特高壓線路對對空雷達(dá)站電磁干擾的防護(hù)間距

唐 波 楊嘉煒 黃 力 郝 斌

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

隨著國際安全局勢的復(fù)雜多變，各地出現(xiàn)了大量對周邊電磁環(huán)境要求苛刻的雷達(dá)臺(tái)站[1-2]．以特高壓輸電線路為骨架的電網(wǎng)建設(shè)和對空雷達(dá)站間不可避免地出現(xiàn)了越來越突出的電磁干擾問題[3-5]．而目前國家所使用的防護(hù)規(guī)范仍是根據(jù)20多年前的標(biāo)準(zhǔn)GB13618-92《對空情報(bào)雷達(dá)站電磁環(huán)境防護(hù)要求》，其涉及的最高電壓等級為500 kV，顯然對于目前的狀況存在一定局限性．為此，需要針對兩者的防護(hù)間距問題做出進(jìn)一步研究．

當(dāng)前已有公開文獻(xiàn)對特高壓輸電線路與周邊電磁設(shè)施防護(hù)間距的研究，但其主要針對對象是處于中短波頻段(0.3～30 MHz)內(nèi)的無線電臺(tái)站[6，7]．而對空雷達(dá)站工作頻段處于80～3 000 MHz，影響可能更為嚴(yán)重．與一般無線電臺(tái)站的防護(hù)準(zhǔn)則相比，對空雷達(dá)站有其特殊的防護(hù)要點(diǎn)，最主要一點(diǎn)體現(xiàn)為：雷達(dá)站除了對周邊環(huán)境及設(shè)施有相應(yīng)的防護(hù)規(guī)定外，還需保證探測距離損失在5%以內(nèi)．

為此，基于對空雷達(dá)站電磁防護(hù)準(zhǔn)則和雷達(dá)回波方程，提出了特高壓輸電線路與對空雷達(dá)站的理論求解模型，并應(yīng)用數(shù)值分析法研究兩級系統(tǒng)之間的防護(hù)間距問題．以允許探測距離損失為基準(zhǔn)，通過對特高壓鐵塔的塔型、一定線路長度下的鐵塔基數(shù)、雷達(dá)入射波角度的建模和仿真分析，得出了雷達(dá)探測損耗隨兩者間距距離變化時(shí)的規(guī)律，最后對現(xiàn)有防護(hù)間距標(biāo)準(zhǔn)提出了建議．

1 防護(hù)間距與探測距離損失

雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測時(shí)，探測距離是衡量其探測性能強(qiáng)弱的一項(xiàng)重要指標(biāo)[8]．根據(jù)目前研究，雷達(dá)探測距離的評估方式主要是通過實(shí)地探測或者縮比實(shí)驗(yàn)完成的[9]，但這兩種以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集無疑會(huì)耗費(fèi)大量資源，實(shí)施過程十分困難．因此，如何有效評估探測距離損失就是解決防護(hù)間距問題的先行條件．

假設(shè)雷達(dá)發(fā)收天線共用，雷達(dá)信號的接收方程和雷達(dá)探測距離公式分別如下：

(1)

(2)

式中，R是雷達(dá)距離目標(biāo)距離，Rmax是雷達(dá)最大可探測距離，Pt是雷達(dá)發(fā)射功率，Pr是雷達(dá)回波功率，G是發(fā)收天線增益，λ是雷達(dá)波長，Pmin是雷達(dá)可檢測到的最小回波信號，σ是雷達(dá)散射截面(RCS， Radar cross section)．

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在保證發(fā)射功率不變的情況下，通過對式(1)等號兩邊的簡單變換，5%的允許最大探測距離損失可以等效為允許探測功率損耗降低0.9 dB，而雷達(dá)探測功率損耗可通過分貝換算公式得出：

ΔP=10lg(Pr/Pt)

(3)

式中，ΔP是雷達(dá)探測功率損耗．

因此，對雷達(dá)探測距離損失的求解即可轉(zhuǎn)化為對探測功率損耗的分析．結(jié)合式(1)和式(2)可以看出，影響雷達(dá)探測功率損耗的主要變量因子是雷達(dá)散射截面σ，其它如發(fā)射功率Pt、波長λ、天線增益G等參量則取決于雷達(dá)的自身屬性．

根據(jù)雷達(dá)散射截面(RCS)的定義可以得到其表達(dá)式為：

(4)

式中，Es為目標(biāo)散射場強(qiáng)，Ei為雷達(dá)入射波場強(qiáng)．

結(jié)合方程(1)～(4)，通過對σ的求解即可得到探測功率損耗大小，進(jìn)而對防護(hù)間距進(jìn)行判定．

2 對空雷達(dá)站防護(hù)間距的求解

2.1 防護(hù)間距的規(guī)程算法

當(dāng)前防護(hù)間距的確定是根據(jù)等效噪聲帶寬和最大允許效干擾場強(qiáng)直接進(jìn)行計(jì)算的．計(jì)算公式如下：

(5)

Ejqmax=Ujfmax+20lgf-G-10lgZ+VEgp+L-9.8

(6)

Ujfmax=0.48Unf

(7)

式中，Dmin是所需防護(hù)間距，E0是不同電壓等級常量，f是雷達(dá)工作頻率，Bn是噪聲帶寬，Ejqmax是最大允許干擾場強(qiáng)峰值，Ujfmax是最大允許干擾電壓有效值，Z是雷達(dá)接收機(jī)輸入阻抗，ΔEgp是準(zhǔn)峰值場強(qiáng)與峰值場強(qiáng)分貝數(shù)之差，L是雷達(dá)天線系統(tǒng)損耗，Unf是等效本機(jī)系統(tǒng)噪聲電壓有效值．

標(biāo)準(zhǔn)中對E0、ΔEgp、Unf的參數(shù)取值有明確規(guī)定，可根據(jù)其研究對象進(jìn)行相應(yīng)賦值．然而，噪聲帶寬Bn是由線路本身參數(shù)決定，其與線路諧振頻率相關(guān)；天線系統(tǒng)損耗L大小是由內(nèi)部系統(tǒng)損耗以和外部人為操作及環(huán)境損耗兩方面因素共同決定的，而現(xiàn)場實(shí)際情況的復(fù)雜多變，諸如操作損耗、環(huán)境影響損耗等因素大小很難確定．并且，由于實(shí)際線路桿塔和線路模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難通過公式直接進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)考慮數(shù)值算法．

2.2 采用數(shù)值算法求解防護(hù)間距

由2.1節(jié)分析可知，采用數(shù)值算法求解防護(hù)間距時(shí)，需要求解出目標(biāo)鐵塔的散射場強(qiáng)Es的大小，進(jìn)而才能確定探測距離損失和防護(hù)間距的關(guān)系，因此首先需要建立散射場求解模型．

如圖1所示為建立特高壓輸電線路與對空雷達(dá)站防護(hù)間距的求解模型示意圖．從圖1中可以看出，輸電線路沿y軸方向建立，雷達(dá)站位于中間的1基鐵塔橫線路方向并沿x軸方向進(jìn)行信號發(fā)收．雷達(dá)與最近的1基鐵塔的防護(hù)間距為D，當(dāng)線路與雷達(dá)站的防護(hù)間距需要調(diào)整時(shí)，可將線路看作一條直線并沿x軸方向平移，以此來模擬不同情況下的干擾損耗從而確定最佳防護(hù)間距．

圖1 散射場求解模型

模型建立完成后，就需要選擇合適的算法進(jìn)行求解．在高頻散射問題求解中，空間任意點(diǎn)散射場Es可采用LE-PO法求解．LE-PO法是一種基于Stratton-chu積分方程的高頻快速求解方法，文獻(xiàn)[10]詳細(xì)分析了散射場的求解步驟，在此不做過多敘述．模型和算法確定后，通過改變雷達(dá)站與輸電線路的相對位置以及各個(gè)變量因子，將求得的散射場結(jié)果帶入前文公式進(jìn)行計(jì)算，以0.9 dB為標(biāo)準(zhǔn)閾值進(jìn)行結(jié)果篩選，從而確定最佳防護(hù)距離．

3 防護(hù)間距的具體求解

3.1 模型及參數(shù)設(shè)置

建立特高壓輸電鐵塔模型時(shí)，選用酒杯塔、貓頭塔和干型塔進(jìn)行分析，為了避免塔高因素帶來的影響，因此在建模時(shí)統(tǒng)一兩種塔型的高度為65 m．如圖2所示為3種塔型的模型．

圖2 特高壓輸電塔模型

根據(jù)特高壓工程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)范，鐵塔角鋼規(guī)格選用L200型，寬度為0.2 m；雷達(dá)天線激勵(lì)源采用垂直極化平面波模擬．

以500 kV電壓等級的輸電線路防護(hù)間距規(guī)定為基礎(chǔ)，在研究特高壓線路防護(hù)間距時(shí)，設(shè)置1 000 m為起始防護(hù)距離進(jìn)行研究．雷達(dá)與鐵塔距離從1 000 m依次線性增加至2 500 m，步長為100 m．

3.2 防護(hù)間距的具體求解

根據(jù)對空雷達(dá)站工作所處頻段，選取100 MHz、500 MHz、1 GHz、3 GHz分別對特高壓輸電線路鐵塔的塔型、檔距以及當(dāng)雷達(dá)入射波角度為30°、60°和90°時(shí)探測損耗與防護(hù)距離的變化規(guī)律進(jìn)行分析．

3.2.1 塔型對雷達(dá)探測損耗的影響

如圖3所示為酒杯塔、貓頭塔和干型塔3種塔型對雷達(dá)探測損耗隨防護(hù)間距的變化規(guī)律．圖中虛線表示標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.9 dB探測損耗要求．

圖3 防護(hù)間距與損耗變化規(guī)律(塔型)

從圖3中可以看出，隨著防護(hù)距離的提升，3種塔型對雷達(dá)探測造成的損耗都呈現(xiàn)減小趨勢，并且通過圖a和圖d對比得出，當(dāng)頻率從100 MHz升高到3 GHz時(shí)，鐵塔對雷達(dá)探測造成的損耗是降低的，相應(yīng)的防護(hù)距離也隨之減?。绠?dāng)頻率為100 MHz時(shí)，3種塔型造成的損耗都約為2.3 dB，需要的防護(hù)距離為2 100 m；而當(dāng)頻率提升至3 GHz，損耗降低至約1.4 dB，防護(hù)距離為1 500 m時(shí)就能滿足0.9 dB的探測損耗要求．同時(shí)，結(jié)合圖(a)～(d)4個(gè)圖發(fā)現(xiàn)，在4種不同頻率下激勵(lì)下的3種塔型損耗變化規(guī)律基本一致，因此認(rèn)為塔型不是影響雷達(dá)探測損耗的主要因子．

3.2.2 鐵塔數(shù)量對雷達(dá)探測損耗的影響

設(shè)置總線路長度為2 000 m，分別研究放置3基、5基、7基不同數(shù)量的鐵塔對雷達(dá)探測損耗的變化規(guī)律．根據(jù)圖3得出結(jié)論，塔型不是主要的影響因子，因此在研究鐵塔數(shù)量時(shí)統(tǒng)一采用酒杯塔進(jìn)行建模分析．

如圖4所示表示不同頻率下當(dāng)鐵塔基數(shù)變化對探測損耗帶來的影響．通過圖4(a)～(d)4個(gè)圖對比發(fā)現(xiàn)，和設(shè)置5基或7基鐵塔相比，設(shè)置3基鐵塔在4種頻率激勵(lì)下對雷達(dá)探測損耗的影響都是最小的，相應(yīng)的其防護(hù)間距要求也最低．如在圖4(d)中，當(dāng)頻率為3 GHz時(shí)，3基鐵塔的防護(hù)間距為1 250 m時(shí)即可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值．然而，隨著鐵塔基數(shù)的增加，從3基到5基再到7基，以圖4(c)為例，探測損耗呈現(xiàn)一個(gè)先增加后降低的趨勢，損耗最大值出現(xiàn)在設(shè)置5基鐵塔的時(shí)候．和3基塔、5基塔相比，7基塔造成的探測損耗介于兩者之間，圖4中其余3個(gè)圖變化規(guī)律也基本相同．

圖4 防護(hù)間距與損耗變化規(guī)律(鐵塔數(shù)量)

3.2.3 雷達(dá)入射波角度對探測損耗的影響

選取當(dāng)雷達(dá)入射波為30°、60°和90°3種情況下進(jìn)行研究分析，如圖5所示．

圖5 防護(hù)間距與損耗變化規(guī)律(入射角度)

從圖5中可以看出，當(dāng)雷達(dá)入射角度與輸電線路垂直即為90°時(shí)，造成的探測損耗影響最大，最大值出現(xiàn)在頻率為100 MHz時(shí)，損耗為2.3 dB，根據(jù)求解結(jié)果，此時(shí)防護(hù)間距要求約為2 200 m；在圖5中，由(a)～(d)4個(gè)圖對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射角度為30°和60°時(shí)，損耗的變化規(guī)律十分接近.因此認(rèn)為當(dāng)雷達(dá)入射波垂直線路走向時(shí)造成的探測損耗更為明顯．

4 結(jié) 論

1)根據(jù)本文研究結(jié)果，塔型對雷達(dá)探測損耗的影響較小，主要的影響因子是鐵塔數(shù)量以及雷達(dá)入射角與線路走向的夾角．在考慮3種變量因子的最大影響情況下，建議防護(hù)間距設(shè)置1900m～2100m；同時(shí)，在實(shí)際特高壓工程建設(shè)中，輸電線路走向應(yīng)盡量避開雷達(dá)入射的垂直方向，并且在一定的線路總長內(nèi)，盡量減小鐵塔建設(shè)基數(shù)．

2)本文研究對實(shí)際的特高壓工程建設(shè)在一定程度上具有指導(dǎo)意義，對今后的特高壓工程線路規(guī)劃具有實(shí)際參考價(jià)值．

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