CN105512463A - 一种基于配电工房母排工频磁场的计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于配电工房母排工频磁场的计算方法，获取配电工房中各母排的起始位置、宽度和间距值并通过输入单元输入到数据处理单元；建立工频磁场计算模型；计算单相母排周围空间点的单相磁场强度；根据单相磁场强度利用叠加原理计算三相母排在空间所形成的整体磁场强度；将母排的各起始位置、宽度和间距值与对应的整体磁场强度按照相应关系存储于存储单元。本发明根据磁感应强度与电流之间的关系，通过分析不同长度母线、不同间距母线在空间各个位置的磁场变化情况，最终求得各个参数与磁场强度之间的关系。该方法可应用于配电工房的母排工频磁场屏蔽方案设计。

Description

一种基于配电工房母排工频磁场的计算方法及系统

技术领域

本发明涉及配电工房母排领域，特别是一种基于配电工房母排工频磁场的计算方法。

背景技术

电磁兼容是配电系统中需要引起重视的必不可少的环节，与输电能否安全稳定运行及环境污染问题息息相关。在配电工房中，异开关柜、母排、电缆、变压器等设备会产生较强工频磁场。这些磁场如果不能及时得到有效屏蔽的话，会对设备的安全、稳定运行产生不利影响，同时会污染环境，对人体健康产生负面影响。如果变压器装有屏蔽外壳，它所产生的电力系统工频磁场(PowerFrequencyMagneticFields,PFMFs)可以较好地被限制在屏蔽外壳内；电缆由于三相线紧密相邻，三相平衡电流产生的磁场基本上相互抵消；而三相母排由于相互存在一定的间距，三相平衡电流产生的磁场不能有效地相互抵消，因此母线是配电房PFMFs的主要源头。

目前国内外对建筑物电磁环境的评估没有统一的标准，而且评估尚处于对建筑物内的电磁场进行测量，事后采取一些补偿性的屏蔽措施，很少有在建筑方案设计前就充分考虑并分析其可能存在的电磁污染并采取相关的有效解决措施。然而当电磁场强度比较大时，这种事后补偿措施就显得不合适了。近十几年来，随着人们对电能质量的要求越来越高，保持电气设备处在良好的电磁环境，是电网安全、稳定运行的重要保障之一。

因此，需要一种能对配电工房母排工频磁场进行计算的方法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种能对配电工房母排工频磁场进行计算的方法。

该方法针应用于配电工房母排工频磁场的屏蔽建设；通过分析配电工房的母排电流所产生的磁感应强度，采用模拟电流的方法，分析母排的各项参数对电磁场强度的影响；从而为配电工房母排工频磁场屏蔽的规划提供理论依据。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的：

本发明提供的一种基于配电工房母排工频磁场的计算方法，包括以下步骤：

获取配电工房中各母排的起始位置、宽度和间距值并通过输入单元输入到数据处理单元；

在数据处理单元建立有限长载流导线周围的工频磁场的计算模型；

所述计算模型中以母排起始位置为原点建立坐标系；并根据输入单元输入的各母排的宽度和间距值分别计算单相母排周围空间点的单相磁场强度；根据单相磁场强度利用叠加原理计算三相母排在空间所形成的整体磁场强度；

将母排的各起始位置、宽度和间距值与对应的整体磁场强度按照相应关系存储于存储单元。

进一步，所述工频磁场中计算单相磁场强度的计算模型按照以下公式进行：

$\begin{array}{c}dB=\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}\sin \mathrm{\θ}}{4{\mathrm{\πr}}^2}dq\\ =\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}R\mathrm{\λ}}{4{\mathrm{\πr}}^3}dY\end{array}$

式中，

r为电荷元到测量点P的距离；

R为点到导线的垂直距离。

dB为电荷元在空间点产生的磁感应强度。

进一步，所述三相母排在空间所形成的整体磁场强度的计算模型按照以下公式进行：

$\begin{array}{c}B={\∫}_H^{H+b}{\∫}_0^L\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}IR}{4{\mathrm{\πbr}}^3}dYdZ\\ =\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\π}b}{\∫}_H^{H+b}\frac{1}{R}\[\frac{y}{\sqrt{R^2+y^2}}+\frac{L-y}{\sqrt{R^2+{(L-y)}^2}}\]dZ\end{array};$

式中，B为通入三相对称电流时的磁场强度：

表示三相对称电流时的磁场强度；

表示单相电流时磁场强度；

H为下边沿距离地面高度；

b为母排的宽度；

R为空间点到母排的距离；

I为电流强度。

进一步，所述不同母排的参数包括母排下边沿距离地面高度、母排的宽度、母排间距。

本发明还提供了一种基于配电工房母排工频磁场的计算系统，包括输入单元、数据处理单元和存储单元；

所述输入单元，用于获取配电工房中各母排的起始位置、宽度和间距值并通过输入单元输入到数据处理单元；

所述数据处理单元，用于在数据处理单元建立有限长载流导线周围的工频磁场的计算模型；所述计算模型中以母排起始位置为原点建立坐标系；并根据输入单元输入的各母排的宽度和间距值分别计算单相母排周围空间点的单相磁场强度；根据单相磁场强度利用叠加原理计算三相母排在空间所形成的整体磁场强度；

所述存储单元，用于将母排的各起始位置、宽度和间距值与对应的整体磁场强度按照相应关系存储于存储单元。

进一步，所述工频磁场中计算单相磁场强度的计算模型按照以下公式进行：

$\begin{array}{c}dB=\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}sin\mathrm{\θ}}{4{\mathrm{\πr}}^2}dq\\ =\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}R\mathrm{\λ}}{4{\mathrm{\πr}}^2}dY\end{array}$

式中，

r为电荷元到测量点P的距离；

R为点到导线的垂直距离。

dB为电荷元在空间点产生的磁感应强度。

进一步，所述三相母排在空间所形成的整体磁场强度的计算模型按照以下公式进行：

$\begin{array}{c}B={\∫}_H^{H+b}{\∫}_0^L\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}IR}{4{\mathrm{\πbr}}^3}dYdZ\\ =\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\π}b}{\∫}_H^{H+b}\frac{1}{R}\[\frac{y}{\sqrt{R^2+y^2}}+\frac{L-y}{\sqrt{R^2+{(L-y)}^2}}\]dZ\end{array};$

式中，B为通入三相对称电流时的磁场强度：

表示三相对称电流时的磁场强度；

表示单相电流时磁场强度；

H为下边沿距离地面高度；

b为母排的宽度；

R为空间点到母排的距离；

I为电流强度。

进一步，所述不同母排的参数包括母排下边沿距离地面高度、母排的宽度、母排间距。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明根据磁感应强度与电流之间的关系，计算出有限长导线的空间电磁场分布计算；建立合适的空间坐标系，以母排起始位置为对应原点，沿母排电流轴向建立坐标系，用运动电荷概念和毕奥—萨伐尔定律，采用数值分析积分法计算出单相母排附近空间点的磁感应强度。将三相电流产生的磁效应进行叠加，算出三相母排通大电流时空间的磁场强度公式。通过分析不同长度母线、不同间距母线在空间各个位置的磁场变化情况，最终求得各个参数与磁场强度之间的关系。最终可应用于配电工房的母排工频磁场屏蔽方案设计。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为有限长导线周围工频磁场计算的几何图。

图2为母排周围工频磁场计算的几何图。

图3为本发明的不同空间高度的磁场变化情况。

图4为本发明的不同母线长度L的磁场变化情况。

图5为本发明的不同母排间距d的磁场变化情况。

图6为本发明的不同母排宽度b的磁场变化情况。

图7为本发明的基于配电工房母排工频磁场的计算方法流程图。

图8为本发明的基于配电工房母排工频磁场的计算系统图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图所示，本实施例提供的一种基于配电工房母排工频磁场的计算方法，应用于配电工房三相母排设计系统，该系统包括输入单元、数据处理单元和存储单元；包括以下步骤：

所述输入单元用于获取配电工房中各母排的起始位置、宽度和间距值并通过输入单元输入到数据处理单元；

所述数据处理单元用于在数据处理单元建立有限长载流导线周围的工频磁场的计算模型；

所述计算模型中以母排起始位置为原点建立坐标系；并根据输入单元输入的各母排的宽度和间距值分别计算单相母排周围空间点的单相磁场强度；根据单相磁场强度利用叠加原理计算三相母排在空间所形成的整体磁场强度；

所述存储单元用于将母排的各起始位置、宽度和间距值与对应的整体磁场强度按照相应关系存储于存储单元。

所述工频磁场中计算单相磁场强度的计算模型按照以下公式进行：

$\begin{array}{c}dB=\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}sin\mathrm{\θ}}{4{\mathrm{\πr}}^2}dq\\ =\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}R\mathrm{\λ}}{4{\mathrm{\πr}}^2}dY\end{array}$

式中，

r为电荷元到测量点P的距离；

R为点到导线的垂直距离。

dB为电荷元在空间点产生的磁感应强度。

所述三相母排在空间所形成的整体磁场强度的计算模型按照以下公式进行：

$\begin{array}{c}B={\∫}_H^{H+b}{\∫}_0^L\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}IR}{4{\mathrm{\πbr}}^3}dYdZ\\ =\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\π}b}{\∫}_H^{H+b}\frac{1}{R}\[\frac{y}{\sqrt{R^2+y^2}}+\frac{L-y}{\sqrt{R^2+{(L-y)}^2}}\]dZ\end{array};$

式中，B为通入三相对称电流时的磁场强度：

H为下边沿距离地面高度；

b为母排的宽度；

R为空间点到母排的距离；

I为电流强度。

所述不同母排的参数包括母排下边沿距离地面高度、母排的宽度和母排间距。

实施例2

参见图1，根据运动电荷磁场的表达式，求得有限长载流导线周围的电磁场分布的计算模型。

电荷元在空间点产生的磁感应强度：

$\begin{array}{c}dB=\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}sin\mathrm{\θ}}{4{\mathrm{\πr}}^2}dq\\ =\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}R\mathrm{\λ}}{4{\mathrm{\πr}}^3}dY\end{array}$

式中，为电荷元到测量点P的距离；

为点到导线的垂直距离。

参见图2，以母排起始位置对应原点，沿母排电流轴向建立y轴，建立空间坐标系。将金属薄板视为有许多有限长直导线组成。用运动电荷概念和毕奥—萨伐尔定律可导出：

运动电荷产生的磁场强度：

$\begin{array}{c}B={\∫}_H^{H+b}{\∫}_0^L\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}IR}{4{\mathrm{\πbr}}^3}dYdZ\\ =\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\π}b}{\∫}_H^{H+b}\frac{1}{R}\[\frac{y}{\sqrt{R^2+y^2}}+\frac{L-y}{\sqrt{R^2+{(L-y)}^2}}\]dZ\end{array}$

通入三相对称电流时的磁场强度：

式中，H为下边沿距离地面高度；

b为母排的宽度；

R为空间点到母排的距离；

I为电流强度。

参见图3，由上式可知，在靠近母排的地方，B值较大，且随距离的增大表现出非线性衰减的趋势；参见图4，母线长度L小于4m时，随母线长度的增加，B也随之增大，变化较快；L在4～10m范围内时，随母线长度的增加，B随之减小并趋于稳定值；当L大于10m之后，B值基本上保持不变。由图5可知，随母排间距的增加，B随之增大；而后随之减小。因此，为了减小母排磁场的强度，可尽量缩短母排之间的间距。但间距太小可能导致邻近效应突出，各相之间相互影响；同时为避免短路事故，还应做好母排间隙的绝缘。由图6说明了随b增大，B减小。这一规律提示了另一种减小磁污染的手段。不过增大母排宽度将增大成本，同时也受到配电房空间的局限。根据以上计算结果，最终可为母排产生的工频磁场屏蔽设计提供参考。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于配电工房母排工频磁场的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取配电工房中各母排的起始位置、宽度和间距值并通过输入单元输入到数据处理单元；

在数据处理单元建立有限长载流导线周围的工频磁场的计算模型；

所述计算模型中以母排起始位置为原点建立坐标系；并根据输入单元输入的各母排的宽度和间距值分别计算单相母排周围空间点的单相磁场强度；根据单相磁场强度利用叠加原理计算三相母排在空间所形成的整体磁场强度；

将母排的各起始位置、宽度和间距值与对应的整体磁场强度按照相应关系存储于存储单元。

2.如权利要求1所述的基于配电工房母排工频磁场的计算方法，其特征在于：所述工频磁场中计算单相磁场强度的计算模型按照以下公式进行：

$\begin{array}{c}dB=\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}\sin \mathrm{\θ}}{4{\mathrm{\πr}}^2}dq\\ =\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}R\mathrm{\λ}}{4{\mathrm{\πr}}^3}dY\end{array}$

式中，

r为电荷元到测量点P的距离；

R为点到导线的垂直距离。

dB为电荷元在空间点产生的磁感应强度。

3.如权利要求1所述的基于配电工房母排工频磁场的计算方法，其特征在于：所述三相母排在空间所形成的整体磁场强度的计算模型按照以下公式进行：

$\begin{array}{c}B={\∫}_H^{H+b}{\∫}_0^L\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}IR}{4{\mathrm{\πbr}}^3}dYdZ\\ =\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\π}b}{\∫}_H^{H+b}\frac{1}{R}\[\frac{y}{\sqrt{R^2+y^2}}+\frac{L-y}{\sqrt{R^2+{(L-y)}^2}}\]dZ\end{array};$

式中，B为通入三相对称电流时的磁场强度：

表示三相对称电流时的磁场强度；

表示单相电流时磁场强度；

H为下边沿距离地面高度；

b为母排的宽度；

R为空间点到母排的距离；

I为电流强度。

4.如权利要求1所述的基于配电工房母排工频磁场的计算方法，其特征在于：所述不同母排的参数包括母排下边沿距离地面高度、母排的宽度、母排间距。

5.一种基于配电工房母排工频磁场的计算系统，其特征在于：包括输入单元、数据处理单元和存储单元；

所述输入单元，用于获取配电工房中各母排的起始位置、宽度和间距值并通过输入单元输入到数据处理单元；

所述数据处理单元，用于在数据处理单元建立有限长载流导线周围的工频磁场的计算模型；所述计算模型中以母排起始位置为原点建立坐标系；并根据输入单元输入的各母排的宽度和间距值分别计算单相母排周围空间点的单相磁场强度；根据单相磁场强度利用叠加原理计算三相母排在空间所形成的整体磁场强度；

所述存储单元，用于将母排的各起始位置、宽度和间距值与对应的整体磁场强度按照相应关系存储于存储单元。

6.如权利要求5所述的基于配电工房母排工频磁场的计算系统，其特征在于：所述工频磁场中计算单相磁场强度的计算模型按照以下公式进行：

$\begin{array}{c}dB=\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}\sin \mathrm{\θ}}{4{\mathrm{\πr}}^2}dq\\ =\frac{-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\υ}R\mathrm{\λ}}{4{\mathrm{\πr}}^3}dY\end{array}$

式中，

r为电荷元到测量点P的距离；

R为点到导线的垂直距离。

dB为电荷元在空间点产生的磁感应强度。

7.如权利要求5所述的基于配电工房母排工频磁场的计算系统，其特征在于：所述三相母排在空间所形成的整体磁场强度的计算模型按照以下公式进行：

$\begin{array}{c}B={\∫}_H^{H+b}{\∫}_0^L\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}IR}{4{\mathrm{\πbr}}^3}dYdZ\\ =\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\π}b}{\∫}_H^{H+b}\frac{1}{R}\[\frac{y}{\sqrt{R^2+y^2}}+\frac{L-y}{\sqrt{R^2+{(L-y)}^2}}\]dZ\end{array};$

式中，B为通入三相对称电流时的磁场强度：

表示三相对称电流时的磁场强度；

表示单相电流时磁场强度；

H为下边沿距离地面高度；

b为母排的宽度；

R为空间点到母排的距离；

I为电流强度。

8.如权利要求5所述的基于配电工房母排工频磁场的计算系统，其特征在于：所述母排的参数包括母排下边沿距离地面高度、母排的宽度和母排间距。