磁計量站建設中若干干擾源計算問題的探討

【摘要】為了降低磁測量過程中的干擾，定量計算了幾種典型的干擾源。計算結果表明，高壓輸電線對弱磁測量的影響最大，欲使1000A的輸電線路對磁測量的干擾降低至2nT以下，則磁測量站應距其一百公里甚至更遠。對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。

【關鍵詞】干擾源；磁測量；磁場；高壓輸電線；鐵路交通

1.引言

為了避開復雜多變的人為磁場干擾，目前，具有世界磁學計量先進水平的國家基準和高水平的弱磁標準建設地址大多選擇在偏遠的山區、湖邊、島上。例如：俄羅斯的馬眼湖、美國的關島、日本的淡路島以及我國的北京香山櫻桃溝和宜昌執笏山等弱磁計量實驗室的選址都體現了這一點[1]。然而干擾源的磁干擾究竟有多大，距離干擾源多遠距離處可以忽略其測量的影響，尚未見有文獻進行系統的計算。本文給出了計算若干磁干擾的計算方法，并詳細計算了這些干擾的量值。

2.高壓輸電線的磁場

隨著高壓輸電線路電壓等級的不斷提高，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，在進行磁測量時需要考慮其所帶來的影響。將輸電線路簡化為無限長直導線時，可以用模擬電流法和模擬電荷法計算其工頻磁場，圖1為某高壓輸電線下方的磁感應強度分布[2]。

實際上，電流引起的磁場計算可按照簡化的公式（1）[3]進行：

（1）

取電流為1000A，則根據上式可以算出不同距離處的磁感應強度，具體數據見表1。表1中的數據與圖1中的數據是相符的。

目前我國地磁臺站到輸電線路之間的水平距離一般為數十km，其產生的磁干擾大約為數個nT，低于地磁日波動，輸電線路的影響基本可以忽略。

3.鐵路交通線的影響

列車由鐵磁性物質組成，在地磁場作用下會產生感應磁場。列車運行時將對其附近的磁測量產生影響。鐵磁體在天然狀態下被磁化時所具有的磁化強度約在73.6A/m的量級水平，由此可知，1m3的鐵磁體被自然磁化后產生約73.6Am2磁矩[4]。

假定列車長1000米，其截面積為30平方米，列車上運輸的貨物均為鋼材，且鋼材均被地磁場均勻磁化，可計算出其總感應磁矩為：

M=1000×30×73.6=2208000Am2

將列車等效為磁偶極子，可知距離其r位置處的磁感應強度為：

（2）

上式中為測量點與磁矩的夾角，為真空磁導率常量。根據此式可以估算出距離列車不同位置處的磁感應強度數值，詳見表2所示。

由于地磁場的日變幅值可達±（20～30）nT，當有磁暴、磁擾時則更大，由計算結果可以看出，當距離鐵路為1000米時，列車行駛所產生的磁場影響約為0.22nT，在地磁場日變化的干擾背景下已經無法識別。理論上講，當距離鐵路超過1000米時，非屏蔽條件下的其對磁測量的影響基本可以忽略不計了。實際上，上述計算均選取的較大值，實際的應用中列車的尺寸及磁干擾均要小于上述計算結果。

4.公路交通線的影響

根據恒定弱磁場標準裝置的設計要求，汽車引起的磁場變化應不大于地磁場自身變化量的三分之一。地磁場在短時間內的變化一般不大于5nT，所以汽車引起的磁場變化應不大于1.6nT[1]。根據俄羅斯國家弱磁原始標準的要求，弱磁計量實驗室離一級以上公路的最小距離為0.5km，與本文計算結果基本一致。實際上，可以按照與列車影響相同的公式來計算公路交通的影響。假定貨車連同其運載的純鐵的最大長度為50米，截面積為20平方米，則可計算出其總感應磁矩為：

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中的結果與文獻5是相符的。

理論上講，當距離公路超過400米時，貨車行駛所產生的磁干擾大約為0.12nT，在地磁場日變化的干擾背景下該信號已經無法識別，因此非屏蔽條件下的其對磁測量的影響基本可以忽略不計。

5.結論

本文詳細計算了高壓輸電線、鐵路列車、公路交通等干擾源對磁場測量的影響。1000A的輸電線路在距其5km處產生的磁干擾為40nT；長度為1000米的列車在距其5km處產生的磁干擾約為0.02nT；滿載100噸鋼鐵的重型卡車在距其1km處產生的磁干擾不大于0.1nT。

高壓輸電線對弱磁測量的影響最大，欲使1000A的輸電線路對磁測量的干擾降低至2nT以下，則磁測量站應距一百公里甚至更遠。對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

[1]蔡傳真，程華富，周鷹.公路對弱磁計量影響的分析[J].計測技術，2009，4：17-20.

[2]熊蘭.輸電走廊工頻電磁場的測量和解決方案[J].高壓電器，2011，8：97-101.

[3]趙旭光.載流直導線的磁場及作用力的研究[J].齊齊哈爾大學學報，2008，1：80-83.

[4]任來平.水下鐵磁體的海面磁場計算模型研究[J].海洋測繪，2004，11：16-19.

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