CN110927484A

CN110927484A - 一种交流输电线路无线电干扰三维分布计算方法及系统

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Publication number: CN110927484A
Application number: CN201911119045.XA
Authority: CN
Inventors: 李琼; 王华云; 魏斌; 吴晓康; 王文彬; 郭亮; 邓才波
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-03-27

Abstract

本发明公开了一种交流输电线路无线电干扰三维分布计算方法及系统，该方法包括如下步骤：将弧垂的输电线路分成若干微小线段；计算任一阶梯微小线段及其镜像微小线段在被测点处产生的磁场强度；通过该微小线段及其镜像微小线段在被测点处的磁场强度计算微小线段内的电流元实际在被测点处产生的磁场强度；计算被测点处的电场强度；根据平均和规则对若干微小线段进行累加求和，分别计算三相整条输电导线在被测点产生的电场强度；根据三相整条输电导线在被测点产生的电场强度，计算三相导线的最终合成场强。本发明的计算方法可仿真计算得到输电走廊内无线电干扰的三维分布情况，计算精确，为实际的工程建设提供更准确的参考。

Description

一种交流输电线路无线电干扰三维分布计算方法及系统

技术领域

本发明有关交流输电线路无线电干扰领域，特别是指交流输电线路无线电干扰三维分布计算方法及系统。

背景技术

随着交流输电线路电压等级的不断提高，导线表面发生电晕产生的无线电干扰对人们生活中的无线电通讯、收音机的信号传输和工业生产等造成了严重的影响，无线电干扰成为输电线路环境评估的重要指标之一，是线路设计要考虑的重要因素。因此，有必要根据输电线路的实际情况，研究考虑导线弧垂影响的无线电干扰三维分布预测方法，为实际的工程建设提供更准确的参考。目前，对于交流输电线路无线电干扰的预测计算，大多都是按照国家标准提出的二维计算方法，即将导线看成是无限长直导线，而将导线弧垂的影响用导线平均高度的计算结果来代替。

(1)激发函数计算及气象修正

Γ_大雨＝70-585/g_max+35lg(d)-10lg(n) (1)

式中：g_max为子导线最大表面电位梯度有效值，单位是千伏/厘米(kV/cm)；d为子导线直径，单位是厘米(cm)；n为分裂导线数。

(2)电晕电流的传播

[i₀]＝[C][Γ]/2πε₀ (2)

式中：ε₀为真空介电常数，ε₀＝8.85×10^-12，单位是法/米(F/m)，其中[C]为线路的电容矩阵，第1相导线电晕时[Γ]＝[Γ,0,0]^T。通过模变换，电晕电流转换成模电流：

[i_0m]＝[N]^-1[i₀],m＝1,2,3 (3)

[N]为模转换矩阵，[N]^-1，[N]＝1，根据计算，三相导线排列方式不同，[N]的元素有一定差别。

电流注入导线后，由注入点向两边传播，向参考点传播的电流为

其中x为距离注流点的距离，其中L_m＝α_m+jβ_m为传播系数，α_m为衰减因子，由[B]＝[Y][Z]的特征值得到，

β_m为相位因子，由于干扰源随机出现，不存在相位关系，故可忽略不计，[Y]和[Z]分别为线路的并联导纳矩阵和串联阻抗矩阵，把计算的模传播电流反变换成相电流

[i(x)]＝[N][i_m(x)] (5)

(3)干扰场强计算

根据图1所示，被测点处的磁场强度与电流的关系：

式中：h为导线距离地面的垂直高度，h₁为被测点距离大地垂直距离，y为导线距离被测点的水平距离，P为磁场穿透深度，

单位是米(m)；f为频率，f＝50Hz，ρ为土壤电阻率，单位是欧姆.米(Ω.m)；镜像导线距离大地垂直距离是h+P。

那么第一相产生电晕时，[Γ₁,0,0]^T在三相导线中电流[i(x)]产生的电磁场的电场分量计算：

E₁(x,y)＝60∑i(x)F_j(y)

其中Z_j为第i相导线对地高度,y_j是第i相导线与被测点的水平距离。

通过现有方法无法获得输电走廊内整个档距的无线电干扰分布情况，只能获得距离导线某一距离处二维平面的无线电干扰部分，同时也无法具体分析导线弧垂对无线电干扰分布的影响，计算预测的精度还存在提升的空间。因此有必要研究考虑导线弧垂的无线电干扰三维分布计算方法，研究在整个档距内无线电干扰分布预测，为输电线路的设计提供技术支持和理论参考。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种考虑导线弧垂影响的交流输电线路无线电干扰三维分布计算方法及系统。

为达到上述目的，本发明提供一种交流输电线路无线电干扰三维分布计算方法，其包括如下步骤：

将弧垂的输电线路分成若干微小线段，呈现出阶梯状；

计算任一阶梯微小线段在被测点处产生的磁场强度，以及该微小系线段的镜像微小线段在被测点处产生的磁场强度；

通过该微小线段及其镜像微小线段在被测点处的磁场强度计算微小线段内的电流元实际在所述被测点处产生的磁场强度；

通过所述实际在被测点处产生的磁场强度，计算被测点处的电场强度；

根据平均和规则对若干微小线段进行累加求和，分别计算三相整条输电导线在被测点产生的电场强度；

根据所述三相整条输电导线在被测点产生的电场强度，计算三相导线的最终合成场强。

所述计算任一阶梯微小线段在被测点处产生的磁场强度具体包括：

(1)在所述微小线段里截取电流元Idl，电流元Idl在被测点所产生的磁感应强度dB为

式中：R为线元dl至被测点之间的距离，μ₀表示媒质为真空时的磁导率，θ是线元dl上电流元方向与其到被测点的矢径方向之间的夹角；I为电流元内电流大小；

(2)根据积分原理，被测点处的磁感应强度：

式中：θ₁和θ₂分别是微小线段两端电流元方向与其到被测点的矢径方向之间的夹角；r是微小线段与被测点之间的垂直距离；

(3)根据磁感应强度B与磁场强度H的关系得到微小线段在被测点的磁场强度：

所述微小线段与所述镜像微小段线相对虚地对称，该虚地与实际大地之间的距离为磁场穿透深度。

所述实际在被测点处产生的磁场强度H₁₂为：

式中：H₁和H₂分别是微小线段与镜像微小线段在被测点处产生的磁场强度，h为导线与地面之间的垂直距离，h₁为被测点距离地面的垂直距离，y是导线与被测点之间的水平距离，β₁与β₂分别是导线与镜像导线所产生磁场强度的方向与水平方向之间的夹角。

高频电场与磁场的关系为

得到导线微小线段在被测点处产生的电场强度为：

式中：θ₁和θ₂分别是导线微小线段两端电流元方向与其到被测场点的矢径方向之间的夹角；θ₃和θ₄分别是镜像导线的微小线段两端电流元方向与其到被测点的矢径方向之间的夹角；I(x)是相电流，P为磁场穿透深度。

所述对若干微小线段进行累加求和的平均和规则为：

并同样计算另外两相整条输电导线在被测点产生的电场强度。

所述计算三相导线的最终合成场强的方法为：提取出三相计算场强较大的两相，命名为Ea与Eb，当Ea－Eb≥3dB时，三相导线的最终合成场强为：E＝Ea；否则三相导线的最终合成场强为：

所述相电流I(x)的计算方式为：

(1)计算函数激发值

Γ_大雨＝70-585/g_max+35lg(d)-10lg(n)

式中：g_max为子导线最大表面电位梯度有效值，d为子导线直径，n为分裂导线数；

(2)电晕电流的传播：[i₀]＝[C][Γ]/2πε₀

式中：ε₀为真空介电常数，其中[C]为线路的电容矩阵，通过模变换，电晕电流转换成模电流：[i_0m]＝[N]^-1[i₀],m＝1,2,3，[N]为模转换矩阵；

(3)电流注入导线后，由注入点向两边传播，向参考点传播的电流为

其中x为距离注流点的距离，其中L_m＝α_m+jβ_m为传播系数，α_m为衰减因子，β_m为相位因子；

(4)把计算的模传播电流反变换成相电流

[i(x)]＝[N][i_m(x)]。

所述磁场穿透深度P为：

f为频率，ρ为土壤电阻率。

本发明公开了一种交流输电线路的无线电干扰三维分布计算系统，其包括：

拆分模块，用于将弧垂的输电线路分成若干微小线段，呈现出阶梯状；

磁场强度计算模块，用于计算其中任一阶梯微小线段在被测点处产生的磁场强度，并通过相同原理计算该微小线段的镜像微小线段在被测点处产生的磁场强度；

磁场强度合成模块，用于利用微小线段及其镜像微小线段在被测点处的磁场强度计算微小线段内的电流元实际在被测点处产生的磁场强度；

电场强度计算模块，用于通过所述实际在被测点处产生的磁场强度，计算被测点处的电场强度；

电场强度合成模块，用于根据平均和规则对若干微小线段的电场强度进行累加求和，分别计算三相整条输电导线在被测点产生的电场强度；及

叠加模块，用于根据所述三相整条输电导线在被测点产生的电场强度，计算三相导线的最终合成场强。

本发明提出的一种交流输电线路的无线电干扰三维分布计算方法，由于将输电导线分成若干微小线段，并分别计算微小线段产生的电场强度，再通过叠加合成，最终可仿真计算得到输电走廊内无线电干扰的三维分布情况，计算精确，更贴合于实际情况，为实际的工程建设提供更准确的参考。

附图说明

图1为现有技术中被测点与导线位置示意图；

图2为本发明中的输电线路分段示意图；

图3为本发明中的微小导线积分示意图；

图4为本发明中被测点处磁场强度示意图；

图5为本发明实施例中的弧垂最低点导线布置示意图；

图6为本发明实施例中无线电干扰三维分布图；

图7为本发明的交流输电线路无线电干扰三维分布计算方法步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图7所示，本发明的无线电干扰三维分布计算方法将考虑导线弧垂带来的影响，该方法包括如下步骤：

步骤一、首先将弧垂的输电线路分成若干小段，如图2所示，呈现出阶梯状，分别计算每一级阶梯微小线段所产生的无线电干扰，最后通过叠加求和即可得到无线电干扰场强值。

步骤二、计算任一阶梯微小线段在被测点D处产生的磁场强度，以下将微小线段单独挑出来进行分析。如图3所示，载流导体周围存在磁场B，在微小线段AB里截取电流元Idl，根据Biot-Savart定律指出：微小载流线元Idl在被测点D所产生的磁感应强度dB为

式中：R为线元dl至被测点D之间的距离，单位为米(m)；μ₀表示媒质为真空时的磁导率，μ₀＝4×10^-7，单位是亨利/米(H/m)；θ是线元dl上电流元方向与其到被测场点D的矢径方向之间的夹角；I为电流元内电流大小。

因此，被测点P处的磁感应强度：

式中：θ₁和θ₂分别是微小线段AB两端电流元方向与其到被测场点D的矢径方向之间的夹角；r是微小线段AB与被测点D之间的垂直距离。

根据磁感应强度B与磁场强度H的关系可得到微小线段AB在被测点D的磁场强度：

步骤三、计算电流元实际在被测点D处产生的磁场强度；由于在微小线段里，每一个电流元在被测点D处产生的磁感应强度方向一致，故分析导线截面图与镜像导线截面图来求取无线电干扰场强，如图4所示，虚地与实际大地之间的距离为磁场穿透深度P，导线与镜像导线相对虚地对称。

由图得知在被测点D处的合成磁场强度H₁₂为：

式中：H₁和H₂分别是导线与镜像导线在被测点D产生的磁场强度(可由上述步骤二获取)；h为导线与地面的垂直距离，h₁为被测点D距离地面垂直距离，y是导线与被测点D之间的水平距离，β₁与β₂分别是导线与镜像导线所产生磁场强度的方向与水平方向之间的夹角。

步骤四、计算被测点D处的电场强度。求取被测点的磁场强度之后，利用高频电场与磁场的关系

得到导线在被测点处产生的电场强度为：

式中：θ₁和θ₂是对导线的积分角，即θ₁和θ₂分别是导线微小线段两端电流元方向与其到被测场点D的矢径方向之间的夹角；θ₃和θ₄是对镜像导线的积分角，即θ₃和θ₄分别是镜像导线的微小线段两端电流元方向与其到被测场点D的矢径方向之间的夹角；I(x)是相电流，其计算方式可参考背景技术中的公式(1)-(5)。

步骤五、分别计算三相整条输电导线在被测点产生的电场强度。以上计算的对象是单元微小线段，对于整条输电线路而言，在地面上方被测点处产生的场强值则根据平均和规则对若干微小线段进行累加求和：

在求出某一相单根输电线路在地面上方被测点处产生的场强值E1后，以同样的计算方法求出另外两相输电线路在被测点处产生的场强值E2和E3。

步骤六、根据标准方法进行叠加，计算三相导线的最终合成场强。得到三相输电线路产生的场强E1、E2和E3之后，根据标准方法进行叠加：提取出三相计算场强较大的两相，命名为Ea与Eb，当出现这样的情况Ea－Eb≥3dB时，那么考虑三相导线的最终合成场强为：E＝Ea；否则考虑三相导线的最终合成场强可以式(14)进行计算。

以某地的长期观测站附近1000kV输电线路为例，导线弧垂最低点的布置情况如图5所示。三相导线均采用8×LGJ-500/35，子导线间距为400mm，分裂子导线呈正八边形分布，计算时施加电压为1050kV，土壤电阻率取100Ω·m，被测点距地面的垂直距离为1.5米。

根据图5建立了交流输电线路无线电干扰三维分布计算模型，仿真计算结果如图6所示，由于使用的激发函数是在大雨条件下的实验数据得到的，故得到在大雨条件下输电线路一个档距内无线电干扰的三维分布情况。通过仿真图可以不难看出，三维分布图在体现了无线电干扰横向衰减规律的同时，也反映了在一个档距内无线电干扰受弧垂影响的分布情况。

无线电干扰的实际测量方面已经有了大量的研究，其中以长期观测站的实验数据最为可靠，因为在大雨条件下导线表面稳定气晕，在这种情形下所测量得到的无线电干扰水平较其他气候条件更为稳定，再加上长期测量得到大量数据统计分析能够尽最大可能排除测量误差，故参考价值最高。图5实施例中所做的工作为测量大雨条件下输电线路的边相外20m的无线电干扰水平值，取大雨条件下所统计数据的均值：65.4dB。

表1仿真结果与实测值对比

	本文提出的计算方法	实测值(大雨条件下)	误差
				RI场强值(dB/μV/m)	66.3	65.4	1.38％

表1中给出了本文提出的无线电干扰预测方法对边相外20m处无线电干扰预测结果与实际测量的误差对比，其中实测值为大雨条件下的均值。由表可知，本发明提出的计算结果与大雨条件下的实际测量值的误差仅为1.38％，证明了本发明的三维预测方法的准确性。

本发明还提出一种交流输电线路的无线电干扰三维分布计算系统，其包括：拆分模块，用于将弧垂的输电线路分成若干微小线段，呈现出阶梯状；磁场强度计算模块，用于计算其中任一阶梯微小线段在被测点处产生的磁场强度，并通过相同原理计算镜像微小线段在被测点处产生的磁场强度；磁场强度合成模块，用于利用微小线段及其镜像微小线段在被测点处的磁场强度计算微小线段内的电流元实际在被测点处产生的磁场强度；电场强度计算模块，用于根据实际在被测点处产生的磁场强度，计算被测点处的电场强度；电场强度合成模块，用于根据平均和规则对若干微小线段的电场强度进行累加求和，分别计算三相整条输电导线在被测点产生的电场强度；及叠加模块，用于根据三相整条输电导线在被测点产生的电场强度，计算三相导线的最终合成场强。

本发明所提出的一种交流输电线路的无线电干扰三维分布计算方法，建立了考虑导线弧垂的三维输电线路无线电干扰计算模型，并基于该模型，以某处实际输电线路为例，仿真计算得到输电走廊内无线电干扰的三维分布情况，与实测值进行对比说明本发明提出的无线电干扰计算方法的有效性，通过本发明的计算方法得出的无线电干扰三维分布情况，计算精确，更贴合于实际情况，为实际的工程建设提供更准确的参考。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。