带电作业平台电磁防护技术

张富荣，李劲松，陈超，陈松，番禹

摘要：带电作业是电力设备测试、检修和改造的重要手段，它为提高供电可靠性、减少停电损失和保证电网安全做出了巨大贡献。带电作业对操作人员的技术水平和熟练程度、气候条件及安全防护用具等要求非常严格，但是电网环境复杂，作业设备进入现场极易发生故障，因此，迫切需要研究带电作业便携式平台电磁防护技术，为带电作业的安全进行提供关键支撑。本文分析了一种220kV及以下电压等级带电作业便携式平台电磁防护的基本要素，给出了提升电磁防护能力的一些建议，为作业平台的安全稳定运行提供技术支撑。

关键词：带电作业；电磁防护；电力系统；

0  引言

带电作业是电力设备测试、检修和改造的重要手段，它为提高供电可靠性、减少停电损失和保证电网安全做出了巨大贡献。带电作业对操作人员的技术水平和熟练程度、气候条件及安全防护用具等要求非常严格[1]。由于担心安全隐患及缺乏合适的人身安全防护用具及带电作业技术培训不够等，部分地区对变电站带电作业内容进行了限制，致使变电站停电作业频繁，输、配电可靠性指标不能完成，从而给电力企业带来了很大的经济损失，给人民生活和生产带来了很大的不便[2]。

目前大型变电站现场作业任务均操作人员使用原始工具手动完成，其存在着如下缺陷：

1)变电站设备由于置身户外，弥漫于空气中的工业污秽和自然污秽易沉积在设备表面形成污秽层，这些污秽物受雾、小雨等侵害，极易引发污闪事故。

2)操作人员手工带电完成设备套管清扫与清洗、设备RTV防污闪材料的喷涂等工作，劳动强度极大，效率低，自动化水平低。

3)人工带电作业安全防护、遮蔽要求非常严格，稍不注意就会出现短路电流，造成重大的安全事故，引发人身伤亡事故。

因此，开发设计带电作业便携式平台成为提高作业效率的关键一环，200kV带电作业平台进行作业对象是带电的电力设备，动作稍有不慎有可能使平台“机毁人亡”，还有可能给电网带来灾难性的故障，所以采取有效的绝缘措施，保证平台的绝缘强度是平台能否进行作业的首要条件。而电磁防护技术作为带电作业平台的基本关键技术，其性能的好坏直接影响着作业平台的稳定性[3]。本文提出了一种220kV及以下电压等级带电作业便携式平台的电磁防护技术，为作业平台的安全稳定运行提供技术支撑。

1电磁防护基本原理

防护是用导电或导磁材料将需要防护的区域封闭起来，以抑制电磁场由一个区域对另一个区域的感应和辐射，即切断电磁波辐射和场耦合的传输途径。电磁屏蔽按照屏蔽原理可分为电场屏蔽，磁场屏蔽和电磁场屏蔽[4]。

在屏蔽壳表面上的电场和磁场分布将根据散射理论或者简单的准静态场原理来处理。一旦外部场的分布求得，内部场的解就能计算出来。工程上常用屏蔽效能来表示屏蔽体对电磁骚扰的屏蔽能力。

（1）电场屏蔽能力

电场的屏蔽能力用电场屏蔽效能（dB）刻画：

SE=20·lg（E1/E2）

其中，E1表示无屏蔽时装备内部的电场强度，kV/m；E2表示采用屏蔽后装备内部的电场强度，kV/m；

（2）磁场屏蔽能力

磁场的屏蔽能力用磁场屏蔽效能（dB）刻画：

SH=20·lg（H1/H2）

其中，H1表示无屏蔽时装备内部的磁场强度，A/m；H2表示采用屏蔽后装备内部的磁场强度，A/m；

假设有一电磁波射向厚度为d的金属导体表面，当电磁波到达金属导体的第一个表面时，由于阻抗的变化，部分电磁波被导体反射，剩下的部分电磁波会进入导体，在金属导体内进行传播时，能量会不断地衰减[5]。

图1多级屏蔽的电磁波衰减与反射

如果采用多层材料，进行多级屏蔽后，当电磁波到达第二个表面时，又会发生反射，只有小部分的电磁波会穿过第二表面进入被屏蔽物体内[6-8]。在第二表面上被反射的电磁波再次回到第一表面时将又会产生反射，如此反复循环，直到所有能量耗尽。

由此可见，金属屏蔽体对电磁波的屏蔽效果包括刚进入导体时被金属导体第一个表面反射电磁波能量的反射损耗R、在金属导体内外两个表面之间产生多次反射的多次反射损耗B、在金属良导体内传播衰减时产生的吸收损耗A。

根据现有研究进展，结合文献查阅，对屏蔽效能进行标准确定，其中屏蔽参数均为导线的表面参数。

表 1屏蔽效能标准确定

屏蔽类型	屏蔽前参数	屏蔽后参数	屏蔽效能
电场屏蔽	1500kV/m	4kV/m	52dB
磁场屏蔽	24.00mT	0.1mT	48dB

当完成屏蔽后，屏蔽效能应不低于上表格中的对应数值才能满足合理的电磁骚扰防护作用。

电场屏蔽效能与屏蔽材料的电导率、屏蔽体的厚度成正比，与电场频率、电场入射屏蔽壳的面积成反比；磁场屏蔽效能与屏蔽材料的磁导率、屏蔽体的厚度成正比，与磁场入射屏蔽壳的面积成反比。

屏蔽材料的种类和特性会影响屏蔽效能，下面介绍几种常用的屏蔽材料及其影响因素：

（1）、金属：金属具有良好的导电性和反射性，因此在电场屏蔽中被广泛应用。金属的屏蔽效能与其导电率、厚度、形状等因素有关，厚度越大、形状越规则的金属屏蔽效能越好。

（2）、金属粉末复合材料：这种材料将金属粉末与聚合物复合，可制成柔性的、可塑性好的屏蔽材料，且具有良好的导电性和屏蔽效能。其屏蔽效能与金属粉末含量、粉末颗粒大小、聚合物类型等因素有关。

（3）、碳基材料：碳基材料的导电性能优良，且具有轻质、高强度等优点，被广泛应用于电子设备的屏蔽中。其屏蔽效能与材料的结构、碳纤维含量等因素有关。

（4）、金属氧化物：金属氧化物如氧化铜、氧化锌等也常用于电场屏蔽中。这种材料具有良好的导电性和屏蔽效能，其屏蔽效能与材料的厚度、颗粒大小等因素有关。

电导率越高，电场屏蔽效果越好，磁导率越高，磁屏蔽效果越好。然而，高磁导率材料的磁导率会随外加磁场强度的变化而变化。当外加磁场强度较低时，磁导率随磁场强度的增大而增大。当外加磁场强度超过一定限度时，磁导率会急剧下降。此时，导磁材料的磁路己经饱和。磁导率越高越容易饱和。

2  防护外壳材料的选择

采用双层屏蔽的方法，在外层屏蔽中选择高电导率中的材料，里层屏蔽选择高磁导率的材料来保证既能良好的屏蔽电场又能保证高磁导率材料的磁路不会发生饱和[9,10]。依据双层屏蔽方法，可以保证电场的屏蔽效果，又可以使内层不易出现磁饱和。

常见用于工程项目的屏蔽材料如下表所示，其中电导率以IACS折算的导电率表征以更清晰从数值上得到所需的信息，铜的电导率为5.9×107 S/m。

表 2常见用于工程项目的屏蔽材料

材料	导电率（IACS）	相对磁导率
银	106%	0.999974
铜	100%	0.9999
铝	61%	1.000021
铝合金	42%	N/A
铁	16%	150~4000
坡莫合金	2.71‰	20000~200000

（1）外层材料：铝合金材料

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金是一种轻质、强度高、导电性好的金属材料，它具有以下优点，使其在电磁防护中有着独特的优势：

良好的屏蔽性能：铝合金具有良好的电磁屏蔽性能，能有效地吸收和反射电磁波，从而减少电磁辐射的影响。

高强度：铝合金具有较高的强度，可以制成较薄而且结构稳定的屏蔽材料。

良好的导电性：铝合金具有良好的导电性，可以快速地传导电荷，降低电磁场的影响。

耐腐蚀：铝合金具有较强的抗腐蚀性，能够抵御湿度和化学物质对其的腐蚀，延长使用寿命。

轻质：铝合金是一种轻质材料，相比其他金属材料，重量更轻，更容易加工和搬运。

基于以上优势，铝合金材料被广泛应用于电磁防护中，如制造屏蔽罩、屏蔽墙、屏蔽板等。同时，铝合金的价格也相对较低，具有经济实用性。

（2）内层材料：坡莫合金

坡莫合金即铁镍系软磁合金，是由铁、镍、钴等元素组成的合金材料，常用于磁场的屏蔽设计种。坡莫合金通过添加合适的合金化元素及采用适当的工艺手段，可有效的控制磁性能及其它技术性能。现有的各类软磁合金中坡莫合金都占有重要的地位，其应用遍及软磁合金的一切应用领域，由于铁镍合金具有优异而多样的性能，其广泛应用于通讯、广播、雷达、宇航以及计算机技术以及精密仪器仪表的屏蔽中。坡莫合金具有以下优点，使其在电磁防护中作为内层材料具有独特的优势：

高磁导率：坡莫合金具有高磁导率，能够在磁场中产生较大的磁感应强度，从而减少电磁波的穿透。

良好的韧性：坡莫合金具有良好的韧性，可以制成较薄而且结构稳定的屏蔽材料。

高韧性：坡莫合金具有较高的强度和韧性，可以承受较大的力和应变，不易变形或破裂。

良好的耐腐蚀性：坡莫合金具有较好的耐腐蚀性，能够在潮湿或酸碱环境中长期使用，保持较高的屏蔽效能。

良好的加工性：坡莫合金具有良好的加工性，可通过各种方式进行加工，如冲压、铸造、焊接、深层绘制等。

基于以上优点，坡莫合金被广泛应用于电磁防护中作为内层材料，用于制造屏蔽罩、屏蔽墙、屏蔽板等。坡莫合金的价格相对较低，同时具有良好的性能和可靠性，是一种经济实用的电磁屏蔽材料。

3  屏蔽外壳孔隙研究

机箱的屏蔽效能会因为箱体上的孔缝而有所降低。这些孔缝可能是故意设置的，比如通风孔、指示灯、按键、电源线等，也可能是无意的，比如盖板上的裂缝。不论是哪种情况，这些通口都会带来内部和外部区域的耦合影响甚至破坏到箱体预想达到的效果。长方形开孔、十字形开孔、丁字形开孔以及正方形开孔这四种开孔相比，长方形开孔情况下屏蔽腔体内的电磁骚扰耦合场强最大，其次是“T”形与十字形开孔。

图 2开孔的4种方案与缝隙阵示意

正方形开孔由于开孔结构对称，入射的电磁骚扰的极化方向对耦合进入屏蔽腔体内的场强无影响，所以通过正方形开孔方式耦合进入到屏蔽腔体内的电磁骚扰较小。因此在屏蔽的实际应用中应尽量使用正方形开孔或圆形开孔这种对称形式的开孔结构的屏蔽体。

随着屏蔽体上的缝隙阵间距增大，腔体内耦合场的场强强度会有所减小，但影响程度不明显，增加屏蔽腔体的缝隙阵间距能够稍微的提高屏蔽效能。

保持开孔总面积相同的前提下，开孔数量越多越可以抑制对屏蔽腔体内的耦合场，而且相比长方形等不对称结构的孔阵，对称结构的孔阵对耦合场的抑制效果更明显。

5  结论

为保障作业平台的作业安全，论文讨论了电磁防护的基本原理，并分析了防护外壳的选择标准和屏蔽外壳开孔的相关原则,通过分析得到外层材料为铝合金，内层材料为坡莫合金，且开孔为对称结构的等面积孔阵可以为作业平台提供较好的电磁防护能力。

参考文献

［1］张子辰.输电线路带电作业方法及安全防护对策[J].光源与照明,2023(02):237-239.

［2］彭喜钊,张佳川,王雪.配电网带电作业和停电检修的配合应用[J].农村电工,2023,31(02):40-41.

［3］陈富国,赵盼盼,牛博,蔡杰,李中旗,袁欢,杨爱军,王小华.输电线路带电作业机器人的电磁分析与防护设计[J].高压电器,2023,59(02):81-88+96.

［4］黄益庄．变电站智能电子设备的电磁兼容技术[J]．电力系统保护与控制，2008，36(15)：6-9.

［5］Weidong ZHANG, Bo AN, Xiang CUI, et al. A Study on Electromagnetic Disturbance in Substation to Wireless Sensor Unit[C]. 2012 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2012

［6］于同伟，杨兴超，葛维春，等．智能变电站智能组件电磁兼容控制技术的分析与研究[J]．电气应用，2014，39(5)：34-37 .

［7］冯利民，王晓波，姜欣，等．超高压变电站GIS 电磁兼容建模研究[J]．高压电器，2014，50(4)：97-102.

[8]陈鑫. 机电系统强电磁干扰分析及其电磁防护研究[D].南京理工大学,2020.DOI:10.27241/d.cnki.gnjgu.2020.001502.

[9]安勃. 变电站内无线传感器的电磁兼容问题研究[D].华北电力大学(北京),2017.

[10]高操.高压输变电工程中的电磁防护策略[J].集成电路应用,2023,40(02):88-89.