一种高压输电线路密闭金属空间电磁防护装置设计

摘要：对3种不同敷设环境下的高压电缆工频电磁场影响进行了模拟仿真分析，掌握了密闭金属空间内的高压电缆工频电磁场状态，并据此设计了一种由双层屏蔽材料组成的工频电磁场防护装置，从传输途径方面有效遏制了电磁场在密闭金属空间内的过度辐射，可降低高压输电线缆所产生电磁辐射对人员安全的影响，并为敏感设备、系统提供了良好的电磁环境。

关键词：密闭金属空间;工频电磁场;电磁屏蔽;防护装置

0 引言

随着通信、电子、电力等技术的高速发展，相关设备的灵敏度越来越高，电磁辐射干扰现象也越来越受到人们的重视。在有限且密闭的空间中，受周围金属结构影响，高压输电电缆等的电磁辐射干扰现象尤为明显。电磁屏蔽作为有效解决电磁辐射干扰或传导干扰问题的重要手段之一得到了广泛应用。为了有效保证密闭金属空间内的电磁兼容性，本文对密闭金属空间内的工频电磁场状态进行仿真分析，设计了一种由双层屏蔽材料组成的工频电磁场防护装置，从传输途径方面有效地遏制了电磁场在密闭金属空间内的过度辐射。

1 密闭金属空间工频电磁场

高压输电线路产生的电磁辐射效应主要为工频电磁场，即输电线路产生的50 Hz的电磁辐射。目前关于高电压输电线路电磁辐射的相关规定包括：《电磁环境控制限值》（GB 8702—2014），其规定在电场、磁场、电磁场所致的公众曝露环境中，电场强度控制限值为4 kV/m，磁场强度控制限值为0.08 A/m;电力行业标准《电业安全工作规程（发电厂和变电所电气部分）》（DL 408—1991）等相关标准规定，35 kV高压设备应保证的安全距离为1.0 m。然而，需要注意的是，上述规定都是根据陆上发电厂及输电线路的状态。在封闭环境下，受周围金属结构的影响，35 kV输电线路的工频电磁场状态会呈现出不同的特性。为此，本文使用电磁仿真软件CST建立了一套电磁分析对比模型，分别对架空电缆、金属板上方电缆及金属通道内部电缆这3种不同环境下的高压输电线路（以35 kV的800 mm单线为例）的工频电磁场影响进行了模拟仿真计算，计算结果如图1所示。

根据模型对比分析结果可知，在密闭金属通道内，其电磁环境比开阔的架空电缆的电磁辐射量级要大数十倍甚至数百倍。因此，国家标准中的电磁辐射限值虽然不足以约束此种条件下的电磁辐射问题，但是电力行业遵照国家标准的电磁防护要求，将电磁辐射量级控制在安全范围之内，仍是电磁兼容设计及控制的目标。

2 工频电磁场防护装置

2.1    工频电磁场防护装置设计

电磁干扰的三要素为电磁干扰源、干扰途径、受扰设备，控制三者中的任何一个都可以解决电磁干扰问题。基于对电磁兼容核心问题的分析，控制工频电磁场的传播途径是避免电磁干扰及实现电磁兼容控制的有效途径之一。即在密闭金属空间总体层面增加电磁干扰抑制手段，一方面控制了电磁干扰信号的无序传播，另一方面为敏感设备和系统提供较好的电磁环境。

为了全面保障密闭金属空间内的电磁兼容安全性和可靠性，我们针对高压电缆井采取有针对性的工频电磁场屏蔽措施，从传输途径方面遏制了电磁场在密闭金属空间内的过度辐射。

工频电磁场专用防护装置采用双层屏蔽材料复合而成。根据电磁兼容的工程经验以及对电磁屏蔽材料性能的测试结果发现，对于强磁场屏蔽，难以使用一种单一的电磁屏蔽材料，既能提供足够的电磁屏蔽效能，又不至于发生电磁饱和问题，即一层屏蔽材料的性能往往不够理想，不能兼顾电磁屏蔽效能和电磁饱和问题。因此，针对高压电缆井的电磁屏蔽问题，我们采用了双层屏蔽材料复合的方式。双层电磁屏蔽材料布置方式与电磁辐射源的相对位置示意图如图2所示。

双层电磁屏蔽技术的原理是先用饱和度较高、磁导率和电导率相对较低的材料，靠近电磁场发射源布置，将电磁场衰减到一定程度，然后再用磁导率和电导率相对较高、饱和度相对较低的材料将剩余电磁场进一步衰减到可接受范围。

基于此双层屏蔽技术原理，工频电磁场专用防护装置使用电磁饱和度达800 A/m的合金材料作为最内层电磁场屏蔽合金材料（靠近电磁场源侧布置），以达到抗强电磁辐射的作用;使用相对磁导率达15 000 H/m，起始磁导率达8 000 H/m的高磁导率合金材料，作为最外层屏蔽材料，通过其高导磁能力，有效衰减剩余低频电磁场。

2.2    硬件组成及安装

工频电磁场专用防护装置采用双层屏蔽结构，分为框架、内屏蔽层、外屏蔽层三部分，如图3所示。

框架包括内层框架和外层框架两部分，由面板、侧板和外层框组成，材料为50 mm厚的绝缘尼龙板，主要作用为支撑和隔离屏蔽层及电缆。内层框架中间放置电缆，面板直径可根据电缆直径大小及电缆数量进行调整。内、外层框架间的缝隙用于安装内屏蔽层。

内屏蔽层是将较高电磁饱和度的硅钢基材复合材料外包在内层框架的尼龙板上，考虑到加工难度，将硅钢片分成3段，相邻硅钢片之间采用铆钉连接固定。

外屏蔽层是將较高磁导率的硅钢基材复合材料外包在外层框架上，分为围板和底板两部分，同样将围板分成3段，相邻围板之间采用铆钉连接固定。另外，在硅钢片和外层框架之间贴上2层0.55 mm的浸橡胶丝网屏（浸橡胶丝网屏是由浸没了氯丁橡胶或硅橡胶的铝丝网屏制成，主要起到EMI屏蔽和环境密封作用）。

在实际的EMI屏蔽中，电磁屏蔽效能很大程度上取决于装置的物理结构，即导电的连续性，装置上的接缝和开口都是电磁波的泄漏源。本装置的相邻硅钢片采用铆钉连接，连接处存在接缝，接缝面积不大，但其线度尺寸（缝长）却很长，采用导电衬垫等特殊屏蔽材料可以有效抑制电磁泄漏。因此，在相邻硅钢片交叠处夹一层环境密封丝网组合衬垫（环境密封丝网组合衬垫由金属丝网和橡胶编制结合而成，可同时起到电磁密封和环境密封作用）进行密封。

3 结语

本文通过仿真分析，掌握了密闭金属空间内工频电磁场辐射情况，并设计了一种使用双层屏蔽材料制成的工频电磁场防护装置，从传输途径方面遏制了电磁场在密闭金属空间内的过度辐射，使高压输电线路产生的电磁辐射效应对人员安全的影响降至国家相关标准范围内，并为敏感设备或系统提供了良好的电磁环境，对电磁兼容控制提供了有效帮助。

[参考文献]

[1] 边海燕.探究高压输电线路和变电站的电磁辐射的防护[J].环境与发展，2019（2）：251-252.

[2] 电磁环境控制限值：GB 8702—2014[S].

[3] 周洋.220 kV架空输电线路电磁辐射的相关计算和减缓措施[J].电工技术，2017（12）：48-49.

[4] 于晓峰.高压输电线路和变电站电磁辐射的防护[J].山东工业技术，2018（18）：196.

收稿日期：2020-06-22

作者简介：沈涛（1985—），男，湖北武汉人，工程师，主要从事输电线路研究工作。