高壓電力線在3MHz—30MHz電磁干擾下的建模分析研究

張寧，劉燕

（國家無線電監(jiān)測(cè)中心烏魯木齊監(jiān)測(cè)站，新疆 烏魯木齊 830000）

高壓電力線在3MHz—30MHz電磁干擾下的建模分析研究

張寧，劉燕

（國家無線電監(jiān)測(cè)中心烏魯木齊監(jiān)測(cè)站，新疆 烏魯木齊 830000）

為提高短波監(jiān)測(cè)質(zhì)量及效率，避免電磁干擾的影響，對(duì)嚴(yán)重影響短波監(jiān)測(cè)工作的高壓電力線路有源干擾產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入分析，并采用垂直偶極子模型輻射場(chǎng)及單根高壓線起暈場(chǎng)計(jì)算原理進(jìn)行3MHz—30MHz電磁干擾建模分析研究。同時(shí)對(duì)高壓電力線有源干擾基準(zhǔn)電平進(jìn)行定量計(jì)算，最后與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，在3MHz—30MHz頻率范圍內(nèi)，存在多根高壓線與僅存在單根高壓線相比，其電磁干擾電場(chǎng)強(qiáng)度的變化是不同的，這兩種情況下的電磁干擾變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)強(qiáng)的變化基本一致。

高壓電力線 短波監(jiān)測(cè) 有源干擾 起暈場(chǎng)

1 引言

高壓電力線路在運(yùn)行時(shí)存在無線電干擾，它是各種專業(yè)或軍用無線電臺(tái)（站）產(chǎn)生干擾的主要干擾源。此類無線電干擾分為有源干擾和無源干擾。有源干擾其頻率范圍基本上小于30MHz，主要是由導(dǎo)線及金屬表面電暈放電和絕緣子因局部場(chǎng)強(qiáng)過高引起火花放電產(chǎn)生。無源干擾的頻率范圍大于30MHz，主要是無線電信號(hào)遇到線路的導(dǎo)線和鐵塔后因電磁感應(yīng)而形成的散射和屏蔽作用。本文主要針對(duì)3MHz—30MHz頻段高壓電力線的有源干擾做建模分析研究。

2 有源干擾的產(chǎn)生機(jī)理

在有源干擾中，最主要的是無線電噪聲。其中包含在導(dǎo)線表面或線路部件表面的電暈放電、絕緣子高電位梯度部分放電和火花以及松動(dòng)或接觸不良處的火花。電暈產(chǎn)生的無線電噪聲電平受兩大類因素影響，即線路結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和施工以及大氣、氣候等外部因素。但大體來說，可以通過控制設(shè)計(jì)線路結(jié)構(gòu)等來降低影響，且線路建好并運(yùn)行一段時(shí)間后，無線電噪聲電平幾乎可以保持穩(wěn)定。無法控制的是天氣與氣候條件，其對(duì)無線電噪聲電平的變化范圍影響較大。

大氣、氣候等外部因素主要包括雨、雪、霧、風(fēng)速、相對(duì)濕度、大地導(dǎo)電率、相對(duì)空氣密度等。很多實(shí)驗(yàn)表明，在小雨、雪、大霧、露等情況下或空氣濕度在一定范圍內(nèi)上升，無線電噪聲電平就會(huì)不斷上升。但若是大雨，無線電噪聲電平則不隨雨量的增大而迅速升高。對(duì)于輸電線無線電噪聲來說，當(dāng)雨量大于0.6mm/h即認(rèn)為是大雨。大雨時(shí)平均電平最穩(wěn)定，故大多選擇大雨時(shí)的平均電平作為計(jì)算無線電噪聲的基礎(chǔ)電平。大雨時(shí)，別的因素（火花等）引起的無線電噪聲幾乎不存在或變的很小，因此大雨時(shí)測(cè)量結(jié)果幾乎可以反映線路電暈放電導(dǎo)致的無線電噪聲。

3 有源干擾的計(jì)算原理

根據(jù)J R Wait編著的《Electromagnetic Waves in Stratified Media》，如圖1所 示，對(duì)于2條平行的高壓傳輸線，因其之間存在電壓差，所以其輻射場(chǎng)可當(dāng)作電偶極子源來進(jìn)行處理。對(duì)于多根高壓線，其輻射場(chǎng)可以看成多個(gè)偶極子源相互迭加的結(jié)果。

圖1 高壓架空輸電線的電偶極子模型

3.1 垂直偶極子模型輻射場(chǎng)計(jì)算

以空間位置上下排列的2根高壓傳輸線為例，把它當(dāng)作垂直電偶極子來計(jì)算。

如圖1所示，在均勻半空間中，電場(chǎng)E只有?方向分量。在上層空間（z＜0），電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為：

其中，K0是修正貝塞爾函數(shù)，也有些文獻(xiàn)稱之為變態(tài)貝塞爾函數(shù)。傳播常數(shù)Re[0γ]＞0。

為了把（1）式轉(zhuǎn)換成為更實(shí)用的形式，利用傅里葉變換進(jìn)行如下積分：

對(duì)應(yīng)的傅里葉積分反變換為：

對(duì)（3）進(jìn)行估算得到：

其中，當(dāng)(z+h)＞0時(shí)取“+”號(hào)，(z+h)＜0時(shí)取“-”號(hào)，

考慮到地面反射，在高壓線下方(-h≤z≤0)，總場(chǎng)表示為：

被積函數(shù)的前半部分表示直達(dá)波，后半部分表示反射波。

R⊥(λ)是反射系數(shù)，其表達(dá)式為：

對(duì)于大地磁導(dǎo)率μ1=μ0，R⊥(λ)可簡(jiǎn)化為

在z=0處的地表，當(dāng)入射角為θ時(shí)的反射系數(shù)為R⊥(λ)，通過iλ=γ0sinθ可變換為以θ為參數(shù)的R⊥(θ)。

根據(jù)式（2）和（3），可估算（5）式得到：

取高壓線高度h=10m，可以計(jì)算出在1 000m范圍內(nèi)3MHz—30MHz的短波波段內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律，具體如圖2和圖3所示：

圖2 1 000m范圍內(nèi)典型頻率上的E0變化趨勢(shì)

圖3 3MHz—30MHz典型距離上的E0變化趨勢(shì)

3.2 單根高壓線起暈場(chǎng)計(jì)算

圖4 單根高壓線的磁偶極子模型

如圖4所示，依據(jù)電暈放電的形成原理，此時(shí)單根高壓線可當(dāng)做磁流為K的線源來計(jì)算，只需對(duì)公式（5）中的各個(gè)量做如下代換：I→K，

在上半空間（z＜0）內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度就表示為：

當(dāng)z+h＜0時(shí)，取“+”，z+h＞0時(shí)，取“-”。

平行極化波的反射系數(shù)為：

在均勻半空間中，由K0=u0/(σ0+iωε0)，Z1=K1，μ1=μ0得：

于是，與方程（8）相似，給出H0的表達(dá)式如下：

其中，K0為修正貝塞爾函數(shù)。

由

得：

得到在1 000m范圍的短波波段內(nèi)Ez的變化規(guī)律，如圖5和圖6所示：

圖5 1 000m范圍內(nèi)典型頻率上的Ez變化大小

圖6 3MHz—30MHz典型距離上的Ez變化大小

通過以上建模仿真分析可得：存在多根高壓線時(shí)，若短波通信頻率固定，則其電磁干擾電場(chǎng)強(qiáng)度隨著高壓電力線與監(jiān)測(cè)站天線陣之間距離的增大而減小，距離一定時(shí)，頻率越高則干擾越大。僅單根高壓線存在時(shí)，若頻率固定，則其電磁干擾電場(chǎng)強(qiáng)度隨著高壓電力線與監(jiān)測(cè)站天線陣之間距離的增大而減小，但距離一定，若小于200m時(shí)頻率越高則干擾越小，大于200m時(shí)3MHz—10MHz范圍頻率越高則干擾越小，而10MHz—30MHz有頻率越高則干擾越大的趨勢(shì)。該結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)強(qiáng)的變化基本一致。

4 有源干擾的基準(zhǔn)電平

結(jié)合以上建模仿真分析，為進(jìn)一步確保短波監(jiān)測(cè)工作不受高壓電力線的干擾影響，本節(jié)結(jié)合實(shí)際情況給出高壓電力線有源干擾的基準(zhǔn)電平取值方法。高壓電力線有源干擾的基準(zhǔn)電平E0可按國標(biāo)《高壓交流架空送電線無線電干擾限值》GB15707-1995給出的方法取值。

（1）對(duì)于110kV、220（330）kV和550kV這3種高壓架空輸電線，在0.5MHz的無線電干擾限值E0如表1所示：

表1 GB15707-1995規(guī)定的無線電干擾限值

0.15 MHz—30MHz頻段中其它頻率點(diǎn)的干擾限值E，可按下式進(jìn)行修正：

式中ΔE是相對(duì)于0.5MHz的干擾場(chǎng)強(qiáng)增量，其單位是dBμ V/m；f是頻率，單位為MHz；公式（16）的適用頻率范圍為0.15MHz—4MHz。

（2）對(duì)于不是上述3種電壓值的情況，0.5MHz的無線電干擾基準(zhǔn)電平按下式進(jìn)行計(jì)算：

式（18）中，gmax為架空輸電線導(dǎo)線表面的最大電位梯度，單位為kV(r.m.s)/cm；r為單根導(dǎo)線的半徑，單位為cm；gmax計(jì)算如下：

q為單位長度導(dǎo)線上的表面電荷；ε0為1/ (36π×109)；n為分裂導(dǎo)線數(shù)；d為單根導(dǎo)線的直徑，單位為cm；b為分裂導(dǎo)線的節(jié)圓直徑。

由公式（18）可得出高壓交流架空送電線三相導(dǎo)線的每相在某一點(diǎn)產(chǎn)生的無線電干擾場(chǎng)強(qiáng)。若某一相的場(chǎng)強(qiáng)值大于其余每相至少3dBμ V/m，就取該相的場(chǎng)強(qiáng)值作為此高壓交流架空送電線的無線電干擾場(chǎng)強(qiáng)，否則依據(jù)公式（20）來計(jì)算：

式（20）中E1，E2分別為三相導(dǎo)線中的最大兩個(gè)無線電干擾場(chǎng)強(qiáng)，單位為dBμV/m。

5 結(jié)束語

本文簡(jiǎn)要分析了高壓電力線產(chǎn)生無線電有源干擾的機(jī)理，并通過建立高壓傳輸線輻射場(chǎng)的偶極子模型及單根高壓線起暈場(chǎng)計(jì)算方法，計(jì)算了其周圍1 000m范圍內(nèi)短波頻段內(nèi)電磁干擾場(chǎng)強(qiáng)大小。在參考國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，其變化基本一致。該研究成果對(duì)當(dāng)前無線電管理部門進(jìn)行短波監(jiān)測(cè)站電磁環(huán)境保護(hù)具有一定的理論參考價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

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張寧：學(xué)士畢業(yè)于重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任國家無線電監(jiān)測(cè)中心工程師，主要從事無線電監(jiān)測(cè)工作，多次完成國家無線電監(jiān)測(cè)中心標(biāo)準(zhǔn)化工作及軟課題研究項(xiàng)目，研究方向?yàn)闊o線電波傳播及無線電業(yè)務(wù)理論研究與應(yīng)用。

劉燕：碩士畢業(yè)于西安科技大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)任國家無線電監(jiān)測(cè)中心助理工程師，主要從事無線電監(jiān)測(cè)工作，完成了國家無線電監(jiān)測(cè)中心兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)制定工作及短波通信頻率實(shí)時(shí)探測(cè)及預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件開發(fā)，研究方向?yàn)闊o線電波傳播及無線電業(yè)務(wù)理論研究與應(yīng)用。

德國外經(jīng)貿(mào)部考察世界頂級(jí)光纖熔接機(jī)品牌韓國易諾儀器

5月中旬，德國外經(jīng)貿(mào)部負(fù)責(zé)電子產(chǎn)業(yè)的兩位專家——M ax M ilbredt與Anj a Birholz對(duì)韓國易諾儀器總部進(jìn)行考察。此次考察目的是為共同發(fā)現(xiàn)在國際項(xiàng)目中的合作機(jī)會(huì)并擴(kuò)展與易諾德國分公司的業(yè)務(wù)。韓國易諾儀器市場(chǎng)部向?qū)＜抑攸c(diǎn)介紹了View系列光纖熔接機(jī)，并展示了View系列產(chǎn)品與重要工具配件，細(xì)節(jié)展示與精致機(jī)械工藝都體現(xiàn)了易諾光纖熔接機(jī)在不同熔接場(chǎng)合的優(yōu)勢(shì)。此次考察合作讓雙方都受益匪淺，具有極其深遠(yuǎn)的相互學(xué)習(xí)借鑒意義，對(duì)于韓國易諾品牌在通信工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域也是一個(gè)不小的加速劑。

眼下正是全球通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的熱潮，易諾儀器作為全球領(lǐng)先的電信行業(yè)供應(yīng)商，同樣融入于德國政府提出的“工業(yè)4.0”大潮中，在通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面力求為電信企業(yè)提供高智能有效的解決方案。在未來，易諾儀器期待有更多的合作機(jī)會(huì)，更期待在新戰(zhàn)略思想引導(dǎo)下共同開創(chuàng)通信工業(yè)的新局面。（本刊）

Analysis and Research on 3MHz—30MHz Electromagnetic Interference Modeling of High Voltage Power Line

ZHANG Ning, LIU Yan
(State Radio Monitoring Center Urumqi Station, Urumqi 830000, China)

In order to enhance quality and efficiency shortwave monitoring and avoid the influence of electromagnetic interference, active jamming mechanism of high voltage power line affecting shortwave monitoring was analyzed in this paper. According to the calculation principles of vertical dipole model radiation fi eld and corona fi eld of single high voltage power line, 3MHz—30MHz electromagnetic interference was modeled and analyzed. In addition, active interference bench mark level of high voltage power line was quantitatively calculated and comp ared with tested data. Results show that, in frequency range of 3MHz—30MHz, the strength of electromagnetic interference is different in the conditions of multiple and single high voltage power lines; but the change trend of electromagnetic interference in these two conditions is overall consistent with the change trend of tested data fi eld strength.

high voltage power line shortwave monitoring active jamming corona fi eld

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.013

TN92

A

1006-1010(2015)10-0066-05

張寧,劉燕. 高壓電力線在3MHz—30MHz電磁干擾下的建模分析研究[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(10): 66-70.

2015-03-23

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn