基于FEKO建模的变电站电磁干扰研究

洪雯，关志杰，于宁

（1.武汉大学 电气工程学院，武汉430072；2.哈尔滨电工仪表研究所，哈尔滨150028；3.国网大连供电公司，辽宁大连116021）

0 引 言

近年来，变电站系统自动化正成为一种不可改变的趋势，其监控和通信系统的重要性日益凸显。变电站现有测控系统多采用有线通信方式，但是，有线通信的弊端是显而易见的，例如传输线铺设复杂、不易检修和维护，长距离传输线易受电磁干扰的影响等等。而无线通信［1-3］则具有运行可靠、安装灵活、成本低廉等优点，尤其是在需要实时监控变电站信息的情况下，无线通信更是具有极大的优势。无线传感器的性能好坏直接影响着信息的传输效率和站内各种设备的正常运行，然而在变电站内，因为电线、手机、变压器、杆塔等物体的存在，会对无线通信造成电磁干扰，对无线通信的有效性产生一定的影响。电磁干扰［4］是指某些电磁现象引起的设备、传输通道或系统性能的下降。大量的理论和实验研究表明形成电磁干扰必须同时具备以下三个要素：干扰源、耦合途径和敏感设备。只有同时具备上述三个因素才可能发生电磁干扰，所以把这三个因素称为电磁干扰三要素。电磁干扰源可以分为自然电磁干扰源和人为电磁干扰源。自然电磁干扰源主要来自于大气层的噪声，人为电磁干扰源是伴随电气与电子设备工作时产生的电磁干扰。一般来说人为电磁干扰源比自然电磁干扰源发射的干扰强度更大，造成影响更严重。

1 仿真软件FEKO及主要模型

FEKO是一款功能强大的三维全波电磁场高频计算软件［5］，其主要算法是矩量法（MOM）、物理光学法（PO）、一致性几何绕射理论（UTD）、快速多极子求解法（MLFMM）等。本文所用模型是以电偶极子作为干扰源［6-8］，以下分析电偶极子的电磁场辐射模型。电偶极子为一段载有高频电流且带有等值异号电荷的短导线，其直径为d，长度为L，波长为λ。因为此短导线长度足够小，所以电流的振幅和相位分布可近似认为是均匀的。

1.1 几何建模

设置电偶极子：在坐标原点沿z轴方向设置一段长为λ/2的导线；在导线中点设置一端口作为电压源；设置频率为2.4 GHz，电压10 V，得到其几何模型图1所示。

图1 点偶极子模型Fig.1 Electric dipole model

运行软件后在POSTFEKO中查看仿真结果，如图2所示。其中最中心部分场强最强，最外侧部分场强最弱，黑色的等势线表明了不同的等势面位置。

图2展示了平行于xoz平面且y=0的平面上的电场强度。可见电场在电偶极子中心部分最强，且沿着垂直于z轴的方向向外辐射，等势线较稀疏，场强变化相对较小；而沿着z轴方向即导线方向的场强较弱，等势线密集，场强变化相对较大。整个电场被z轴分成了左右两个“瓣”。

图2 电偶极子在xoy平面的场强图Fig.2 Field strength figure of electric dipole in xoy flat

1.2 变压器模型的仿真

变电站内的大型变压器体型巨大，结构复杂。从外观上看，一台变压器既包括箱体、底座、散热片、油枕等主体结构［9-10］。对这样大型复杂的设备构建几何模型是比较困难的，模型太复杂也会使FEKO在解算时占用过多的计算资源，耗费大量的时间，因此有必要对模型进行简化。最终建立的经简化的变压器模型如图3所示。

图3 简化后的变压器模型Fig.3 Simplified transformer model

变压器长6.6 m，宽4 m，高4 m，表面材料为良导体，包括了底座，散热片，箱体，顶部这些主要结构，整个几何体具备变压器的轮廓，是一台完整变压器的近似模型，可用于仿真分析。以一电偶极子作为干扰源，在xoy平面的位置如图4所示，高度为1 m，电压10 V，频率2.4 GHz。仿真结果如图4所示。

图4 xoy平面的场强分布图Fig.4 Field strength distribution figure in xoy plat

图4展示了电场强度分布。可见位于右下方的干扰源附近电场强度最强，并以此区域为中心向周围扩散出去。随着距离的增加，场强逐渐减小，右上方和左下方区域场强变化明显。而在放置了变压器的一面由于有变压器的阻挡，微波无法通过，因此变压器的左侧和上方场强几乎为零。

仿真的结果显示，由于变压器的存在，微波的辐射受到了很大地限制，导致了电场分布的不均匀。变压器的一侧辐射强度很高，这部分的设备将会受到不同程度的辐射干扰；而另一侧则几乎接收不到辐射，这一部分的设备将不会受到辐射干扰。

2 变压器模型的仿真

2.1 几何建模

在图4所示的变压器模型周围增加墙体和地面，另外在距离变压器大于10m的地方设置一个圆柱形的电容器和一间保护室，建立一个简化的变电站模型。墙长25 m，高2 m，厚0.5 m，两面墙间距离12.5 m，墙体介质为砖块。变电站模型如图5所示。

图5 变电站模型Fig.5 Transformer substation model

2.2 仿真结果

在变压器背对保护室一侧设置干扰源，高度设置为1 m，电压10 V，频率2.4 GHz。

（1）将干扰源置于变压器背对保护室一侧，图中最左侧的红点即为干扰源，仿真的结果如图6～图9所示。

图6 高度为0.5 m的场强Fig.6 Field strength of 0.5-meter-high

图7 高度为1 m的场强Fig.7 Field strength of 1-meter-high

图8 高度为1.5 m的场强Fig.8 Field strength of 1.5-meter-high

图9 高度为2 m的场强Fig.9 Field strength of 2-meter-high

图6至图9展示了变电站内干扰源位于变压器背对保护室一侧的情况，不同高度的电场分布情况基本相同。干扰源附近的电场强度最强，在图中为绿色和黄色。变压器挡住了大部分的辐射，使保护室和电容器附近的场强降到比较低的程度，但是辐射并未完全消失。此外，变压器和变电室之间的广阔区域，电场扩散开来，形成了“涟漪”形状的波纹，这些“波纹”围绕着保护室和电容器，说明在变压器的遮挡下仍有较弱的电磁干扰发生。

（2）改变干扰源的位置，使之处于变压器与保护室之间，其他条件不变，仿真结果如图10～图13所示。

图10 高度为0.5 m的场强（改变位置后）Fig.10 Field strength of 0.5-meter-high（after changing the position）

图11 高度为1 m的场强（改变位置后）Fig.11 Field strength of 1-meter-high（after changing the position）

图12 高度为1.5 m的场强（改变位置后）Fig.12 Field strength of 1.5-meter-high（after changing the position）

图13 高度为2 m的场强（改变位置后）Fig.13 Field strength of 2-meter-high（after changing the position）

图10～图13显示，当干扰源位于保护室和变压器之间时，保护室和电容器周围的电场强度较高，明显高于扰源置于变压器背对保护室一侧时的情况，电磁干扰十分严重。由于墙体、地面和变压器本身对辐射的反射等作用，整个变电站内都受到了一定程度的干扰。从图上可以看到，各个区域电场强度分布均匀，没有明显的死角，且大部分区域的电场强度在4 V/m～8 V/m的区间内。此外，随着所取截面高度的增加，场强也逐渐减弱。

3 结束语

使用FEKO软件，将一段小导线构成的电偶极子作为干扰源，在一台简化的变压器模型附近设置干扰源后，分析变压器附近的场强情况，再对经简化的变电站模型内不同位置设置干扰源的情况进行了仿真，得到干扰源在不同高度的水平面上产生的电场的分布图像，由此分析干扰源对变电站的电磁干扰情况。

仿真显示，电偶极子在自由空间中向四周围辐射电磁场。在垂直于短导线的方向上电场强度最大，随着距离的增加，电场强度快速减小；在沿着导线的方向上电场强度最弱且几乎为零，随着距离的增加场强变化不大。可见电偶极子对不同方向上的辐射强度不同。由于变压器的存在，微波的辐射范围受到了很大地限制，导致了空间中电场分布的不均匀。变压器侧的辐射强度很高，这部分的结构将会受到干扰，受干扰的程度随着距离的增加而减小；而另一侧则几乎接收不到辐射，变压器在这一部分的结构将不会受到干扰。将干扰源设置在不同的位置上，保护室和电容器都会受到干扰，但是干扰源位置会直接影响干扰的强度。当干扰源位于保护室和变压器之间时，保护室和电容器周围的电场强度较高，电磁干扰严重，而且各个方向上收到的干扰强度相近；当干扰源位于变压器背对保护室一侧时，较强的电磁辐射被变压器阻挡，但是由于墙体、地面和变压器本身对辐射的反射等作用，辐射绕过变压器进入到变压器另一侧，使保护室和电容器受到较弱程度的干扰。在保护室和电容器周围区域的电场强度分布均匀，辐射没有明显的死角。

实验验证了物体对电磁干扰的遮挡作用，干扰源的场强在物体直接遮挡下下降明显，但是并不均匀。