CN101221204A - 特高压交流线路与中波导航台间防护距离确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特高压交流线路与中波导航台间防护距离确定方法，它包括采用矩量法计算特高压交流输电线路上分布电流和特高压交流输电线路简化模型，其方法是：首先采用矩量法和特高压交流输电线路简化模型计算特高压交流输电线路上分布电流，通过上述所求得的输电线路上的感应电流分布，进而计算出由于感应电流所产生的二次辐射强度矢量，与源无线电波叠加，求出1000kV特高压交流线路对中波导航台干扰影响强度，得到交流特高压输电线路与中波导航台的无源干扰防护距离。通过试验所获得的试验数据对比证明，本发明具有较高准确性，可应用于今后高压输电线路与相邻无线电台站间电磁防护间距的精确计算。

Description

特高压交流线路与中波导航台间防护距离确定方法

                        技术领域

本发明属于高压输变电工程电磁兼容领域，具体地讲是一种1000kV特高压交流线路与中波导航台间防护距离的确定方法。

                        背景技术

为了满足我国经济社会可持续发展的用电需求，建设以特高压电网为核心的加强电网已成为国家电力建设的战略目标。在采用长距离、大容量输电时，特高压输电能够有效地节省线路走廊、有助于改善网络结构、减少输电瓶颈和实现大范围的资源优化配置，经济和社会效益十分明显。但特高压的电磁环境不同于500kV线路，其中特别重要的是特高压输电线路对沿线邻近的航空无线电导航台的影响问题，GB6364-86《航空无线电导航台站电磁环境要求》对500kV及以下电压等级输电线路、变电站提出了明确的防护要求，对于1000kV特高压线路，还没有防护要求的标准，这不但给工程的路径选择和工程造价增加很多不确定的因素和不必要的困难，而且也可能影响临近无线电台站的正常工作，因此研究1000kV特高压输电线路对航空无线电导航台站的影响，确定防护距离显得非常必要。

高压架空输电线路对无线电台站可能形成的干扰分为有源干扰和无源干扰。有源干扰是由在导线和大地间形成的干扰电磁场产生的，主要来自导线的电晕放电；无源干扰是指高压架空导线和铁塔受无线电信号的电磁场激励产生伴生电流，并向空间辐射，此二次辐射将改变原无线电信号的幅值和相位。

目前对于有源干扰已有成熟的计算模型，但对无源干扰的研究工作还很有限，现行的国家标准有关规定主要根据单个高压铁塔高度所估算出的最大谐振点来确定与台站间防护距离，通常具有较大的安全裕度，缺乏根据实际线路条件下进行较精确防护计算的模型。

                        发明内容

本发明的目的是从分析无源干扰产生的机理出发，建立了采用矩量法计算高压输电线路二次辐射场强的模型，而提供一种特高压交流线路与中波导航台间防护距离的确定方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的方法是：首先采用矩量法和特高压交流输电线路简化模型计算特高压交流输电线路上分布电流，通过上述所求得的输电线路上的感应电流分布，进而计算出由于感应电流所产生的二次辐射强度矢量，与源无线电波叠加，求出1000kV特高压交流线路对中波导航台干扰影响强度。

其具体步骤是：

第一步骤：把发射天线和金属体障碍物看成一个整体天线，分析特高压输电线路对金属体障碍物和对发射源的影响，建立采用矩量法计算高压输电线路二次辐射场强的模型，根据波克灵顿(Pocklington)积分方程求得输电线路上的电流分布；

第二步骤：如果目标特征尺度可以与波长比较，则采用一般的矩量法；如果目标很大而特征尺度又包括了一个很大的范围，就选择离散方式和离散基函数；

第三步骤：简化输电线路中杆塔与分裂导线的计算模型，将两者的模型简化为简单金属导体并且电尺寸相近；

第四步骤：求得输电线路上的感应电流分布，进而计算出由于感应电流所产生的二次辐射强度矢量，与源无线电波叠加，求出1000kV特高压交流线路对中波导航台干扰影响强度，得到交流特高压输电线路与中波导航台的无源干扰防护距离。

通过试验所获得的试验数据对比证明，本发明具有较高准确性，可应用于今后高压输电线路与相邻无线电台站间电磁防护间距的精确计算。

                      附图说明

图1为本发明天线系统示意图。

图2为本发明杆塔的简化过程示意图。

图3为本发明多分裂导线的简化过程示意图。

图4为本发明简化后的输电线路(杆塔、导线)模型示意图。

图5为本发明二次辐射产生测向误差的示意图。

图6为本发明试验布置图。

                    具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明将位于无线电台(站)天线阵列附近的高压架空线和铁塔等金属体障碍物作为等效接收天线，对无线电来波产生再次感应电动势，此电动势又会在此金属导体中产生感应电流，感应电流同样也会在它周围产生再次辐射电磁场，由于相位和幅值的不同，再次辐射电磁场在空间会改变原场的幅值和相位，表现在源天线发射方向图上就出现场形畸变，从而使远端收信效果上出现信号减弱或重音。

为了有效分析金属体障碍物对发射源的影响，把发射天线和金属体障碍物看成一个整体天线，整个天线系统如图1所示。要求空间任意点的二次辐射场强必须先求得输电线路上的电流分布。

根据波克灵顿(Pocklington)积分方程，自由空间导线天线上的电流分布满足(1)式的关系：

$\stackrel{\→}{E}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\frac{-\mathrm{j\η}}{4\mathrm{\πk}}{\∫}_V\stackrel{\→}{J}\left(\stackrel{\→}{r^{\′}}\right)\·\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{G}}(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r^{\′}})d{V}^{\′}---\left(1\right)$

其中：

为

处的二次辐射电场强度；

为V′上

处的体电流密度；

式中 $\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{G}}(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r^{\′}})=(k^2\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{I}}+\▿\▿)g(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r^{\′}});$

为自由空间格林函数， $g(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r^{\′}})=\exp (-\mathrm{jk}|\stackrel{\→}{r}-\stackrel{\→}{r^{\′}}\left|\right)/|\stackrel{\→}{r}-\stackrel{\→}{r^{\′}}|;$

$k=\mathrm{\ω}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}$

$\mathrm{\η}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\ϵ}}_0}}$

为并矢量

在计算输电线路二次辐射时，整个天线系统满足的边界条件如下：

$\hat{n}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\×[{\stackrel{\→}{E}}^s\left(\stackrel{\→}{r}\right)+{\stackrel{\→}{E}}^I\left(\stackrel{\→}{r}\right)]=0---\left(2\right)$

其中

是表面

的单位向量，

是入射场在

处的电场强度，是感应电流

在处产生的二次辐射场强场强。

空间中任意点发射源的入射场强满足方程：

$-\hat{n}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\×{\stackrel{\→}{E}}^I\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\frac{-\mathrm{j\η}}{4\mathrm{\πk}}\hat{n}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\×\underset{L}{\∫}I\left(s^{\′}\right)(k^2{\hat{s}}^{\′}-\▿\frac{\∂}{\∂s^{\′}})g(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r^{\′}})d{s}^{\′}---\left(3\right)$

为简化计算量，根据输电线路金属架构的特点，当导体表面为柱状细线时做如下设定：

①输电线路导体内部的轴向电流横向分量可以忽略不计；

②轴向电流的面积可以忽略不计；

③输电线路内部电流可以认为完全集中在轴线上；

④对电场的边界条件限值只需要加载在轴线方向；

以上设定在导线半径远小于波长和导线长度的时候是成立的。由设定①②③，导线半径上的表面电流可用线电流I代替：

$I\left(s\right)\hat{s}=2\mathrm{\πa}{\stackrel{\→}{J}}_S\left(\stackrel{\→}{r}\right)$

其中：s是沿着轴线方向到

的距离；

是在

的导线轴向切线方向

把轴向的边界条件代入式(1)和式(3)，就可以化简得到整个导线长度为积分区域的标量方程：

$-\hat{s}\·{\stackrel{\→}{E}}^I\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\frac{-\mathrm{j\η}}{4\mathrm{\πk}}\underset{L}{\∫}I\left(s^{\′}\right)(k^2{\hat{s}}^{\′}-\▿\frac{{\∂}^2}{\∂s\∂s^{\′}})g(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r^{\′}})d{s}^{\′}---\left(4\right)$

如果入射场强

已知，对式(4)求解，就可以得到天线上的电流分布，进而求解出输电线路受感应所产生的二次辐射场强。

本发明在计算过程中对高压架空线路计算模型的进行简化：精确计算输电线路无源干扰影响的难点在于杆塔和分裂导线模型非常复杂，而且两者电尺寸差别很大，杆塔尺寸最大可达上百米，而子导线直径为厘米级，而在矩量法计算中目标导体的特征尺度与波长之比是一个很重要的参数，决定了具体应用矩量法的途径。如果目标特征尺度可以与波长比较，则可以采用一般的矩量法；如果目标很大而特征尺度又包括了一个很大的范围，那么就需要选择一个合适的离散方式和离散基函数。

单从改进算法来克服输电线路建模复杂的矛盾较为复杂，受计算机内存和计算速度影响，有些二维和三维问题用矩量法求解是非常困难的，因为计算的存储量通常与N2或者N3成正比(N为离散点数)，而且离散后出现病态矩阵也是一个难以解决的问题。因此改从简化输电线路中杆塔与分裂导线的计算模型入手，将两者的模型尽量简化为简单金属导体并且电尺寸相近：

1、杆塔的简化(图2)：为了便于计算，对复杂的杆塔模型必须进行化简。如果考虑计算的台站工作频率在100MHz以下，由于杆塔上的过孔尺寸远小于波长，所以杆塔可以简化成一根“细”导线。考虑到杆塔尺寸并不是均匀分布的，所以等效半径的取值只能是一个范围，设1t是塔基的边长，1t是杆塔顶部的边长，杆塔的简化“等效半径”rt取值范围为：

$\frac{l_t}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}<r_t<\frac{{2l}_b}{\mathrm{\&pi;}}---\left(5\right)$

对于一个具体的杆塔模型，随着频率的不同，杆塔的几何尺寸平均值取值也是不同的。所以最终确定杆塔尺寸时，杆塔半径应分别取最大值和最小值进行比较，然后根据误差来给定最优等效半径。

2、多分裂导线的简化(图3)：对于多分裂导线，采用CISPR[2]推荐的等效半径计算法，将多分裂导线等效为单根导线，其半径为：

$r_{\mathrm{eq}}=\frac{b}{2}\sqrt[n]{\frac{\mathrm{nb}}{b}}---\left(6\right)$

b-为多分裂导线形成的圆的直径。

n-分裂导线数；

d-子导线直径；

简化后的线路和杆塔模型如图4所示。

实施例：

在各种类型台站中，最易受二次辐射影响产生误差的是中波导航台。目前我国广泛应用的航空无线电测向机，其矩形天线阵列的方向图为阿拉伯数字8的图形，通过旋转天线，搜索整个360°范围上的信号，寻找天线端口电压的最大值(即大音点)或最小值(即小音点)来确定来波方向(图5)。图5中给出了小基础测向天线的方向图和受二次辐射影响时测向误差产生过程。二次辐射电磁场在测向天线阵列中感应的电动势同相分量将增强或减小原信号，直接引起测向误差；异相分量与主电磁场感应的电动势相位上相差90°，使测向在取向(获取来波来向的示向度)时产生钝化(模糊)的影响，如在听觉取向时，则小音点区域变宽，在视觉取向时使原为呈直线的示向度线变成椭圆形，这些都对来波的取向造成困难，间接产生测向误差。实测方向与实际来波方向的差值就是测向误差。为了确定电大尺寸物体对测向台的无源干扰大小，GB13614国标编制组曾先后进行了三次试验，其第二次摸底试验(亦庄高压线杆现场实测试验)的目的就是考察实际高压线路在一定距离内对测向机示向度的影响程度及其特点。整个试验现场的布置如图6如示：

220kV高压线路南北走向，档距350m，接收天线中心到外边相78m，发射机距接收天线阵列中心正南方向350m，即应测示向度180°。

表1中给出了现场的实测数据和采用本发明建模方法对220kV典型线路进行简化后的仿真计算数据。

                表1.实测数据与仿真数据对照

频率(MHz)	11	7	6	4	2	1.5
							实测示向度	177.8	180.4	182.5	185.3	180.7	182.5
计算示相图	178.6	181.2	181.9	184.6	181.4	181.6

考虑到实际测量不可避免的受周围电磁环境和地形等多种因素影响，通过比较表1中实测示向度与计算示向度，在同一频率下计算值跟实测结果有同样的偏差方向，而且数值上非常接近，可验证简化模型和计算方法是可信的。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种特高压交流线路与中波导航台间防护距离确定方法，它包括采用矩量法计算特高压交流输电线路上分布电流和特高压交流输电线路简化模型，其方法是：首先采用矩量法和特高压交流输电线路简化模型计算特高压交流输电线路上分布电流，通过所求得的输电线路上的感应电流分布，进而计算出由于感应电流所产生的二次辐射强度矢量，与源无线电波叠加，求出1000kV特高压交流线路对中波导航台干扰影响强度，得到交流特高压输电线路与中波导航台的无源干扰防护距离。

2.如权利要求1所述的特高压交流线路与中波导航台间防护距离确定方法，其特征在于：其具体步骤是：

第一步骤：把发射天线和金属体障碍物看成一个整体天线，分析特高压输电线路对金属体障碍物和对发射源的影响，建立采用矩量法计算高压输电线路二次辐射场强的模型，根据波克灵顿积分方程求得输电线路上的电流分布；

第二步骤：简化输电线路中杆塔与分裂导线的计算模型，将两者的模型简化为简单金属导体并且电尺寸相近；

第三步骤：求得输电线路上的感应电流分布，进而计算出由于感应电流所产生的二次辐射强度矢量，与源无线电波叠加，求出特高压交流线路对中波导航台干扰影响强度，得到交流特高压输电线路与中波导航台的无源干扰防护距离。

3.如权利要求2所述的特高压交流线路与中波导航台间防护距离确定方法，其特征在于：第一步骤中如果目标特征尺度可以与波长比较，则采用一般的矩量法；如果目标很大而特征尺度又包括了一个很大的范围，就选择离散方式和离散基函数。

4.如权利要求2所述的特高压交流线路与中波导航台间防护距离确定方法，其特征在于：第三步骤中杆塔等效成一根“细”导线。

5.如权利要求2所述的特高压交流线路与中波导航台间防护距离确定方法，其特征在于：第三步骤中分裂导线等效为单根导线。

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