特高壓輸電線路線塔對電磁波的衰減效應試驗研究

摘 要：利用“電磁縮尺比”法進行了1 000 kV級特高壓架空送電線塔對米波雷達頻段電磁波能量的衰減效應試驗，目的是為了評價特高壓輸電線塔障礙物對雷達的無源干擾影響。試驗選擇在郊區開闊場地進行，結論表明：特高壓輸電線塔等地面設施對試驗頻段內的電磁波的衰減量在一定距離上大部分情況下都超過了3 dB，塔線與發射天線之間的距離在超過一定程度后，衰減量的變化漸趨于平緩。該結論在確定雷達對特高壓架空輸電線的防護間距時具有借鑒和參考價值。

關鍵詞：特高壓輸電線；雷達；電磁波；衰減；縮尺比

中圖分類號：TN973 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1514603

Test Study on the Attenuation Effects of Electromagnetic Wave Caused by

UHV Overhead Transmission Lines and towers

CHEN Jingping，LIU Jianping，TIAN Junsheng

(Radar Institute，Air Force Equipment Academy，Beijing，100085，China)

Abstract：The\"Electromagnetic Scale-reduced\"method is used to analyze the attenuation effects of the electromagnetic wave which is caused by the 1 000 kV UHV overhead transmission lines and towers.The test is carried out in an open area in order to improve the veracity of the data.The results show that the most attenuation values of the received signal are above 3 dB and after the distance between the lines with the towers and the transmission antenna has gone to a definite level，the value would trend to change little.The results are valuable when it comes to define the defence distance of radar to the UHV overhead transmission lines and towers.

Keywords：UHV transmission lines;radar;electromagnetic wave;attenuation;scale-reduced

布置在雷達周圍的高壓架空送電線塔等地面設施會對雷達的探測性能產生影響。在一定距離條件下，塔線等障礙物對雷達天線發射的直射波和反射波都有可能產生遮蔽損耗。即使在有效反射面(菲涅爾區)最遠點外某一距離上，也有可能使地面反射波受到遮蔽，使雷達低仰角的探測性能受到較大影響或對空間某點地面反射波和直射波的向量和產生影響，這就要求高壓架空送電線在架設時要考慮雷達與它的防護間距問題。為了評估1 000 kV級特高壓架空送電線塔線等地面設施對雷達的遮蔽影響，需要進行其對雷達電磁波能量的衰減效應試驗。理想的情況下，試驗應在實際線路上進行，在輸電線的兩側分別進行信號的發射和接收，測得塔線存在和不存在兩種情況下的接收信號變化情況，從而確定塔線對電磁波的遮蔽損耗。但考慮到雷達天線一般架設較低而輸電線塔高度較高、尺寸較大，這就要求對應的接收天線架設很高，實際中難以操作和實施，因此，決定采用“電磁縮尺比”法來進行試驗。

1 “縮尺比法”原理

目標對電磁波的作用如反射、繞射、透射、衍射等綜合電磁效應主要取決于目標的幾何尺寸和波長的比例關系，例如：當波長與目標的尺寸可以相比時就會發生繞射、衍射等現象。因此，對于不同的目標尺寸和波長的組合，比例關系相同時表現出來的特性是相同的。如設目標和模型的尺寸、波長分別為(d1，λ1)和(d2，λ2)，滿足t=d1/λ1=d2/λ2。這時，尺寸為d1的目標在波長為λ1時的電磁效應與尺寸為d2在波長為λ2時的電磁效應相同。因此，當目標實物的尺寸過大、無法或難以進行測試時，可依據此原理建立同比例縮小的 “縮尺比”模型來替代目標實物進行試驗，得到的結果將是一致的。

“縮尺比”法的理論基礎是麥克斯韋方程，見式(1)。×+μt=0

×－εt－σ=0(1)式中，E和H分別表示實物空間的電場強度和磁場強度；μ和ε為周圍媒質的磁導率和介電常數；σ表示實物的電導率；引入空間坐標和時間變量x，y，z，t，所有變量均采用標準單位制。將上述變量加下標1表示模型變量，則同理有：1×1+μ11t1=0

1×1－ε11t1－σ1=0(2) 由麥克斯韋方程的線性及式(3)關系，式(1)可變為式(4)。=e1，=h1，μ=μ1，ε=ε1，

σ=σkσ1，(x，y，z)=k(x1，y1，z1)，t=tkt1(3)

×1+khtkeμ1t1=0

×1－ketkhε1t1－σkkehσ11=0(4) 令：khtke=ketkh=σkkeh=1(5)則式(4)可進一步變為：×1+μ1t1=0

×1－ε1t1－σ11=0(6) 可以看出式(6)和式(1)具有相同的表示形式，說明模型和實物對各自場的效應相同。對于遠場，其波阻抗是不變的，即:/=1/1。故e=h，代入式(5)中可得到：tk=1/k， σk=k(7) 式(7)說明要使模型與實物在各自場中的表現效應相同，則當目標尺寸縮小k倍時，其所處環境的電磁波的頻率要提高k倍，對應的電導率也要提高k倍。實際中，頻率提高k倍易于實現而電導率提高k倍難于實現，但當目標為良導體時，電導率不按k倍增長是完全可以的。

2 模型建立

試驗原型為平均高度100 m的“鼓型”塔，輸電線路采用8分裂雙回路形式，導線分裂間距為400 mm，導線型號為8×LGJ-500/35型鋼芯鋁絞線，半徑為16 mm。相鄰鐵塔間檔距為500 m，地線采用鋼芯鋁絞線，其接地電阻不大于15 Ω。

采用30∶1的縮尺比建立縮比模型。按前面所述原理，模型所處場的頻率要提高30倍，試驗頻段選為100~400 MHz，則模型所處場的頻率即信號源的頻率應大于12 GHz；模型塔高約為3.3 m，檔距約為17 m，仍為8分裂傳輸線；選用良導體銅制漆包線作為模型材料，導線分裂間距約為13 mm，半徑約0.5 mm。輸電線兩端通過200 Ω的電阻接地以模擬無限長輸電線路，架空地線采用半徑為0.5 mm的銅制漆包線并在鐵塔模型兩端按實際情況接地。

選擇4塔3檔距模型進行試驗。

3 試驗儀器和場地布置

按照縮尺比，收發天線均采用1~18 GHz的雙脊喇叭天線，平均增益為11.3 dB，阻抗為50 Ω，最大功率300 W，峰值功率500 W。

信號源采用E8257D型正弦波發生器，最大輸出功率為10 dBm，最高工作頻率可達40 GHz。

采用E4408B型頻譜分析儀作為接收機，其工作頻段為9 kHz~26.5 GHz。

試驗布置圖見圖1。

圖1 試驗布置圖圖1中參數如下：h1為發射天線架設高度；D₁為發射天線和模型間距；D₂為接收天線和模型間距；H為模型塔高；h2為接收天線架高，以上參數單位均為m。α為發射天線和塔最高點之間連線與水平線間的夾角；β為收發天線連線與水平線之間的夾角；二者單位均為度。

在考慮信號源功率和接收距離的前提下設置收發天線之間距離即D₁+D₂為100 m，測試頻點選擇3 GHz，7 GHz和12 GHz。

試驗時，收發天線分別置于模型的兩邊，信號源與發射天線連接，頻譜儀與接收天線連接，考察不同情況下接收信號的變化情況。

4 試驗內容和步驟

試驗選擇在背景噪聲低的郊區開闊場地進行，以提高測試數據的準確性。試驗內容及步驟如下：

(1) 測試電磁波在自由空間中的傳播特性

① 按間隔100 m固定好發射天線與接收天線，發射天線架高1.5 m(雷達天線平均架高為10 m左右，若按縮尺比計算，試驗室應為30 cm，此時，在某些試驗點上對應的接收天線要架設很高，條件難以滿足；再者，天線離地面過近時，信號受地面影響越大，不利于試驗的進行。因此，試驗時根據情況選擇將發射天線架設在1.5 m的高度上)；

② 發射信號頻率分別設置為3 GHz，7 GHz和12 GHz時，記錄接收天線分別架高2.1 m，2.5 m，3 m，6 m(確保收發天線連線穿過輸電線中央，根據塔線模型與發射天線的距離進行調整)時頻譜儀顯示的功率讀數；

(2) 測試有塔無線時對電磁波傳播特性的影響

保持信號源的輸出功率、頻譜儀的參數設置和收發天線的位置均不變，將鐵塔模型(不架線)分別架設在距發射天線70 m，50 m，30 m和10 m處，接收天線對應架設高度分別為2.1 m，2.5 m，3 m，6 m高度處，記錄頻譜儀顯示的功率讀數；

(3)測試有塔有線時對電磁波傳播特性的影響

保持信號源的輸出功率、頻譜儀的參數設置和收發天線的位置均不變，在鐵塔上將線也架設好，將模型分別設置在距發射天線70 m，50 m，30 m和10 m處，記錄頻譜儀顯示的功率讀數。

5 結果分析

對測試結果進行如下處理：

(1) 剔除異常數據；

(2) 將有塔無線和有塔有線情況下的值均與背景值作差，得到衰減量，結果見表1。

將雷達作為分析對象時，由于發射電磁波存在往返過程，因此需要將表中的衰減量乘以2。由此可得：在試驗所設置的條件下，無論是有塔無線還是無塔無線，塔線對信號的衰減量在大部分情況下都超過了3 dB；塔線與發射天線之間的距離在超過一定程度時，衰減量的減小漸趨于平緩，這與仿真結果基本上是一致的。

6 結 語

依據GJB13618-92即《對空情報雷達站電磁環境防護要求》中的要求：在干擾不可避免的情況下，允許雷達存在5%的距離損失。由雷達距離方程Rmax=PtG2λ2σ(4π)3Smin知：在只允許發射功率改變，其他參量不變的前提下，這5%的距離損失可等效為允許雷達的發射功率降低0.9 dB，而試驗結果表明特高壓輸電線、塔等對信號功率的衰減量大部分情況下在3 dB以上，遠遠超過了允許值。可見，在雷達天線周圍存在高壓架空輸電線塔線等設施時，須將它們作為電磁遮蔽物對待。該試驗結論在確定雷達對特高壓架空輸電線的防護間距時具有借鑒和參考價值。

表1 兩種情況下對接收信號的衰減量

發射頻率

/GHz塔線距發射

天線距離 /m有塔無線

/dB有塔有線

/dB3102.7－302.43.2500.71.6700.81.67103.44.130－3.6503.63.5702.23.712102.32.7301.61.6501.21.5701.4－

參 考 文 獻

［1］\\Nannapaneni Narayana Rao.工程電磁學基礎［M］.6版.周建華，游佰強，譯.北京:機械工業出版社，2006.

［2］\\奧利維耶·卡贊里特，馬小杰.21世紀的縮尺模型［J］.水利水電快報，2002，23(4):4-5.

［3］湯仕平，陳黎平，頂曉峰，等.艦船縮尺模型預測自動測試系統［J］.測控技術，2003，22(2):11-13，27.

作者簡介 陳京平 男，1979年出生，工程師。研究方向為電磁防護理論與技術。

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