真空断路器控制板的设计

一、屏蔽箱体的设计

断路器控制板的屏蔽箱体设计包括屏蔽箱体材料、屏蔽箱体尺寸和屏蔽箱体孔缝。本文首先设计出屏蔽箱体的模型，然后以屏蔽效能等级B级为目标确定屏蔽箱体的三个方面的内容。1.屏蔽箱体的初步模型本文对型号为VS1—A001的真空断路器控制板做电磁屏蔽，参考其说明书，其外形尺寸为168mm×79mm×20mm。考虑到各元器件的体积及散热所需空间，本文设定其屏蔽箱体长180mm、宽90mm、高30mm，对屏蔽箱体的材料及屏蔽箱体的厚度需要进一步确定。断路器控制板的引线是两条独立排线平行接入，所以要在箱体上设计两条孔缝。此处孔缝的形状可以选择圆角矩形或直角矩形，需要在后文的仿真中确定。在屏蔽箱体侧面设计两个孔缝长度为75mm，宽度为4mm。断路器控制板正常工作时需要考虑内部的散热问题，要在屏蔽箱体上设计散热孔，本文在屏蔽箱体的正面设计了直径为5mm的圆孔阵列，每行5个孔，四行共计20个孔。这里运用的是文献［2］关于孔缝形状及孔阵研究的结论:在同等面积下圆孔比方形孔更具屏蔽效能，而且孔阵的屏蔽效能比不规则排列的孔洞屏蔽效能更强。根据以上对屏蔽箱体的初步设计，在AnsoftHFSS软件模型设计平台下建立如图1所示的模型。2.屏蔽箱体的材料屏蔽箱体不仅要具有电磁屏蔽的作用，也要达到一定的机械强度。本文初步考虑的屏蔽箱体材料是铁磁材料或良导体材料。铁磁材料常用纯铁、铁硅合金、铁镍软磁合金和铁铝合金等。良导体材料常用铝合金、铜等。铁磁材料的适用频率为100kHz以下，而且以磁场屏蔽为主。相反，良导体材料能满足高频电磁场辐射的电场屏蔽。下面，对两种良导体材料的电磁屏蔽效能仿真分析，确定屏蔽箱体的材料。在AnsoftHFSS中设置扫频范围为30～230MHz的平面波垂直辐射在箱体的表面，分别设置屏蔽箱体的材料为铝合金、铜，通过仿真分析得到图2的屏蔽效能曲线。由图2得出以下结论:电磁辐射波频率在30～230MHz时，两种材料的屏蔽效能曲线几乎重合，从屏蔽效能的角度选择，两者都是最佳的屏蔽材料。但是，铜的密度是铝合金的近3倍，因此，相同体积下铜屏蔽箱体显得更重，铝合金在费用方面也比铜更有优势。综上所述，本文选择铝合金作为屏蔽箱体的屏蔽材料。3.屏蔽箱体的厚度屏蔽箱体的厚度影响屏蔽效能，也关系到整个箱体的重量及材料成本。一般认为厚度越大，屏蔽效能越大，但是厚度的增加也意味着重量及材料成本的增加。多次改变屏蔽箱体的厚度分别为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm，得到的屏蔽效能曲线如图3所示。由图3可以直观地看出，本文所设计的屏蔽箱体的厚度与屏蔽效能并非成递增关系。事实上，在仿真过程设定屏蔽箱体厚度为0.1～1.0mm，步长0.1mm，仿真结果显示厚度与屏蔽效能没有严格遵循递增特性。图3显示当厚度为0.7mm时，屏蔽效能是所有厚度中最大的，也满足B级屏蔽效能的要求。因此，确定屏蔽箱体的厚度为0.7mm。4.屏蔽箱体的孔缝辐射场在屏蔽箱体表面会产生感应电流，感应电流产生的反射场可以抵消辐射场，达到电磁屏蔽的效果。当感应电流无阻碍地流动时，产生的反射场最大，屏蔽效果最佳，这种情况发生在封闭的电磁屏蔽箱体上。一般而言，屏蔽箱体或多或少会有孔缝存在，如电源线、信号线进出箱体需要在屏蔽箱体表面开孔以及自身散热需要开散热孔，箱体各板材间在组装时始终会有细小的缝隙存在。合理的设置开孔的形状是具有工程实用意义的。图4是两种开孔方式下感应电流示意图。图4直观地表示了箱体表面感应电流的阻碍情况，左图的方孔阻挡了流向该孔的感应电流，右图的圆孔虽然也有阻碍感应电流流动作用，但是感应电流仍然能顺着光滑的圆孔表面流向圆孔的另一侧。在本文的平面波参数设置时发现，当电场方向与方孔的长边平行时，屏蔽效能比两者垂直时的屏蔽效能高出很多，如图5所示。屏蔽箱体的孔缝包含引线进出的孔缝及散热孔。由于引线是由多根导线并排构成的排线，故所开缝的长度至少70mm，本文设定孔缝长度为75mm。孔缝的宽度至少大于导线直径，本文设定孔缝宽度为4mm。孔缝的形状有直角矩形及圆角矩形两种，如图6所示。仿真分析两种开孔形状的屏蔽效能，其屏蔽效能曲线如图7所示。可知，在频段30～100MHz，圆角矩形孔的屏蔽效能远远高于直角矩形孔;在频段100～230MHz，两者的屏蔽效能接近，但是圆角矩形孔仍然高于直角矩形孔近8dB。显然，本文选择了圆角矩形孔。本文的散热孔采用的是直径为5mm，孔间距2mm，4行5列的圆孔阵列。这样做的原因是减小孔径，增大孔阵规模，可以提高近场屏蔽效能。这样，本文完成了屏蔽箱体的设计，相对于图1中的电磁屏蔽箱体，在后续的设计中，确定了屏蔽箱体的材料为铝合金，且屏蔽箱体的厚度为0.7mm，引线的孔缝采用圆角矩形。仿真测试此箱体的屏蔽效能如图8所示。如图8所示，设计完成的模型的屏蔽效能全部在30dB以上，即达到了GB9254—2008中B级标准。采用line1，line2表示在屏蔽箱体内的两根虚拟测量线，比箱体底面高5mm，因为这个高度放置着控制板的核心部件。图9中的曲线表示两根测量线上的电场强度分布。可见，在电场强度为1000V/m的平面波激励下，受到屏蔽箱体保护的断路器控制板的电场强度均低于8V/m，衰减了100倍以上。故本文的设计达到了要求。

二、结语

通过对断路器控制板屏蔽箱体的设计，得出以下结论:①箱体厚度与屏蔽效能的关系不是严格单调增加，屏蔽效能与屏蔽箱体厚度呈多极点关系。②有利于屏蔽箱体表面的感应电流流动的开孔是提高屏蔽效能的关键。本文对屏蔽箱体的关键参数进行仿真，并最终确定了符合标准的设计方案。后期需要研究屏蔽箱体表面的涂漆对屏蔽效能的影响，屏蔽箱体各板间的缝隙对屏蔽效能的影响。

作者：周为 朱强 陈加鹏 熊兰 谢子杰 刘钰 单位：重庆市电力公司 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室