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地铁强弱电系统同址共建电磁兼容问题研究


摘要:利用CST软件建立轨道交通系统内各强电设备的数学仿真模型,对轨道交通站内的电磁辐射分布情况进行仿真计算;根据现场类比测试的结果对仿真模型进行修正,完善理论模型,使其能准确反映轨道交通系统内的电磁环境状况。通过建模、测试验证、修正模型、再分析计算、再测试验证等一系列过程,结合弱电设备自身的抗扰度标准,提出了正常工作条件下强弱电设备间的最小距离,以及各设备房间的合理布局,达到有效利用车站空间资源,节约设备用房面积及投资等目的。

关键词:电磁兼容;强弱电设备;最小距离;CST

中图分类号0441

文献标志码A

作者:石丹、焦健、刘丽玲、高攸纲

引言:

城市轨道交通系统作为一个复杂的强、弱电系

统交叉混合的综合系统,蕴藏着许多的电磁兼容问题[1]。为描述强电设备对弱电设备的电磁干扰,在兼顾不同设备辐射值、抗扰度等因素的基础上实现强、弱电设备同址共建,选取广州地铁2号线越秀公园站、4号线海傍站、3号线和5号线换乘站珠江新城站、以及4号线和8号线换乘站万胜围站作为研究目标,进行了现场测试及建模仿真。

其中,万胜围站是广州市轨道交通8号、4号线的换乘站,站内配置了牵引变电所,8号线部分采用DC1500V接触网供电,4号线部分采用DC1500V接触轨供电。各强电设备室均位于地下负二层,包括2间整流变压器室、1间33kV高压开关柜室和1间1500V直流开关柜室。每间整流变压器室内放置1台整流变压器,均采用干式、环氧树脂浇注变压器。33kV高压开关柜室采用SF6气体绝缘金属封闭结构的33kV开关柜,包括柜体、高压室等模块单元。1500V直流开关柜室包括1组负责交、直流转换的整流器以及用来牵引列车的直流开关柜。

1理论分析及计算软件介绍

1.1理论分析

地铁电磁干扰主要来自输变电运行设备,由电晕、电弧、辉光等产生的无线电高频干扰,另是由输变电运行设备本身电流产生的电磁场干扰。由于地铁输变电设备电压等级相对较低,输电线路和设备周围空间的电场强度较低,产生电晕放电的几率是有限的;另一方面变电站采用电缆、封闭式开关柜、封闭式母线套筒设备,并优先选用无油化、局部放电量小的设备,则产生电晕放电的可能性进一步减少。因此,由输变电运行设备本身电流产生的电磁场干扰成为强电设备对弱电设备的主要干扰源。由磁感应强度公式

可以得到电场和磁场的分布情况与母线布置情况有关,越靠近变压器和母线,磁场强度和电场强度越强且磁场、电场均与距离平方成反比。变压器在不同负荷下工作,负荷越大,电流越大,磁场强度越强,磁场与电流成正比。但由于设备形状不规则,实际的电磁场计算非常复杂困难,所以只能在实际测试及建模仿真的基础上验证其分布规律,评价其电磁干扰情况。

1.2软件与算法介绍

CST是以有限积分技术(FIT)为基础的通用电磁场仿真软件。FIT将积分形式的麦克斯韦方程进行离散化,在整个有限的计算区域内生成一套网格,麦克斯韦方程将在整个网格上进行离散化。它的运算时间与网格单元数成超线性关系,优于有限元法运算时间与网格数成平方关系,极大地降低了内存需求,提高了仿真速度。由现场测试结果得知,城市轨道交通车站内各强电设备产生的干扰以低频磁场干扰最为强烈,而CST的电磁(EM)工作室是专门为低频电磁仿真设计的,符合实际需要。

2测试与建模仿真

通过现场实时测试,记录相关测试点数据,对轨道交通站内的电磁辐射分布情况进行初步了解;建立地铁站内强电设备的三维仿真模型,计算出相应测试点的仿真值;通过仿真值与实测值的结果对比修正仿真模型,使其更准确地反映站内电磁环境状况。通过上述建模、测试验证、修正模型、再分析计算等一系列过程,提出强弱电设备间的最小间距,改善各设备的合理布局。

2.1现场测试

选择广州地铁4号线的万胜围站进行全时段测试,尤其在高峰运营、正常运营、停运等多种条件下的数据。全站布点500余个,测试区域囊括了强电设备房间(整流变压器室、33kV高压开关柜室和1500V直流开关柜室等)、弱电设备房间(通信设备室、信号设备室、综合控制室等)以及三轨铁道旁、公共区等敏感区域,每点监测时间为3MIn,包括空闲时和列车进出站时。主要测试仪器仪表包括:FSH4频谱分析仪、nBM-500宽频场强仪、IDR210低频磁场测试仪、IDR200低频磁场测试仪、NarDaEHP200磁场测试仪、ME3030B低频电场测试仪。覆盖了16Hz~3.6GHz的电场测试及20Hz~30MHz的磁场测试。

各强弱电设备房间的测试结果及数据分析详见文献[3]。

2.2模型建立

在EM工作室进行建模时,首先根据现场勘查结果确定开关柜、变压器等强电设备的型号,再查阅相关产品说明书,建立整流变压器室、33kV高压开关柜室、1500V直流开关柜室的三维模型。参考广州城市轨道交通4号线万胜围站的施工图,明确各房间的布局,将单个房间整合成强电设备区域的系统并添加房间外的两组异向轨道以后,进行整体仿真,得到各强电设备正常工作下的三维电磁场分布图[2]。模型如图1~4所示。




2.3模型仿真

上述建模均是在查阅相关技术手册后,按照实际产品的尺寸、材料属性等进行设计,所有强电设备模型均为通用型,对于特定的使用环境,在模拟计算强、弱电设备间的最小距离时,需要根据相关设计规划来安排房间的位置、添加相应的电压电流源、设置合适的计算区域等仿真条件,然后可计算得到相应空间的三维电磁场分布图,进而得到理论上的最小距离。

在设置激励源时,以现场实时监测数据为准,为变压器添加相应的线圈电流及母排、相间连线电流;由柜体上的显示单元读取电流大小及相位,为33kV高压开关柜添加相应的交流电流,为1500V直流开关柜添加相应的直流电流;在房间外的两组异向轨道中添加激励源时,参考地铁站内相关技术部门给出的监测报告,得到轨道上的实时电流波形,再在CST中利用VBa语言编写程序合成所监测到的线路电流波形后,进行仿真。建模仿真的流程图如图5所示。

图5仿真流程图

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2.4结果对比

从现场测试的结果中可以发现,在强电设备引起的电磁场干扰中,低频磁场的干扰最为强烈,而电场、高频磁场强度在各个房间中均无明显变化,详见文献[3]。图6为整流变压器室的工频磁感应强度仿真结果,图中以等值线的形式显示,左下角为仿真信息,如仿真物理量为B,频率为工频50Hz,右侧为B值的区间范围。

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整流变压器室的房间布点图如图7,结果对比见表1所示。

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从结果对比可以看出,虽然有个别测试点存在误差,但大部分仿真结果与测试结果吻合得较好,其余房间结果对比详见文献[4]。

2.5瞬态电磁干扰问题

就地铁站内电磁环境而言,强电设备产生的电磁干扰主要有两类,一类是稳态电磁干扰,以工频形式存在,前文已完成测试及仿真;另一类是瞬态电磁干扰,主要以故障和开关操作等产生的瞬态形式存在。由于故障情况具有不可预见性,不在此处讨论,而从广州万胜围站的现场条件来看,对于这种正常运营的站点来说,不可能进行多次试验性开关操作,无法进行现场测试;在此仅对瞬态电磁干扰的测试及建模仿真提出以下几点意见:

1)对开关操作瞬态电磁干扰的测试应满足以下要求:

①记录瞬态电磁干扰的波形时,需采用具有触发功能的瞬态波形记录仪或数字存储示波器,才能实现对瞬态干扰的采集与存储。而测试现场强烈的电磁干扰极易使这些设备误触发,这要求测试设备远离开关场或置于屏蔽箱内。

②测量干扰的传输线路在开关场内将受到电磁干扰,从而影响测量精度,需要对传输线路采用屏蔽技术或光纤技术。

③瞬态干扰的测试应选择在将要投运启动的站点进行。

2)对于瞬态电磁干扰的建模仿真应注意以下几点:

①理论分析及现有的测试结果均表明[5],由隔离开关切合操作引起的瞬态电磁干扰是最严重的空间电磁干扰源,频带范围可达几十MHz,主频分布在几百kHz和1MHz附近,其干扰的最大幅值可超过稳态干扰最大值一个数量级,仿真时应选择CST的微波工作室,并选择合适的求解器。

②设备模型为通用型,在进行瞬态仿真时可沿用稳态仿真时用过的模型,但是在设置激励信号时,应严格按照实测瞬态信号波形在CST中编程实现。

3最小距离提出

目前国内外关于弱电设备所处环境电磁场的标准相对匮乏,本文以美国国家辐射与测量委员会(nCRM)(THEnaTIonalCounCIlonRaDIaTIonanDMEaSuREMEnTS)组织提出的环境中可接受的最大背景磁感应强度10MG作为提出强、弱电设备间的最小距离的依据,即将强、弱电设备室拉近到最小距离后,弱电设备室内的环境工频磁感应强度B值不高于10MG,并认为低于最小距离时,弱电设备室内的设备会受到强电设备工频磁场的干扰而需要采取相关应对措施。

选取强电系统整合仿真模型,以0~10MG的范围作为观察基准区域,确定这个区域的三维空间,由现场测试可知,已有弱电设备被放置在强电设备的上层正上方且工作正常,故只针对同一平面得出仿真给出的最小距离。当整流变压器、整流器及直流开关柜同时作用时,结果如图8~12所示,以下所有仿真结果图中,红色区域为工频磁感应强度大于10MG的区域,除红色区域外均为工频磁感应强度小于10MG的区域。

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由图8~10可以看出,在三个方向上,整流变压器及整流器附近的工频磁感应强度均大于10MG,弱电设备不可在侧面紧挨整流变压器和整流器设备室放置,对仿真结果进行后处理,选取10MG的临界位置所在的面为参考面,由模型可知,该参考面距离整流变压器的距离为10.6M,即弱电设备应至少放置在距离整流变压器10.6M以外的区域。

由图9、11可以看出,直流柜自身产生的干扰在设备室内即可完成较好的衰减,由模型可知,在三个方向上均距离直流柜体1.5~2M之外时,干扰会降低到10MG以下。

对于33kV高压开关柜室,由测试结果可以看出,该设备对于弱电设备的低频磁场干扰很小,所产生的工频磁感应强度在房间内就可以衰减到10MG以下,即弱电设备可以紧挨该房间放置。

综上所述,基于以上各个房间的仿真条件(如激励源大小、房间位置等)并以10MG作为弱电设备防护的参考阈值,可得出的强、弱电设备间的最小距离见表2所示。

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4合理布局

构建合理布局,首先要保证强电设备区域内部各个设备不会互相形成强烈干扰,其次要考虑整个区域对外的干扰最小,即如何排列设备房间使得弱电设备能放置在离这个区域最近的位置。详细布局如图13所示。

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合理布局基于以下原则建立:

1)作为最大的干扰源,两间整流变压器室应该相互紧挨放置。

2)整流器负责将整流变压器室输送来的交流电转换为直流电,再输送给1500V直流柜做机车的牵引电流,因此,1500V直流开关柜室中的整流器部分应靠近变压器放置,减小整流变压器与整流器间连接电缆的长度,另外,整流器作为同样干扰很大的干扰源,其与变压器放置得较近可以有效地减小强电设备的干扰范围。

3)对于1500V直流开关柜室中的直流柜部分,其放置方法有两种选择,一种是放置在整流器对面,距离整流变压器较近,另一种是与整流器并排放置,距离整流变压器较远。由于开关柜关系重大,不可因为一点干扰而造成误动作,而如果将直流柜部分放置在整流器对面,则会因为距离整流变压器较近而受到变压器的干扰,参考1500V直流开关柜室的仿真部分,整流器对面的低频磁场干扰在30~40MG左右,因此,为安全起见,将1500V直流柜与整流器并排放置,距离变压器室较远,实践证明,这是安全可靠的。

4)33kV高压开关柜室作为干扰最小的强电设备,其放置位置较为灵活,但如前所述,开关柜作用重大,不可将33kV高压开关柜室在整流变压器室的四周以及1500V直流开关柜室的整流器部分紧挨放置,课题组建议将其放置在1500V直流开关柜室外侧,此时房间到整流变压器室距离已满足最小距离,受到变压器室的干扰很小。

5)对于弱电设备的放置,依据理论上的最小距离,应距离整流变压器室10.6M以外,即整流变压器室的四周附近以及1500V直流开关柜室的两侧都不可放置弱电设备房间,可将弱电设备房间放置在布局有33kV高压开关柜室的位置或者放在更远的范围内。

5结论

本文完成了地铁站内各强、弱电设备房间的电磁场实时测试,掌握了整个地下一层、二层的电磁场分布情况。并实现了整个地铁站内所有强电设备房间的电磁环境仿真,经过仿真值与实测值的对比发现,大部分测试点的仿真均与实测情况吻合良好,即使有些点存在些许误差,也在可接受的范围内,从而证明研究中提出的这套建模仿真方法对于整个强电设备房间的电磁环境研究是有效的。

基于测试和仿真结果提出了城市轨道交通系统中强、弱电设备间的最小距离及强电设备系统的合理布局,得到的结论对全国城市轨道交通建设具有一定指导意义。

参考文献

[1]高攸纲.电磁兼容导论[M].北京:北京邮电大学出版社,2001:2-3.[2]焦健,石丹,高攸纲.高压开关柜房间三维电磁场仿真分析[J].电波科学学报,2011,26(6):173-177.

[3]刘书斌,刘丽玲.地铁强电设备电磁环境的测试与分析[C]∥中国通信学会学术工作委员会·第八届中国通信学会学术年会论文集,北京:国防工业出版社,2011.

[4]刘书斌,焦健.地铁强电设备复杂电磁环境的仿真分析[C]∥中国通信学会学术工作委员会·第八届中国通信学会学术年会论文集,北京:国防工业出版社,2011.

[5]张卫东.变电站开关操作瞬态电磁干扰问题的研究[D].北京:华北电力大学,2003.

作者简介

石丹(1981-),女,四川人,北京邮电大学讲师,博士,主要研究电磁兼容及电磁生物效应。

焦健(1986-),男,山东人,现为北京邮电大学电子工程学院硕士。主要研究方向为电磁兼容及环境电磁学。

刘丽玲(1988-),女,内蒙古人,现为北京邮电大学电子工程学院硕士。主要研究方向为环境电磁学与电磁兼容(EMC)。

高攸纲(1928-),男,江苏人,北京邮电大学教授,博士生导师,中国电子学会电磁兼容分会及中国通信学会电磁兼容委员会主任委员,主要研究方向为电磁兼容和环境电磁学理论。

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