发电机转子高频段混响室场均匀性仿真

赵 俊 高会芳 徐大鹏 王 磊 郭浩南

发电机转子高频段混响室场均匀性仿真

赵 俊 高会芳 徐大鹏 王 磊 郭浩南

（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）

本文介绍了发电机转子高频段混响室场均匀性校准内容，利用仿真软件对实验环境进行建模，在1.1GHz频率下进行场均匀性校准仿真。通过仿真区域中9个位置的电场强度值计算得到场均匀性偏差。根据获得的仿真结果，在相应频段混响室的场均匀性符合RTCA/DO—160G标准中的相关规定。

发电机转子；混响室；场均匀性仿真；高频段

0 引言

当前发电企业电磁环境复杂多变，作为本身依靠电磁感应原理运行的装置，发电机运行在不同工况下产生复杂的畸变电磁环境，运行中的发电机转子及其在线监测设备的运行性能受到高强辐射场较大影响。该类问题愈发引起发电企业的重视[1-4]。

混响室作为一种新兴的高强辐射场试验场所，已在国内外有了较为深入的应用，其主要应用于各类涉网一次设备射频敏感度及屏蔽效能测试。混响室内部壳体表面设置有铜质或锌钢材质等高导电反射的金属层，当发射天线在此环境中进行照射时，电磁波将会在搅拌器和壳体的反射下不断叠加，进而得到统计均匀、随机极化、各向同性的高强辐射场。利用该电磁环境对发电机及相应在线监测设备进行照射，可以得到更高的场强和动态范围的试验工况，更符合实际的高强辐射场环境。

就混响室仿真而言，有关专家学者已利用GEMS、FEKO、CST STUDIO等电磁仿真软件构建模型，所得到的模型可以较好地体现混响室场均匀性的要求，为混响室应用于发电机电磁环境仿真研究提供重要参考[5-12]。但由于软件计算性能及边界条件等因素的限制，此类模型设计主要集中于频段1GHz以下，而对较高频段的模型建立还存在空白。本文利用CST STUDIO仿真软件在较高频段下建立发电机转子混响室仿真模型并进行研究。

1 混响室场均匀性判定方法

为了论证混响室的初始构造或在重大调整之后是否满足混响室场强环境要求，应先进行场均匀性测试。本文利用混响室的校准技术来证实混响室符合该方法中所规定的场均匀性要求。本文所述混响室的场均匀性校准需在包含测试台在内的整个工作区域内。混响室校准模式只能设置为调节工作模式（搅拌器步进旋转）。场校准探头位置如图1所示，就每个搅拌器测试工况而言，须在3个独立坐标（、、）的9个位置进行计算，共计27个测试位置。

图1 场校准探头位置

若判定混响室在工作区域内的场均匀性，首先应计算该区域9个测试点电场的各分量值。依照搅拌器步进的工作形式进行取样，在搅拌器搅拌一周的过程中，需记录9个测试点在各个正交轴上出现的最大场强值Max和发射天线在搅拌器搅拌一周的平均输入功率Input，进而通过这些数据将各个探头最大电场测试值归一化至平均输入功率平方根值，即

式中：Maxx,y,z为各个探头轴向最大测量值；为各个探头轴归一化的最大测量值；Input为在搅拌器搅拌周期内，记录Maxx,y,z时的混响室平均输入 功率。

搅拌器搅拌一周的期间内，要以9个位置上各个位置获得的最大平均值的标准差来确定场均匀性。用各个探头轴向单独数据（例如）及总数数据（例如27）计算标准偏差。

计算标准偏差为

例如，对于向量，有

对于所有的向量，有

将以上计算得到的标准偏差以dB形式表示，即

场均匀性测试允许的标准偏差如图2所示，如果在400MHz以上频率的标准偏差在3dB以内，100～400MHz频段范围从6dB线性下降至3dB（利用半对数曲线图），则可判定该混响室内的电场是均 匀的。

2 混响室场均匀性仿真

2.1 混响室建模

本文设定混响室尺寸为340cm×270cm×250cm，搅拌器设计为30cm×30cm×230cm的“W”型结构。为了更有效模拟实际的电磁环境，这里利用电磁仿真软件构建了同样尺寸的腔体和搅拌器模型。就产生高频段电磁波而言，若利用常规平面波照射或对数周期天线的方法不能满足要求，这里采用仿真软件中内置的可发射1GHz以上电磁波的喇叭天线，获得的电磁环境符合仿真要求。

对于混响室腔体，仿真建模时采用铜质材料，对于搅拌器和喇叭天线，采用镀锌钢板材料，仿真计算区域的空间设置为有损空气。以上材质的导电率和密度均按照实际材质属性设置，按照该设计进行设置基本符合混响室实际情况，计算所得仿真结果也能更好体现工况。

依据标准RTCA/DO—160G[13]，在工作区域内设计以坐标（40, 130, 0）为几何中心、100cm×100cm× 100cm立方体区域作为计算区域，取该区域立方体8个顶点和几何中心点作为计算位置（见图3）。仿真中喇叭天线发射的频段为1～1.2GHz，搅拌器以步进方式运行，其每步进一次，则利用仿真软件进行一次计算，采样9个测试位置3个轴向的电场分量。搅拌器搅拌一周至少需要12次采样，所得到对应的结果存在含有12×27组数据。

图3 混响室设备及场均匀性测试位置

2.2 仿真结果分析

在所有搅拌位置中，喇叭天线发射相同的Gaussian波形，其信号的平均输入功率Input在理想的仿真环境中为一定值，其对仿真结果的影响会在最终以dB形式表示的标准偏差下抵消掉，所以仿真计算获得的场强Maxx,y,z可以转换为归一化之后探头最大测量值E,y,z。

场均匀性判定的公式转化为

根据上述模型的建立，搅拌器步进搅拌一周共获得12×27组数据，为更好体现仿真场均匀性结果，这里选择的测试频点为1.1GHz。表1为1.1GHz频点9个测试位置的归一化最大电场强度值。

依据RTCA/DO—160G中混响室场均匀性标准的判定方法，计算得到测试区域的场分量标准偏差。表2和表3分别为1.1GHz频点下测试区域的总标准偏差和场分量标准偏差，其中，27为总标准偏差，、、为分量的标准偏差。

表1 1.1GHz频点9个测试位置归一化最大电场强度值

通过以上数据可以得到，单独场分量标准偏差超过规定标准偏差的有两个，总标准偏差没有超过规定的标准偏差。根据RTCA/DO—160G的判定内容，可以认为该混响室符合场均匀性要求，进而也说明了该模型在频率1GHz以上可以用于发电机转子混响室高强辐射场射频敏感度仿真。

表2 1.1GHz频点下测试区域的总标准偏差

表3 1.1GHz频点下测试区域的场分量标准偏差

3 结论

对于混响室的初始构造或在重大调整后的混响室环境，需要进行混响室的场均匀性校准。一旦场均匀性校验通过，未来的环境都要保持与校准时过程和结构上的统一性。本文通过CST电磁仿真软件构建混响室立体结构模型，并通过喇叭天线作为电磁环境发射源，实现了频率1.1GHz频率下混响室电磁环境仿真，填补了该类模型在频率1GHz以上仿真计算的空白。通过仿真结果可以看出，所建立的模型符合标准RCTA/DO—160G有关混响室场均匀性的要求。这为未来利用混响室对发电机转子进行射频敏感度的仿真研究提供了重要参考。

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Field uniformity simulation of generator rotor reverberation chamber at high frequency

ZHAO Jun GAO Huifang XU Dapeng WANG Lei GUO Haonan

(Inner Mongolia Power Research Institute, Hohhot 010020)

The generator rotor reverberation chamber field uniformity calibration test is introduced in this paper. Model of reverberation chamber is created with the electromagnetic simulation software, and field uniformity simulation is taken at 1.1GHz. The electric field intensity values of 9 positions of the workplace and standard deviation of field uniformity are calculated. The simulation results present that the performance of the reverberation chamber conforms to RTCA/DO—160G.

generator rotor; reverberation chamber; field uniformity simulation; high frequency channel

2020-12-31

2021-01-21

赵 俊（1990—），男，河北省张家口市人，硕士，工程师，主要从事高压一次设备防护研究工作。

内蒙古电科院2019年自筹项目（2019-zc-08）