特高壓交流線路與短波無線電測向臺間防護距離確定方法

2023-09-23 10:48:25 2

專利名稱：特高壓交流線路與短波無線電測向臺間防護距離確定方法
技術領域：
本發明屬於高壓輸變電工程電磁兼容領域，具體地講是一種1000kV特高壓交流線路與短波無線電測向臺間防護距離確定方法。

背景技術：
隨著我國電力建設的加快，電網結構越來越呈現分布密集、杆塔和線路大型化等特點，而且建設以特高壓電網為核心的堅強電網已成為國家電力建設的戰略目標，與此同時各行業也更加頻繁的利用無線電進行通信、導航、定位等業務，這些無線電臺站對周邊的幹擾源和金屬障礙物都有嚴格的限制，如何保證高壓輸電線路與沿線鄰近的無線電臺站間的電磁兼容是迫切需要解決的問題。
高壓架空輸電線路對短波無線電測向臺可能形成的幹擾分有源幹擾和無源幹擾。有源幹擾是由在導線和大地間形成的幹擾電磁場產生的，主要來自導線的電暈放電；無源幹擾是指高壓架空導線和鐵塔受無線電信號的電磁場激勵產生伴生電流，並向空間輻射，此二次輻射將改變原無線電信號的幅值和相位。
目前對於有源幹擾已有成熟的計算模型，但對無源幹擾的研究工作還很有限，現行的國家標準GB13614-92《短波無線電測向臺(站)電磁環境要求》有關規定垂直接地導體(鐵塔)離短波無線電測向天線的距離必須大於60倍垂直接地導體(鐵塔)的高度，通常具有較大的安全裕度，缺乏根據實際線路條件下進行較精確防護計算的模型。


發明內容
本發明的目的是從分析無源幹擾產生的機理出發，提出了根據垂直接地導體(鐵塔)的諧振頻率的1000kV特高壓交流線路與短波無線電測向臺間防護距離確定方法。
為了實現上述目的，本發明所採用的方法是依據1000kV交流特高壓鐵塔實際諧振點與短波無線電測向機最低工作頻率的關係，由此計算所得的保護間距。
上述交流特高壓鐵塔作為垂直接地導體，高度(或可選擇)作為四分之一波長的諧振點落在短波無線電測向機最低工作頻率以外(下)，由此計算保護間距。
本發明通過模擬試驗證明了本發明具有較高計算精度，可應用於今後高壓輸電線路與相鄰無線電臺站間的電磁防護設計。



圖1為本發明再次輻射電磁場對小基礎(窄孔徑)無線電測向機影響機理圖。
圖中 C-無線電測向機的天線中心點，也是本圖坐標的原點； R-再次輻射體(金屬導體障礙物)； d-再次輻射體離測向機的距離； 00′-方位角(示向度)讀數的起始線； P-來波的方位角； E-電場強度(正常極化)； Ψ-再次輻射體的方位角； θ-測向天線面法線的方向。

具體實施例方式 下面結合實施例對本發明作進一步詳細的說明，但該實施例不應理解為對本發明的限制。
現行的國家標準GB13614-92《短波無線電測向臺(站)電磁環境要求)》有關規定垂直接地導體(鐵塔)離短波無線電測向天線的距離必須大於60倍垂直接地導體(鐵塔)的高度，通常具有較大的安全裕度，缺乏根據實際線路條件下進行較精確防護計算的模型。
本發明根據1000kV交流特高壓鐵塔作為垂直接地導體，高度(或可選擇)作為四分之一波長的諧振點落在短波無線電測向機最低工作頻率以外(下)，由此計算所得的保護間距大大降低。
由於垂直接地導體或鐵塔的高度作為四分之一波長的諧振頻率點如落在短波無線電測向工作頻段以外(下)，所以作為再次輻射體再次輻射最強的頻率並不在短波無線電測向工作頻段內，而處在工作頻段內的四分之三，四分之五......波長的頻率點的再次輻射場強要比四分之一波長的頻率點的再次輻射場強弱得多，因此它們對短波無線電測向的影響也要小得多。
如垂直接地導體或鐵塔的高度為60m，作為四分之一波長的諧振頻率點為1.25MHz(λ＝4×60＝240m)，考慮電波在金屬導體中傳播的縮短係數(0.7～0.8)，以及送電線本身的影響，實際諧振頻率大致在0.875～1MHz左右，因此它們處在短波無線電測向工作頻段以外，可以不考慮，要考慮的是作為四分之三、四分之五......時諧振頻率點上，再次輻射體對短波無線電測向的影響。計算所得保護間距d為垂直接地導體或鐵塔高度的20倍。如la＝60m，則d＝20×60＝1200m，如系鐵塔列，如塔距不小於塔高的10倍，則保護間距不會大於2000m。
所謂高壓交流架空送電線的無源幹擾，就是指位於短波無線電測向臺(站)天線陣列附近的高壓交流架空送電線和鐵塔作為金屬再次輻射體，對無線電來波產生再次輻射電磁場，它與無線電來波的主電磁場一起作用到短波無線電測向臺(站)的天線陣列後會對測向精度產生影響。短波無線電收信臺(站)不需要考慮無源無線電幹擾的影響。
在短波無線電測向臺(站)天線陣列的附近，如存在金屬再次輻射體，無線電來波就會在此金屬再次輻射體中感應電動勢εref，此電動勢又會在此金屬導體中產生感應電流Iref，感應電流同樣也會在它周圍產生再次輻射電磁場(其電場用Eref表示)，它與來波的主電磁場(其電場用E表示)一起作用到無線電測向臺(站)的測向天線陣列上。再次輻射電磁場可以分成兩個分量，其中一個分量在測向天線陣列中感應的電動勢與主電磁場感應的電動勢相位相一致，作為同相分量，同相分量將直接引起測向誤差；再次輻射電磁場的另一個分量在測向天線中感應的電動勢則與主電磁場感應的電動勢相位上相差90°，稱為異相分量。異相分量將使無線電測向在取向(獲取來波來向的示向度)時產生鈍化(模糊)的影響，如在聽覺取向時，則小音點區域變寬，在視覺取向時使原為呈直線的示向度線變成橢圓形，這些都對來波的取向造成困難，間接也產生測向誤差，但在一般情況下，後者的影響較前者要小一點，所以在後面的分析中，本發明將著重分析再次輻射電磁場中同相分量部分直接產生誤差的影響。
下面分析再次輻射電磁場對目前我國廣泛應用著的小基礎(窄孔徑)無線電測向機(其天線陣列的方向圖為阿拉伯數字8的圖形)，作為天線系統，為簡單方便起見，以框式天線或兩根直立天線構成的間隔天線為例。其實對它的分析，可以很簡單地直接推廣到4根，8根……等小基礎(窄孔徑)的天線系統，因為它們最終都是形成一個可以旋轉的「8」字形方向圖，當旋轉天線(即方向圖)，小音點的指向即為來波的方向(示向度)，見圖1。
再次輻射體的有效高度為href，阻抗為Zref·ejφ1，方向特性為F(θ0，Ψ0)；θ0為再次輻射體方向特性最大點的方位角；Ψ0為從測向機看，電波來向同再次輻射體之間的夾角Ψ0＝P-Ψ，並令仰角為0，於是在再次輻射體中感應的電動勢
2與再次輻射體本身的特性，相對測向天線的位置，以及來波的方向有關。當來波方向P為Ψ+π/2，則2＝20，即它只與再次輻射體本身的特性有關。當P≠Ψ+π/2，則 2＝(2π/λ)d cosΨ0+20(2) 再次輻射體中的電流(當電流沿再次輻射體非均勻分布時，href、Zref、εref和Iref均為對再次輻射體的最大電流點而言)。


再次輻射體在測向天線所處位置上所產生的再次輻射電磁場(正常極化)
3與再次輻射體、測向天線的相對位置以及再次輻射體本身的特性有關，如果d＜＜λ，則僅與再次輻射體本身特性有關，即3＝30，但當d較大，並方向為任意時，則 3＝±(2π/λ)d+30 (5) 再次輻射體產生的電磁場的電場分量可以寫為
令Erefm＝kE k＝〔a href·F(θ0，Ψ0)·F(θ0，Ψ)〕/Zref(7) ＝1+2+3(8) E′ref＝Eref·m cos＝k E cos (9) 它同被測發射臺所產生的電場同相，使測向機產生誤差。
E″ref＝Eref·m sin＝k E sin (10) 它同被測發射臺所產生的電場異相，使測向機的示向度鈍化(模糊)。
因此為了研究再次輻射電場

對無線電測向的影響，則需求取再次輻射係數k和相移值。
k值由再次輻射體的形狀和相對位置決定，並與其固有頻率相對來波發射臺頻率的比值有關。值與再次輻射體本身的特性，以及由其固有頻率相對來波發射臺的比值決定的阻抗有關(1+20+30部分)，同時與再次輻射體相對測向機天線系統的相互位置有關(2+3-20-30部分)，此相位差由前面的公式不難看出為(2πd/λ)·(1±cosΨ0)。
現在來求一般情況下，當無線電測向臺(站)附近存在金屬導體的再次輻射體時，產生測向誤差的公式。當來波主電磁場與再次輻射體產生的再次輻射電磁場一起作用到由兩根天線構成的間隔天線陣列(或框式天線)中，所產生的電動勢為
式中hD為測向天線的有效高。
式中第一項是當無線電測向天線附近不存在再次輻射體，測向機正常工作時的方向圖，可以看出，當天線旋轉到θ＝p時，電動勢消失，即呈顯為零點，此時天線面法線的方向θ，即為來波方向p。式中後兩項是再次輻射體所產生的，第二項為同相分量，當θ＝p時，明顯它不為零，因再次輻射體所處的方向Ψ，不太可能與來波方向一致，(如果偶然恰巧一致，則不產生誤差)；第三項為異相分量，它同樣當θ＝p時不為零，並使示向度鈍化(模糊)。我們取上式的幅值。

顯然，當再次輻射體所處的位置與來波方向不一致時(實際情況都會是這樣)，天線面旋轉到任位置，即θ為任何值時，無線電測向天線中的電動勢均不可能為零，取向不可能根據零音點，而是根據小音點(即聽覺測向聽到來波信號的聲音最小時)，為此對上式取導數，並令其為零，即 取εD的最小點，並令p-θ＝Δ(即示向度的校準值；在數值上它等於測向誤差，但符號相反)，為了取導數方便起見，只須對上式根號中的部分(以G2表示)取導數就可以。於是 dG2/dθ＝2sinΔcosΔ+2k2sin(Ψ-p+Δ)cos(Ψ-p+Δ)+2kcossinΔcos(Ψ-p+Δ)+2kcoscosΔ·sin(Ψ-p+Δ)＝0(14) 由此得
當k值很小時 Δ≈tgΔ＝ksinΨcos (16) 由公式16，當(即相對測向天線中心，再次輻射體與來波形成的夾角為90°)，並＝0°或180°(即再次輻射電磁場相對來波入射場的相移為0°或180°)時，由再次輻射體引起的誤差值最大， Δmax≈k (17) 即最大測向誤差與再次輻射體的再次輻射強度成正比，並近似等於再次輻射係數k。
UHVTL的無源幹擾對對短波無線電測向臺(站)保護間距的計算方法就高壓交流架空送電線來說，它可以分解成兩部分來考慮，即一部分為垂真接地的鐵塔(垂直接地導體)和另一部分為架空送電線(水平導線)。
(1)垂直接地導體(鐵塔)對短波無線電測向臺(站)保護間距的計算設鐵塔作為垂直接地導體(再次輻射體)的有效高為ha，離測向無線的距離為d，被測來波發射臺在測向天線場地上的場強為E。
在垂直導體中感應的電動勢ε＝E·ha 這裡ha＝[λtg(πla/λ)]/2π(18) la為垂直接地金屬導體(鐵塔)的高度，λ為波長，當la＝λ/4，垂直接地金屬導體(鐵塔)再次輻射的場強最大，此時 ha＝λ/2π；ε＝E(λ/2π)；Ra＝36.6Ω為輻射電阻 此時由垂直接地導體(鐵塔)所產生的場強 ∵λ＝4la ∴Eref＝(la/d)·E 即k＝Eref/E＝la/d (20) 上式表示，當垂直接地導體的長度為λ/4時，再次輻射係數k為垂直接地導體高度la與離測向天線之間距離d之比。
同時考慮到垂直接地導體(再次輻射體)的再次輻射場的相位，如與來波發射臺的相位同相或反相，垂直接地導體(鐵塔)的影響最大，此時最大可能的誤差由下式確定 Δmax＝k＝la/d弧度 (21) 上式表明垂直接地導體(鐵塔)作為再次輻射體的最大可能誤差(單位為弧度)為垂直接地導體長度la與離測向天線距離d之比。
如允許該垂直接地導體(鐵塔)產生1°的最大誤差，則 Δmax≤1/57，la/d≤1/57(22) ∴d≥57la≈60la＝1.5λ (23) 這樣為了使垂直接地導體(鐵塔)產生的最大誤差不大於1°，則垂直接地導體(鐵塔)離短波無線電測向天線的距離必須大於60倍垂直接地導體(鐵塔)的高度(或垂直接地導體產生λ/4諧振頻率點上的15個波長)。
(2)水平導線(架空送電線本身)對短波無線電測向臺(站)保護間距的計算與推導垂直接地導體產生測向誤差的方法類似，可求得水平導線(架空送電線本身)產生測向誤差的公式為
如允許Δ不超過1°，則 將它與垂直接地導體的保護間距數值進行比較，如設塔高為30m；並作為四分之一波長，λ＝120m(2.5MHz)，則 按垂直接地導體計算保護間距 d＝60la＝60×30＝1800m 按水平導線計算保護間距 實際架空送電線的高度要比鐵塔高度低，因此還較這個數值小。顯然後者計算出的保護間距要較前者低得多，換句話說，高壓交流架空送電線的鐵塔較送電線本身對短波無線電測向臺(站)的影響要大得多，因此在實際計算高壓交流架空送電線對短波無線電測向臺(站)的保護間距時，可只考慮高壓交流架空送電線的鐵塔對短波無線電測向臺(站)的影響。把水平導線看成是鐵塔的加載，它使鐵塔諧振點的頻率降低。
(3)鐵塔成列的影響實際的高壓交流架空送電線是一列鐵塔，此時保護間距認為應是單座鐵塔保護間距的兩倍。考慮到實際排列成行的鐵塔的間距有疏有密，其影響顯然不同，為此進行了一些計算，即以離測向天線垂直距離最近的一些鐵塔為中心，向兩側各取多座鐵塔，直至第某座鐵塔，其實際影響已很小為止，分別計算出各座鐵塔能產生的最大誤差，以它們的均方根作為總誤差，這樣計算出幾條曲線，第1條曲線為單座鐵塔產生的誤差隨鐵塔離測向天線距離d變化的曲線，並以d＝s＝d0(s為兩座鐵塔之間的距離)時的誤差la/d0為基準誤差，即不同距離d時的誤差以la/d0的倍數來表示；第2條曲線為多座鐵塔形成列時產生的影響隨d變化的曲線，它以相同d時單座鐵塔時所產生的誤差的倍數表示；第3條曲線是第1、2兩條曲線的乘積，即以la/d0基準誤差的倍數表示總的誤差隨d變化的曲線。利用第3條曲線，本發明可以計算出對任意一列鐵塔的保護間距來。實際已知鐵塔的高度la和鐵塔間的距離s，即可計算出基準誤差la/d0＝la/s來，又以可允許產生1°最大誤差的距離為保護間距，並考慮到再次輻射波沿地面傳播時的衰減，以6dB計算(即將保護間距縮小一倍)，則此時保護間距d處總誤差較基準誤差la/d0的倍數為
以此x值查第3條曲線，得出相應的d/s，由於塔距s為已知，即可求得d值。
例如已知la＝12m，s＝60m la/d0＝0.2 ∴x＝1/(0.2×57.3×0.5)＝0.175 由第3條曲線得d/s＝27 ∴d＝27×s＝1620m 此時對單座鐵塔的保護間距為 d1＝60×la＝720m 可見d/d1＝2.25倍，此時塔距與塔高之比s/la＝5 考慮到鐵塔成列的影響，取特高壓線路塔距為500～600m，即塔距和塔高之比均不到10(9.68，8.22，6.19和6.09倍)則保護間距應為單塔保護間距的1.8～2倍，即保護間距將達到7～10km，但是這樣塔高的四分之一波長諧振點的頻率落在短波無線電測向臺(站)工作頻段以外(＜1.5MHz) 表1特高壓鐵塔所對應的四分之一波長諧振點的頻率 加上架空送電線本身水平導線和電波在金屬導體中傳播的縮短係數，諧振頻率點還可能更低一點。
這樣如果不考慮四分之一波長諧振點的影響(應作試驗證明，作為這樣計算的支持)，而只考慮落入短波無線電測向臺(站)工作頻段內的四分之三波長諧振點的影響，則根據計算 Eref＝0.25(λ/d)E la＝(3/4)λ ∴ 如允許Δmax＝1°則 式中la為塔高 d為保護間距 則對1000v特高壓的單塔保護間距為 ①單迴路塔高62m 保護間距1240m ②單迴路塔高73m 保護間距1460m ③雙迴路塔高97m 保護間距1940m ④雙迴路塔高98m 保護間距1970m 成列鐵塔的保護間距則應乘上1.8～2倍 ①2232～2480m ②2628～2960m ③3492～3880m ④3573～3940m 本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。
權利要求
1.一種特高壓交流線路與短波無線電測向臺間防護距離確定方法，所採用的方法是依據1000kV交流特高壓鐵塔實際諧振點與短波無線電測向機最低工作頻率的關係，計算所得確定保護間距。
2.如權利要求1所述的特高壓交流線路與短波無線電測向臺間防護距離確定方法，其特徵在於交流特高壓鐵塔作為垂直接地導體，高度作為四分之一波長的諧振點落在短波無線電測向機最低工作頻率以外，計算所得確定保護間距。
全文摘要
本發明涉及一種特高壓交流線路與短波無線電測向臺間防護距離確定方法，所採用的方法是依據1000kV交流特高壓鐵塔實際諧振點與短波無線電測向機最低工作頻率的關係，其中交流特高壓鐵塔作為垂直接地導體，高度作為四分之一波長的諧振點落在短波無線電測向機最低工作頻率以外，計算所得確定保護間距。本發明通過模擬試驗證明了本發明具有較高計算精度，可應用於今後高壓輸電線路與相鄰無線電臺站間的電磁防護設計。
文檔編號G01R31/00GK101201375SQ200710168958
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月20日 優先權日2007年12月20日
發明者張小武, 雄 鄔, 張建功, 妮 李 申請人:國網武漢高壓研究院