5. Экранирование электромагнитного поля промышленной частоты

Известны устройства для экранирования магнитного поля промышленной частоты (МП ПЧ) из стальных листов. Их недостаток - большая толщина листов для обеспечения необходимой эффективности экранирования. Ниже рассмотрена новая конструкция экранов, обладающая значительно большей эффективностью экранирования. Рассмотрим теоретические предпосылки, заложенные в новую конструкцию.

Рис. 10. Эффекты втягивания (а) и преломления (б) МП.

Для магнитостатического МП и для МП ПЧ известны из электротехники эффекты втягивания и преломления (см.рис.10).

Эффективность экранирования ЭМП ПЧ однослойным листом определяется суммой потерь на поглощение К_погл., отражение К_отр. и коэффициента К_м.отр., учитывающего многократное отражение в тонких листах при глубине проникновения δ больше толщины t листа:

Э_эф=К_погл+К_отр +К_м.отр. (дБ)

В ближнем поле потери на отражение для МП ПЧ малы, вследствие многократных отражений в тонком экране (δ>t) этот эффект снижает эффективность экранирования более резко, чем оценивается снижение затухания за счет скин-эффекта при уменьшении отношения t/δ. Корректирующий коэффициент Км.отр. многократного отражения для МП имеет отрицательное значение и вычисляется согласно выражения

( мм),

где µ – относительная магнитная проницаемость стали; G_отн – относительная удельная проводимость листа ЭЭ относительно меди; (для стали G_отн=0,1); f=50Гц – частота МП ПЧ.

Отражение падающего на первую поверхность экрана МП ПЧ происходит в основном от второй поверхности листа ЭЭ. В ближнем поле основные потери для МП ПЧ составляют потери на поглощение .

, (дБ)

Рассчитаем показатели δ, К_погл. и К_м.отр. для 2-х листов толщиной 1 и 0,5 мм изотропной листовой стали µ=1300; σ_отн=0,1; f=50Гц. Вычисляя по вышеприведенным выражениям получаем:

Сталь t=1 мм	Сталь t=0,5 мм
δ=0,82 мм Кпогл 1=10,56дБ Км.отр 1= - 0,79дБ Ээф 1=10,56 – 0,79 = 9,77дБ	δ=0,82 мм Кпогл 0,5=5,28дБ Км.отр 0,5=- 3,04дБ Ээф 0,5=5,28–3,04=2,24дБ

Таким образом, металлический лист толщиной t=1 мм эффективнее листа толщиной t=0, 5 мм на 9,77–2,24=7,53дБ – в 2,38раза.

Оценку эффективности экранирования однослойного ЭЭ статического и квазистатического поля выполняют, используя выражение для эквивалентного шара:

,

где Rэ – эквивалентный радиус ЭЭ шаровой формы, м;

В случае ЭЭ, имеющего форму, отличную от шара, заменяют его шаром равного объема согласно выражения:

(м),

где V_экр – внутренний объема ЭЭ, м³;

в, ℓ и h – внутренние размеры экрана прямоугольной формы, м.

В помещениях ТП и ГРЩ-04 вектор ЭПП МП будет воздействовать на 1-ый слой ЭЭ со всех направлений и под разными углами. Значит, материал 1-го слоя должен быть изотропным, т.е. должен ослаблять МП равной интенсивности одинаково во всех направлениях.

Однако в натурных условиях на отдельные места ЭЭ воздействует напряженность ГМП в направлении магнитного меридиана Земли. При этом тонколистовые магнитомягкие ферромагнитные материалы частично насыщаются, магнитная проницаемости µ уменьшается. В рассматриваемом МЭЭ вектор собственной намагниченности труб решетки 2-го слоя ЭЭ направлен навстречу вектору ГМП. Это позволило компенсировать снижение эффективности ЭЭ от воздействия ГМП.

При наличии вращающегося появляется ЭДС, ортогональная направлению тока Iр, как в заторможенном асинхронном двигателе.

Отражение МП происходит в основном от второй поверхности листа. Если направление падения вектора индукции МП на листе не совпадает с нормалью к поверхности, отражение увеличивается. При отражении МП его фаза изменяется на 180°, поэтому напряженность прошедшего в лист поля фактически будет складываться и равна удвоенной напряженности падающей волны. Такая большая величина поля в ЭЭ усиливает влияние составляющей К_м.отр. многократного отражения, что снижает эффективность экранирования.

Однослойные ЭЭ не подавляют и не преобразуют ЭПП МП ПЧ, а только вносят затухание. Прошедшее через ЭЭ МП представляет так же суперпозицию полей ЭПП и ЛПП, но плоскость эллипса отличается от направления плоскости падающего на ЭЭ поля. Таким образом, тонкие листовые ЭЭ не обеспечивают выполнение поставленной главной цели экранирования – подавить ВМП. Поэтому однослойные тонколистовые ЭЭ для большого объема экранирования, особенно когда δ>t, применять нецелесообразно.

Эффективность многослойных экранов. Рассмотрим эффективность двух видов МЭЭ: разделенных зазором d и собранных в пакет (ПЭЭ) из тонколистовой стали, состоящей из n листов, применительно к экранированию больших объемов (500 и более куб. метров) помещений трансформаторных подстанций.

Ввиду сложной пространственной структуры суперпозиции ЭПП и ЛПП магнитных полей ПЧ в помещениях ТП, вектор напряженности которых может действовать во всех направлениях, необходимо для ЭЭ использовать изотропную тонколистовую электротехническую магнитомягкую сталь с содержанием кремния (Si) менее 0,4%. Такая сталь имеет высокую индукцию насыщения B_s и низкую коэрцетивную силу Н_с. Анизотропность появляется в местах нахлестов при соединении боковых сторон листов и в сварочных швах. Воздействие ГМП ортогонально нахлестам повышает магнитное сопротивление металла сварочного шва, а сам металл листа переводит в полунасыщенное состояние т.к. металл магнитомягкий. В результате в направлении действия вектора ГМП снижается магнитная проницаемость – основной параметр эффективности ЭЭ.

Если применяют тонкие листы стали, у которых (δ>t) глубина скин-слоя δ больше толщины t листа, то при сближении листов эффект многократного отражения будет компенсировать эффект поглощения и эффективность экранирования будет ниже, чем в случае оптимального зазора между листами например d/D =0,1.

Эффект «близости» (или лучше сказать «эффект разделения») является основным механизмом эффективности МЭЭ. Оптимизация эффекта «близости» является одним из основных принципов при разработке эффективной конструкции МЭЭ. Только хорошо понимая механизмы экранирования, можно обеспечить условия при которых ферромагнитные материалы будут рационально использованы и эффективны при создании МЭЭ для защиты от индукций низкочастотных токов несколько тысяч ампер и мощных электромагнитных импульсов.

Сравнительные испытания

В эксперименте (рис. 11) использовались 5 листов размерами А4–А5, толщиной t=1 мм, с начальной магнитной проницаемостью µ =1300, одной и той же изотропной электротехнической марки стали. На расстоянии 25 мм от Ад последовательно собирают 5 листов в один пакет и каждый раз фиксируют показания ИП (2). Затем сжатый пакет листов перемещают через 25 мм по направлению к ИП, фиксируя его показания (3).

Рис.11. а) Схема эксперимента. б) Оценка эффективности экранирования ЛПП МП ПЧ одним листом и пакетом из 5-ти листов стали толщиной по 1 мм в сравнении с 2-х листовым экраном с зазором d от 25 до 125 мм.

Устанавливают один лист на расстоянии 25 мм от Ад, а второй лист последовательно передвигают через 25 мм, увеличивая зазор между листами, и каждый раз фиксируют показания ИП (4).

При зазоре между двумя листами d=100 мм на расстоянии 50 мм от каждого листа устанавливают третий лист, фиксируют показания ИП.

Имитируют двухточечное заземление листов, перемыкая листы с разных сторон длинным проводником.

Как видно из рис. 11, 2 листа с зазором 100 мм эффективнее экрана в пакете из 5-ти листов в 3,28/2=1,64раза. При установке в середине зазора d=100 мм 2-х листового экрана третьего листа на отметке 75 мм эффективность экранирования увеличивается не более15%. Чтобы обеспечить равную эффективность пакета и ЭЭ с зазором 100 мм необходимо пакет увеличить на 3 листа. Итого будет 5+3=8 листов, что по массе и стоимости металла не менее чем в 4-е раза больше показателей ЭЭ с зазором.

Если для экранирования 4-х–5-ти помещений встроенных ТП и ГРЩ необходимо 5–6 тонн стального листа толщиной 1 мм и шириной 1 метр при 2-х слойном ЭЭ с разделением, то только для одного пакета листов ЭЭ потребуется 8·4=32 тонны – железнодорожный вагон листа.

Заключение. Приведенный способ экранирования и конструкция МЭЭ обеспечивает защиту помещений здания, объекта от воздействия МП ПЧ встроенных ТП, ГРЩ, РУ и внутренних линий электропередачи. Трехслойный экран подавляет биологически опасные ЭПП МП ПЧ и обеспечивает затухание МП ПЧ ниже допустимого уровня санитарных норм (4 А/м) и уровня, определенного требованиями ЭМС (1–3 А/м) для охранных и пожарных устройств, приборов промышленной автоматики. МЭЭ дает возможность применять встроенные ТП с сухими трансформаторами 1000–2500 кВА. Обеспечивает арендатору защиту 100–200 кв. м. площади окружающих ТП помещений 1-го, 2-го и 3-го этажей от перевода их в разряд хозяйственных, безлюдных помещений и применения дорогих устройств пожарной и охранной автоматики. Подходы и принципы, приведенные в настоящем материале, могут быть полезны энергетикам, строителям, проектировщикам ЭЭ, электротехнических специальностей и разработчикам оборонной техники.