洪雯，關(guān)志杰，于寧

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢430072；2.哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱150028；3.國(guó)網(wǎng)大連供電公司，遼寧大連116021）

0 引 言

近年來(lái)，變電站系統(tǒng)自動(dòng)化正成為一種不可改變的趨勢(shì)，其監(jiān)控和通信系統(tǒng)的重要性日益凸顯。變電站現(xiàn)有測(cè)控系統(tǒng)多采用有線通信方式，但是，有線通信的弊端是顯而易見(jiàn)的，例如傳輸線鋪設(shè)復(fù)雜、不易檢修和維護(hù)，長(zhǎng)距離傳輸線易受電磁干擾的影響等等。而無(wú)線通信［1-3］則具有運(yùn)行可靠、安裝靈活、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在需要實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站信息的情況下，無(wú)線通信更是具有極大的優(yōu)勢(shì)。無(wú)線傳感器的性能好壞直接影響著信息的傳輸效率和站內(nèi)各種設(shè)備的正常運(yùn)行，然而在變電站內(nèi)，因?yàn)殡娋€、手機(jī)、變壓器、桿塔等物體的存在，會(huì)對(duì)無(wú)線通信造成電磁干擾，對(duì)無(wú)線通信的有效性產(chǎn)生一定的影響。電磁干擾［4］是指某些電磁現(xiàn)象引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明形成電磁干擾必須同時(shí)具備以下三個(gè)要素：干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備。只有同時(shí)具備上述三個(gè)因素才可能發(fā)生電磁干擾，所以把這三個(gè)因素稱為電磁干擾三要素。電磁干擾源可以分為自然電磁干擾源和人為電磁干擾源。自然電磁干擾源主要來(lái)自于大氣層的噪聲，人為電磁干擾源是伴隨電氣與電子設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾。一般來(lái)說(shuō)人為電磁干擾源比自然電磁干擾源發(fā)射的干擾強(qiáng)度更大，造成影響更嚴(yán)重。

1 仿真軟件FEKO及主要模型

FEKO是一款功能強(qiáng)大的三維全波電磁場(chǎng)高頻計(jì)算軟件［5］，其主要算法是矩量法（MOM）、物理光學(xué)法（PO）、一致性幾何繞射理論（UTD）、快速多極子求解法（MLFMM）等。本文所用模型是以電偶極子作為干擾源［6-8］，以下分析電偶極子的電磁場(chǎng)輻射模型。電偶極子為一段載有高頻電流且?guī)в械戎诞愄?hào)電荷的短導(dǎo)線，其直徑為d，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，波長(zhǎng)為λ。因?yàn)榇硕虒?dǎo)線長(zhǎng)度足夠小，所以電流的振幅和相位分布可近似認(rèn)為是均勻的。

1.1 幾何建模

設(shè)置電偶極子：在坐標(biāo)原點(diǎn)沿z軸方向設(shè)置一段長(zhǎng)為λ/2的導(dǎo)線；在導(dǎo)線中點(diǎn)設(shè)置一端口作為電壓源；設(shè)置頻率為2.4 GHz，電壓10 V，得到其幾何模型圖1所示。

圖1 點(diǎn)偶極子模型Fig.1 Electric dipole model

運(yùn)行軟件后在POSTFEKO中查看仿真結(jié)果，如圖2所示。其中最中心部分場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)，最外側(cè)部分場(chǎng)強(qiáng)最弱，黑色的等勢(shì)線表明了不同的等勢(shì)面位置。

圖2展示了平行于xoz平面且y=0的平面上的電場(chǎng)強(qiáng)度。可見(jiàn)電場(chǎng)在電偶極子中心部分最強(qiáng)，且沿著垂直于z軸的方向向外輻射，等勢(shì)線較稀疏，場(chǎng)強(qiáng)變化相對(duì)較??；而沿著z軸方向即導(dǎo)線方向的場(chǎng)強(qiáng)較弱，等勢(shì)線密集，場(chǎng)強(qiáng)變化相對(duì)較大。整個(gè)電場(chǎng)被z軸分成了左右兩個(gè)“瓣”。

圖2 電偶極子在xoy平面的場(chǎng)強(qiáng)圖Fig.2 Field strength figure of electric dipole in xoy flat

1.2 變壓器模型的仿真

變電站內(nèi)的大型變壓器體型巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。從外觀上看，一臺(tái)變壓器既包括箱體、底座、散熱片、油枕等主體結(jié)構(gòu)［9-10］。對(duì)這樣大型復(fù)雜的設(shè)備構(gòu)建幾何模型是比較困難的，模型太復(fù)雜也會(huì)使FEKO在解算時(shí)占用過(guò)多的計(jì)算資源，耗費(fèi)大量的時(shí)間，因此有必要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。最終建立的經(jīng)簡(jiǎn)化的變壓器模型如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化后的變壓器模型Fig.3 Simplified transformer model

變壓器長(zhǎng)6.6 m，寬4 m，高4 m，表面材料為良導(dǎo)體，包括了底座，散熱片，箱體，頂部這些主要結(jié)構(gòu)，整個(gè)幾何體具備變壓器的輪廓，是一臺(tái)完整變壓器的近似模型，可用于仿真分析。以一電偶極子作為干擾源，在xoy平面的位置如圖4所示，高度為1 m，電壓10 V，頻率2.4 GHz。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 xoy平面的場(chǎng)強(qiáng)分布圖Fig.4 Field strength distribution figure in xoy plat

圖4展示了電場(chǎng)強(qiáng)度分布?？梢?jiàn)位于右下方的干擾源附近電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，并以此區(qū)域?yàn)橹行南蛑車鷶U(kuò)散出去。隨著距離的增加，場(chǎng)強(qiáng)逐漸減小，右上方和左下方區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)變化明顯。而在放置了變壓器的一面由于有變壓器的阻擋，微波無(wú)法通過(guò)，因此變壓器的左側(cè)和上方場(chǎng)強(qiáng)幾乎為零。

仿真的結(jié)果顯示，由于變壓器的存在，微波的輻射受到了很大地限制，導(dǎo)致了電場(chǎng)分布的不均勻。變壓器的一側(cè)輻射強(qiáng)度很高，這部分的設(shè)備將會(huì)受到不同程度的輻射干擾；而另一側(cè)則幾乎接收不到輻射，這一部分的設(shè)備將不會(huì)受到輻射干擾。

2 變壓器模型的仿真

2.1 幾何建模

在圖4所示的變壓器模型周圍增加墻體和地面，另外在距離變壓器大于10m的地方設(shè)置一個(gè)圓柱形的電容器和一間保護(hù)室，建立一個(gè)簡(jiǎn)化的變電站模型。墻長(zhǎng)25 m，高2 m，厚0.5 m，兩面墻間距離12.5 m，墻體介質(zhì)為磚塊。變電站模型如圖5所示。

圖5 變電站模型Fig.5 Transformer substation model

2.2 仿真結(jié)果

在變壓器背對(duì)保護(hù)室一側(cè)設(shè)置干擾源，高度設(shè)置為1 m，電壓10 V，頻率2.4 GHz。

（1）將干擾源置于變壓器背對(duì)保護(hù)室一側(cè)，圖中最左側(cè)的紅點(diǎn)即為干擾源，仿真的結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 高度為0.5 m的場(chǎng)強(qiáng)Fig.6 Field strength of 0.5-meter-high

圖7 高度為1 m的場(chǎng)強(qiáng)Fig.7 Field strength of 1-meter-high

圖8 高度為1.5 m的場(chǎng)強(qiáng)Fig.8 Field strength of 1.5-meter-high

圖9 高度為2 m的場(chǎng)強(qiáng)Fig.9 Field strength of 2-meter-high

圖6至圖9展示了變電站內(nèi)干擾源位于變壓器背對(duì)保護(hù)室一側(cè)的情況，不同高度的電場(chǎng)分布情況基本相同。干擾源附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，在圖中為綠色和黃色。變壓器擋住了大部分的輻射，使保護(hù)室和電容器附近的場(chǎng)強(qiáng)降到比較低的程度，但是輻射并未完全消失。此外，變壓器和變電室之間的廣闊區(qū)域，電場(chǎng)擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，形成了“漣漪”形狀的波紋，這些“波紋”圍繞著保護(hù)室和電容器，說(shuō)明在變壓器的遮擋下仍有較弱的電磁干擾發(fā)生。

（2）改變干擾源的位置，使之處于變壓器與保護(hù)室之間，其他條件不變，仿真結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10 高度為0.5 m的場(chǎng)強(qiáng)（改變位置后）Fig.10 Field strength of 0.5-meter-high（after changing the position）

圖11 高度為1 m的場(chǎng)強(qiáng)（改變位置后）Fig.11 Field strength of 1-meter-high（after changing the position）

圖12 高度為1.5 m的場(chǎng)強(qiáng)（改變位置后）Fig.12 Field strength of 1.5-meter-high（after changing the position）

圖13 高度為2 m的場(chǎng)強(qiáng)（改變位置后）Fig.13 Field strength of 2-meter-high（after changing the position）

圖10～圖13顯示，當(dāng)干擾源位于保護(hù)室和變壓器之間時(shí)，保護(hù)室和電容器周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度較高，明顯高于擾源置于變壓器背對(duì)保護(hù)室一側(cè)時(shí)的情況，電磁干擾十分嚴(yán)重。由于墻體、地面和變壓器本身對(duì)輻射的反射等作用，整個(gè)變電站內(nèi)都受到了一定程度的干擾。從圖上可以看到，各個(gè)區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻，沒(méi)有明顯的死角，且大部分區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度在4 V/m～8 V/m的區(qū)間內(nèi)。此外，隨著所取截面高度的增加，場(chǎng)強(qiáng)也逐漸減弱。

3 結(jié)束語(yǔ)

使用FEKO軟件，將一段小導(dǎo)線構(gòu)成的電偶極子作為干擾源，在一臺(tái)簡(jiǎn)化的變壓器模型附近設(shè)置干擾源后，分析變壓器附近的場(chǎng)強(qiáng)情況，再對(duì)經(jīng)簡(jiǎn)化的變電站模型內(nèi)不同位置設(shè)置干擾源的情況進(jìn)行了仿真，得到干擾源在不同高度的水平面上產(chǎn)生的電場(chǎng)的分布圖像，由此分析干擾源對(duì)變電站的電磁干擾情況。

仿真顯示，電偶極子在自由空間中向四周圍輻射電磁場(chǎng)。在垂直于短導(dǎo)線的方向上電場(chǎng)強(qiáng)度最大，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度快速減??；在沿著導(dǎo)線的方向上電場(chǎng)強(qiáng)度最弱且?guī)缀鯙榱?，隨著距離的增加場(chǎng)強(qiáng)變化不大?？梢?jiàn)電偶極子對(duì)不同方向上的輻射強(qiáng)度不同。由于變壓器的存在，微波的輻射范圍受到了很大地限制，導(dǎo)致了空間中電場(chǎng)分布的不均勻。變壓器側(cè)的輻射強(qiáng)度很高，這部分的結(jié)構(gòu)將會(huì)受到干擾，受干擾的程度隨著距離的增加而減小；而另一側(cè)則幾乎接收不到輻射，變壓器在這一部分的結(jié)構(gòu)將不會(huì)受到干擾。將干擾源設(shè)置在不同的位置上，保護(hù)室和電容器都會(huì)受到干擾，但是干擾源位置會(huì)直接影響干擾的強(qiáng)度。當(dāng)干擾源位于保護(hù)室和變壓器之間時(shí)，保護(hù)室和電容器周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度較高，電磁干擾嚴(yán)重，而且各個(gè)方向上收到的干擾強(qiáng)度相近；當(dāng)干擾源位于變壓器背對(duì)保護(hù)室一側(cè)時(shí)，較強(qiáng)的電磁輻射被變壓器阻擋，但是由于墻體、地面和變壓器本身對(duì)輻射的反射等作用，輻射繞過(guò)變壓器進(jìn)入到變壓器另一側(cè)，使保護(hù)室和電容器受到較弱程度的干擾。在保護(hù)室和電容器周圍區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻，輻射沒(méi)有明顯的死角。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了物體對(duì)電磁干擾的遮擋作用，干擾源的場(chǎng)強(qiáng)在物體直接遮擋下下降明顯，但是并不均勻。