磁計(jì)量站建設(shè)中若干干擾源計(jì)算問題的探討

【摘要】為了降低磁測(cè)量過程中的干擾，定量計(jì)算了幾種典型的干擾源。計(jì)算結(jié)果表明，高壓輸電線對(duì)弱磁測(cè)量的影響最大，欲使1000A的輸電線路對(duì)磁測(cè)量的干擾降低至2nT以下，則磁測(cè)量站應(yīng)距其一百公里甚至更遠(yuǎn)。對(duì)于鐵路或者公路交通，在距離其1km以外基本可以忽略其帶來的磁干擾的影響。

【關(guān)鍵詞】干擾源；磁測(cè)量；磁場(chǎng)；高壓輸電線；鐵路交通

1.引言

為了避開復(fù)雜多變的人為磁場(chǎng)干擾，目前，具有世界磁學(xué)計(jì)量先進(jìn)水平的國(guó)家基準(zhǔn)和高水平的弱磁標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)地址大多選擇在偏遠(yuǎn)的山區(qū)、湖邊、島上。例如：俄羅斯的馬眼湖、美國(guó)的關(guān)島、日本的淡路島以及我國(guó)的北京香山櫻桃溝和宜昌執(zhí)笏山等弱磁計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的選址都體現(xiàn)了這一點(diǎn)[1]。然而干擾源的磁干擾究竟有多大，距離干擾源多遠(yuǎn)距離處可以忽略其測(cè)量的影響，尚未見有文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算。本文給出了計(jì)算若干磁干擾的計(jì)算方法，并詳細(xì)計(jì)算了這些干擾的量值。

2.高壓輸電線的磁場(chǎng)

隨著高壓輸電線路電壓等級(jí)的不斷提高，輸電線路走廊的電磁輻射成為高壓輸電線路需要考慮的重要問題之一，在進(jìn)行磁測(cè)量時(shí)需要考慮其所帶來的影響。將輸電線路簡(jiǎn)化為無限長(zhǎng)直導(dǎo)線時(shí)，可以用模擬電流法和模擬電荷法計(jì)算其工頻磁場(chǎng)，圖1為某高壓輸電線下方的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布[2]。

實(shí)際上，電流引起的磁場(chǎng)計(jì)算可按照簡(jiǎn)化的公式（1）[3]進(jìn)行：

（1）

取電流為1000A，則根據(jù)上式可以算出不同距離處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，具體數(shù)據(jù)見表1。表1中的數(shù)據(jù)與圖1中的數(shù)據(jù)是相符的。

目前我國(guó)地磁臺(tái)站到輸電線路之間的水平距離一般為數(shù)十km，其產(chǎn)生的磁干擾大約為數(shù)個(gè)nT，低于地磁日波動(dòng)，輸電線路的影響基本可以忽略。

3.鐵路交通線的影響

列車由鐵磁性物質(zhì)組成，在地磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。列車運(yùn)行時(shí)將對(duì)其附近的磁測(cè)量產(chǎn)生影響。鐵磁體在天然狀態(tài)下被磁化時(shí)所具有的磁化強(qiáng)度約在73.6A/m的量級(jí)水平，由此可知，1m3的鐵磁體被自然磁化后產(chǎn)生約73.6Am2磁矩[4]。

假定列車長(zhǎng)1000米，其截面積為30平方米，列車上運(yùn)輸?shù)呢浳锞鶠殇摬模忆摬木坏卮艌?chǎng)均勻磁化，可計(jì)算出其總感應(yīng)磁矩為：

M=1000×30×73.6=2208000Am2

將列車等效為磁偶極子，可知距離其r位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

（2）

上式中為測(cè)量點(diǎn)與磁矩的夾角，為真空磁導(dǎo)率常量。根據(jù)此式可以估算出距離列車不同位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值，詳見表2所示。

由于地磁場(chǎng)的日變幅值可達(dá)±（20～30）nT，當(dāng)有磁暴、磁擾時(shí)則更大，由計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)距離鐵路為1000米時(shí)，列車行駛所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響約為0.22nT，在地磁場(chǎng)日變化的干擾背景下已經(jīng)無法識(shí)別。理論上講，當(dāng)距離鐵路超過1000米時(shí)，非屏蔽條件下的其對(duì)磁測(cè)量的影響基本可以忽略不計(jì)了。實(shí)際上，上述計(jì)算均選取的較大值，實(shí)際的應(yīng)用中列車的尺寸及磁干擾均要小于上述計(jì)算結(jié)果。

4.公路交通線的影響

根據(jù)恒定弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)要求，汽車引起的磁場(chǎng)變化應(yīng)不大于地磁場(chǎng)自身變化量的三分之一。地磁場(chǎng)在短時(shí)間內(nèi)的變化一般不大于5nT，所以汽車引起的磁場(chǎng)變化應(yīng)不大于1.6nT[1]。根據(jù)俄羅斯國(guó)家弱磁原始標(biāo)準(zhǔn)的要求，弱磁計(jì)量實(shí)驗(yàn)室離一級(jí)以上公路的最小距離為0.5km，與本文計(jì)算結(jié)果基本一致。實(shí)際上，可以按照與列車影響相同的公式來計(jì)算公路交通的影響。假定貨車連同其運(yùn)載的純鐵的最大長(zhǎng)度為50米，截面積為20平方米，則可計(jì)算出其總感應(yīng)磁矩為：

M=50×20×73.6=736000Am2

該磁矩約為列車磁矩的1/30，依然按照公式（2），可估算出離公路不同距離處的磁干擾，詳見表3所示。表3中的結(jié)果與文獻(xiàn)5是相符的。

理論上講，當(dāng)距離公路超過400米時(shí)，貨車行駛所產(chǎn)生的磁干擾大約為0.12nT，在地磁場(chǎng)日變化的干擾背景下該信號(hào)已經(jīng)無法識(shí)別，因此非屏蔽條件下的其對(duì)磁測(cè)量的影響基本可以忽略不計(jì)。

5.結(jié)論

本文詳細(xì)計(jì)算了高壓輸電線、鐵路列車、公路交通等干擾源對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量的影響。1000A的輸電線路在距其5km處產(chǎn)生的磁干擾為40nT；長(zhǎng)度為1000米的列車在距其5km處產(chǎn)生的磁干擾約為0.02nT；滿載100噸鋼鐵的重型卡車在距其1km處產(chǎn)生的磁干擾不大于0.1nT。

高壓輸電線對(duì)弱磁測(cè)量的影響最大，欲使1000A的輸電線路對(duì)磁測(cè)量的干擾降低至2nT以下，則磁測(cè)量站應(yīng)距一百公里甚至更遠(yuǎn)。對(duì)于鐵路或者公路交通，在距離其1km以外基本可以忽略其帶來的磁干擾的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡傳真，程華富，周鷹.公路對(duì)弱磁計(jì)量影響的分析[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2009，4：17-20.

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[5]袁中平，張育明.鐵路列車產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響分析[C].電氣化鐵道論文集，2005.