特高压交流输电线路的

1、2009特高压输电技术国际会议论文集 1特高压交流输电线路的无源电磁干扰计算的方法及其应用赵志斌 1,崔翔 1,张小武 2,邬雄 2(1.华北电力大学电力工程系 河北保定; 2.国网电科院 湖北武汉摘要:架空输电线路的导体产生的散射作用会影响周围电磁 波的传播, 输电线路与短波通讯台 (站 之间必须保持一定 的防护间距已保证输电线路产生的无源干扰不会影响通讯 台(站的正常工作。本文研究了入射电磁波在 1000kV 特 高压交流输电线路、 架空地线以及铁塔上产生的电磁散射对 附近无线电台站的无源干扰问题, 采用基于线天线电磁场计 算的矩量法程序 NEC 进行仿真计算。利用该方法对短波频 段内不同

2、类型的特高压输电线路的无源干扰水平进行了计 算分析, 得到了特高压输电线路的避让距离。 最后通过与特 高压线路缩比模型的试验值进行比较验证了本文所提避让 距离的正确性。关键词:特高压;短波无线电台站;无源干扰;避让距离 0 引言电力传输系统对各种无线通信的影响主要在 于以下两个方面:1、电晕效应和间隙火花放电引起的无线电干 扰噪声落入无线电台站的工作频段,且随着气候条 件的变化有较大的起伏 ;2、高压输电线路作为一种高大的金属物体, 可对空间电磁波产生反射和再辐射,从而构成无源 干扰 ;由电晕放电产生的干扰称为有源干扰。有源干 扰水平通常依据基于大量测试数据得出的 CISPR Pub No.1

3、8推荐公式确定,一般认为距电力线路 100m 以内,每倍程衰减 10dB , 100m 以外,每倍 程衰减 6dB 。电力线路和铁塔的存在,特别是高压 电力线路的架设,造成无线电波在电力线路和铁塔 上的散射和反射,称为无源干扰。随着电力线路架 设高度和密度的增加,无源干扰问题日益成为影响 通信质量的主导因素。针对电力线路对无线电通信的无源干扰问题, 美国 1-3、加拿大 4、日本 5-7等国从上世纪六十年 代就展开了电力线路对 MF 2、 VHF/UHF1,6-7、米 波 3等不同频段信号影响的相关研究, 研究对象涉 及无线电广播 5、 雷达导航 3等多个领域。 1996年, IEEE 专门公

4、布了电力线路对调幅广播台站影响预 测和测量的标准 8。文献 9总结了国内在 1990年前后就开始了关 于电力线路对短波通信的无源干扰影响的研究工 作及其相关结论。经过这些研究,最终形成了我国 现行的不同无线电台站电磁环境防护标准。目前解决高压输电线路对无线电台站无源干 扰问题的一般方法是按照国家现行的不同无线电 台站电磁环境防护标准中提出的防护间距,来判定 高压输电线路是否对无线电台站造成无源干扰影 响。如果相互距离小于标准防护间距,则需采取改 变输电线路路径或搬迁无线电台站等措施,以满足 防护要求。但是这些标准由于制定时间均在 15年 前, 对于目前的现状存在局限性。 如在国家标准 短 波

5、无 线 电 测 向 台 (站 电 磁 环 境 要 求 (GB 13614-1992中,规定 500kV 超高压输电线路对短 波无线电收信台无源影响的防护间距必须大于 2000m ,而其它垂直接地导体与短波无线电收信台 的防护间距必须大于 60Dl (Dl 为垂直接地体的高 度 。而在日本,这一数值只有 30Dl 。以我国最近 投运的 1000kV 交流特高压输电线路的铁塔为例, 其铁塔高度都超过 50m ,如果采用 60Dl 的防护间 距,则 1000kV 交流特高压输电线路与短波无线电 测向台的防护间距必须大于 3000m 。 这一防护距离 远远大于 500kV 超高压输电线路与短波无线电测

6、 向台 2000m 的防护间距。 如此大的防护间距必然对 涉及到的双方都难以接受。并且现行的不同无线电 台站电磁环境防护标准都是针对 500kV 及以下电 压等级的交流输电线路,对特高压输电线路没有相 关的规定。随着计算机和数值计算技术的发展,数值方法 广泛应用于对这一问题的分析 3,10-16。 文献 14使用 了 NEC (Numerical Electromagnetics Code软件建 立铁塔和线路模型研究广播接收台受到的无源影 响。正是在此基础上,目前国内主要采用 NEC 或2 特高压交流输电线路的无源电磁干扰计算的方法及其应用FEKO 等基于矩量法或快速多极子法的计算软件进 行仿

7、真计算,并且已经在特高压直流 15和交流 16输电线路的无源干扰计算中取得了成果。本文以文献 14-16的方法为基础根据背景电 磁噪声增量限值的要求对特高压交流缩比线路模 型进行了计算,并通过与测量结果相比较验证了算 法的有效性,最后得到了特高压输电线路对不同无 线电台站无源影响的防护间距。计算结果表明短波 频段内交流特高压输电线路无源干扰的防护间距 可以采用现有 500kV 交流高压输电线路影响防护 间距作为标准。1 特高压输电线路防护间距计算方法1.1 允许背景电磁噪声增量国内对无线电台站与输电线路间防护距离的 确定主要采用允许背景电磁噪声增量控制的方法。 即规定架空线路架设后对空间场的影

8、响不能超过 规定的背景噪声增量。短波无线电测向台、短波无 线电收信台的允许背景电磁噪声增量以及 500kV 超高压输电线路无源影响的防护间距,如表 1所示 17-19。我们可以根据允许背景电磁噪声增量确定 1000kV 交流特高压输电线路的防护距离。表 1 不同无线电台站允许背景电磁噪声增量和500kV 交流高压输电线路影响防护间距无线电台站允许背景电磁噪声增量(dB 防护间距(m 短波无线电测向台 一级 二级 短波无线 电收信台 三级 1.2 电磁噪声增量计算方法电磁噪声增量计算主要是考虑输电线路的电 磁散射对无线电信号的影响。可以将输电线路对无 线电台站的无源干扰均定义:20lg i s

9、ES E = (1式中, E s 表示某频率的入射信号在考虑输电线 路影响是在观测点产生的空间电场强度; E i 表示无 输电线路时该信号在观测点产生的空间电场强度。 1.3 无源干扰计算模型由于无线电信号多为垂直极化的形式,线路的 无源干扰主要是由垂直地面的杆塔散射产生,所以 将垂直极化的均匀平面波作为信号源。当某一频率 的平面波沿不同角度入射时,分别计算出接收天线 与输电线路处于一定距离情况下,存在线路前后的电场强度 E i 和 E s ,利用式(1计算不同入射角对 应的无源干扰水平,将干扰水平最大值看作这一频 率和防护间距对应的无源干扰水平。计算时分为两种情况考虑。一方面,假设发信 台采

10、用垂直振子发射天线,研究频率在 1MHz 30MHz 范围内各频率下发射天线与 1000kV 特高压 交流输电线路不同距离时的无源干扰问题;另一方 面,假设电磁波的入射方向垂直于 1000kV 特高压 交流输电线路,电磁波的入射电场强度以垂直大地 的方式极化, 研究频率在 1MHz 30MHz 范围内各 频率下接收天线与 1000kV 特高压交流输电线路不 同距离时的无源干扰问题。分别构建模型如下:发射天线无源干扰的计算模型如图 1(a所示, 接收天线在虚线构成的圆形计算区域上改变位置, 分别计算出发射天线与架空输电线路不同距离情 况下,是否存在铁塔和输电线路时电场强度的变化 规律; 接收天线

11、无源干扰的计算模型如图 1(b所示, 在入射电磁波沿不同方向角入射,分别计算出接收 天线与架空输电线路在不同距离情况下,是否存在 铁塔和输电线路时电场强度的变化规律。(a 发射天线无源干扰计算模型示意图(b 接收天线无源干扰计算模型示意图图 1 无源干扰计算模型示意图2 交流特高压输电线路防护距离利用本文的算法对直线塔单回线路、猫头塔单 回线路和鼓形塔双回线路三种不同类型的特高压 输电线路对短波台站的无源干扰水平进行了计算。各频率和塔型情况下的无源影响方向图基本 类似。 图 2给出了频率为 5MHz 时鼓形塔构成的双发射天线计算区域铁塔及导线模型接收天线位置2009特高压输电技术国际会议论文集

12、 3回线路与输电线路不同距离时的无源影响方向图。图中上方对应图 1中的为接收台站一侧,粗线段表示输电线路的位置。从图中可以看出,不同入射角的无源干扰水平具有较明显的区别,并且防护间距不同时最大干扰水平对应的入射角也不尽相同。干扰水平随着间距的增大而减少, 由 500m 时的 0.5dB下降到 2000m 时的 0.2dB 。根据全部计算结果,在输电线路防护间距固定时选取其在短波频段范围内不同频率的最大无源干扰水平,绘制各种类型的线路在不同防护间距条件下的无源干扰水平包络图,如图 3所示。鼓形塔对线路对应的无源干扰水平最大,猫头塔线路次之,直线塔最小,这是因为双回塔高度最高而直线塔最低,而杆塔的

13、高度直接影响其电磁散射效果。此外,各种类型线路的无源干扰水平随距离的增加快速下降, 当距离大于 2000m 时均明显小于 0.5dB 。如果将 1000kV 交流特高压输电线路对无线电台站的无源影响看成无线电台站的背景电磁噪声增量,利用表 1列出的不同无线电台站的允许背景 (1 d=500m (2 d=1000m (3 d=1500m (4 d=2000m图 2 5MHz时距台站不同距离时无源干扰水平 (a 短波频段内输电线路对收信台最大无源影响的包络线 (b 短波频段内输电线路对发信台最大无源影响的包络线 图 3 不同类型输电线路无源干水平扰包络线电磁噪声增量,兼顾图 8的计算结果,可以确定

14、和 提出 1000kV 交流特高压输电线路对不同无线电台 站的防护间距,如表 2所示。表 2短波频段不同无线电台站允许背景电磁噪声增量与 1000kV 交流特高压输电线路无源影响防护间距 无线电台站等级允许背景电磁噪声增量(dB 距(m 500kV 超高压输电线路 (m 一级二级 三级未定3 计算结果验证为了验证本文所采用的计算方法,我们对一段 交流超高压输电线路缩比模型的无源干扰水平进 行了测试和相应的计算。输电线路缩比模型与实际特高压线路的比例 为 1:30,鼓形塔模型高度为 1.85米,档距为 15米。测试线路的布置如图 4所示,在康西草原的一 块开阔地,由发射天线提供垂直极化的入射波,

15、利 用对数周期天线测量距地面 1m 处的空间电场强 度。将发射天线和接收天线之间的距离固定为 100米,输电线路模型布置在两个天线之间,线路距发 射天线的距离(d 可变。为避免过大的背景噪声 可能产生的影响,选择发射天线工作频率为 300、 500、 600、 800MHz 。固定天线的发射功率,分别图 4交流超高压输电线路缩比模型示意图4 特高压交流输电线路的无源电磁干扰计算的方法及其应用测量不存在输电线路时接收天线所在位置的场强E i 和存在输电线路时的场强 E s , 并计算此种情况下输电线路的无源干扰水平。表 3给出了只有铁塔时的测试结果,表 4给出了铁塔和线路都存在时的测试结果。表

16、3试验线路无源干扰水平(只有铁塔测试频率(800无线路时场强 (dBuV/m6.7 8.8 最大影 响值测试 结果 有线路时场强(dBuV/m距发射天线(m表 4试验线路无源干扰水平(铁塔和线路 测试频率(800无线路时场强 (dBuV/m6.7 8.8最大影 响值测试 结果有线路时场强(dBuV/m距发射天线(m从测试结果可以看出,在测试的频点中均没有超过表 2的背景噪声增量。从而验证了表 2防护间 距的合理性。4 结论通过本文研究,同时考虑到 1000kV 交流特高 压输电线路的其他因素可能产生的影响,从偏严和 保护环境的角度出发,建议在短波频段内 1000kV 交流特高压输电线路对不同无

17、线电台站无源影响 的防护间距为:一级无线电台站仍采用 500kV 超高 压交流输电线路国家标准规定的防护间距,即 2000m ;二级无线电台站选 1000m ;三级无线电台 站选 500m 。最后通过缩比模型试验验证了本文提 出防护间距的有效性和正确性。参考文献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.

18、The effects of re-radiation from high rise buildings and transmission lines upon theradiation pattern of MF broadcasting antenna arrays, Proceedings of AGARD/EPP Meeting. Spatind Norway, 19793 Kamal Sarabandi, Moonsooo Park. A radar cross-section model for power lines at millmeter-wave frequency. IE

19、EE Transactions on Antenna and Propagation, 2003,51(9:2353-23604 C. W. Trueman, S. J. Kubina. Scattering from power lines with the skywire insulated from the towers. IEEE Transactions on Broadcasting, 1994, 40(2:53-625 Kinase, Theoretical Analysis of reradiation characteristics of radio wave caused

20、by transmission lines, NHK Technology Research, Vol. 20, No. 3, 1968.6 K. Takeshita, Scattering characteristics of UHF and VHF waves from transmission lines, CRIEPI Rep. 69036, Sept. 1969.7 K. Takeshita et al., Scattering Characteristics of VHF/UHF Television Broadcasting Waves by Overhead Transmiss

21、ion Conductors, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1979, 21(1:33-40 8 IEEE std 1260-1996 IEEE guide on the prediction, measurement and analysis of AM broadcast reradiation by power line, 19969 朱锦生,高压架空输电线路对短波无线电测向、收信台(站的 影响, 2008电磁干扰会议,广东,珠海:1-1610 C.W. Trueman and S.J. Kubina, Nume

22、rical Computation of the Reradiation From Power Lines at MF Frequencies, IEEE Transaction on Broadcasting, 1981, 27,(2: 39-4511 M.M. Silva, K.G. Balmain and E.T. Ford, Effects of Power Line Re-Radiation on the Pattern of a Dual-Frequency MF Antenna, IEEE Transactions. on Broadcasting, 1982, 28(3: 94-10312 C.W. Trueman, S.J. Kubina, R.C. Madge and D.E. Jones, Comparis