交流特高壓輸電線路對雷達臺站的無源干擾研究

盧 瑩， 張建功， 干喆淵， 趙志斌

(1. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206； 2. 電網環境保護國家重點實驗室 (中國電力科學研究院武漢分院)，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著科學技術的迅速發展，對周邊電磁環境有嚴格要求的特高頻無線電臺站(如用于模擬電視及數碼電視廣播臺站、軍用航空雷達等)大量涌現，具有大尺寸金屬結構的特高壓輸電線路對這些臺站的無源干擾問題成為研究熱點[1～3]。

對空情報雷達是用于搜索、監視與識別空中目標并確定其坐標和運動參數的雷達，也稱對空搜索雷達[4]。它所提供的情報，主要用于對空警戒、引導殲擊機截敵方航空兵器和為防空武器系統指示目標，也用于保證飛行訓練和飛行管制，是現代戰爭中獲取空中目標情報的重要電子技術裝備。

本文首先對交流特高壓輸電線路的有源干擾進行分析，重點研究輸電線路正常運行時，線路電暈導致的無線電干擾對其附近的對空情報雷達有源影響問題，提出了1 000 kV交流特高壓輸電線路與對空情報雷達站的有源干擾防護距離建議值。然后對交流特高壓線路的無源干擾進行分析，主要研究特高壓輸電線路的塔、線對對空情報雷達的距離探測性能影響，綜合陣地反射面影響、遮蔽影響和二次輻射回波干擾影響，提出了交流特高壓輸電線路與對空情報雷達站的無源干擾防護距離建議。

1 輸電線路與對空雷達站的有源干擾防護

從原理上講，雷達的工作頻率沒有限值。適用雷達的工作頻率已經從高頻頻段(3 MHz～30 MHz)擴展到毫米波段(30 GHz～300 GHz)。本文研究的對空情報雷達為我國目前常用的型號，頻率為80 MHz～3 000 MHz，可分為80 MHz～300 MHz和300 MHz～3 000 MHz兩個頻段。GB13618-1992《對空情報雷達站電磁環境防護要求》(以下簡稱《標準1》)中給出了防護間距定義及防護間距限值[5]。表1給出了不同電壓等級的架空電力線路與對空情報雷達站間的防護間距，當不能滿足表1要求或者特殊情況，可按照對空情報雷站的電磁環境防護準則來計算。電磁環境防護準則所考慮的高壓架空輸電線、變電站干擾影響主要來自于兩個方面：一是高壓架空輸電線、變電站等在帶電運行時會產生無線電干擾；二是高壓架空輸電線、塔等設施作為障礙物，如果距離雷達站過近，會破壞雷達陣地反射面的要求，使雷達波瓣變形，進而影響探測性能。另外，高壓架空輸電線、塔等設施還會對雷達造成一定的遮蔽角或電磁波衰減，從而有可能使雷達遺漏目標或探測距離降低。因此，在考慮它們與對空情報雷達站的兼容時，應從以上幾個方面綜合進行研究和分析。按《標準》中規定的原則和GJBZ20195-93即《軍用地面雷達陣地選擇規范》[6](以下簡稱《標準2》)中對雷達陣地反射面的要求，可分別計算出雷達對特高壓架空輸電線的防護間距，取較大者為最終防護間距值。

表1 架空輸電線路與對空情報雷達站的防護間距

對于高壓輸電線路在30 MHz以上的無線電干擾水平，主要來自鐵塔、絕緣子串、金屬器具等部位火花放電等偶然因素，目前沒有有效的計算預測辦法，只有通過實測進行研究。

測量儀器使用SCHWARZBECK公司9 k～3 000 MHz接收機，配套30 MHz～300 MHz寬帶雙錐天線和200 MHz～1 000 MHz頻段的對數周期天線。在測量中分別測量了天線在垂直極化和水平極化兩個方向上的無線電干擾準峰值。

由于30 MHz以上的無線電干擾水平很低，采用了在試驗線段帶電與不帶電情況下進行比較測量的方法，線段不帶電情況下測得的數據為背景無線電噪聲，通過比較得出此頻段交流特高壓輸電線路的無線電干擾是否顯著。圖1給出了實測的30 MHz～1 000 MHz頻段無線電干擾準峰值頻譜分布統計結果。圖2給出了天線在垂直極化和水平極化兩個方向上的無線電干擾水平比較。

圖1 30 MHz～1 000 MHz頻段無線電干擾準峰值頻譜

圖2 天線極化方向對測量結果的影響

雷達一般工作在超短波及以上波段，因此主要受高頻噪聲脈沖的影響。雷達受噪聲干擾致威力降低的機理如下：來自輸電線路上的干擾噪聲進入雷達接收機后疊加在機內噪聲之上，降低信噪比，造成雷達對目標發現概率的降低，此時如要保持相同的發現概率和虛警概率，必須提高最小可檢測信號的功率，但這將使雷達的探測距離縮小。

由于30 MHz～1 000 MHz頻段無線電干擾水平總體較低，為克服背景噪聲對其影響[7～10]，在試驗中采用了帶電與不帶電情況下進行比較測量的方法，線段不帶電情況下測得的數據為背景無線電噪聲，通過比較得出此頻段交流特高壓輸電線路的無線電干擾是否顯著。

圖3和圖4為兩次典型的比較測量結果，兩次測量都在晴好天氣進行，測量結果沒有分辨出帶電前后無線電干擾水平有明顯一致性差異。因此只能說明特高壓線路在該頻段的無線電干擾水平較低，完全淹沒在背景無線電噪聲中[11～13]，而背景無線電噪聲主要由空間輻射和氣象活動等不穩定因素造成，呈現在一個小范圍內的無規律波動。

圖3 帶電前后的無線電干擾水平比較I(垂直極化)

圖4 帶電前后的無線電干擾水平比較II(垂直極化)

通過紫外成像儀對試驗線段的鐵塔、絕緣子串、金屬器具等部位進行的觀測也沒有明顯發現存在火花放電的部位(這是針對具體實測對象作出的觀測)。

測量結果表明特高壓輸電線路產生的有源無線電干擾與背景噪聲差異很小，因此對工作頻率在80 MHz以上的雷達影響很小，防護間距可沿用500 kV輸電線路的有源防護間距，即雷達工作頻率為80 MHz～300 MHz時的防護距離是1 600 m；雷達達工作頻率為300 MHz～3 000 MHz時的防護距離是1 000 m。

2 輸電線路與對空雷達站的無源干擾分析

輸電線路對雷達的無源干擾主要表現在3個方面：

(1)輸電線路線、塔等障礙物對雷達電磁波的二次輻射可對雷達產生固定的干擾回波；

(2)輸電線或變電站等地面設施距雷達某一距離時，在這一方位可能破壞了雷達陣地的有效反射面，影響雷達的探測性能的發揮；

(3)輸電線或變電站的地面設施的方位對雷達發射的電磁波可能產生遮蔽損耗。

對于米波段雷達，從天線輻射到空間某一點的電場強度是直射波和地面反射波的向量和，其探測性能與雷達陣地有關，地面反射波的路徑不應被地物所阻擋。按《標準2》中要求，對于米波雷達，不同仰角上的探測威力可用下式描述：

r=R0·F(α)·

(1)

式中：R0為雷達自由空間標稱距離；F(α)為雷達天線的垂直方向系數；D、R、φ分別表示地面擴散系數、地面反射系數和反射波滯后相位；h為雷達天線高度；λ為雷達工作波長。

當地面為理想反射條件時，根號下各項之和在某一仰角時最大接近于4，開方后即在一定的仰角時雷達探測距離可增大近1倍。可見雷達天線周圍地形對雷達探測性能有極大影響。這一地域的大小常按雷達第一波瓣中心仰角所要求的菲涅耳區來計算。

這一地域為一橢圓，如圖5所示。它的長半軸a、短半軸b、橢圓中心x0與雷達天線高度h、工作波長λ、目標仰角α的關系如下：

(2)

(3)

式中：h為雷達天線的中心高度；λ為雷達工作波長；α為天線垂直面上的仰角。

圖5 第一波瓣中心仰角的非涅耳區

則第一波瓣仰角所要求的地面最遠反射距離Dmax，最近反射距離Dmin分別為：

(4)

(5)

(6)

(7)

幾何反射中心與雷達的距離為：

(8)

將α1的表達式代入(8)式則得：

(9)

由此可知，各反射點距離都與天線高度h的平方成正比，與波長λ成反比。根據《電磁學》知識可知：不同距離段天線所照射的電磁能量密度并不相同，60%以上的能量集中在幾何反射中心點附近。因此，在考慮地面障礙物對雷達探測性能的影響時可按雷達的幾何反射點d0計算。按較嚴格要求取雷達工作頻率為300 MHz，天線中心高度取 10 m，代入式(6)(7)(9)可得：Dmax= 2 330 m、Dmin=70 m、d0=400 m，米波雷達對特高壓輸電線路的防護間距為2 330 m。

圖6 輸電線路對反射波遮擋示意圖

3 輸電線路對雷達影響的模擬試驗

考慮到輸電線、塔本身比較高大，進行實物試驗難以操作，故這里采用“縮尺比”法進行模擬試驗。

在“短波頻段內±800 kV 直流輸電線路對無線電臺站的無源干擾”的基礎上，本文設置的參數如下，試驗原型為“鼓型”鐵塔，模型的縮比比例為30∶1，塔高約100 m(試驗中100/30 m)，輸電線路采用8分裂雙回路形式，導線分裂間距為400/30 mm，導線型號為8×LGJ-500/35的鋼芯鋁絞線，導線半徑為16/30 mm，檔距500/30 m。地線為鋼芯鋁絞線，其接地電阻不大于15 Ω。試驗時選擇3檔距4塔模型進行試驗。

發射天線與接收天線采用工作頻段為1～18 GHz的雙脊喇叭天線，其平均增益為11.3 dB，阻抗 50 Ω，最大功率300 W，峰值功率500 W。發射信號源功率采用E8257D最大輸出功率為10 dBm，最高工作頻率40 GHz。接收機采用E4408B頻譜分析儀，其工作頻段為9 kHz～26.5 GHz。信號源及發射天線與頻譜儀及接收天線分別位于輸電線、塔的兩邊，信號源與發射天線連接，頻譜儀與接收天線連接。試驗布置圖見圖7。

圖7 試驗布置圖

其中，D1為發射天線與塔線模型的距離，單位：m；D2為接收天線與塔線模型的距離，單位：m；h1為發射天線高度，單位：m；H為塔線模型高度，單位：m；h2為接收天線高度，單位：m；α為發射天線與障礙物最高端切線仰角，單位：度；β為收發天線連線與水平線之間的仰角，單位：度。

主要參數設置如下：在考慮發射源功率和接收距離的基礎上，確定發射天線與接收天線之間間距即(D1+D2)為100 m，測試頻點選擇3 GHz、7 GHz和12 GHz。試驗步驟如下。

(1)測試電磁波在自由空間中的傳播特性

選擇開闊場地，按間隔100 m固定發射天線與接收天線，發射天線架高1.5 m；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時頻譜儀顯示的功率示數。

(2)測試鐵塔對電磁波傳播特性的影響

保持頻譜儀設置參數、信號源輸出功率不變，接收天線、發射天線設置位置不變，將鐵塔模型分別架設在距發射天線70 m、50 m、30 m、10 m位置處，接收天線對應架設高度分別為2.1 m、2.5 m、3 m、6 m，讀取頻譜儀顯示的功率示數。

(3)測試鐵塔、輸電線路同時存在時，對電磁波傳播特性的影響

保持頻譜儀設置參數、信號源輸出功率不變，接收天線、發射天線位置的設置不變，將裝配好后的鐵塔、輸電線模型分別設置在距發射天線70 m、50 m、30 m、10 m位置處，記錄頻譜儀顯示的功率示數。

測試結果表明，在發射頻率為12 GHz時，只有鐵塔時對接收信號的衰減比有塔有線時大，原因是在進行鐵塔衰減試驗時，鐵塔正面與發射、接收天線相對，進行有塔有線試驗時，鐵塔最小面與發射、接收天線相對，產生上述結果。從測試結果看，輸電線路主要是線路的影響，鐵塔對信號的傳輸影響較小。換言之，高壓架空輸電線路對信號傳播的影響，主要是分裂導線的影響，而塔的影響可以忽略。其主要原因是塔的實際尺寸對發射構成的屏蔽角小于臨界無屏蔽張角。

4 結論

綜上所述，對于對空情報雷達站，保護間距的計算是根據有源和無源干擾分別進行計算的，計算的結果會有差別，保護間距的最終確定的原則是選擇兩者中較大的保護間距，這樣地面雷達對 1 000 kV級特高壓輸電線路的防護既可滿足有源干擾防護間距，又可滿足無源干擾防護間距。實測表明特高壓輸電線路在雷達工作的80 MHz以上的無線電干擾水平很低，基本淹沒于背景無線電干擾噪聲中，即使從嚴考慮也不會超過目前的500 kV輸電線路。雷達對特高壓輸電線路的有源干擾防護間距可按《標準1》中對500 kV輸電線路防護間距要求執行，特高壓輸電線路與無線電臺站間防護距離為1 600 m。

對于米波段雷達，從天線輻射到空間某一點的電場強度是直射波和地面反射波的向量和，其探測性能與雷達陣地有關，地面反射波的路徑不應被地面障礙物所阻擋，在菲涅耳區內外一定距離時對雷達天線輻射的直射波和地面反射波也可能產生遮蔽影響。目前經濟高度發展，土地資源稀缺，輸電線路走廊與雷達站的建設尋址已非常困難，因此會出現難以滿足表1要求的情況。本文從科研角度分別從有源干擾和無源干擾防護出發所推導的防護間距，考慮到目前土地資源稀缺，輸電線路走廊與雷達站的建設尋址已非常困難的情況，認為采用1 000 kV特高壓單回輸電線路時，其防護間距為2 400 m比較合適。如果雷達陣地架設高度顯著的高于輸電線路導線平均高度，則米波雷達滿足有效反射面的防護距離2 400 m,其余雷達滿足有源干擾防護距離1 600 m即可。但關于 1 000 kV交流特高壓輸電線路與對空雷達臺站的保護間距最終確定，還需要與雷達臺站管理部門協商決定。在具體實施中如難以保證防護間距，可在保證主要責任區方向滿足上述要求情況下，其它區域協商解決。