特高壓輸電線路線塔對(duì)電磁波的衰減效應(yīng)試驗(yàn)研究

摘 要：利用“電磁縮尺比”法進(jìn)行了1 000 kV級(jí)特高壓架空送電線塔對(duì)米波雷達(dá)頻段電磁波能量的衰減效應(yīng)試驗(yàn)，目的是為了評(píng)價(jià)特高壓輸電線塔障礙物對(duì)雷達(dá)的無源干擾影響。試驗(yàn)選擇在郊區(qū)開闊場地進(jìn)行，結(jié)論表明：特高壓輸電線塔等地面設(shè)施對(duì)試驗(yàn)頻段內(nèi)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(fā)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(jié)論在確定雷達(dá)對(duì)特高壓架空輸電線的防護(hù)間距時(shí)具有借鑒和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：特高壓輸電線；雷達(dá)；電磁波；衰減；縮尺比

中圖分類號(hào)：TN973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dá)周圍的高壓架空送電線塔等地面設(shè)施會(huì)對(duì)雷達(dá)的探測性能產(chǎn)生影響。在一定距離條件下，塔線等障礙物對(duì)雷達(dá)天線發(fā)射的直射波和反射波都有可能產(chǎn)生遮蔽損耗。即使在有效反射面(菲涅爾區(qū))最遠(yuǎn)點(diǎn)外某一距離上，也有可能使地面反射波受到遮蔽，使雷達(dá)低仰角的探測性能受到較大影響或?qū)臻g某點(diǎn)地面反射波和直射波的向量和產(chǎn)生影響，這就要求高壓架空送電線在架設(shè)時(shí)要考慮雷達(dá)與它的防護(hù)間距問題。為了評(píng)估1 000 kV級(jí)特高壓架空送電線塔線等地面設(shè)施對(duì)雷達(dá)的遮蔽影響，需要進(jìn)行其對(duì)雷達(dá)電磁波能量的衰減效應(yīng)試驗(yàn)。理想的情況下，試驗(yàn)應(yīng)在實(shí)際線路上進(jìn)行，在輸電線的兩側(cè)分別進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射和接收，測得塔線存在和不存在兩種情況下的接收信號(hào)變化情況，從而確定塔線對(duì)電磁波的遮蔽損耗。但考慮到雷達(dá)天線一般架設(shè)較低而輸電線塔高度較高、尺寸較大，這就要求對(duì)應(yīng)的接收天線架設(shè)很高，實(shí)際中難以操作和實(shí)施，因此，決定采用“電磁縮尺比”法來進(jìn)行試驗(yàn)。

1 “縮尺比法”原理

目標(biāo)對(duì)電磁波的作用如反射、繞射、透射、衍射等綜合電磁效應(yīng)主要取決于目標(biāo)的幾何尺寸和波長的比例關(guān)系，例如：當(dāng)波長與目標(biāo)的尺寸可以相比時(shí)就會(huì)發(fā)生繞射、衍射等現(xiàn)象。因此，對(duì)于不同的目標(biāo)尺寸和波長的組合，比例關(guān)系相同時(shí)表現(xiàn)出來的特性是相同的。如設(shè)目標(biāo)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(shí)，尺寸為d1的目標(biāo)在波長為λ1時(shí)的電磁效應(yīng)與尺寸為d2在波長為λ2時(shí)的電磁效應(yīng)相同。因此，當(dāng)目標(biāo)實(shí)物的尺寸過大、無法或難以進(jìn)行測試時(shí)，可依據(jù)此原理建立同比例縮小的 “縮尺比”模型來替代目標(biāo)實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)，得到的結(jié)果將是一致的。

“縮尺比”法的理論基礎(chǔ)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(shí)物空間的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度；μ和ε為周圍媒質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)；σ表示實(shí)物的電導(dǎo)率；引入空間坐標(biāo)和時(shí)間變量x，y，z，t，所有變量均采用標(biāo)準(zhǔn)單位制。將上述變量加下標(biāo)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(guān)系，式(1)可變?yōu)槭?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(jìn)一步變?yōu)椋韩联?+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(shí)物對(duì)各自場的效應(yīng)相同。對(duì)于遠(yuǎn)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(shí)物在各自場中的表現(xiàn)效應(yīng)相同，則當(dāng)目標(biāo)尺寸縮小k倍時(shí)，其所處環(huán)境的電磁波的頻率要提高k倍，對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率也要提高k倍。實(shí)際中，頻率提高k倍易于實(shí)現(xiàn)而電導(dǎo)率提高k倍難于實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)目標(biāo)為良導(dǎo)體時(shí)，電導(dǎo)率不按k倍增長是完全可以的。

2 模型建立

試驗(yàn)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(dǎo)線分裂間距為400 mm，導(dǎo)線型號(hào)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(yàn)頻段選為100~400 MHz，則模型所處場的頻率即信號(hào)源的頻率應(yīng)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(dǎo)體銅制漆包線作為模型材料，導(dǎo)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(shí)際情況接地。

選擇4塔3檔距模型進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)儀器和場地布置

按照縮尺比，收發(fā)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(hào)源采用E8257D型正弦波發(fā)生器，最大輸出功率為10 dBm，最高工作頻率可達(dá)40 GHz。

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

試驗(yàn)布置圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)布置圖圖1中參數(shù)如下：h1為發(fā)射天線架設(shè)高度；D₁為發(fā)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(shù)單位均為m。α為發(fā)射天線和塔最高點(diǎn)之間連線與水平線間的夾角；β為收發(fā)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(hào)源功率和接收距離的前提下設(shè)置收發(fā)天線之間距離即D₁+D₂為100 m，測試頻點(diǎn)選擇3 GHz，7 GHz和12 GHz。

試驗(yàn)時(shí)，收發(fā)天線分別置于模型的兩邊，信號(hào)源與發(fā)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(hào)的變化情況。

4 試驗(yàn)內(nèi)容和步驟

試驗(yàn)選擇在背景噪聲低的郊區(qū)開闊場地進(jìn)行，以提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)內(nèi)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(fā)射天線與接收天線，發(fā)射天線架高1.5 m(雷達(dá)天線平均架高為10 m左右，若按縮尺比計(jì)算，試驗(yàn)室應(yīng)為30 cm，此時(shí)，在某些試驗(yàn)點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的接收天線要架設(shè)很高，條件難以滿足；再者，天線離地面過近時(shí)，信號(hào)受地面影響越大，不利于試驗(yàn)的進(jìn)行。因此，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)情況選擇將發(fā)射天線架設(shè)在1.5 m的高度上)；

② 發(fā)射信號(hào)頻率分別設(shè)置為3 GHz，7 GHz和12 GHz時(shí)，記錄接收天線分別架高2.1 m，2.5 m，3 m，6 m(確保收發(fā)天線連線穿過輸電線中央，根據(jù)塔線模型與發(fā)射天線的距離進(jìn)行調(diào)整)時(shí)頻譜儀顯示的功率讀數(shù)；

(2) 測試有塔無線時(shí)對(duì)電磁波傳播特性的影響

保持信號(hào)源的輸出功率、頻譜儀的參數(shù)設(shè)置和收發(fā)天線的位置均不變，將鐵塔模型(不架線)分別架設(shè)在距發(fā)射天線70 m，50 m，30 m和10 m處，接收天線對(duì)應(yīng)架設(shè)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(shù)；

(3)測試有塔有線時(shí)對(duì)電磁波傳播特性的影響

保持信號(hào)源的輸出功率、頻譜儀的參數(shù)設(shè)置和收發(fā)天線的位置均不變，在鐵塔上將線也架設(shè)好，將模型分別設(shè)置在距發(fā)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(shù)。

5 結(jié)果分析

對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行如下處理：

(1) 剔除異常數(shù)據(jù)；

(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(jié)果見表1。

將雷達(dá)作為分析對(duì)象時(shí)，由于發(fā)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(yàn)所設(shè)置的條件下，無論是有塔無線還是無塔無線，塔線對(duì)信號(hào)的衰減量在大部分情況下都超過了3 dB；塔線與發(fā)射天線之間的距離在超過一定程度時(shí)，衰減量的減小漸趨于平緩，這與仿真結(jié)果基本上是一致的。

6 結(jié) 語

依據(jù)GJB13618-92即《對(duì)空情報(bào)雷達(dá)站電磁環(huán)境防護(hù)要求》中的要求：在干擾不可避免的情況下，允許雷達(dá)存在5%的距離損失。由雷達(dá)距離方程Rmax=PtG2λ2σ(4π)3Smin知：在只允許發(fā)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(dá)的發(fā)射功率降低0.9 dB，而試驗(yàn)結(jié)果表明特高壓輸電線、塔等對(duì)信號(hào)功率的衰減量大部分情況下在3 dB以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了允許值。可見，在雷達(dá)天線周圍存在高壓架空輸電線塔線等設(shè)施時(shí)，須將它們作為電磁遮蔽物對(duì)待。該試驗(yàn)結(jié)論在確定雷達(dá)對(duì)特高壓架空輸電線的防護(hù)間距時(shí)具有借鑒和參考價(jià)值。

表1 兩種情況下對(duì)接收信號(hào)的衰減量

發(fā)射頻率

/GHz塔線距發(fā)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(xiàn)

［1］\\Nannapaneni Narayana Rao.工程電磁學(xué)基礎(chǔ)［M］.6版.周建華，游佰強(qiáng)，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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

［3］湯仕平，陳黎平，頂曉峰，等.艦船縮尺模型預(yù)測自動(dòng)測試系統(tǒng)［J］.測控技術(shù)，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?yàn)殡姶欧雷o(hù)理論與技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文