特高壓線路對對空雷達站電磁干擾的防護間距

唐 波 楊嘉煒 黃 力 郝 斌

(三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443002)

隨著國際安全局勢的復雜多變，各地出現了大量對周邊電磁環境要求苛刻的雷達臺站[1-2]．以特高壓輸電線路為骨架的電網建設和對空雷達站間不可避免地出現了越來越突出的電磁干擾問題[3-5]．而目前國家所使用的防護規范仍是根據20多年前的標準GB13618-92《對空情報雷達站電磁環境防護要求》，其涉及的最高電壓等級為500 kV，顯然對于目前的狀況存在一定局限性．為此，需要針對兩者的防護間距問題做出進一步研究．

當前已有公開文獻對特高壓輸電線路與周邊電磁設施防護間距的研究，但其主要針對對象是處于中短波頻段(0.3～30 MHz)內的無線電臺站[6，7]．而對空雷達站工作頻段處于80～3 000 MHz，影響可能更為嚴重．與一般無線電臺站的防護準則相比，對空雷達站有其特殊的防護要點，最主要一點體現為：雷達站除了對周邊環境及設施有相應的防護規定外，還需保證探測距離損失在5%以內．

為此，基于對空雷達站電磁防護準則和雷達回波方程，提出了特高壓輸電線路與對空雷達站的理論求解模型，并應用數值分析法研究兩級系統之間的防護間距問題．以允許探測距離損失為基準，通過對特高壓鐵塔的塔型、一定線路長度下的鐵塔基數、雷達入射波角度的建模和仿真分析，得出了雷達探測損耗隨兩者間距距離變化時的規律，最后對現有防護間距標準提出了建議．

1 防護間距與探測距離損失

雷達進行目標探測時，探測距離是衡量其探測性能強弱的一項重要指標[8]．根據目前研究，雷達探測距離的評估方式主要是通過實地探測或者縮比實驗完成的[9]，但這兩種以試驗為基礎的數據采集無疑會耗費大量資源，實施過程十分困難．因此，如何有效評估探測距離損失就是解決防護間距問題的先行條件．

假設雷達發收天線共用，雷達信號的接收方程和雷達探測距離公式分別如下：

(1)

(2)

式中，R是雷達距離目標距離，Rmax是雷達最大可探測距離，Pt是雷達發射功率，Pr是雷達回波功率，G是發收天線增益，λ是雷達波長，Pmin是雷達可檢測到的最小回波信號，σ是雷達散射截面(RCS， Radar cross section)．

根據標準規定，在保證發射功率不變的情況下，通過對式(1)等號兩邊的簡單變換，5%的允許最大探測距離損失可以等效為允許探測功率損耗降低0.9 dB，而雷達探測功率損耗可通過分貝換算公式得出：

ΔP=10lg(Pr/Pt)

(3)

式中，ΔP是雷達探測功率損耗．

因此，對雷達探測距離損失的求解即可轉化為對探測功率損耗的分析．結合式(1)和式(2)可以看出，影響雷達探測功率損耗的主要變量因子是雷達散射截面σ，其它如發射功率Pt、波長λ、天線增益G等參量則取決于雷達的自身屬性．

根據雷達散射截面(RCS)的定義可以得到其表達式為：

(4)

式中，Es為目標散射場強，Ei為雷達入射波場強．

結合方程(1)～(4)，通過對σ的求解即可得到探測功率損耗大小，進而對防護間距進行判定．

2 對空雷達站防護間距的求解

2.1 防護間距的規程算法

當前防護間距的確定是根據等效噪聲帶寬和最大允許效干擾場強直接進行計算的．計算公式如下：

(5)

Ejqmax=Ujfmax+20lgf-G-10lgZ+VEgp+L-9.8

(6)

Ujfmax=0.48Unf

(7)

式中，Dmin是所需防護間距，E0是不同電壓等級常量，f是雷達工作頻率，Bn是噪聲帶寬，Ejqmax是最大允許干擾場強峰值，Ujfmax是最大允許干擾電壓有效值，Z是雷達接收機輸入阻抗，ΔEgp是準峰值場強與峰值場強分貝數之差，L是雷達天線系統損耗，Unf是等效本機系統噪聲電壓有效值．

標準中對E0、ΔEgp、Unf的參數取值有明確規定，可根據其研究對象進行相應賦值．然而，噪聲帶寬Bn是由線路本身參數決定，其與線路諧振頻率相關；天線系統損耗L大小是由內部系統損耗以和外部人為操作及環境損耗兩方面因素共同決定的，而現場實際情況的復雜多變，諸如操作損耗、環境影響損耗等因素大小很難確定．并且，由于實際線路桿塔和線路模型結構復雜，很難通過公式直接進行計算，應考慮數值算法．

2.2 采用數值算法求解防護間距

由2.1節分析可知，采用數值算法求解防護間距時，需要求解出目標鐵塔的散射場強Es的大小，進而才能確定探測距離損失和防護間距的關系，因此首先需要建立散射場求解模型．

如圖1所示為建立特高壓輸電線路與對空雷達站防護間距的求解模型示意圖．從圖1中可以看出，輸電線路沿y軸方向建立，雷達站位于中間的1基鐵塔橫線路方向并沿x軸方向進行信號發收．雷達與最近的1基鐵塔的防護間距為D，當線路與雷達站的防護間距需要調整時，可將線路看作一條直線并沿x軸方向平移，以此來模擬不同情況下的干擾損耗從而確定最佳防護間距．

圖1 散射場求解模型

模型建立完成后，就需要選擇合適的算法進行求解．在高頻散射問題求解中，空間任意點散射場Es可采用LE-PO法求解．LE-PO法是一種基于Stratton-chu積分方程的高頻快速求解方法，文獻[10]詳細分析了散射場的求解步驟，在此不做過多敘述．模型和算法確定后，通過改變雷達站與輸電線路的相對位置以及各個變量因子，將求得的散射場結果帶入前文公式進行計算，以0.9 dB為標準閾值進行結果篩選，從而確定最佳防護距離．

3 防護間距的具體求解

3.1 模型及參數設置

建立特高壓輸電鐵塔模型時，選用酒杯塔、貓頭塔和干型塔進行分析，為了避免塔高因素帶來的影響，因此在建模時統一兩種塔型的高度為65 m．如圖2所示為3種塔型的模型．

圖2 特高壓輸電塔模型

根據特高壓工程標準設計規范，鐵塔角鋼規格選用L200型，寬度為0.2 m；雷達天線激勵源采用垂直極化平面波模擬．

以500 kV電壓等級的輸電線路防護間距規定為基礎，在研究特高壓線路防護間距時，設置1 000 m為起始防護距離進行研究．雷達與鐵塔距離從1 000 m依次線性增加至2 500 m，步長為100 m．

3.2 防護間距的具體求解

根據對空雷達站工作所處頻段，選取100 MHz、500 MHz、1 GHz、3 GHz分別對特高壓輸電線路鐵塔的塔型、檔距以及當雷達入射波角度為30°、60°和90°時探測損耗與防護距離的變化規律進行分析．

3.2.1 塔型對雷達探測損耗的影響

如圖3所示為酒杯塔、貓頭塔和干型塔3種塔型對雷達探測損耗隨防護間距的變化規律．圖中虛線表示標準規定的0.9 dB探測損耗要求．

圖3 防護間距與損耗變化規律(塔型)

從圖3中可以看出，隨著防護距離的提升，3種塔型對雷達探測造成的損耗都呈現減小趨勢，并且通過圖a和圖d對比得出，當頻率從100 MHz升高到3 GHz時，鐵塔對雷達探測造成的損耗是降低的，相應的防護距離也隨之減小．如當頻率為100 MHz時，3種塔型造成的損耗都約為2.3 dB，需要的防護距離為2 100 m；而當頻率提升至3 GHz，損耗降低至約1.4 dB，防護距離為1 500 m時就能滿足0.9 dB的探測損耗要求．同時，結合圖(a)～(d)4個圖發現，在4種不同頻率下激勵下的3種塔型損耗變化規律基本一致，因此認為塔型不是影響雷達探測損耗的主要因子．

3.2.2 鐵塔數量對雷達探測損耗的影響

設置總線路長度為2 000 m，分別研究放置3基、5基、7基不同數量的鐵塔對雷達探測損耗的變化規律．根據圖3得出結論，塔型不是主要的影響因子，因此在研究鐵塔數量時統一采用酒杯塔進行建模分析．

如圖4所示表示不同頻率下當鐵塔基數變化對探測損耗帶來的影響．通過圖4(a)～(d)4個圖對比發現，和設置5基或7基鐵塔相比，設置3基鐵塔在4種頻率激勵下對雷達探測損耗的影響都是最小的，相應的其防護間距要求也最低．如在圖4(d)中，當頻率為3 GHz時，3基鐵塔的防護間距為1 250 m時即可達到標準限值．然而，隨著鐵塔基數的增加，從3基到5基再到7基，以圖4(c)為例，探測損耗呈現一個先增加后降低的趨勢，損耗最大值出現在設置5基鐵塔的時候．和3基塔、5基塔相比，7基塔造成的探測損耗介于兩者之間，圖4中其余3個圖變化規律也基本相同．

圖4 防護間距與損耗變化規律(鐵塔數量)

3.2.3 雷達入射波角度對探測損耗的影響

選取當雷達入射波為30°、60°和90°3種情況下進行研究分析，如圖5所示．

圖5 防護間距與損耗變化規律(入射角度)

從圖5中可以看出，當雷達入射角度與輸電線路垂直即為90°時，造成的探測損耗影響最大，最大值出現在頻率為100 MHz時，損耗為2.3 dB，根據求解結果，此時防護間距要求約為2 200 m；在圖5中，由(a)～(d)4個圖對比發現，當入射角度為30°和60°時，損耗的變化規律十分接近.因此認為當雷達入射波垂直線路走向時造成的探測損耗更為明顯．

4 結 論

1)根據本文研究結果，塔型對雷達探測損耗的影響較小，主要的影響因子是鐵塔數量以及雷達入射角與線路走向的夾角．在考慮3種變量因子的最大影響情況下，建議防護間距設置1900m～2100m；同時，在實際特高壓工程建設中，輸電線路走向應盡量避開雷達入射的垂直方向，并且在一定的線路總長內，盡量減小鐵塔建設基數．

2)本文研究對實際的特高壓工程建設在一定程度上具有指導意義，對今后的特高壓工程線路規劃具有實際參考價值．

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