交流特高壓輸電線路對(duì)雷達(dá)臺(tái)站的無(wú)源干擾研究

盧 瑩， 張建功， 干喆淵， 趙志斌

(1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206； 2. 電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (中國(guó)電力科學(xué)研究院武漢分院)，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)周邊電磁環(huán)境有嚴(yán)格要求的特高頻無(wú)線電臺(tái)站(如用于模擬電視及數(shù)碼電視廣播臺(tái)站、軍用航空雷達(dá)等)大量涌現(xiàn)，具有大尺寸金屬結(jié)構(gòu)的特高壓輸電線路對(duì)這些臺(tái)站的無(wú)源干擾問(wèn)題成為研究熱點(diǎn)[1～3]。

對(duì)空情報(bào)雷達(dá)是用于搜索、監(jiān)視與識(shí)別空中目標(biāo)并確定其坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的雷達(dá)，也稱對(duì)空搜索雷達(dá)[4]。它所提供的情報(bào)，主要用于對(duì)空警戒、引導(dǎo)殲擊機(jī)截?cái)撤胶娇毡骱蜑榉揽瘴淦飨到y(tǒng)指示目標(biāo)，也用于保證飛行訓(xùn)練和飛行管制，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中獲取空中目標(biāo)情報(bào)的重要電子技術(shù)裝備。

本文首先對(duì)交流特高壓輸電線路的有源干擾進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，線路電暈導(dǎo)致的無(wú)線電干擾對(duì)其附近的對(duì)空情報(bào)雷達(dá)有源影響問(wèn)題，提出了1 000 kV交流特高壓輸電線路與對(duì)空情報(bào)雷達(dá)站的有源干擾防護(hù)距離建議值。然后對(duì)交流特高壓線路的無(wú)源干擾進(jìn)行分析，主要研究特高壓輸電線路的塔、線對(duì)對(duì)空情報(bào)雷達(dá)的距離探測(cè)性能影響，綜合陣地反射面影響、遮蔽影響和二次輻射回波干擾影響，提出了交流特高壓輸電線路與對(duì)空情報(bào)雷達(dá)站的無(wú)源干擾防護(hù)距離建議。

1 輸電線路與對(duì)空雷達(dá)站的有源干擾防護(hù)

從原理上講，雷達(dá)的工作頻率沒(méi)有限值。適用雷達(dá)的工作頻率已經(jīng)從高頻頻段(3 MHz～30 MHz)擴(kuò)展到毫米波段(30 GHz～300 GHz)。本文研究的對(duì)空情報(bào)雷達(dá)為我國(guó)目前常用的型號(hào)，頻率為80 MHz～3 000 MHz，可分為80 MHz～300 MHz和300 MHz～3 000 MHz兩個(gè)頻段。GB13618-1992《對(duì)空情報(bào)雷達(dá)站電磁環(huán)境防護(hù)要求》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)1》)中給出了防護(hù)間距定義及防護(hù)間距限值[5]。表1給出了不同電壓等級(jí)的架空電力線路與對(duì)空情報(bào)雷達(dá)站間的防護(hù)間距，當(dāng)不能滿足表1要求或者特殊情況，可按照對(duì)空情報(bào)雷站的電磁環(huán)境防護(hù)準(zhǔn)則來(lái)計(jì)算。電磁環(huán)境防護(hù)準(zhǔn)則所考慮的高壓架空輸電線、變電站干擾影響主要來(lái)自于兩個(gè)方面：一是高壓架空輸電線、變電站等在帶電運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電干擾；二是高壓架空輸電線、塔等設(shè)施作為障礙物，如果距離雷達(dá)站過(guò)近，會(huì)破壞雷達(dá)陣地反射面的要求，使雷達(dá)波瓣變形，進(jìn)而影響探測(cè)性能。另外，高壓架空輸電線、塔等設(shè)施還會(huì)對(duì)雷達(dá)造成一定的遮蔽角或電磁波衰減，從而有可能使雷達(dá)遺漏目標(biāo)或探測(cè)距離降低。因此，在考慮它們與對(duì)空情報(bào)雷達(dá)站的兼容時(shí)，應(yīng)從以上幾個(gè)方面綜合進(jìn)行研究和分析。按《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的原則和GJBZ20195-93即《軍用地面雷達(dá)陣地選擇規(guī)范》[6](以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)2》)中對(duì)雷達(dá)陣地反射面的要求，可分別計(jì)算出雷達(dá)對(duì)特高壓架空輸電線的防護(hù)間距，取較大者為最終防護(hù)間距值。

表1 架空輸電線路與對(duì)空情報(bào)雷達(dá)站的防護(hù)間距

對(duì)于高壓輸電線路在30 MHz以上的無(wú)線電干擾水平，主要來(lái)自鐵塔、絕緣子串、金屬器具等部位火花放電等偶然因素，目前沒(méi)有有效的計(jì)算預(yù)測(cè)辦法，只有通過(guò)實(shí)測(cè)進(jìn)行研究。

測(cè)量?jī)x器使用SCHWARZBECK公司9 k～3 000 MHz接收機(jī)，配套30 MHz～300 MHz寬帶雙錐天線和200 MHz～1 000 MHz頻段的對(duì)數(shù)周期天線。在測(cè)量中分別測(cè)量了天線在垂直極化和水平極化兩個(gè)方向上的無(wú)線電干擾準(zhǔn)峰值。

由于30 MHz以上的無(wú)線電干擾水平很低，采用了在試驗(yàn)線段帶電與不帶電情況下進(jìn)行比較測(cè)量的方法，線段不帶電情況下測(cè)得的數(shù)據(jù)為背景無(wú)線電噪聲，通過(guò)比較得出此頻段交流特高壓輸電線路的無(wú)線電干擾是否顯著。圖1給出了實(shí)測(cè)的30 MHz～1 000 MHz頻段無(wú)線電干擾準(zhǔn)峰值頻譜分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖2給出了天線在垂直極化和水平極化兩個(gè)方向上的無(wú)線電干擾水平比較。

圖1 30 MHz～1 000 MHz頻段無(wú)線電干擾準(zhǔn)峰值頻譜

圖2 天線極化方向?qū)y(cè)量結(jié)果的影響

雷達(dá)一般工作在超短波及以上波段，因此主要受高頻噪聲脈沖的影響。雷達(dá)受噪聲干擾致威力降低的機(jī)理如下：來(lái)自輸電線路上的干擾噪聲進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)后疊加在機(jī)內(nèi)噪聲之上，降低信噪比，造成雷達(dá)對(duì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率的降低，此時(shí)如要保持相同的發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率，必須提高最小可檢測(cè)信號(hào)的功率，但這將使雷達(dá)的探測(cè)距離縮小。

由于30 MHz～1 000 MHz頻段無(wú)線電干擾水平總體較低，為克服背景噪聲對(duì)其影響[7～10]，在試驗(yàn)中采用了帶電與不帶電情況下進(jìn)行比較測(cè)量的方法，線段不帶電情況下測(cè)得的數(shù)據(jù)為背景無(wú)線電噪聲，通過(guò)比較得出此頻段交流特高壓輸電線路的無(wú)線電干擾是否顯著。

圖3和圖4為兩次典型的比較測(cè)量結(jié)果，兩次測(cè)量都在晴好天氣進(jìn)行，測(cè)量結(jié)果沒(méi)有分辨出帶電前后無(wú)線電干擾水平有明顯一致性差異。因此只能說(shuō)明特高壓線路在該頻段的無(wú)線電干擾水平較低，完全淹沒(méi)在背景無(wú)線電噪聲中[11～13]，而背景無(wú)線電噪聲主要由空間輻射和氣象活動(dòng)等不穩(wěn)定因素造成，呈現(xiàn)在一個(gè)小范圍內(nèi)的無(wú)規(guī)律波動(dòng)。

圖3 帶電前后的無(wú)線電干擾水平比較I(垂直極化)

圖4 帶電前后的無(wú)線電干擾水平比較II(垂直極化)

通過(guò)紫外成像儀對(duì)試驗(yàn)線段的鐵塔、絕緣子串、金屬器具等部位進(jìn)行的觀測(cè)也沒(méi)有明顯發(fā)現(xiàn)存在火花放電的部位(這是針對(duì)具體實(shí)測(cè)對(duì)象作出的觀測(cè))。

測(cè)量結(jié)果表明特高壓輸電線路產(chǎn)生的有源無(wú)線電干擾與背景噪聲差異很小，因此對(duì)工作頻率在80 MHz以上的雷達(dá)影響很小，防護(hù)間距可沿用500 kV輸電線路的有源防護(hù)間距，即雷達(dá)工作頻率為80 MHz～300 MHz時(shí)的防護(hù)距離是1 600 m；雷達(dá)達(dá)工作頻率為300 MHz～3 000 MHz時(shí)的防護(hù)距離是1 000 m。

2 輸電線路與對(duì)空雷達(dá)站的無(wú)源干擾分析

輸電線路對(duì)雷達(dá)的無(wú)源干擾主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：

(1)輸電線路線、塔等障礙物對(duì)雷達(dá)電磁波的二次輻射可對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生固定的干擾回波；

(2)輸電線或變電站等地面設(shè)施距雷達(dá)某一距離時(shí)，在這一方位可能破壞了雷達(dá)陣地的有效反射面，影響雷達(dá)的探測(cè)性能的發(fā)揮；

(3)輸電線或變電站的地面設(shè)施的方位對(duì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波可能產(chǎn)生遮蔽損耗。

對(duì)于米波段雷達(dá)，從天線輻射到空間某一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度是直射波和地面反射波的向量和，其探測(cè)性能與雷達(dá)陣地有關(guān)，地面反射波的路徑不應(yīng)被地物所阻擋。按《標(biāo)準(zhǔn)2》中要求，對(duì)于米波雷達(dá)，不同仰角上的探測(cè)威力可用下式描述：

r=R0·F(α)·

(1)

式中：R0為雷達(dá)自由空間標(biāo)稱距離；F(α)為雷達(dá)天線的垂直方向系數(shù)；D、R、φ分別表示地面擴(kuò)散系數(shù)、地面反射系數(shù)和反射波滯后相位；h為雷達(dá)天線高度；λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)。

當(dāng)?shù)孛鏋槔硐敕瓷錀l件時(shí)，根號(hào)下各項(xiàng)之和在某一仰角時(shí)最大接近于4，開方后即在一定的仰角時(shí)雷達(dá)探測(cè)距離可增大近1倍?？梢?jiàn)雷達(dá)天線周圍地形對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能有極大影響。這一地域的大小常按雷達(dá)第一波瓣中心仰角所要求的菲涅耳區(qū)來(lái)計(jì)算。

這一地域?yàn)橐粰E圓，如圖5所示。它的長(zhǎng)半軸a、短半軸b、橢圓中心x0與雷達(dá)天線高度h、工作波長(zhǎng)λ、目標(biāo)仰角α的關(guān)系如下：

(2)

(3)

式中：h為雷達(dá)天線的中心高度；λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)；α為天線垂直面上的仰角。

圖5 第一波瓣中心仰角的非涅耳區(qū)

則第一波瓣仰角所要求的地面最遠(yuǎn)反射距離Dmax，最近反射距離Dmin分別為：

(4)

(5)

(6)

(7)

幾何反射中心與雷達(dá)的距離為：

(8)

將α1的表達(dá)式代入(8)式則得：

(9)

由此可知，各反射點(diǎn)距離都與天線高度h的平方成正比，與波長(zhǎng)λ成反比。根據(jù)《電磁學(xué)》知識(shí)可知：不同距離段天線所照射的電磁能量密度并不相同，60%以上的能量集中在幾何反射中心點(diǎn)附近。因此，在考慮地面障礙物對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能的影響時(shí)可按雷達(dá)的幾何反射點(diǎn)d0計(jì)算。按較嚴(yán)格要求取雷達(dá)工作頻率為300 MHz，天線中心高度取 10 m，代入式(6)(7)(9)可得：Dmax= 2 330 m、Dmin=70 m、d0=400 m，米波雷達(dá)對(duì)特高壓輸電線路的防護(hù)間距為2 330 m。

圖6 輸電線路對(duì)反射波遮擋示意圖

3 輸電線路對(duì)雷達(dá)影響的模擬試驗(yàn)

考慮到輸電線、塔本身比較高大，進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)難以操作，故這里采用“縮尺比”法進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

在“短波頻段內(nèi)±800 kV 直流輸電線路對(duì)無(wú)線電臺(tái)站的無(wú)源干擾”的基礎(chǔ)上，本文設(shè)置的參數(shù)如下，試驗(yàn)原型為“鼓型”鐵塔，模型的縮比比例為30∶1，塔高約100 m(試驗(yàn)中100/30 m)，輸電線路采用8分裂雙回路形式，導(dǎo)線分裂間距為400/30 mm，導(dǎo)線型號(hào)為8×LGJ-500/35的鋼芯鋁絞線，導(dǎo)線半徑為16/30 mm，檔距500/30 m。地線為鋼芯鋁絞線，其接地電阻不大于15 Ω。試驗(yàn)時(shí)選擇3檔距4塔模型進(jìn)行試驗(yàn)。

發(fā)射天線與接收天線采用工作頻段為1～18 GHz的雙脊喇叭天線，其平均增益為11.3 dB，阻抗 50 Ω，最大功率300 W，峰值功率500 W。發(fā)射信號(hào)源功率采用E8257D最大輸出功率為10 dBm，最高工作頻率40 GHz。接收機(jī)采用E4408B頻譜分析儀，其工作頻段為9 kHz～26.5 GHz。信號(hào)源及發(fā)射天線與頻譜儀及接收天線分別位于輸電線、塔的兩邊，信號(hào)源與發(fā)射天線連接，頻譜儀與接收天線連接。試驗(yàn)布置圖見(jiàn)圖7。

圖7 試驗(yàn)布置圖

其中，D1為發(fā)射天線與塔線模型的距離，單位：m；D2為接收天線與塔線模型的距離，單位：m；h1為發(fā)射天線高度，單位：m；H為塔線模型高度，單位：m；h2為接收天線高度，單位：m；α為發(fā)射天線與障礙物最高端切線仰角，單位：度；β為收發(fā)天線連線與水平線之間的仰角，單位：度。

主要參數(shù)設(shè)置如下：在考慮發(fā)射源功率和接收距離的基礎(chǔ)上，確定發(fā)射天線與接收天線之間間距即(D1+D2)為100 m，測(cè)試頻點(diǎn)選擇3 GHz、7 GHz和12 GHz。試驗(yàn)步驟如下。

(1)測(cè)試電磁波在自由空間中的傳播特性

選擇開闊場(chǎng)地，按間隔100 m固定發(fā)射天線與接收天線，發(fā)射天線架高1.5 m；發(fā)射信號(hào)頻率分別設(shè)置為3 GHz、7 GHz和12 GHz時(shí)，記錄接收天線分別架高2.1 m、2.5 m、3 m、6 m時(shí)頻譜儀顯示的功率示數(shù)。

(2)測(cè)試鐵塔對(duì)電磁波傳播特性的影響

保持頻譜儀設(shè)置參數(shù)、信號(hào)源輸出功率不變，接收天線、發(fā)射天線設(shè)置位置不變，將鐵塔模型分別架設(shè)在距發(fā)射天線70 m、50 m、30 m、10 m位置處，接收天線對(duì)應(yīng)架設(shè)高度分別為2.1 m、2.5 m、3 m、6 m，讀取頻譜儀顯示的功率示數(shù)。

(3)測(cè)試鐵塔、輸電線路同時(shí)存在時(shí)，對(duì)電磁波傳播特性的影響

保持頻譜儀設(shè)置參數(shù)、信號(hào)源輸出功率不變，接收天線、發(fā)射天線位置的設(shè)置不變，將裝配好后的鐵塔、輸電線模型分別設(shè)置在距發(fā)射天線70 m、50 m、30 m、10 m位置處，記錄頻譜儀顯示的功率示數(shù)。

測(cè)試結(jié)果表明，在發(fā)射頻率為12 GHz時(shí)，只有鐵塔時(shí)對(duì)接收信號(hào)的衰減比有塔有線時(shí)大，原因是在進(jìn)行鐵塔衰減試驗(yàn)時(shí)，鐵塔正面與發(fā)射、接收天線相對(duì)，進(jìn)行有塔有線試驗(yàn)時(shí)，鐵塔最小面與發(fā)射、接收天線相對(duì)，產(chǎn)生上述結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果看，輸電線路主要是線路的影響，鐵塔對(duì)信號(hào)的傳輸影響較小。換言之，高壓架空輸電線路對(duì)信號(hào)傳播的影響，主要是分裂導(dǎo)線的影響，而塔的影響可以忽略。其主要原因是塔的實(shí)際尺寸對(duì)發(fā)射構(gòu)成的屏蔽角小于臨界無(wú)屏蔽張角。

4 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于對(duì)空情報(bào)雷達(dá)站，保護(hù)間距的計(jì)算是根據(jù)有源和無(wú)源干擾分別進(jìn)行計(jì)算的，計(jì)算的結(jié)果會(huì)有差別，保護(hù)間距的最終確定的原則是選擇兩者中較大的保護(hù)間距，這樣地面雷達(dá)對(duì) 1 000 kV級(jí)特高壓輸電線路的防護(hù)既可滿足有源干擾防護(hù)間距，又可滿足無(wú)源干擾防護(hù)間距。實(shí)測(cè)表明特高壓輸電線路在雷達(dá)工作的80 MHz以上的無(wú)線電干擾水平很低，基本淹沒(méi)于背景無(wú)線電干擾噪聲中，即使從嚴(yán)考慮也不會(huì)超過(guò)目前的500 kV輸電線路。雷達(dá)對(duì)特高壓輸電線路的有源干擾防護(hù)間距可按《標(biāo)準(zhǔn)1》中對(duì)500 kV輸電線路防護(hù)間距要求執(zhí)行，特高壓輸電線路與無(wú)線電臺(tái)站間防護(hù)距離為1 600 m。

對(duì)于米波段雷達(dá)，從天線輻射到空間某一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度是直射波和地面反射波的向量和，其探測(cè)性能與雷達(dá)陣地有關(guān)，地面反射波的路徑不應(yīng)被地面障礙物所阻擋，在菲涅耳區(qū)內(nèi)外一定距離時(shí)對(duì)雷達(dá)天線輻射的直射波和地面反射波也可能產(chǎn)生遮蔽影響。目前經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展，土地資源稀缺，輸電線路走廊與雷達(dá)站的建設(shè)尋址已非常困難，因此會(huì)出現(xiàn)難以滿足表1要求的情況。本文從科研角度分別從有源干擾和無(wú)源干擾防護(hù)出發(fā)所推導(dǎo)的防護(hù)間距，考慮到目前土地資源稀缺，輸電線路走廊與雷達(dá)站的建設(shè)尋址已非常困難的情況，認(rèn)為采用1 000 kV特高壓?jiǎn)位剌旊娋€路時(shí)，其防護(hù)間距為2 400 m比較合適。如果雷達(dá)陣地架設(shè)高度顯著的高于輸電線路導(dǎo)線平均高度，則米波雷達(dá)滿足有效反射面的防護(hù)距離2 400 m,其余雷達(dá)滿足有源干擾防護(hù)距離1 600 m即可。但關(guān)于 1 000 kV交流特高壓輸電線路與對(duì)空雷達(dá)臺(tái)站的保護(hù)間距最終確定，還需要與雷達(dá)臺(tái)站管理部門協(xié)商決定。在具體實(shí)施中如難以保證防護(hù)間距，可在保證主要責(zé)任區(qū)方向滿足上述要求情況下，其它區(qū)域協(xié)商解決。