CN105514898B - 一种抑制电磁散射的磁环优化组合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抑制电磁散射的磁环优化组合方法，包括：(1)选择工作频率大于截止频率的磁环；(2)确定所述磁环的磁导率；(3)导线增加磁环后，确定所述磁环的电感及感抗增量；(4)导线增加磁环后，确定所述导线与磁环的等效电感、等效电阻及等效感抗；(5)将M类磁环进行组合，确定磁环组的抑制电磁散射效率；本发明提供的方法，能够通过在输电线路特定区域加载铁氧体磁环的方式，减小高压架空输电线路的感应电流，从源头上抑制输电线路产生的电磁散射。
Description
技术领域
本发明涉及高压输变电工程电磁兼容领域，具体涉及一种抑制电磁散射的磁环优化组合方法。
背景技术
高压架空输电线路对无线电台站形成的电磁散射，主要来自高压架空导线和铁塔受无线电信号的电磁场激励产生的感应电流，此感应电流通过金属构架向空间辐射电磁波，辐射电磁波与源信号产生同频干扰，将会改变原无线电信号的幅值和相位。
关于减小输电线路电磁散射的方法，目前国内外关于高压输电线路电磁散射的解决方法都是采取保持一定的防护间距，拉开高压输电线路与需要保护的无线台站之间的距离，利用电磁波的自然衰减，来规避高压输电线路电磁散射对无线台站的影响。这种防护间距具有较大的安全裕度，在土地资源稀缺的地区通常很难满足防护间距的要求。
磁环是电磁兼容领域常用的磁性材料产品，在整个架空线路上全线串满磁环或者涂满磁粉，从理论上来说是可以在一定程度上抑制电磁散射的。但这种做法存在如下缺点：1、增大线路功率损耗；2、影响线路的防雷设计；3、可能对需要抑制的电磁波无法起到预期的效果。并且对于已经架设好的线路，无法用完整的磁环加装，此时需要将磁环从中心切为两半后在卡套在导线上。磁环虽在导线上安装固定好，但是两个半圆之间仍不可避免的存在气隙，而气隙会降低初始磁导率。因此必须对铁氧体磁环参数进行合理的选取，并考虑实际使用时剖开的情况，这是整个抑制方法的关键点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种抑制电磁散射的磁环优化组合方法，能够通过在输电线路特定区域加载铁氧体磁环的方式，减小高压架空输电线路的感应电流，从源头上抑制输电线路产生的电磁散射。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种抑制电磁散射的磁环优化组合方法，其改进之处在于，包括：
(1)选择工作频率大于截止频率的磁环；
(2)确定所述磁环的磁导率；
(3)导线增加磁环后，确定所述磁环的电感及感抗增量；
(4)导线增加磁环后，确定所述导线与磁环的等效电感、等效电阻及等效感抗；
(5)将不同类的磁环进行组合，确定磁环组的抑制电磁散射效率。
优选的，所述步骤(2)中，所述磁环未被切开时的磁导率的计算公式为：
式(1)中，μ0为真空磁导率，B为恒稳磁场中磁感应强度，H为恒稳磁场中磁场强度，δ为磁场中磁感应强度与磁场强度的相位差；
所述磁环被切开时的磁导率μe的计算公式为：
式(2)中，为所述磁环未被切开时的磁导率，Ml为磁路长度，g为气隙长度。
优选的，所述步骤(3)中，所述磁环的磁通为：
式(2)中，D0为所述磁环外直径，Di为所述磁环内直径，I为所述磁环套在导线上时穿过所述磁环的电流，l为所述磁环的长度，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率；
确定所述磁环的电感L，公式为：
确定所述磁环的感抗增量ΔX，公式为：
ΔX＝jω(L-La) (4)
式(4)中，La为无磁环时空气介质的电感，L所述磁环的电感，ω为角频率。
优选的，所述步骤(4)中，当所述磁环未被切开时，导线增加磁环后，所述导线与磁环的等效感抗ΔZ的公式为：
式(5)中，ω为角频率，μ0为真空磁导率，为所述磁环未被切开时的磁导率，D0为所述磁环外直径，Di为所述磁环内直径，l为所述磁环的长度，Li为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感，Ri为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
其中，当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感Li的计算公式为：
式(6)中，ΔX为所述磁环的感抗增量，μa为所述磁环未被切开时的磁通率的实部；
当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电阻Ri的计算公式为：
式(7)中，μb为所述磁环未被切开时的磁通率的虚部，f为所述磁环的工作频率。
进一步的，所述步骤(4)中，当所述磁环被切开时，导线增加磁环后，所述导线与磁环的等效感抗ΔZ′的公式为：
式(8)中，ω为角频率，μ0为真空磁导率，μe为所述磁环被切开时的磁导率，D0为所述磁环外直径，Di为所述磁环内直径，l为所述磁环的长度，Li′为当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电感，Ri′为当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
其中，当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电感Li′的计算公式为：
式(9)中，ΔX为所述磁环的感抗增量，μa′为所述磁环被切开时的磁通率的实部；
当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电阻Ri′的计算公式为：
式(10)中，μb′为所述磁环被切开时的磁通率的虚部，f为所述磁环的工作频率。
优选的，所述步骤(5)中，所述磁环组的抑制电磁散射效率SE为：
式(11)中，R为所述磁环组的电阻，L为所述磁环组的电感，f为所述磁环组的工作频率，Z0为线路波阻抗。
进一步的，当所述磁环未被切开时，所述磁环组的电阻R的公式为：
式(12)中，Nk为第k类磁环的总数，M为磁环的类别数，Ri为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
当所述磁环未被切开时，所述磁环组的电感L的公式为：
式(13)中，Li为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感。
进一步的，当所述磁环被切开时，所述磁环组的电阻R的公式为：
式(14)中，Nk为第k类磁环的总数，M为磁环的类别数，Ri′为当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
当所述磁环被切开时，所述磁环组的电感L的公式为：
式(15)中，Li′为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感。
优选的，所述步骤(5)中，将不同类的磁环进行组合，控制所述磁环组的抑制电磁散射效率SE为75％。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提供的一种抑制电磁散射的磁环优化组合方法，根据需要抑制的频率选取工作频域较宽的磁环，然后测量这几种磁环的阻抗特性，同时考虑磁环开口后的特性，最后根据需要抑制的感应电流的比例来合理组合磁环，在特定频率作用下呈现高阻抗状态，能够最大程度上抑制感应电流，通过实验发现，抑制效果达到75％以上，整个线路感应电流分布也受到很大的抑制，从源头上抑制输电线路产生的电磁散射。
附图说明
图1是本发明提供的一种抑制电磁散射的磁环优化组合方法流程图；
图2是本发明实施例提供的磁环结构图；
图3是本发明实施例提供的试验仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种抑制电磁散射的磁环优化组合方法，其中，磁环是电磁兼容领域常用的磁性材料产品。磁性材料可以分为软磁材料，永磁材料，信磁材料，特磁材料等。其中软磁材料被广泛应用于电机工程，如制造发电机和电动机的定子和转子；变压器、电感器的铁芯；磁路的导磁体等。软磁材料具有高的初始磁导率μi和最大导磁率μmax，低的矫顽力Hc，高的饱和磁化强度Ms和低的剩余磁感应强度Br等特点。现在所应用的软磁材料主要有诸如硅钢(Fe-Si)、坡莫合金(Fe-Ni)的合金软磁材料，发展最早、应用最广的Mn-Zn系、Ni-Zn系、Mg-Zn系等铁氧体软磁材料，以及磁性材料发展史具有里程碑意义的非晶软磁材料和纳米晶软磁材料。其中，抗EMI材料主要分为2大类:铁氧体软磁材料和非晶纳米软磁材料。其中铁氧体系列软磁材料发展时间较长，并且价格低廉。主要包括MnZn，NiZn，MgZn材料等，如图1所示，所述方法包括：
(1)选择工作频率大于截止频率的磁环；
其中，磁环的截止频率为磁环的磁导率的实部下降至初始值的一半或磁环的磁导率的虚部上升至极大值时所对应的频率。
(2)确定所述磁环的磁导率；
(3)导线增加磁环后，确定所述磁环的电感及感抗增量；
(4)导线增加磁环后，确定所述导线与磁环的等效电感、等效电阻及等效感抗；
(5)将不同类的磁环进行组合，确定磁环组的抑制电磁散射效率。
所述步骤(2)中，对于已经架设好的线路，可能无法用完整的磁环加装，因此需要将磁环从中心切为两半后在卡套在导线上。磁环虽在导线上安装固定好，但是两个半圆之间仍不可避免的存在气隙，而气隙会降低初始磁导率，因此计算所述磁环的磁导率分别包括：
所述磁环未被切开时的磁导率的计算公式为：
式(1)中，μ0为真空磁导率，B为恒稳磁场中磁感应强度，H为恒稳磁场中磁场强度，δ为磁场中磁感应强度与磁场强度的相位差；
所述磁环被切开时的磁导率μe的计算公式为：
式(2)中，为所述磁环未被切开时的磁导率，Ml为磁路长度，g为气隙长度。
所述步骤(3)中，所述磁环的磁通为：
式(2)中，所述磁环的结构如图2所示，D0为所述磁环外直径，Di为所述磁环内直径，I为所述磁环套在导线上时穿过所述磁环的电流，l为所述磁环的长度，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率；
确定所述磁环的电感L，公式为：
确定所述磁环的感抗增量ΔX，公式为：
ΔX＝jω(L-La) (4)
式(4)中，La为无磁环时空气介质的电感，L所述磁环的电感，ω为角频率。
所述步骤(4)中，当所述磁环未被切开时，导线增加磁环后，所述导线与磁环的等效感抗ΔZ的公式为：
式(5)中，ω为角频率，μ0为真空磁导率，为所述磁环未被切开时的磁导率，D0为所述磁环外直径，Di为所述磁环内直径，l为所述磁环的长度，Li为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感，Ri为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
其中，当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感Li的计算公式为：
式(6)中，ΔX为所述磁环的感抗增量，μa为所述磁环未被切开时的磁通率的实部；
当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电阻Ri的计算公式为：
式(7)中，μb为所述磁环未被切开时的磁通率的虚部，f为所述磁环的工作频率。
所述步骤(4)中，当所述磁环被切开时，导线增加磁环后，所述导线与磁环的等效感抗ΔZ′的公式为：
式(8)中，ω为角频率，μ0为真空磁导率，μe为所述磁环被切开时的磁导率，D0为所述磁环外直径，Di为所述磁环内直径，l为所述磁环的长度，Li′为当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电感，Ri′为当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
其中，当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电感Li′的计算公式为：
式(9)中，ΔX为所述磁环的感抗增量，μa′为所述磁环被切开时的磁通率的实部；
当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电阻Ri′的计算公式为：
式(10)中，μb′为所述磁环被切开时的磁通率的虚部，f为所述磁环的工作频率。
所述步骤(5)中，所述磁环组的抑制电磁散射效率SE为：
式(11)中，R为所述磁环组的电阻，L为所述磁环组的电感，f为所述磁环组的工作频率，Z0为线路波阻抗。
当所述磁环未被切开时，所述磁环组的电阻R的公式为：
式(12)中，Nk为第k类磁环的总数，M为磁环的类别数，Ri为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
当所述磁环未被切开时，所述磁环组的电感L的公式为：
式(13)中，Li为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感。
当所述磁环被切开时，所述磁环组的电阻R的公式为：
式(14)中，Nk为第k类磁环的总数，M为磁环的类别数，Ri′为当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
当所述磁环被切开时，所述磁环组的电感L的公式为：
式(15)中，Li′为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感。
所述步骤(5)中，不同种类磁环具有不同的阻抗特性，最大阻抗对应的频率也不一样，对感应电流的抑制效果也不一样。通过对不同种类磁环的组合，对感应电流抑制效果会产生很大的变化。在短波频段(0.15～30MHz频段)电磁散射的抑制，常用的锰锌和镍锌材料的磁环很难全部满足这一条件。因此需要不同材质的磁环组合成磁环组。依据磁性材质和所要抑制的无线电干扰频段，将不同类型的磁环进行组合，构成磁环组。将M类磁环进行组合，控制所述磁环组的抑制电磁散射效率SE为75％。
实施例：
为了验证架空输电线路串联磁环对电磁散射抑制的有效性，开展了架空线路串联磁环的电磁散射试验，仿真试验如图3所示；
试验过程中，架空线路长13m，距地面4.26m，线路为单根铜线，且与杆塔相连，使用金属铁塔悬挂金属线路，在金属线路上分别串联磁环，杆塔底部通过接地铜带接地。采用试验设备型号及参数如下：
1.瑞士Schaffner公司2023型信号发生器
频率范围：9kHz～1.2GHz；输出电平：-140dBmV～+13dBmV；
2.瑞士Schaffner公司CBL6140A型辐射天线
频率范围：26MHz～2GHz；输入阻抗：50W；连续输入功率：≤500W；
3.国产ZN30505A型双锥天线
频率范围：20MHz～300MHz；输入阻抗：50W；连续输入功率：≤100W；
4.Fischer F-15电流测量探头
频率范围：10kHz～500MHz；输入阻抗：50W；连续输入功率：≤200W；
5.德国R&S频谱分析仪FSH4
频率范围：9kHz～3.6GHz；输入阻抗：50W；连续输入功率：≤200W；
固定发射天线与架空输电线路相距100m不变，发射无线波频率为30MHz，试验用架空输电线路总长为13m，设置37个测量点，通过电流线圈测量架空输电线路上感应的电流并通过手持接收机接收测量结果，主要包括以下内容：
1.发射天线工作时，架空线路上不串联磁环的测量结果；
2.发射天线工作时，架空输电线路上串联10个PC95的测量结果；
3.发射天线工作时，架空输电线路上串联10个7K的测量结果；
4.发射天线工作时，架空输电线路上串联5个Z4H的测量结果；
5.发射天线工作时，架空输电线路上串联磁环组的测量结果；
试验测量结果如表1所示：
表1架空线路串联磁环的电磁散射试验测量结果
通过在输电线路上串联不同种类的磁环，对于输电线路感应电流的抑制效果有比较大的差异，其中磁环组的抑制效果最好，能够明显抑制输电线路上的感应电流的磁环组的抑制效果为75％。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种抑制电磁散射的磁环组合方法，其特征在于，包括：
(1)选择工作频率大于截止频率的磁环；
(2)确定所述磁环的磁导率；
(3)导线增加磁环后，确定所述磁环的电感及感抗增量；
(4)导线增加磁环后，确定所述导线与磁环的等效电感、等效电阻及等效感抗；
(5)将不同类的磁环进行组合，确定磁环组的抑制电磁散射效率；
所述步骤(5)中，所述磁环组的抑制电磁散射效率SE为：
式(11)中，R为所述磁环组的电阻，L为所述磁环组的电感，f为所述磁环组的工作频率，Z0为线路波阻抗。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述磁环未被切开时的磁导率的计算公式为：
式(1)中，μ0为真空磁导率，B为恒稳磁场中磁感应强度，H为恒稳磁场中磁场强度，δ为磁场中磁感应强度与磁场强度的相位差；
所述磁环被切开时的磁导率μe的计算公式为：
式(2)中，为所述磁环未被切开时的磁导率，Ml为磁路长度，g为气隙长度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述磁环的磁通为：
式(2)中，D0为所述磁环外直径，Di为所述磁环内直径，I为所述磁环套在导线上时穿过所述磁环的电流，l为所述磁环的长度，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率；
确定所述磁环的电感L，公式为：
确定所述磁环的感抗增量ΔX，公式为：
ΔX＝jω(L-La) (4)
式(4)中，La为无磁环时空气介质的电感，L所述磁环的电感，ω为角频率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，当所述磁环未被切开时，导线增加磁环后，所述导线与磁环的等效感抗ΔZ的公式为：
式(5)中，ω为角频率，μ0为真空磁导率，为所述磁环未被切开时的磁导率，D0为所述磁环外直径，Di为所述磁环内直径，l为所述磁环的长度，Li为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感，Ri为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
其中，当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感Li的计算公式为：
式(6)中，ΔX为所述磁环的感抗增量，μa为所述磁环未被切开时的磁通率的实部；
当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电阻Ri的计算公式为：
式(7)中，μb为所述磁环未被切开时的磁通率的虚部，f为所述磁环的工作频率。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，当所述磁环被切开时，导线增加磁环后，所述导线与磁环的等效感抗ΔZ′的公式为：
式(8)中，ω为角频率，μ0为真空磁导率，μe为所述磁环被切开时的磁导率，D0为所述磁环外直径，Di为所述磁环内直径，l为所述磁环的长度，Li′为当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电感，Ri′为当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
其中，当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电感Li′的计算公式为：
式(9)中，ΔX为所述磁环的感抗增量，μa′为所述磁环被切开时的磁通率的实部；
当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电阻Ri′的计算公式为：
式(10)中，μb′为所述磁环被切开时的磁通率的虚部，f为所述磁环的工作频率。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述磁环未被切开时，所述磁环组的电阻R的公式为：
式(12)中，Nk为第k类磁环的总数，M为磁环的类别数，Ri为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
当所述磁环未被切开时，所述磁环组的电感L的公式为：
式(13)中，Li为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述磁环被切开时，所述磁环组的电阻R的公式为：
式(14)中，Nk为第k类磁环的总数，M为磁环的类别数，Ri′为当所述磁环被切开时所述导线与磁环的等效电阻；
当所述磁环被切开时，所述磁环组的电感L的公式为：
式(15)中，Li′为当所述磁环未被切开时所述导线与磁环的等效电感。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，将不同类的磁环进行组合，控制所述磁环组的抑制电磁散射效率SE为75％。
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