特高壓交流輸電線路的

1、2009特高壓輸電技術(shù)國際會議論文集 1特高壓交流輸電線路的無源電磁干擾計算的方法及其應(yīng)用趙志斌 1,崔翔 1,張小武 2,鄔雄 2(1.華北電力大學(xué)電力工程系 河北保定; 2.國網(wǎng)電科院 湖北武漢摘要:架空輸電線路的導(dǎo)體產(chǎn)生的散射作用會影響周圍電磁 波的傳播, 輸電線路與短波通訊臺 (站 之間必須保持一定 的防護間距已保證輸電線路產(chǎn)生的無源干擾不會影響通訊 臺(站的正常工作。本文研究了入射電磁波在 1000kV 特 高壓交流輸電線路、 架空地線以及鐵塔上產(chǎn)生的電磁散射對 附近無線電臺站的無源干擾問題, 采用基于線天線電磁場計 算的矩量法程序 NEC 進行仿真計算。利用該方法對短波頻 段內(nèi)不同

2、類型的特高壓輸電線路的無源干擾水平進行了計 算分析, 得到了特高壓輸電線路的避讓距離。 最后通過與特 高壓線路縮比模型的試驗值進行比較驗證了本文所提避讓 距離的正確性。關(guān)鍵詞:特高壓;短波無線電臺站;無源干擾;避讓距離 0 引言電力傳輸系統(tǒng)對各種無線通信的影響主要在 于以下兩個方面:1、電暈效應(yīng)和間隙火花放電引起的無線電干 擾噪聲落入無線電臺站的工作頻段,且隨著氣候條 件的變化有較大的起伏 ;2、高壓輸電線路作為一種高大的金屬物體, 可對空間電磁波產(chǎn)生反射和再輻射,從而構(gòu)成無源 干擾 ;由電暈放電產(chǎn)生的干擾稱為有源干擾。有源干 擾水平通常依據(jù)基于大量測試數(shù)據(jù)得出的 CISPR Pub No.1

3、8推薦公式確定,一般認(rèn)為距電力線路 100m 以內(nèi),每倍程衰減 10dB , 100m 以外,每倍 程衰減 6dB 。電力線路和鐵塔的存在,特別是高壓 電力線路的架設(shè),造成無線電波在電力線路和鐵塔 上的散射和反射,稱為無源干擾。隨著電力線路架 設(shè)高度和密度的增加,無源干擾問題日益成為影響 通信質(zhì)量的主導(dǎo)因素。針對電力線路對無線電通信的無源干擾問題, 美國 1-3、加拿大 4、日本 5-7等國從上世紀(jì)六十年 代就展開了電力線路對 MF 2、 VHF/UHF1,6-7、米 波 3等不同頻段信號影響的相關(guān)研究, 研究對象涉 及無線電廣播 5、 雷達導(dǎo)航 3等多個領(lǐng)域。 1996年, IEEE 專門公

4、布了電力線路對調(diào)幅廣播臺站影響預(yù) 測和測量的標(biāo)準(zhǔn) 8。文獻 9總結(jié)了國內(nèi)在 1990年前后就開始了關(guān) 于電力線路對短波通信的無源干擾影響的研究工 作及其相關(guān)結(jié)論。經(jīng)過這些研究,最終形成了我國 現(xiàn)行的不同無線電臺站電磁環(huán)境防護標(biāo)準(zhǔn)。目前解決高壓輸電線路對無線電臺站無源干 擾問題的一般方法是按照國家現(xiàn)行的不同無線電 臺站電磁環(huán)境防護標(biāo)準(zhǔn)中提出的防護間距,來判定 高壓輸電線路是否對無線電臺站造成無源干擾影 響。如果相互距離小于標(biāo)準(zhǔn)防護間距,則需采取改 變輸電線路路徑或搬遷無線電臺站等措施,以滿足 防護要求。但是這些標(biāo)準(zhǔn)由于制定時間均在 15年 前, 對于目前的現(xiàn)狀存在局限性。 如在國家標(biāo)準(zhǔn) 短 波

5、無 線 電 測 向 臺 (站 電 磁 環(huán) 境 要 求 (GB 13614-1992中,規(guī)定 500kV 超高壓輸電線路對短 波無線電收信臺無源影響的防護間距必須大于 2000m ,而其它垂直接地導(dǎo)體與短波無線電收信臺 的防護間距必須大于 60Dl (Dl 為垂直接地體的高 度 。而在日本,這一數(shù)值只有 30Dl 。以我國最近 投運的 1000kV 交流特高壓輸電線路的鐵塔為例, 其鐵塔高度都超過 50m ,如果采用 60Dl 的防護間 距,則 1000kV 交流特高壓輸電線路與短波無線電 測向臺的防護間距必須大于 3000m 。 這一防護距離 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 500kV 超高壓輸電線路與短波無線電測

6、 向臺 2000m 的防護間距。 如此大的防護間距必然對 涉及到的雙方都難以接受。并且現(xiàn)行的不同無線電 臺站電磁環(huán)境防護標(biāo)準(zhǔn)都是針對 500kV 及以下電 壓等級的交流輸電線路,對特高壓輸電線路沒有相 關(guān)的規(guī)定。隨著計算機和數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值方法 廣泛應(yīng)用于對這一問題的分析 3,10-16。 文獻 14使用 了 NEC (Numerical Electromagnetics Code軟件建 立鐵塔和線路模型研究廣播接收臺受到的無源影 響。正是在此基礎(chǔ)上,目前國內(nèi)主要采用 NEC 或2 特高壓交流輸電線路的無源電磁干擾計算的方法及其應(yīng)用FEKO 等基于矩量法或快速多極子法的計算軟件進 行仿

7、真計算,并且已經(jīng)在特高壓直流 15和交流 16輸電線路的無源干擾計算中取得了成果。本文以文獻 14-16的方法為基礎(chǔ)根據(jù)背景電 磁噪聲增量限值的要求對特高壓交流縮比線路模 型進行了計算,并通過與測量結(jié)果相比較驗證了算 法的有效性,最后得到了特高壓輸電線路對不同無 線電臺站無源影響的防護間距。計算結(jié)果表明短波 頻段內(nèi)交流特高壓輸電線路無源干擾的防護間距 可以采用現(xiàn)有 500kV 交流高壓輸電線路影響防護 間距作為標(biāo)準(zhǔn)。1 特高壓輸電線路防護間距計算方法1.1 允許背景電磁噪聲增量國內(nèi)對無線電臺站與輸電線路間防護距離的 確定主要采用允許背景電磁噪聲增量控制的方法。 即規(guī)定架空線路架設(shè)后對空間場的影

8、響不能超過 規(guī)定的背景噪聲增量。短波無線電測向臺、短波無 線電收信臺的允許背景電磁噪聲增量以及 500kV 超高壓輸電線路無源影響的防護間距,如表 1所示 17-19。我們可以根據(jù)允許背景電磁噪聲增量確定 1000kV 交流特高壓輸電線路的防護距離。表 1 不同無線電臺站允許背景電磁噪聲增量和500kV 交流高壓輸電線路影響防護間距無線電臺站允許背景電磁噪聲增量(dB 防護間距(m 短波無線電測向臺 一級 二級 短波無線 電收信臺 三級 1.2 電磁噪聲增量計算方法電磁噪聲增量計算主要是考慮輸電線路的電 磁散射對無線電信號的影響。可以將輸電線路對無 線電臺站的無源干擾均定義:20lg i s

9、ES E = (1式中, E s 表示某頻率的入射信號在考慮輸電線 路影響是在觀測點產(chǎn)生的空間電場強度; E i 表示無 輸電線路時該信號在觀測點產(chǎn)生的空間電場強度。 1.3 無源干擾計算模型由于無線電信號多為垂直極化的形式,線路的 無源干擾主要是由垂直地面的桿塔散射產(chǎn)生,所以 將垂直極化的均勻平面波作為信號源。當(dāng)某一頻率 的平面波沿不同角度入射時,分別計算出接收天線 與輸電線路處于一定距離情況下,存在線路前后的電場強度 E i 和 E s ,利用式(1計算不同入射角對 應(yīng)的無源干擾水平,將干擾水平最大值看作這一頻 率和防護間距對應(yīng)的無源干擾水平。計算時分為兩種情況考慮。一方面,假設(shè)發(fā)信 臺采

10、用垂直振子發(fā)射天線,研究頻率在 1MHz 30MHz 范圍內(nèi)各頻率下發(fā)射天線與 1000kV 特高壓 交流輸電線路不同距離時的無源干擾問題;另一方 面,假設(shè)電磁波的入射方向垂直于 1000kV 特高壓 交流輸電線路,電磁波的入射電場強度以垂直大地 的方式極化, 研究頻率在 1MHz 30MHz 范圍內(nèi)各 頻率下接收天線與 1000kV 特高壓交流輸電線路不 同距離時的無源干擾問題。分別構(gòu)建模型如下:發(fā)射天線無源干擾的計算模型如圖 1(a所示, 接收天線在虛線構(gòu)成的圓形計算區(qū)域上改變位置, 分別計算出發(fā)射天線與架空輸電線路不同距離情 況下,是否存在鐵塔和輸電線路時電場強度的變化 規(guī)律; 接收天線

11、無源干擾的計算模型如圖 1(b所示, 在入射電磁波沿不同方向角入射,分別計算出接收 天線與架空輸電線路在不同距離情況下,是否存在 鐵塔和輸電線路時電場強度的變化規(guī)律。(a 發(fā)射天線無源干擾計算模型示意圖(b 接收天線無源干擾計算模型示意圖圖 1 無源干擾計算模型示意圖2 交流特高壓輸電線路防護距離利用本文的算法對直線塔單回線路、貓頭塔單 回線路和鼓形塔雙回線路三種不同類型的特高壓 輸電線路對短波臺站的無源干擾水平進行了計算。各頻率和塔型情況下的無源影響方向圖基本 類似。 圖 2給出了頻率為 5MHz 時鼓形塔構(gòu)成的雙發(fā)射天線計算區(qū)域鐵塔及導(dǎo)線模型接收天線位置2009特高壓輸電技術(shù)國際會議論文集

12、 3回線路與輸電線路不同距離時的無源影響方向圖。圖中上方對應(yīng)圖 1中的為接收臺站一側(cè),粗線段表示輸電線路的位置。從圖中可以看出,不同入射角的無源干擾水平具有較明顯的區(qū)別,并且防護間距不同時最大干擾水平對應(yīng)的入射角也不盡相同。干擾水平隨著間距的增大而減少, 由 500m 時的 0.5dB下降到 2000m 時的 0.2dB 。根據(jù)全部計算結(jié)果,在輸電線路防護間距固定時選取其在短波頻段范圍內(nèi)不同頻率的最大無源干擾水平,繪制各種類型的線路在不同防護間距條件下的無源干擾水平包絡(luò)圖,如圖 3所示。鼓形塔對線路對應(yīng)的無源干擾水平最大,貓頭塔線路次之,直線塔最小,這是因為雙回塔高度最高而直線塔最低,而桿塔的

13、高度直接影響其電磁散射效果。此外,各種類型線路的無源干擾水平隨距離的增加快速下降, 當(dāng)距離大于 2000m 時均明顯小于 0.5dB 。如果將 1000kV 交流特高壓輸電線路對無線電臺站的無源影響看成無線電臺站的背景電磁噪聲增量,利用表 1列出的不同無線電臺站的允許背景 (1 d=500m (2 d=1000m (3 d=1500m (4 d=2000m圖 2 5MHz時距臺站不同距離時無源干擾水平 (a 短波頻段內(nèi)輸電線路對收信臺最大無源影響的包絡(luò)線 (b 短波頻段內(nèi)輸電線路對發(fā)信臺最大無源影響的包絡(luò)線 圖 3 不同類型輸電線路無源干水平擾包絡(luò)線電磁噪聲增量,兼顧圖 8的計算結(jié)果,可以確定

14、和 提出 1000kV 交流特高壓輸電線路對不同無線電臺 站的防護間距,如表 2所示。表 2短波頻段不同無線電臺站允許背景電磁噪聲增量與 1000kV 交流特高壓輸電線路無源影響防護間距 無線電臺站等級允許背景電磁噪聲增量(dB 距(m 500kV 超高壓輸電線路 (m 一級二級 三級未定3 計算結(jié)果驗證為了驗證本文所采用的計算方法,我們對一段 交流超高壓輸電線路縮比模型的無源干擾水平進 行了測試和相應(yīng)的計算。輸電線路縮比模型與實際特高壓線路的比例 為 1:30,鼓形塔模型高度為 1.85米,檔距為 15米。測試線路的布置如圖 4所示,在康西草原的一 塊開闊地,由發(fā)射天線提供垂直極化的入射波,

15、利 用對數(shù)周期天線測量距地面 1m 處的空間電場強 度。將發(fā)射天線和接收天線之間的距離固定為 100米,輸電線路模型布置在兩個天線之間,線路距發(fā) 射天線的距離(d 可變。為避免過大的背景噪聲 可能產(chǎn)生的影響,選擇發(fā)射天線工作頻率為 300、 500、 600、 800MHz 。固定天線的發(fā)射功率,分別圖 4交流超高壓輸電線路縮比模型示意圖4 特高壓交流輸電線路的無源電磁干擾計算的方法及其應(yīng)用測量不存在輸電線路時接收天線所在位置的場強E i 和存在輸電線路時的場強 E s , 并計算此種情況下輸電線路的無源干擾水平。表 3給出了只有鐵塔時的測試結(jié)果,表 4給出了鐵塔和線路都存在時的測試結(jié)果。表

16、3試驗線路無源干擾水平(只有鐵塔測試頻率(800無線路時場強 (dBuV/m6.7 8.8 最大影 響值測試 結(jié)果 有線路時場強(dBuV/m距發(fā)射天線(m表 4試驗線路無源干擾水平(鐵塔和線路 測試頻率(800無線路時場強 (dBuV/m6.7 8.8最大影 響值測試 結(jié)果有線路時場強(dBuV/m距發(fā)射天線(m從測試結(jié)果可以看出,在測試的頻點中均沒有超過表 2的背景噪聲增量。從而驗證了表 2防護間 距的合理性。4 結(jié)論通過本文研究,同時考慮到 1000kV 交流特高 壓輸電線路的其他因素可能產(chǎn)生的影響,從偏嚴(yán)和 保護環(huán)境的角度出發(fā),建議在短波頻段內(nèi) 1000kV 交流特高壓輸電線路對不同無

17、線電臺站無源影響 的防護間距為:一級無線電臺站仍采用 500kV 超高 壓交流輸電線路國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防護間距,即 2000m ;二級無線電臺站選 1000m ;三級無線電臺 站選 500m 。最后通過縮比模型試驗驗證了本文提 出防護間距的有效性和正確性。參考文獻1 P. C. Hill, Measurement of reradiation from lattice masts at V. H. F., Proc. Inst. Elec. Eng., 1964, 111(12:1957-19682 J. S. Belroses, W. Lavrench, J. G. Dunn, et al.

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