开关柜工频磁场计算及壳体屏蔽效能分析_王岩.pdf

开关柜工频磁场计算及壳体屏蔽效能分析王岩1，欧阳子卿2，屈莹莹3，吴田3，黎鹏3（1.广东电网有限公司佛山供电局，广东 佛山528000；2.国网武汉供电公司，武汉430012；3.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌443002）摘要：文中基于电磁场基本理论，建立了开关柜工频磁场数学模型，采用有限元法对开关柜的磁感应强度进行了计算，分析了壳体、壳体厚度和磁导率等对开关柜磁感应强度分布和屏蔽效能的影响，并研究了开关柜柜外母排长度对磁感应强度分布的影响，结果表明：开关柜外壳和隔板对工频磁场具有明显的屏蔽作用，增大壳体磁导率和厚度均可提高开关柜整体的屏蔽效能，但当壳体磁导率大于1 000和厚度超过3 mm时，屏蔽效能增长幅度较小；柜外母排长度对开关柜周围磁场分布影响较小，但对柜体顶部磁场分布的影响较大；研究可为开关柜磁场屏蔽措施的提出提供参考。关键词：开关柜；工频磁场；外壳；屏蔽效能Power Frequency Magnetic Field Calculation of Switchgear and Shielding EfficiencyAnalysis of EnclosureWANG Yan1，OUYANG Ziqing2，QU Yingying3，WU Tian3，LI Peng3（1.Foshan Power Supply Bureau Guangdong Power Grid Corporation Limited，Guangdong Foshan 528000，China；2.State GridWuhan Electric Power Supply Company，Wuhan 430012，China；3.College of Electrical Engineering&New Energy，China Three Gorges University，Hubei Yichang 443002，China）Abstract:The power frequency magnetic field mathematical model of the switchgear is set up on the basis of theoryof electromagnetic field in this paper.The magnetic induction intensity of the switchgear is calculated by using the finite element method（FEM）.The influence of the enclosure，its thickness and magnetic permeability on the magneticinduction intensity distribution and shielding efficiency is analyzed，and the influence of the length of external busbaron the magnetic induction intensity distribution is studied.The results show that the enclosure and partition of theswitchgear have obvious shielding effect on the magnetic field of power frequency.Increasing both permeability andthickness of the enclosure can improve the overall shielding efficiency of the switchgear.However，when the permeability is more than 1 000 and the thickness is more than 3 mm，the increase amplitude of shielding efficiency is small.The length of the busbar outside the switchgear has little influence on the magnetic field distribution around theswitchgear，but has great influence on the magnetic field distribution at the top of the switchgear.The research canprovide reference for the magnetic shielding measure of switchgear.Key words:switchgear；power frequency magnetic field；enclosure；shielding efficiency0引言高压开关柜作为重要的控制和保护设备，大量应用于电力系统中1-6。然而，随着开关柜额定电流的增大，母排在附近空间产生的工频磁场成为配电房和变电站内部主要的电磁污染源7。同时，为了解决电力供需问题及提高输电效率，配电房或变电站通常位于人口密集的负荷中心，其对周围人员和第59卷第2期：006100682023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：00610068Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.009_收稿日期：20220809；修回日期：20221012基金项目：国家自然科学基金资助项目(51807110)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51807110).2023年2月第59卷第2期设备的影响不容忽视8-9。国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)规定职业暴露的工频磁感应强度限值为500 T，而公众暴露限值仅为100 T10-11。因此，研究高压开关柜的磁场分布特性及壳体的屏蔽效能具有很重要的现实意义。国内外学者针对母排磁场计算开展了大量研究，提出了解析法、模拟电流法和有限元法等。文12-13利用解析法和模拟电流法计算了三相大电流母排周围的磁场分布，并分析了相关因素的影响；文14-16针对配电房所使用的平板形空气绝缘母排模型，采用解析法和有限元法，研究了母排、屏蔽板对屏蔽效能的影响；文17采用解析法和数值法对配电站周围磁场分布进行了计算，重点分析了母线间距、母线高度、钢筋类型对屏蔽效果的影响；文18建立了平板型母排磁场的计算模型，利用霍尔传感器磁场测量系统，研究了磁感应强度随母排空间位置及电流大小的变化规律，并通过Anays仿真进行了验证；文19采用准静态电磁场求解方法，计算了12 kV开关柜简化模型内部的电磁场强度分布情况，发现矩形铜制相线角部的电磁场强度最大；文20建立开关柜三维简化模型，利用棱边单元法，分析了母排电流、相间距和高度对磁场分布的影响。可见，目前的研究主要集中在三相母排和简化开关柜模型的磁场计算，而对实际高压开关柜周围的磁场分布及外壳屏蔽效能研究较少。文中基于Ansys有限元法，对实际KYN28A-12型开关柜的磁场分布进行了计算，对开关柜壳体的屏蔽效能进行了分析，重点研究了外壳厚度、材料参数和柜外母排长度等对屏蔽效能的影响。研究成果可为开关柜磁屏蔽措施的提出和配电房电磁环境的评估提供参考。1开关柜工频磁场的计算原理在正常工作条件下，母排的电流频率为50 Hz，其时变电磁场的频率较低，同时母排的尺寸相比电磁波的波长要小得多，位移电流可忽略不计，因此，母排产生的电磁场可视为准静态场21，根据麦克斯韦方程组建立的数学模型为H=EE=-B tB=0(1)式(1)中：H 为磁场强度，A/m；E 为电场强度，V/m；B为磁感应强度，T；为电导率，S/m。母排的求解区域示意图见图1，图1中：V1为涡流区；V2为非涡流区；S12为母排与空气的边界；S1为壳体和空气的边界；S2为整个求解区域的边界。图1开关柜母排求解区域示意图Fig.1Schematic diagram of solving area forswitchboard bus文中采用A-法计算工频磁场，根据矢量恒等式和矢量磁势有：=0(2)B=A(3)式(1)与式(2)、(3)联合求解得V1和V2上的方程为：1A=-At+|V1(4)1A=0|V2(5)式(4)-(5)中：为磁导率；为标势。为了估算开关柜壳体对磁场的屏蔽效果，根据式(6)计算当壳体参数改变时的屏蔽效能SEH=20lgH0Hs(6)式(6)中，H0和Hs为同一位置上有无屏蔽前后的磁场强度。2开关柜工频磁场计算结果分析2.1计算模型文中采用KYN28A-12/4000型开关柜仿真模型，其额定电压和额定电流(有效值)分别为12 kV和4 000 A，额定频率为50 Hz。开关柜整体结构见图2，主要包括：母线室、架空进线室、断路器室和仪表室，其中进线室包括进线母排和电流互感器等；柜体外壳及隔板材质为镀锌钢板，厚度为2 mm；由于仪表室内部设备对磁场分布的影响较小，仿真过程不予考虑。为了定量分析开关柜磁场分布及壳体的屏蔽效能，拟选取的分析路径(路径1-5、ME、NE)见图3，其中，路径1-4与柜体平行(路径1位于断路器室柜门侧)，距柜体的垂直距离均为1 m，路径ME和NE均垂直于柜体表面，长度分别为1 m和1.1 m，上述62路径在Y方向的高度均为1.5 m；路径5-FG位于开关柜顶部，长为2 m。图3分析路径示意图Fig.3Path around the switchgear2.2网格无关性验证为了分析网格数量与外壳厚度方向剖分层数对计算精度的影响，分别采用3种方式剖分(方式1：柜体内部粗剖，壳体厚度方向剖分层数为1；方式2：柜体内部细剖，壳体厚度方向剖分层数为2；方式3：在方式2基础上，柜体内部进一步细剖，壳体厚度方向剖分层数为3)，得到不同剖分方式下的单元数量和计算时间见表1，为了分析不同剖分方式上磁感应强度的差异，提取图3上ME段的磁感应强度结果见图4。表1不同剖分方式下的网格数量和计算时间Table 1Number of elements and computing time underdifferent mesh methods剖分方式123外壳层数123外壳单元数量390 873498 681711 161柜体内部单元数量76 555509 5941 214 077柜体外部单元数量2 915 5415 590 1939 428 989总单元数量3 372 5636 545 05211 043 902计算时间/h约6约25约55图4路径ME上的磁感应强度Fig.4Magnetic induction intensity on the path of ME由表1可知，随着外壳剖分层数的增加，总单元数量几乎成倍增加，计算时间也明显增大，而由图4可以看出，方式1与方式2的结果差异较大，而方式 2获得的结果与方式3基本一致，两者磁感应强度峰值仅相差 8.9%，但方式 3 的计算时间约为方式2的2.2倍，因此，在确保计算精度的前提条件下，为了节省计算时间文中采用方式2进行网格剖分。2.3计算结果分析当母排额定电流为4 000 A时，开关柜的磁感应强度分布见图5，其中，图5(a)、(b)分别为磁感应强度的矢量图和幅值，图5(c)、(d)分别为图3中AD和BC观测面上的磁感应强度分布图。图5开关柜磁感应强度Fig.5Switchgear magnetic induction intensity从图5(b)可以看出，靠近出线母排侧和柜顶架空进线处的磁感应强度较大，最大值达到3.03 T左右，因此处受两侧通流母排磁场叠加