（1.武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075; 2.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

高壓輸電高頻電磁環(huán)境測試與分析

吳勇1，雷磊1，樊高輝1，李林濤1，王雷2

（1.武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075; 2.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

目的深入研究超特高壓輸電電磁輻射環(huán)境。方法采用窄帶測試的方法分別對500 kV變電站和500 kV交流輸電線路的超高頻電磁環(huán)境進行測試與分析。結(jié)果變電站周圍產(chǎn)生的超高頻輻射場上限頻率可達1 GHz，線路周圍產(chǎn)生的超高頻輻射場上限頻率可達700 MHz，分裂導(dǎo)線將會影響線路的高頻輻射場分布。在傳播過程中，輻射場電場以垂直極化分量為主，輻射信號峰值隨距離的衰減曲線呈非線性關(guān)系，遠(yuǎn)距離處輻射信號以低頻分量為主。結(jié)論測試得到的規(guī)律對研究高壓輸電的高頻電磁環(huán)境具有參考意義。

電磁輻射環(huán)境；超高頻輻射場；分裂導(dǎo)線；垂直極化

超特高壓輸電電磁環(huán)境復(fù)雜，低頻電磁輻射主要由線路表面電暈放電產(chǎn)生，而高頻、超高頻電磁輻射主要來源于金具、絕緣子上的放電和接觸不良擊穿導(dǎo)致的火花放電[1—4]。隨著電壓等級的提升，其電磁輻射是否會隨之增強，對評估長期處在其中的人或物受到的潛在危害、對敏感電子設(shè)備尤其是各類電子武器裝備的威脅和對通信頻段的干擾[4—5]具有重要意義，因此對超特高壓輸電電磁輻射環(huán)境的測試與分析具有重要意義。

目前對低頻電磁輻射的研究多集中于電暈放電的研究與分析，理論研究多為電暈放電輻射機理分析、電暈電流及其輻射場的計算[6—9]，實驗研究主要涉及到線路電暈放電產(chǎn)生的無線電干擾測試。對于輸電線路產(chǎn)生的電磁干擾可以通過激發(fā)函數(shù)計算出其輻射場和無線電干擾限值，但是所適用的頻率相對較低，超高頻輻射場并不太適宜于用此類公式進行計算[10—11]。對于高頻或者超高頻電磁輻射，目前多是集中于局部放電檢測的研究[12—15]，而系統(tǒng)性針對超高頻電磁環(huán)境的測試與規(guī)律分析的研究相對較少。

文中利用窄帶測試，分別對500 kV變電站和500 kV交流輸電線路的高頻電磁環(huán)境進行了實測與分析，旨在為高頻電磁干擾測試與評估提供參考。

1 高頻電磁輻射測試

1.1 窄帶測試原理

當(dāng)前對放電輻射信號的測試多采用寬帶測試，測試帶寬常達GHz。在對高壓輸電超高頻電磁環(huán)境進行測試時，寬帶測試將引入較多干擾。這些干擾多為空間中充斥著的通訊、廣播、電視及各種電器發(fā)射的電磁信號，直接降低測試結(jié)果的可信度和測試距離。相對于 109Hz帶寬的寬帶測試，窄帶測試所選帶寬多為數(shù)百 106Hz，測試時帶內(nèi)干擾較少，信噪比較高，抗干擾能力強，數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確性高，且能夠遠(yuǎn)距離測試電磁輻射環(huán)境。

1.2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)如圖1所示，測試系統(tǒng)主要由寬帶測試天線、接收機和示波器組成，標(biāo)定后的系統(tǒng)具有較高的靈敏度。

圖1 測試系統(tǒng)Fig.1 Block diagram of test system

天線采用對數(shù)周期天線，其工作帶寬為 30 MHz～2 GHz，輸入阻抗為50 ?，駐波比≤1.5，旁瓣抑制比高，定向性好，空間干擾抑制能力強。接收機靈敏度高、頻帶寬、動態(tài)范圍大，可測量信號范圍為 100 Hz～4 GHz，最大中頻帶寬 100 MHz，接收機增益最高可達65 dB，標(biāo)定后的系統(tǒng)最小測試場強可達 μV/m。示波器為泰克生產(chǎn)的TDS-7404B型，四通道實時采樣，最大采樣率20 GS/s。

測試時，處在放電信號輻射場中的天線將感應(yīng)的射頻電壓通過同軸電纜傳輸至接收機，接收機將信號經(jīng)過一系列處理后輸出至示波器。寬頻帶的測量主要是由接收機的選頻功能和寬帶測試天線協(xié)同完成。

1.3 測試過程

采用輻射法進行測量，測量對象分別為某500 kV變電站、四分裂導(dǎo)線的500 kV交流輸電線路1和六分裂導(dǎo)線的500 kV交流輸電線路2。測量變電站周圍高頻電磁輻射信號時，在其徑向不同距離處設(shè)置等間距測試點；測量線路周圍高頻電磁輻射信號時，分別在對應(yīng)線路中跨和桿塔的直線方向上設(shè)置等間距測試點。

寬頻帶放電輻射信號的測量主要是由接收機的選頻功能和寬帶測試天線協(xié)同完成。接收機以中心頻率100 MHz為初始值，2 GHz為終止中心頻率，50 MHz為步進，中頻帶寬100 MHz對輻射場進行逐頻段測量，最終可測量頻段為 50～2050 MHz。測試時，在選定的測試點（50，100，150，200 m）分別將天線布置成水平極化或垂直極化方式，天線離地高度為 2 m，其最大增益方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)。首先觀察、測試并記錄背景，然后逐頻段測試放電輻射信號，待所測得的信號重復(fù)性較好時記錄下相應(yīng)的數(shù)據(jù)。其中圖 2為某次測試現(xiàn)場圖。

圖2 500 kV線路測試現(xiàn)場Fig.2 Measurement scene of the 500 kV AC transmission lines

2 測試結(jié)果與分析

2.1 背景及干擾測試

現(xiàn)場測試時，不僅要測試自然背景噪聲，還需考慮周圍隨機出現(xiàn)的干擾信號。測試表明，干擾信號主要包括測試區(qū)域內(nèi)存在的2G網(wǎng)絡(luò)手機信號、汽車打火信號。前者可以視為窄帶干擾，后者可視為寬帶干擾。表1給出了測試區(qū)域內(nèi)偶爾經(jīng)過的電動車產(chǎn)生的擾動信號時域特征，發(fā)現(xiàn)該擾動信號持續(xù)時間在數(shù)十納秒左右，如圖3所示。車輛產(chǎn)生的干擾信號與圖 4所示的放電輻射信號持續(xù)時間相當(dāng)，頻譜相近，因此會對測試產(chǎn)生較為嚴(yán)重的干擾，測試時應(yīng)盡量予以避免。

2.2 頻譜分布

測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果表明，變電站周圍高頻電磁環(huán)境復(fù)雜，分布著頻率從50 MHz～1 GHz的高頻電磁輻射信號，輸電線路和桿塔周圍集中分布著頻率在200～700 MHz的超高頻電磁輻射信號。

圖3 車輛引起的擾動信號Fig.3 Interference signal by car

圖4 放電輻射信號Fig.4 Discharge radiation signal

表1 車輛馬達產(chǎn)生的干擾信號Table 1 Interference signal generated by car motor

圖5為距離變電站、輸電線路和桿塔200 m處測試得到的放電輻射信號信噪比。變電站因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，放電類型較多，諸如電暈放電、局部放電以及不良接觸導(dǎo)致的火花放電，其產(chǎn)生的電磁輻射信號頻帶較寬，高頻上限可達GHz。在100 MHz以下頻段由于覆蓋了廣播、電視等通信頻段，導(dǎo)致實測放電信號信噪比相對較低（基本在5 dB以下），被測信號時域特征不明顯；在200～500 MHz頻段實測得到的放電信號信噪比相對較高，大多在15 dB以上，被測信號時域特征明顯；在500～800 MHz頻段，放電信號的信噪比隨頻帶的上移均有所降低，但還保持在5 dB以上，被測信號時域特征依然可以準(zhǔn)確識別；而在800 MHz以上頻段，實測放電信號的信噪比迅速下降，被測信號基本已被背景噪聲所淹沒。實測輸電線路和桿塔周圍超高頻電磁輻射信號的頻段分布在200～700 MHz，但二者略有不同，其中前者信號信噪比要低于后者，尤其是隨著頻率升高該現(xiàn)象更為明顯。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是：線路上的高頻輻射來源于電暈放電，而桿塔上的高頻輻射主要是金具、絕緣子上的放電，一般后者頻段分布更寬，強度更大。

圖5 放電輻射信號信噪比Fig.5 SNR of discharge radiation signal

2.3 放電輻射信號隨距離的變化規(guī)律

實際測試結(jié)果表明，變電站和線路周圍的高頻電磁輻射信號電壓峰值隨距離的增大而降低。以變電站測試數(shù)據(jù)進行分析說明，圖6為等間距測試點所測信號的變化規(guī)律。輻射的電磁波信號其電壓峰峰值隨著距離的增加而減小，衰減曲線均呈現(xiàn)非線性特征，不同頻段的衰減率并不相同。遠(yuǎn)距離輻射場以低頻成分（＜500 MHz）為主，高頻輻射場（＞500 MHz）主要分布在近距離范圍內(nèi)。

圖6 不同測試點處輻射信號峰峰值Fig.6 Peak values of discharge radiation signals under different test points

2.4 導(dǎo)線分裂數(shù)對放電輻射場影響

為了控制電壓和保證輸送容量，在設(shè)計上超特高壓線路采用分裂導(dǎo)線以降低導(dǎo)線表面場強來抑制電暈放電。相同電壓等級下，分裂導(dǎo)線數(shù)目增多則導(dǎo)線等效半徑增大，隨之導(dǎo)線表面場強值降低則電暈放電被抑制。

圖7給出了測試距離50 m處線路1（四分裂）和線路2（六分裂）高頻電磁輻射信號的測試結(jié)果。同等測試條件下，導(dǎo)線分裂數(shù)越小，測得的輻射信號場強更高。由于放電的隨機性，長時間測試中亦出現(xiàn)了各別頻率附近無信號的情況。結(jié)果表明，在輸送電壓等級相同的情況下，導(dǎo)線分裂數(shù)對線路抑制電暈放電的能力不同，該規(guī)律符合理論分析。

圖7 不同子導(dǎo)線線路的放電信號Fig.7 Discharge radiation signals of lines with different bundle conductors

2.5 極化方式對放電輻射信號接收的影響

圖8給出了距變電站100 m處，采用對數(shù)周期天線分別在垂直極化和水平極化方式下測得的放電輻射信號，圖9為其對應(yīng)的信噪比。測試環(huán)境溫度為36.9 ℃、相對濕度為59.0%。結(jié)果表明，當(dāng)近距離測試時，兩種極化方式下均能測試到放電輻射信號。由于水平極化方式下，掠地傳播將會造成部分能量的電磁波被大地吸收，衰減較快，因此可接收信號強度降低。隨著距離的增大，電磁波的水平極化分量必然比垂直極化分量衰減更快。

圖8 不同極化方式下放電輻射信號峰峰值Fig.8 Discharge radiation signals under different polarization

圖9 不同極化方式下放電輻射信號信噪比Fig.9 SNR of discharge radiation signals under different polarization

3 結(jié)論

文中采用窄帶測試方法，對500 kV變電站、四分裂和六分裂導(dǎo)線的500 kV交流輸電線路超高頻電磁環(huán)境進行了測試，并得到如下結(jié)論。

1）相同背景下，由于放電類型較多，同一輸電電壓等級下變電站周圍的電磁環(huán)境比輸電線路更加復(fù)雜，前者產(chǎn)生的電磁輻射信號比后者具有更寬的頻譜分布。

2）變電站和線路周圍的電磁輻射信號電壓峰值隨距離的衰減曲線呈非線性特征，具有高頻分量的信號僅存在距離放電源較近的區(qū)域，遠(yuǎn)距離處的電磁環(huán)境以低頻為主。

3）天線極化方式對信號接收有較大影響，垂直極化較之水平極化更易接收信號，遠(yuǎn)距離測試宜采用垂直極化方式進行接收。

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Testing and Analysis of UHF Electromagnetic Field of the Corona Discharge Generated by Transmission Lines at a Long Distance

WU Yong1,LEI Lei1,FAN Gao-hui1,LI Lin-tao1,WANG Lei2
（1.Wuhan Ordnance Petty Officer School, Wuhan 430075, China; 2.Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China）

ObjectiveTo study the electromagnetic radiation environment of ultra-high voltage power transmission intensively.MethodsThe ultra high frequency (UHF) electromagnetic radiation environment of both a 500 kV AC substation and two 500 kV AC transmission lines was tested and analyzed by narrow band method.ResultsThe upper limiting frequency of the UHF radiation field produced around the substation was up to 1 GHz, and that around the transmission lines was 700 MHz. The distribution of the UHF radiation filed varied with bundle conductors. When transmitting in the atmosphere, the main components of the radiation electric field was subject to vertical polarization, and the peak values of the radiation signals had a nonlinear relationship with the decay curve of fistance. As the distance increased, the components of the field signal were of lower frequency.ConclusionThe acquired law plays a reference role in studying the UHF electromagnetic environment of the high-voltage transmission.

electromagnetic radiation environment; UHF radiation field; bundle conductors; vertical polarization

10.7643/ issn.1672-9242.2016.06.016

TJ04；V274

A

1672-9242(2016)06-0090-05

2016-07-10；

2016-08-14

Received：2016-07-10；Revised：2016-08-14

吳勇（1985—），男，福建莆田人，碩士，主要研究方向為電磁場與微波技術(shù)。

Biography：WU Yong(1985—), Male, from Putian, Fujian, Master, Research focus: electromagnetic field and microwave technology.