高壓輸電高頻電磁環(huán)境測(cè)試與分析

（1.武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075; 2.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

高壓輸電高頻電磁環(huán)境測(cè)試與分析

吳勇1，雷磊1，樊高輝1，李林濤1，王雷2

（1.武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075; 2.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

目的深入研究超特高壓輸電電磁輻射環(huán)境。方法采用窄帶測(cè)試的方法分別對(duì)500 kV變電站和500 kV交流輸電線路的超高頻電磁環(huán)境進(jìn)行測(cè)試與分析。結(jié)果變電站周圍產(chǎn)生的超高頻輻射場(chǎng)上限頻率可達(dá)1 GHz，線路周圍產(chǎn)生的超高頻輻射場(chǎng)上限頻率可達(dá)700 MHz，分裂導(dǎo)線將會(huì)影響線路的高頻輻射場(chǎng)分布。在傳播過程中，輻射場(chǎng)電場(chǎng)以垂直極化分量為主，輻射信號(hào)峰值隨距離的衰減曲線呈非線性關(guān)系，遠(yuǎn)距離處輻射信號(hào)以低頻分量為主。結(jié)論測(cè)試得到的規(guī)律對(duì)研究高壓輸電的高頻電磁環(huán)境具有參考意義。

電磁輻射環(huán)境；超高頻輻射場(chǎng)；分裂導(dǎo)線；垂直極化

超特高壓輸電電磁環(huán)境復(fù)雜，低頻電磁輻射主要由線路表面電暈放電產(chǎn)生，而高頻、超高頻電磁輻射主要來源于金具、絕緣子上的放電和接觸不良擊穿導(dǎo)致的火花放電[1—4]。隨著電壓等級(jí)的提升，其電磁輻射是否會(huì)隨之增強(qiáng)，對(duì)評(píng)估長(zhǎng)期處在其中的人或物受到的潛在危害、對(duì)敏感電子設(shè)備尤其是各類電子武器裝備的威脅和對(duì)通信頻段的干擾[4—5]具有重要意義，因此對(duì)超特高壓輸電電磁輻射環(huán)境的測(cè)試與分析具有重要意義。

目前對(duì)低頻電磁輻射的研究多集中于電暈放電的研究與分析，理論研究多為電暈放電輻射機(jī)理分析、電暈電流及其輻射場(chǎng)的計(jì)算[6—9]，實(shí)驗(yàn)研究主要涉及到線路電暈放電產(chǎn)生的無線電干擾測(cè)試。對(duì)于輸電線路產(chǎn)生的電磁干擾可以通過激發(fā)函數(shù)計(jì)算出其輻射場(chǎng)和無線電干擾限值，但是所適用的頻率相對(duì)較低，超高頻輻射場(chǎng)并不太適宜于用此類公式進(jìn)行計(jì)算[10—11]。對(duì)于高頻或者超高頻電磁輻射，目前多是集中于局部放電檢測(cè)的研究[12—15]，而系統(tǒng)性針對(duì)超高頻電磁環(huán)境的測(cè)試與規(guī)律分析的研究相對(duì)較少。

文中利用窄帶測(cè)試，分別對(duì)500 kV變電站和500 kV交流輸電線路的高頻電磁環(huán)境進(jìn)行了實(shí)測(cè)與分析，旨在為高頻電磁干擾測(cè)試與評(píng)估提供參考。

1 高頻電磁輻射測(cè)試

1.1 窄帶測(cè)試原理

當(dāng)前對(duì)放電輻射信號(hào)的測(cè)試多采用寬帶測(cè)試，測(cè)試帶寬常達(dá)GHz。在對(duì)高壓輸電超高頻電磁環(huán)境進(jìn)行測(cè)試時(shí)，寬帶測(cè)試將引入較多干擾。這些干擾多為空間中充斥著的通訊、廣播、電視及各種電器發(fā)射的電磁信號(hào)，直接降低測(cè)試結(jié)果的可信度和測(cè)試距離。相對(duì)于 109Hz帶寬的寬帶測(cè)試，窄帶測(cè)試所選帶寬多為數(shù)百 106Hz，測(cè)試時(shí)帶內(nèi)干擾較少，信噪比較高，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確性高，且能夠遠(yuǎn)距離測(cè)試電磁輻射環(huán)境。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，測(cè)試系統(tǒng)主要由寬帶測(cè)試天線、接收機(jī)和示波器組成，標(biāo)定后的系統(tǒng)具有較高的靈敏度。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Block diagram of test system

天線采用對(duì)數(shù)周期天線，其工作帶寬為 30 MHz～2 GHz，輸入阻抗為50 ?，駐波比≤1.5，旁瓣抑制比高，定向性好，空間干擾抑制能力強(qiáng)。接收機(jī)靈敏度高、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大，可測(cè)量信號(hào)范圍為 100 Hz～4 GHz，最大中頻帶寬 100 MHz，接收機(jī)增益最高可達(dá)65 dB，標(biāo)定后的系統(tǒng)最小測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)可達(dá) μV/m。示波器為泰克生產(chǎn)的TDS-7404B型，四通道實(shí)時(shí)采樣，最大采樣率20 GS/s。

測(cè)試時(shí)，處在放電信號(hào)輻射場(chǎng)中的天線將感應(yīng)的射頻電壓通過同軸電纜傳輸至接收機(jī)，接收機(jī)將信號(hào)經(jīng)過一系列處理后輸出至示波器。寬頻帶的測(cè)量主要是由接收機(jī)的選頻功能和寬帶測(cè)試天線協(xié)同完成。

1.3 測(cè)試過程

采用輻射法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量對(duì)象分別為某500 kV變電站、四分裂導(dǎo)線的500 kV交流輸電線路1和六分裂導(dǎo)線的500 kV交流輸電線路2。測(cè)量變電站周圍高頻電磁輻射信號(hào)時(shí)，在其徑向不同距離處設(shè)置等間距測(cè)試點(diǎn)；測(cè)量線路周圍高頻電磁輻射信號(hào)時(shí)，分別在對(duì)應(yīng)線路中跨和桿塔的直線方向上設(shè)置等間距測(cè)試點(diǎn)。

寬頻帶放電輻射信號(hào)的測(cè)量主要是由接收機(jī)的選頻功能和寬帶測(cè)試天線協(xié)同完成。接收機(jī)以中心頻率100 MHz為初始值，2 GHz為終止中心頻率，50 MHz為步進(jìn)，中頻帶寬100 MHz對(duì)輻射場(chǎng)進(jìn)行逐頻段測(cè)量，最終可測(cè)量頻段為 50～2050 MHz。測(cè)試時(shí)，在選定的測(cè)試點(diǎn)（50，100，150，200 m）分別將天線布置成水平極化或垂直極化方式，天線離地高度為 2 m，其最大增益方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)。首先觀察、測(cè)試并記錄背景，然后逐頻段測(cè)試放電輻射信號(hào)，待所測(cè)得的信號(hào)重復(fù)性較好時(shí)記錄下相應(yīng)的數(shù)據(jù)。其中圖 2為某次測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖2 500 kV線路測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Measurement scene of the 500 kV AC transmission lines

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 背景及干擾測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，不僅要測(cè)試自然背景噪聲，還需考慮周圍隨機(jī)出現(xiàn)的干擾信號(hào)。測(cè)試表明，干擾信號(hào)主要包括測(cè)試區(qū)域內(nèi)存在的2G網(wǎng)絡(luò)手機(jī)信號(hào)、汽車打火信號(hào)。前者可以視為窄帶干擾，后者可視為寬帶干擾。表1給出了測(cè)試區(qū)域內(nèi)偶爾經(jīng)過的電動(dòng)車產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)時(shí)域特征，發(fā)現(xiàn)該擾動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間在數(shù)十納秒左右，如圖3所示。車輛產(chǎn)生的干擾信號(hào)與圖 4所示的放電輻射信號(hào)持續(xù)時(shí)間相當(dāng)，頻譜相近，因此會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生較為嚴(yán)重的干擾，測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量予以避免。

2.2 頻譜分布

測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，變電站周圍高頻電磁環(huán)境復(fù)雜，分布著頻率從50 MHz～1 GHz的高頻電磁輻射信號(hào)，輸電線路和桿塔周圍集中分布著頻率在200～700 MHz的超高頻電磁輻射信號(hào)。

圖3 車輛引起的擾動(dòng)信號(hào)Fig.3 Interference signal by car

圖4 放電輻射信號(hào)Fig.4 Discharge radiation signal

表1 車輛馬達(dá)產(chǎn)生的干擾信號(hào)Table 1 Interference signal generated by car motor

圖5為距離變電站、輸電線路和桿塔200 m處測(cè)試得到的放電輻射信號(hào)信噪比。變電站因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，放電類型較多，諸如電暈放電、局部放電以及不良接觸導(dǎo)致的火花放電，其產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)頻帶較寬，高頻上限可達(dá)GHz。在100 MHz以下頻段由于覆蓋了廣播、電視等通信頻段，導(dǎo)致實(shí)測(cè)放電信號(hào)信噪比相對(duì)較低（基本在5 dB以下），被測(cè)信號(hào)時(shí)域特征不明顯；在200～500 MHz頻段實(shí)測(cè)得到的放電信號(hào)信噪比相對(duì)較高，大多在15 dB以上，被測(cè)信號(hào)時(shí)域特征明顯；在500～800 MHz頻段，放電信號(hào)的信噪比隨頻帶的上移均有所降低，但還保持在5 dB以上，被測(cè)信號(hào)時(shí)域特征依然可以準(zhǔn)確識(shí)別；而在800 MHz以上頻段，實(shí)測(cè)放電信號(hào)的信噪比迅速下降，被測(cè)信號(hào)基本已被背景噪聲所淹沒。實(shí)測(cè)輸電線路和桿塔周圍超高頻電磁輻射信號(hào)的頻段分布在200～700 MHz，但二者略有不同，其中前者信號(hào)信噪比要低于后者，尤其是隨著頻率升高該現(xiàn)象更為明顯。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是：線路上的高頻輻射來源于電暈放電，而桿塔上的高頻輻射主要是金具、絕緣子上的放電，一般后者頻段分布更寬，強(qiáng)度更大。

圖5 放電輻射信號(hào)信噪比Fig.5 SNR of discharge radiation signal

2.3 放電輻射信號(hào)隨距離的變化規(guī)律

實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，變電站和線路周圍的高頻電磁輻射信號(hào)電壓峰值隨距離的增大而降低。以變電站測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明，圖6為等間距測(cè)試點(diǎn)所測(cè)信號(hào)的變化規(guī)律。輻射的電磁波信號(hào)其電壓峰峰值隨著距離的增加而減小，衰減曲線均呈現(xiàn)非線性特征，不同頻段的衰減率并不相同。遠(yuǎn)距離輻射場(chǎng)以低頻成分（＜500 MHz）為主，高頻輻射場(chǎng)（＞500 MHz）主要分布在近距離范圍內(nèi)。

圖6 不同測(cè)試點(diǎn)處輻射信號(hào)峰峰值Fig.6 Peak values of discharge radiation signals under different test points

2.4 導(dǎo)線分裂數(shù)對(duì)放電輻射場(chǎng)影響

為了控制電壓和保證輸送容量，在設(shè)計(jì)上超特高壓線路采用分裂導(dǎo)線以降低導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)來抑制電暈放電。相同電壓等級(jí)下，分裂導(dǎo)線數(shù)目增多則導(dǎo)線等效半徑增大，隨之導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)值降低則電暈放電被抑制。

圖7給出了測(cè)試距離50 m處線路1（四分裂）和線路2（六分裂）高頻電磁輻射信號(hào)的測(cè)試結(jié)果。同等測(cè)試條件下，導(dǎo)線分裂數(shù)越小，測(cè)得的輻射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)更高。由于放電的隨機(jī)性，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試中亦出現(xiàn)了各別頻率附近無信號(hào)的情況。結(jié)果表明，在輸送電壓等級(jí)相同的情況下，導(dǎo)線分裂數(shù)對(duì)線路抑制電暈放電的能力不同，該規(guī)律符合理論分析。

圖7 不同子導(dǎo)線線路的放電信號(hào)Fig.7 Discharge radiation signals of lines with different bundle conductors

2.5 極化方式對(duì)放電輻射信號(hào)接收的影響

圖8給出了距變電站100 m處，采用對(duì)數(shù)周期天線分別在垂直極化和水平極化方式下測(cè)得的放電輻射信號(hào)，圖9為其對(duì)應(yīng)的信噪比。測(cè)試環(huán)境溫度為36.9 ℃、相對(duì)濕度為59.0%。結(jié)果表明，當(dāng)近距離測(cè)試時(shí)，兩種極化方式下均能測(cè)試到放電輻射信號(hào)。由于水平極化方式下，掠地傳播將會(huì)造成部分能量的電磁波被大地吸收，衰減較快，因此可接收信號(hào)強(qiáng)度降低。隨著距離的增大，電磁波的水平極化分量必然比垂直極化分量衰減更快。

圖8 不同極化方式下放電輻射信號(hào)峰峰值Fig.8 Discharge radiation signals under different polarization

圖9 不同極化方式下放電輻射信號(hào)信噪比Fig.9 SNR of discharge radiation signals under different polarization

3 結(jié)論

文中采用窄帶測(cè)試方法，對(duì)500 kV變電站、四分裂和六分裂導(dǎo)線的500 kV交流輸電線路超高頻電磁環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試，并得到如下結(jié)論。

1）相同背景下，由于放電類型較多，同一輸電電壓等級(jí)下變電站周圍的電磁環(huán)境比輸電線路更加復(fù)雜，前者產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)比后者具有更寬的頻譜分布。

2）變電站和線路周圍的電磁輻射信號(hào)電壓峰值隨距離的衰減曲線呈非線性特征，具有高頻分量的信號(hào)僅存在距離放電源較近的區(qū)域，遠(yuǎn)距離處的電磁環(huán)境以低頻為主。

3）天線極化方式對(duì)信號(hào)接收有較大影響，垂直極化較之水平極化更易接收信號(hào)，遠(yuǎn)距離測(cè)試宜采用垂直極化方式進(jìn)行接收。

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Testing and Analysis of UHF Electromagnetic Field of the Corona Discharge Generated by Transmission Lines at a Long Distance

WU Yong1,LEI Lei1,FAN Gao-hui1,LI Lin-tao1,WANG Lei2
（1.Wuhan Ordnance Petty Officer School, Wuhan 430075, China; 2.Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China）

ObjectiveTo study the electromagnetic radiation environment of ultra-high voltage power transmission intensively.MethodsThe ultra high frequency (UHF) electromagnetic radiation environment of both a 500 kV AC substation and two 500 kV AC transmission lines was tested and analyzed by narrow band method.ResultsThe upper limiting frequency of the UHF radiation field produced around the substation was up to 1 GHz, and that around the transmission lines was 700 MHz. The distribution of the UHF radiation filed varied with bundle conductors. When transmitting in the atmosphere, the main components of the radiation electric field was subject to vertical polarization, and the peak values of the radiation signals had a nonlinear relationship with the decay curve of fistance. As the distance increased, the components of the field signal were of lower frequency.ConclusionThe acquired law plays a reference role in studying the UHF electromagnetic environment of the high-voltage transmission.

electromagnetic radiation environment; UHF radiation field; bundle conductors; vertical polarization

10.7643/ issn.1672-9242.2016.06.016

TJ04；V274

A

1672-9242(2016)06-0090-05

2016-07-10；

2016-08-14

Received：2016-07-10；Revised：2016-08-14

吳勇（1985—），男，福建莆田人，碩士，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。

Biography：WU Yong(1985—), Male, from Putian, Fujian, Master, Research focus: electromagnetic field and microwave technology.