高壓電力線在3MHz—30MHz電磁干擾下的建模分析研究

張寧，劉燕

（國家無線電監測中心烏魯木齊監測站，新疆 烏魯木齊 830000）

高壓電力線在3MHz—30MHz電磁干擾下的建模分析研究

張寧，劉燕

（國家無線電監測中心烏魯木齊監測站，新疆 烏魯木齊 830000）

為提高短波監測質量及效率，避免電磁干擾的影響，對嚴重影響短波監測工作的高壓電力線路有源干擾產生機理進行了深入分析，并采用垂直偶極子模型輻射場及單根高壓線起暈場計算原理進行3MHz—30MHz電磁干擾建模分析研究。同時對高壓電力線有源干擾基準電平進行定量計算，最后與實測數據進行對比驗證。研究結果表明，在3MHz—30MHz頻率范圍內，存在多根高壓線與僅存在單根高壓線相比，其電磁干擾電場強度的變化是不同的，這兩種情況下的電磁干擾變化趨勢與實測數據場強的變化基本一致。

高壓電力線 短波監測 有源干擾 起暈場

1 引言

高壓電力線路在運行時存在無線電干擾，它是各種專業或軍用無線電臺（站）產生干擾的主要干擾源。此類無線電干擾分為有源干擾和無源干擾。有源干擾其頻率范圍基本上小于30MHz，主要是由導線及金屬表面電暈放電和絕緣子因局部場強過高引起火花放電產生。無源干擾的頻率范圍大于30MHz，主要是無線電信號遇到線路的導線和鐵塔后因電磁感應而形成的散射和屏蔽作用。本文主要針對3MHz—30MHz頻段高壓電力線的有源干擾做建模分析研究。

2 有源干擾的產生機理

在有源干擾中，最主要的是無線電噪聲。其中包含在導線表面或線路部件表面的電暈放電、絕緣子高電位梯度部分放電和火花以及松動或接觸不良處的火花。電暈產生的無線電噪聲電平受兩大類因素影響，即線路結構、設計和施工以及大氣、氣候等外部因素。但大體來說，可以通過控制設計線路結構等來降低影響，且線路建好并運行一段時間后，無線電噪聲電平幾乎可以保持穩定。無法控制的是天氣與氣候條件，其對無線電噪聲電平的變化范圍影響較大。

大氣、氣候等外部因素主要包括雨、雪、霧、風速、相對濕度、大地導電率、相對空氣密度等。很多實驗表明，在小雨、雪、大霧、露等情況下或空氣濕度在一定范圍內上升，無線電噪聲電平就會不斷上升。但若是大雨，無線電噪聲電平則不隨雨量的增大而迅速升高。對于輸電線無線電噪聲來說，當雨量大于0.6mm/h即認為是大雨。大雨時平均電平最穩定，故大多選擇大雨時的平均電平作為計算無線電噪聲的基礎電平。大雨時，別的因素（火花等）引起的無線電噪聲幾乎不存在或變的很小，因此大雨時測量結果幾乎可以反映線路電暈放電導致的無線電噪聲。

3 有源干擾的計算原理

根據J R Wait編著的《Electromagnetic Waves in Stratified Media》，如圖1所 示，對于2條平行的高壓傳輸線，因其之間存在電壓差，所以其輻射場可當作電偶極子源來進行處理。對于多根高壓線，其輻射場可以看成多個偶極子源相互迭加的結果。

圖1 高壓架空輸電線的電偶極子模型

3.1 垂直偶極子模型輻射場計算

以空間位置上下排列的2根高壓傳輸線為例，把它當作垂直電偶極子來計算。

如圖1所示，在均勻半空間中，電場E只有?方向分量。在上層空間（z＜0），電場強度可表示為：

其中，K0是修正貝塞爾函數，也有些文獻稱之為變態貝塞爾函數。傳播常數Re[0γ]＞0。

為了把（1）式轉換成為更實用的形式，利用傅里葉變換進行如下積分：

對應的傅里葉積分反變換為：

對（3）進行估算得到：

其中，當(z+h)＞0時取“+”號，(z+h)＜0時取“-”號，

考慮到地面反射，在高壓線下方(-h≤z≤0)，總場表示為：

被積函數的前半部分表示直達波，后半部分表示反射波。

R⊥(λ)是反射系數，其表達式為：

對于大地磁導率μ1=μ0，R⊥(λ)可簡化為

在z=0處的地表，當入射角為θ時的反射系數為R⊥(λ)，通過iλ=γ0sinθ可變換為以θ為參數的R⊥(θ)。

根據式（2）和（3），可估算（5）式得到：

取高壓線高度h=10m，可以計算出在1 000m范圍內3MHz—30MHz的短波波段內電場強度的變化規律，具體如圖2和圖3所示：

圖2 1 000m范圍內典型頻率上的E0變化趨勢

圖3 3MHz—30MHz典型距離上的E0變化趨勢

3.2 單根高壓線起暈場計算

圖4 單根高壓線的磁偶極子模型

如圖4所示，依據電暈放電的形成原理，此時單根高壓線可當做磁流為K的線源來計算，只需對公式（5）中的各個量做如下代換：I→K，

在上半空間（z＜0）內，磁場強度就表示為：

當z+h＜0時，取“+”，z+h＞0時，取“-”。

平行極化波的反射系數為：

在均勻半空間中，由K0=u0/(σ0+iωε0)，Z1=K1，μ1=μ0得：

于是，與方程（8）相似，給出H0的表達式如下：

其中，K0為修正貝塞爾函數。

由

得：

得到在1 000m范圍的短波波段內Ez的變化規律，如圖5和圖6所示：

圖5 1 000m范圍內典型頻率上的Ez變化大小

圖6 3MHz—30MHz典型距離上的Ez變化大小

通過以上建模仿真分析可得：存在多根高壓線時，若短波通信頻率固定，則其電磁干擾電場強度隨著高壓電力線與監測站天線陣之間距離的增大而減小，距離一定時，頻率越高則干擾越大。僅單根高壓線存在時，若頻率固定，則其電磁干擾電場強度隨著高壓電力線與監測站天線陣之間距離的增大而減小，但距離一定，若小于200m時頻率越高則干擾越小，大于200m時3MHz—10MHz范圍頻率越高則干擾越小，而10MHz—30MHz有頻率越高則干擾越大的趨勢。該結果與實測數據場強的變化基本一致。

4 有源干擾的基準電平

結合以上建模仿真分析，為進一步確保短波監測工作不受高壓電力線的干擾影響，本節結合實際情況給出高壓電力線有源干擾的基準電平取值方法。高壓電力線有源干擾的基準電平E0可按國標《高壓交流架空送電線無線電干擾限值》GB15707-1995給出的方法取值。

（1）對于110kV、220（330）kV和550kV這3種高壓架空輸電線，在0.5MHz的無線電干擾限值E0如表1所示：

表1 GB15707-1995規定的無線電干擾限值

0.15 MHz—30MHz頻段中其它頻率點的干擾限值E，可按下式進行修正：

式中ΔE是相對于0.5MHz的干擾場強增量，其單位是dBμ V/m；f是頻率，單位為MHz；公式（16）的適用頻率范圍為0.15MHz—4MHz。

（2）對于不是上述3種電壓值的情況，0.5MHz的無線電干擾基準電平按下式進行計算：

式（18）中，gmax為架空輸電線導線表面的最大電位梯度，單位為kV(r.m.s)/cm；r為單根導線的半徑，單位為cm；gmax計算如下：

q為單位長度導線上的表面電荷；ε0為1/ (36π×109)；n為分裂導線數；d為單根導線的直徑，單位為cm；b為分裂導線的節圓直徑。

由公式（18）可得出高壓交流架空送電線三相導線的每相在某一點產生的無線電干擾場強。若某一相的場強值大于其余每相至少3dBμ V/m，就取該相的場強值作為此高壓交流架空送電線的無線電干擾場強，否則依據公式（20）來計算：

式（20）中E1，E2分別為三相導線中的最大兩個無線電干擾場強，單位為dBμV/m。

5 結束語

本文簡要分析了高壓電力線產生無線電有源干擾的機理，并通過建立高壓傳輸線輻射場的偶極子模型及單根高壓線起暈場計算方法，計算了其周圍1 000m范圍內短波頻段內電磁干擾場強大小。在參考國內外相關技術標準和計算方法的基礎上，將計算結果與實測數據進行比較分析，其變化基本一致。該研究成果對當前無線電管理部門進行短波監測站電磁環境保護具有一定的理論參考價值和實踐指導意義。

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張寧：學士畢業于重慶大學計算機科學與技術專業，現任國家無線電監測中心工程師，主要從事無線電監測工作，多次完成國家無線電監測中心標準化工作及軟課題研究項目，研究方向為無線電波傳播及無線電業務理論研究與應用。

劉燕：碩士畢業于西安科技大學通信與信息系統專業，現任國家無線電監測中心助理工程師，主要從事無線電監測工作，完成了國家無線電監測中心兩項標準制定工作及短波通信頻率實時探測及預報系統軟件開發，研究方向為無線電波傳播及無線電業務理論研究與應用。

德國外經貿部考察世界頂級光纖熔接機品牌韓國易諾儀器

5月中旬，德國外經貿部負責電子產業的兩位專家——M ax M ilbredt與Anj a Birholz對韓國易諾儀器總部進行考察。此次考察目的是為共同發現在國際項目中的合作機會并擴展與易諾德國分公司的業務。韓國易諾儀器市場部向專家重點介紹了View系列光纖熔接機，并展示了View系列產品與重要工具配件，細節展示與精致機械工藝都體現了易諾光纖熔接機在不同熔接場合的優勢。此次考察合作讓雙方都受益匪淺，具有極其深遠的相互學習借鑒意義，對于韓國易諾品牌在通信工業發展領域也是一個不小的加速劑。

眼下正是全球通信網絡建設的熱潮，易諾儀器作為全球領先的電信行業供應商，同樣融入于德國政府提出的“工業4.0”大潮中，在通信網絡建設方面力求為電信企業提供高智能有效的解決方案。在未來，易諾儀器期待有更多的合作機會，更期待在新戰略思想引導下共同開創通信工業的新局面。（本刊）

Analysis and Research on 3MHz—30MHz Electromagnetic Interference Modeling of High Voltage Power Line

ZHANG Ning, LIU Yan
(State Radio Monitoring Center Urumqi Station, Urumqi 830000, China)

In order to enhance quality and efficiency shortwave monitoring and avoid the influence of electromagnetic interference, active jamming mechanism of high voltage power line affecting shortwave monitoring was analyzed in this paper. According to the calculation principles of vertical dipole model radiation fi eld and corona fi eld of single high voltage power line, 3MHz—30MHz electromagnetic interference was modeled and analyzed. In addition, active interference bench mark level of high voltage power line was quantitatively calculated and comp ared with tested data. Results show that, in frequency range of 3MHz—30MHz, the strength of electromagnetic interference is different in the conditions of multiple and single high voltage power lines; but the change trend of electromagnetic interference in these two conditions is overall consistent with the change trend of tested data fi eld strength.

high voltage power line shortwave monitoring active jamming corona fi eld

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.013

TN92

A

1006-1010(2015)10-0066-05

張寧,劉燕. 高壓電力線在3MHz—30MHz電磁干擾下的建模分析研究[J]. 移動通信, 2015,39(10): 66-70.

2015-03-23

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn