CN107148206B - 一种屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽设计方法，其特征在于，该方法将矩形截面金属屏蔽槽等效为同材料且边长等于所述矩形宽度的正方形截面金属屏蔽槽，通过对所述正方形截面金属屏蔽槽的分析获取符合设定极低频磁场屏蔽率的矩形截面金属屏蔽槽的材料与尺寸，所述矩形宽度为屏蔽槽横截面平行于磁场源布置方向的边的边长。与现有技术相比，本发明具有提高矩形截面屏蔽槽设计效率等优点，并可使矩形截面金属屏蔽槽的实际屏蔽率和设计屏蔽率之间的偏差可以达到5％以内。

Description

一种屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽设计方法
技术领域
本发明涉及极低频磁场屏蔽技术领域，尤其是涉及一种屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽设计方法。
背景技术
极低频磁场是指频率处于3Hz～300Hz范围的交变磁场，普遍存在于载有极低频交流电流的线路或设施周围，例如，交流高低压输配电线路周围的工频(50Hz或60Hz)磁场。随着敏感电子设备的普及，经常出现变、配电线路周围的极低频磁场水平需要控制的场合，即需要屏蔽线路周围的极低频磁场。轴对称形状的金属管屏蔽的设计已有简化方法，即屏蔽效率的计算有简化公式可以估算。相对较对称的正方形截面金属屏蔽槽的设计也已经有比较便捷专利方法“一种屏蔽极低频磁场的正方形截面金属屏蔽槽设计方法”。实际工程中，配电线路更多采用矩形截面金属线槽敷设方式，这种金属线槽本身对极低频磁场有屏蔽作用，将其设计成屏蔽槽即可起到敷设电缆或母线排和屏蔽极低频磁场的双重作用。而矩形截面金属槽屏蔽的设计仍需要采用数值计算方法，借助电磁场数值计算软件来实现。这在工程应用中极为不便。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽设计方法，该方法将矩形截面金属屏蔽槽等效为同材料且边长等于所述矩形宽度的正方形截面金属屏蔽槽，通过对所述正方形截面金属屏蔽槽的分析获取符合设定极低频磁场屏蔽率的矩形截面金属屏蔽槽的材料与尺寸，所述矩形宽度为屏蔽槽横截面平行于磁场源布置方向的边的边长。
该方法包括以下步骤：
A)获取设定极低频磁场屏蔽率St；
B)根据被屏蔽极低频磁场源的布置状态及强度绝缘要求初始化矩形截面金属屏蔽槽的材料和尺寸，所述尺寸包括矩形宽度、矩形高度和金属屏蔽槽厚度；
C)将步骤B)获得的矩形截面金属屏蔽槽等效为同材料且边长等于所述矩形宽度的正方形截面金属屏蔽槽，该正方形截面金属屏蔽槽的厚度与所述金属屏蔽槽厚度相同；
D)将步骤C)获得的正方形截面金属屏蔽槽等效为同材料等周长的圆截面金属屏蔽管；
E)计算所述圆截面金属屏蔽管的极低频磁场屏蔽率S’，以该极低频磁场屏蔽率S’作为所述正方形截面金属屏蔽槽的极低频磁场等效屏蔽率S；
F)判断所述极低频磁场等效屏蔽率S是否满足S≤St，若是，则保存当前的材料和尺寸，执行步骤G)，若否，则改变正方形截面金属屏蔽槽的材料和尺寸后，返回步骤D)；
G)以获得的正方形截面金属屏蔽槽的边长W1和厚度t1作为矩形截面金属屏蔽槽的矩形宽度和金属屏蔽槽厚度，设计完成。
所述步骤D)中，极低频磁场等效屏蔽率S简化计算为：
式中，中间参数K、k分别定义为：其中，δ为透入深度，r为圆截面金属屏蔽管的半径，t为圆截面金属屏蔽管的厚度，f为频率，μ为磁导率，σ为电导率。
所述步骤F)中，改变正方形截面金属屏蔽槽的材料和尺寸具体包括以下措施中的一种或多种：增加金属屏蔽槽的厚度、增大正方形截面的边长和选用更高相对磁导率的材料。
所述步骤B)中，被屏蔽极低频磁场源包括电缆、导线或母线。
所述矩形截面金属屏蔽槽的矩形截面高宽比为0.3-1.7。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明方法将矩形截面金属屏蔽槽等效为同材料边长等于矩形平行于磁场源布置方向的边长的正方形截面金属屏蔽槽，使得其极低频磁场屏蔽设计可以采用正方形截面金属屏蔽槽的屏蔽设计方法，避免了矩形截面屏蔽槽的设计需要采用数值计算方法借助电磁场数值计算软件来设计的麻烦，提高了工程设计效率。
(2)本发明方法适合于在工程实际中应用，金属屏蔽槽的实际屏蔽率和设计屏蔽率之间的偏差可以达到5％以内，满足工程设计精度要求。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为按磁场源布置方向定义矩形截面宽度和高度的示意图，其中，(2a)为磁场源布置方向平行于矩形长边的情况，(2b)为磁场源布置方向平行于矩形短边的情况；
图3为本发明正方形截面金属屏蔽槽等效为同材料等周长圆截面金属屏蔽管的示意图，其中，(3a)为磁场源布置方向平行于矩形长边的情况，(3b)为磁场源布置方向平行于矩形短边的情况。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
为实现矩形截面金属屏蔽槽的便捷设计，本发明提出一种基于矩形截面金属屏蔽槽与正方形截面金属屏蔽槽之间的屏蔽等价性原理的用于屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽的设计方法，该方法适用于矩形截面高宽比为0.3-1.7的矩形截面金属屏蔽槽的便捷设计。该方法将矩形截面金属屏蔽槽等效为同材料且边长等于所述矩形宽度的正方形截面金属屏蔽槽，通过对所述正方形截面金属屏蔽槽的分析获取符合设定极低频磁场屏蔽率的矩形截面金属屏蔽槽的材料与尺寸，所述矩形宽度为屏蔽槽横截面平行于磁场源布置方向的两边的边长，另外两边定义为矩形高度，如图2所示。
以屏蔽配电线路周围的工频(50Hz)磁场的矩形金属槽的设计为例。某380V三相单芯电缆配电线拟敷设于矩形截面的铝槽中，作为磁场源的载流导线的布置方向为平行于矩形截面的长边，如图(2a)所示，需按屏蔽槽设计，使其达到对工频磁场有0.35的屏蔽率。屏蔽率定义为S＝B1/B0，B1为有矩形截面铝屏蔽槽屏蔽以后线路附近某点的磁感应密度，B0为没有屏蔽时该点的磁感应密度。按本发明的具体步骤实施如下：
A.确定设计要求为矩形截面铝屏蔽槽的极低频磁场屏蔽率St＝0.35。
B.按被屏蔽极低频磁场源(工频380V三相单芯电缆配电线)的布置方向平行于矩形截面的长边，标记矩形截面的宽度和高度，如图(2a)所示。
C.本实施利已确定金属屏蔽槽的材料为铝，以满足安装布置、强度和绝缘要求为原则，初步确定矩形截面尺寸为宽度W＝300mm、高度H＝150mm、厚度t＝1.5mm。
D.将矩形截面金属屏蔽槽等效为边长等于矩形截面宽度W＝300mm的同材料正方形截面金属屏蔽槽，t＝1.5mm，如图(3a)所示。
E.设计满足屏蔽率S≤St＝0.35的正方形截面金属槽，将正方形截面铝屏蔽槽等效为等周长的铝屏蔽管，即半径为r＝191mm，厚度为t＝1.5mm的铝屏蔽管。
F.用轴对称铝屏蔽管的极低频磁场屏蔽率简化计算公式计算正方形截面金属屏蔽槽的极低频磁场等效屏蔽率S。用薄壁金属管的磁场屏蔽率简化计算公式
式中，为透入深度。
代入参数，f＝50Hz，铝为非磁性材料，磁导率μ＝4π×10-7，电导率σ＝3.6×107。厚度t＝0.0015m，r＝0.191m。计算可得S＝0.439。
检查屏蔽率S＝0.439大于St＝0.35，需增加正方形截面金属屏蔽槽的厚度，或增大边长，或选用更高相对磁导率的材料，或采用这些措施的组合。在本例中，因工程中已确定用铝槽，采用增大正方形截面边长的措施，边长增加到400mm，返回步骤C。重新计算，L＝0.4m时，等效为等周长的铝屏蔽管半径为r＝0.255m。按步骤D用式(1)计算得S＝0.344，小于St＝0.35。设计完成，确定采用边长为0.4m，厚度为1.5mm的正方形截面铝槽。
设计结果，边长为W1＝400mm，厚度为t1＝1.5mm的正方形截面铝槽能达到S≤St＝0.35。
G.宽度等于正方形截面屏蔽槽的边长W1＝400mm，高度为H＝150mm，厚度为t1＝150mm的矩形截面铝屏蔽槽即可满足设计要求，设计完成。
在本实施例中，如不采用本发明的方法，按现有方法，需要采用电磁场数值仿真软件计算正方形截面铝槽的工频磁场屏蔽率，需要建模计算，设计会复杂得多。另外，如果用现有方法，采用电磁场数值仿真软件，如Infolytica软件建模仿真计算，W＝400m，H＝150mm，t＝1.5mm的矩形截面铝屏蔽槽可计算得S＝0.335。与本发明方法的结果S＝0.344相比，差异小于2％。说明本发明方法不仅便捷易用，并且与现有方法相比设计精度足以满足工程设计需要。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽设计方法，其特征在于，该方法将矩形截面金属屏蔽槽等效为同材料且边长等于所述矩形宽度的正方形截面金属屏蔽槽，通过对所述正方形截面金属屏蔽槽的分析获取符合设定极低频磁场屏蔽率的矩形截面金属屏蔽槽的材料与尺寸，所述矩形宽度为屏蔽槽横截面平行于磁场源布置方向的边的边长，该方法包括以下步骤：
A)获取设定极低频磁场屏蔽率St；
B)根据被屏蔽极低频磁场源的布置状态及强度绝缘要求初始化矩形截面金属屏蔽槽的材料和尺寸，所述尺寸包括矩形宽度、矩形高度和金属屏蔽槽厚度；
C)将步骤B)获得的矩形截面金属屏蔽槽等效为同材料且边长等于所述矩形宽度的正方形截面金属屏蔽槽，该正方形截面金属屏蔽槽的厚度与所述金属屏蔽槽厚度相同；
D)将步骤C)获得的正方形截面金属屏蔽槽等效为同材料等周长的圆截面金属屏蔽管；
E)计算所述圆截面金属屏蔽管的极低频磁场屏蔽率S’，以该极低频磁场屏蔽率S’作为所述正方形截面金属屏蔽槽的极低频磁场等效屏蔽率S；
F)判断所述极低频磁场等效屏蔽率S是否满足S≤St，若是，则保存当前的材料和尺寸，执行步骤G)，若否，则改变正方形截面金属屏蔽槽的材料和尺寸后，返回步骤D)；
G)以获得的正方形截面金属屏蔽槽的边长W1和厚度t1作为矩形截面金属屏蔽槽的矩形宽度和金属屏蔽槽厚度，设计完成。
2.根据权利要求1所述的屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽设计方法，其特征在于，所述步骤D)中，极低频磁场等效屏蔽率S简化计算为：
式中，中间参数K、k分别定义为：其中，δ为透入深度，r为圆截面金属屏蔽管的半径，t为圆截面金属屏蔽管的厚度，f为频率，μ为磁导率，σ为电导率。
3.根据权利要求1所述的屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽设计方法，其特征在于，所述步骤F)中，改变正方形截面金属屏蔽槽的材料和尺寸具体包括以下措施中的一种或多种：增加金属屏蔽槽的厚度、增大正方形截面的边长和选用更高相对磁导率的材料。
4.根据权利要求1所述的屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽设计方法，其特征在于，所述步骤B)中，被屏蔽极低频磁场源包括电缆、导线或母线。
5.根据权利要求1所述的屏蔽极低频磁场的矩形截面金属屏蔽槽设计方法，其特征在于，所述矩形截面金属屏蔽槽的矩形截面高宽比为0.3-1.7。
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