取d=3、5、7、9 mm 4种网线直径，计算磁场屏蔽效果随网孔边长变化曲线，如图8所示。

图8 金属网屏蔽效能曲线Fig.8 Shielding effectiveness curves of metal mesh

由图8可以看出，当金属网线直径不变时，金属网屏蔽效能随网孔尺寸的增大而减小，而当网孔尺寸不变时，金属网线直径越大，屏蔽效能越好。考虑实际施工成本，选取直径d=5 mm、网孔尺寸a=20 mm金属网做大厅地面屏蔽。

3.3 HFSS软件模拟计算

利用软件Ansoft HFSS［10］建立检修大厅模型，如图9所示。

图9 HFSS软件模拟检修大厅模型Fig.9 Model of maintenance hall simulated by HFSS software

大厅侧壁用厚5 mm铝质板，地面采用直径5 mm、网孔尺寸20 mm×20 mm铜质网。磁场入射波沿z轴正方向入射，并取坐标(20 m，0.01 m，8 m)处做磁场屏蔽效能参考点。经HFSS软件计算，参考点屏蔽效能为48.483 dB，与理论计算结果较为一致，且满足屏蔽设计要求。

4 结论

目前国内换流站阀厅的屏蔽效能基本按照40 dB来设计，在检修大厅侧壁采用厚5 mm铝质金属板较好;大厅地面采用铜质金属网，网线直径取5 mm，网孔边长取20 mm，此时屏蔽效能约大于40 dB。在实际应用中，墙体采用双层板屏蔽，屏蔽效能会更好，但施工成本也会相应增加。本文通过理论计算和HFSS软件模拟结合的方式，分析了阀厅内部检修大厅磁场屏蔽效能的计算方法，其结论为检修大厅的屏蔽提供了一种最为经济适用的方案，对阀厅磁场屏蔽设计及施工具有指导意义。

［1］崔翔.2002年国际大电网会议系列报道:电力系统电磁兼容研究进展［J］.电力系统自动化，2003，27(4):1-5.

［2］赵婉君.高压直流输电工程技术［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［3］DL/T 5223—2005高压直流换流站设计技术规定［S］.北京:中国电力出版社，2005.

［4］Q/DG 1-A103—2008±800kV高压直流换流站设计技术导则［S］.北京:中国电力工程顾问集团公司，2008.

［5］张先伟，钟伟华.±800kV特高压换流站阀厅及控制楼电磁屏蔽［J］.电力建设，2012，33(2):36-39.

［6］冯慈章，马西奎.工程电磁场导论［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［7］DL/T 275—2012±800kV特高压直流换流站电磁环境限值［S］.

［8］王泽忠.工程电磁场［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［9］Jackson J D.1975 Classical Electrodynamics［M］.2nded.New York:Wiley interscience.

［10］Ansoft.HFSS 10.0 ［EB/OL］:http//www.ansoft.com/product/hf/hfss/.