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user: 3. 裸露母线放电时的电磁辐射特性仿真分析 3.1. 母线尺寸固定时的电磁辐射特性 在母线几何参数固定为200 mm (长) × 60 mm (宽) × 5 mm (厚)的条件下，经仿真，得到测量点(P点)处的频率分布图如图2。 图2. P点处的频率分布图 从图2的频率分布图中可以看出，在0.5 GHz~2 GHz范围内，测量点的电场强度会随着频率的增加而不断增大，在2 GHz时辐射场最强，在2 GHz~3 GHz范围内，测量点的场强随着频率的增加又逐渐减小。在2 GHz工作频率条件下，得到XOY面，XOZ面，YOZ面的场强分布图如图3，E面、H面的方向图及三维方向图如图4。从图3的场强分布图中可以看出，±X轴方向的辐射最强，±Y轴方向次之，±Z轴方向最弱。图4中，在E平面， θ = ± 90 ˚ 方向上辐射最大，且在这个方向上有两个左右对称的主瓣，另外，在 θ = ± 30 ∘ 方向和 θ = ± 150 ∘ 方向上各有一个副瓣；在H平面， φ = 0 ∘ 方向和 φ = 180 ∘ 方向上辐射最大，且在这两个方向上有两个上下对称的波瓣；三维方向图中，中间有一个大的主瓣，主瓣上下两侧有两个对称的副瓣。 图3. 母线固定尺寸的场强分布图，(a) XOY面场强分布图，(b) XOZ面场强分布图，(c) YOZ面场强分布图 图4. 母线固定尺寸的方向图，(a) E面方向图，(b) H面方向图，(c) 三维方向图 根据天线理论，母线的宽度、长度和厚度变化时，对母线的场强分布和频率分布都会有影响，因此下文对母线尺寸变化时的频率分布和场强分布做进一步的研究分析。 3.2. 母线宽度变化时对辐射特性的影响 3.2.1. 母线宽度变化对频率分布的影响 分别在母线宽度为20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm时，得到母线在测量点(P点)处的频率分布图如图5： 图5. 母线宽度变化时的频率分布图 由频率分布图可以看出，随着频率的增加，测量点的电场强度基本都是先增大到最大值然后逐渐减小。随着母线宽度的增加，测量点的最大场强值会逐渐减小，并且最大场强值对应的频率也随着母线宽度的增加呈递减趋势。 3.2.2. 母线宽度变化对场强分布的影响 在分析母线宽度变化对其电磁辐射场强分布有什么影响时，将工作频率统一设置为2 GHz，母线电磁辐射仿真模型的长度和厚度保持不变，宽度分别设为20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm时，研究其电磁辐射场强分布。 经仿真，得到母线在三个坐标平面内的场强分布形态与图3类似，只是X轴和Y轴方向上场强值的大小不同，在表1中列出了母线宽度变化时X轴和Y轴方向上场强最大值的变化，从图6的归一化方向图中也可以看出场强分布的变化。 Table 1 Comparison of electric field strength when busbar width change 母线宽度/mm 20 40 60 80 100 X轴方向上场强的最大值(V/m) 1.5178 × 10 4 1.4040 × 10 4 1.2105 × 10 4 9.9348 × 10 3 7.4758 × 10 3 Y轴方向上场强的最大值(V/m) 1.4522 × 10 4 1.1700 × 10 4 8.3890 × 10 3 6.0005 × 10 3 5.0725 × 10 3 表1. 母线宽度变化时场强的比较 图6. 母线宽度变化时的方向图比较，(a) E面方向图，(b) H面方向图 从图6可以看出，母线宽度变化时，E面方向图基本保持不变，H面方向图中，随着母线宽度的增加， φ = ± 90 ∘ 方向上电场强度在逐渐减弱，100 mm时又有两个幅度较小的波瓣出现。 φ = 0 ∘ 方向和 φ = 180 ∘ 方向上电场强度一直最大且保持不变。从表1也中可以看出，当母线宽度增加时，X轴方向上和Y轴方向上场强的最大值都会逐渐减小，说明宽度增加时，母线的辐射在逐渐减弱。 3.3. 母线长度变化时对辐射特性的影响 3.3.1. 母线长度变化对频率分布的影响 分别在母线长度为120 mm、140 mm、160 mm、180 mm、200 mm时得到母线在测量点(P点)的频率分布图如图7。 图7. 母线长度变化时的频率分布图 由频率分布图可以看出，随着频率的增加，测量点的电场强度会逐渐增大，达到一个最大值后又随着母线长度的增加而逐渐减小。另外，测量点最大场强值对应的频率随着母线长度的增加呈递减趋势。 3.3.2. 母线长度变化对场强分布的影响 在2 GHz工作频率条件下，母线电磁辐射仿真模型的宽度和厚度保持不变，长度分别设为150 mm、300 mm、450 mm、600 mm时，研究其电磁辐射场强分布。 经仿真，得到母线在三个坐标平面的分布形态与图3基本一致，只是X轴和Y轴方向上场强的大小不同，在表2中列出了母线长度在200 mm内变化时X轴和Y轴方向上场强最大值的变化，从图8的三维方向图中可以看出场强分布的变化。 Table 2 Comparison of electric field strength when busbar length change 母线长度/mm 120 140 160 180 200 X轴方向上场强的最大值(V/m) 1.0206 × 10 4 1.1000 × 10 4 1.1550 × 10 4 1.1882 × 10 4 1.2105 × 10 4 Y轴方向上场强的最大值(V/m) 7.7220 × 10 3 7.8553 × 10 3 8.2887 × 10 3 8.3759 × 10 3 8.3890 × 10 3 表2. 母线长度变化时场强的比较 图8. 母线长度变化时的方向图比较 从图8中可以看出，在2 GHz工作频率条件下，母线长度每增加150 mm，就会在上下两侧各增加一个完整的副瓣， θ = ± 90 ∘ 方向上场强一直最大，即 ±X轴方向上辐射一直最强；从表2中可以看出随母线长度的增加，X轴和Y轴方向上场强的最大值随母线长度的增加而不断变大，说明母线长度增加时，母线辐射增强。 3.4. 母线厚度变化对辐射特性的影响 由于在实际生活中的母线不会太厚，因此本文只对母线厚度在10 mm以内的情况作以研究，经研究发现，由于母线厚度不足1 cm，相比于长度和宽度来说比较小，因此厚度变化对母线频率分布和辐射分布的影响都比较小，其频率分布和场强分布都比较接近，结果如图9和如图10所示。 图9. 母线厚度变化时的频率分布图 图10. 母线厚度变化时的方向图比较，(a) E面方向图，(b) H面方向图 3.5. 总结与结论 本文利用电磁场理论和天线原理，并结合HFSS仿真软件，通过建立高压开关柜中一小段裸露母线的电磁辐射仿真模型，对母线长度、宽度和厚度变化时，母线的辐射场强分布和频率进行了仿真分析，获得了母线的辐射场的分布特性和频率特性，并对辐射场的最佳测量位置提出建议，主要结论如下： 1) 测量频率选择的建议：通过频率分布图的对比得到，最大场强对应的频率基本在2 GHz左右，因此测量时为了得到最大的辐射场强，频率应该接近这个值，当宽度或长度较大时，要适当减小，反之则要适当增大。 2) 测量位置选择的建议：通过分析与总结，得到母线在 ±X轴方向上3 cm范围内的辐射场最强。因此，测量的位置要选在母线宽度所在平面的垂直方向上，并且距母线中心的距离在3 cm内，另外，测量时，场强值会随着电流相位的变化而改变，在多个测量值中需要选择最大值。 上述结论对于母线产生故障时的检测与定位具有理论指导意义，并对改善高压开关柜内部电场分布，进行局部电场优化，提高整体的绝缘水平，以及指导现场运行检修具有一定参考价值。