高压输电高频电磁环境测试与分析

（1.武汉军械士官学校，武汉 430075; 2.军械工程学院，石家庄 050003）

高压输电高频电磁环境测试与分析

吴勇1，雷磊1，樊高辉1，李林涛1，王雷2

（1.武汉军械士官学校，武汉 430075; 2.军械工程学院，石家庄 050003）

目的深入研究超特高压输电电磁辐射环境。方法采用窄带测试的方法分别对500 kV变电站和500 kV交流输电线路的超高频电磁环境进行测试与分析。结果变电站周围产生的超高频辐射场上限频率可达1 GHz，线路周围产生的超高频辐射场上限频率可达700 MHz，分裂导线将会影响线路的高频辐射场分布。在传播过程中，辐射场电场以垂直极化分量为主，辐射信号峰值随距离的衰减曲线呈非线性关系，远距离处辐射信号以低频分量为主。结论测试得到的规律对研究高压输电的高频电磁环境具有参考意义。

电磁辐射环境；超高频辐射场；分裂导线；垂直极化

超特高压输电电磁环境复杂，低频电磁辐射主要由线路表面电晕放电产生，而高频、超高频电磁辐射主要来源于金具、绝缘子上的放电和接触不良击穿导致的火花放电[1—4]。随着电压等级的提升，其电磁辐射是否会随之增强，对评估长期处在其中的人或物受到的潜在危害、对敏感电子设备尤其是各类电子武器装备的威胁和对通信频段的干扰[4—5]具有重要意义，因此对超特高压输电电磁辐射环境的测试与分析具有重要意义。

目前对低频电磁辐射的研究多集中于电晕放电的研究与分析，理论研究多为电晕放电辐射机理分析、电晕电流及其辐射场的计算[6—9]，实验研究主要涉及到线路电晕放电产生的无线电干扰测试。对于输电线路产生的电磁干扰可以通过激发函数计算出其辐射场和无线电干扰限值，但是所适用的频率相对较低，超高频辐射场并不太适宜于用此类公式进行计算[10—11]。对于高频或者超高频电磁辐射，目前多是集中于局部放电检测的研究[12—15]，而系统性针对超高频电磁环境的测试与规律分析的研究相对较少。

文中利用窄带测试，分别对500 kV变电站和500 kV交流输电线路的高频电磁环境进行了实测与分析，旨在为高频电磁干扰测试与评估提供参考。

1 高频电磁辐射测试

1.1 窄带测试原理

当前对放电辐射信号的测试多采用宽带测试，测试带宽常达GHz。在对高压输电超高频电磁环境进行测试时，宽带测试将引入较多干扰。这些干扰多为空间中充斥着的通讯、广播、电视及各种电器发射的电磁信号，直接降低测试结果的可信度和测试距离。相对于 109Hz带宽的宽带测试，窄带测试所选带宽多为数百 106Hz，测试时带内干扰较少，信噪比较高，抗干扰能力强，数据测量准确性高，且能够远距离测试电磁辐射环境。

1.2 测试系统

测试系统如图1所示，测试系统主要由宽带测试天线、接收机和示波器组成，标定后的系统具有较高的灵敏度。

图1 测试系统Fig.1 Block diagram of test system

天线采用对数周期天线，其工作带宽为 30 MHz～2 GHz，输入阻抗为50 Ω，驻波比≤1.5，旁瓣抑制比高，定向性好，空间干扰抑制能力强。接收机灵敏度高、频带宽、动态范围大，可测量信号范围为 100 Hz～4 GHz，最大中频带宽 100 MHz，接收机增益最高可达65 dB，标定后的系统最小测试场强可达 μV/m。示波器为泰克生产的TDS-7404B型，四通道实时采样，最大采样率20 GS/s。

测试时，处在放电信号辐射场中的天线将感应的射频电压通过同轴电缆传输至接收机，接收机将信号经过一系列处理后输出至示波器。宽频带的测量主要是由接收机的选频功能和宽带测试天线协同完成。

1.3 测试过程

采用辐射法进行测量，测量对象分别为某500 kV变电站、四分裂导线的500 kV交流输电线路1和六分裂导线的500 kV交流输电线路2。测量变电站周围高频电磁辐射信号时，在其径向不同距离处设置等间距测试点；测量线路周围高频电磁辐射信号时，分别在对应线路中跨和杆塔的直线方向上设置等间距测试点。

宽频带放电辐射信号的测量主要是由接收机的选频功能和宽带测试天线协同完成。接收机以中心频率100 MHz为初始值，2 GHz为终止中心频率，50 MHz为步进，中频带宽100 MHz对辐射场进行逐频段测量，最终可测量频段为 50～2050 MHz。测试时，在选定的测试点（50，100，150，200 m）分别将天线布置成水平极化或垂直极化方式，天线离地高度为 2 m，其最大增益方向对准目标。首先观察、测试并记录背景，然后逐频段测试放电辐射信号，待所测得的信号重复性较好时记录下相应的数据。其中图 2为某次测试现场图。

图2 500 kV线路测试现场Fig.2 Measurement scene of the 500 kV AC transmission lines

2 测试结果与分析

2.1 背景及干扰测试

现场测试时，不仅要测试自然背景噪声，还需考虑周围随机出现的干扰信号。测试表明，干扰信号主要包括测试区域内存在的2G网络手机信号、汽车打火信号。前者可以视为窄带干扰，后者可视为宽带干扰。表1给出了测试区域内偶尔经过的电动车产生的扰动信号时域特征，发现该扰动信号持续时间在数十纳秒左右，如图3所示。车辆产生的干扰信号与图 4所示的放电辐射信号持续时间相当，频谱相近，因此会对测试产生较为严重的干扰，测试时应尽量予以避免。

2.2 频谱分布

测量数据的统计结果表明，变电站周围高频电磁环境复杂，分布着频率从50 MHz～1 GHz的高频电磁辐射信号，输电线路和杆塔周围集中分布着频率在200～700 MHz的超高频电磁辐射信号。

图3 车辆引起的扰动信号Fig.3 Interference signal by car

图4 放电辐射信号Fig.4 Discharge radiation signal

表1 车辆马达产生的干扰信号Table 1 Interference signal generated by car motor

图5为距离变电站、输电线路和杆塔200 m处测试得到的放电辐射信号信噪比。变电站因结构复杂，放电类型较多，诸如电晕放电、局部放电以及不良接触导致的火花放电，其产生的电磁辐射信号频带较宽，高频上限可达GHz。在100 MHz以下频段由于覆盖了广播、电视等通信频段，导致实测放电信号信噪比相对较低（基本在5 dB以下），被测信号时域特征不明显；在200～500 MHz频段实测得到的放电信号信噪比相对较高，大多在15 dB以上，被测信号时域特征明显；在500～800 MHz频段，放电信号的信噪比随频带的上移均有所降低，但还保持在5 dB以上，被测信号时域特征依然可以准确识别；而在800 MHz以上频段，实测放电信号的信噪比迅速下降，被测信号基本已被背景噪声所淹没。实测输电线路和杆塔周围超高频电磁辐射信号的频段分布在200～700 MHz，但二者略有不同，其中前者信号信噪比要低于后者，尤其是随着频率升高该现象更为明显。产生该现象的原因主要是：线路上的高频辐射来源于电晕放电，而杆塔上的高频辐射主要是金具、绝缘子上的放电，一般后者频段分布更宽，强度更大。

图5 放电辐射信号信噪比Fig.5 SNR of discharge radiation signal

2.3 放电辐射信号随距离的变化规律

实际测试结果表明，变电站和线路周围的高频电磁辐射信号电压峰值随距离的增大而降低。以变电站测试数据进行分析说明，图6为等间距测试点所测信号的变化规律。辐射的电磁波信号其电压峰峰值随着距离的增加而减小，衰减曲线均呈现非线性特征，不同频段的衰减率并不相同。远距离辐射场以低频成分（＜500 MHz）为主，高频辐射场（＞500 MHz）主要分布在近距离范围内。

图6 不同测试点处辐射信号峰峰值Fig.6 Peak values of discharge radiation signals under different test points

2.4 导线分裂数对放电辐射场影响

为了控制电压和保证输送容量，在设计上超特高压线路采用分裂导线以降低导线表面场强来抑制电晕放电。相同电压等级下，分裂导线数目增多则导线等效半径增大，随之导线表面场强值降低则电晕放电被抑制。

图7给出了测试距离50 m处线路1（四分裂）和线路2（六分裂）高频电磁辐射信号的测试结果。同等测试条件下，导线分裂数越小，测得的辐射信号场强更高。由于放电的随机性，长时间测试中亦出现了各别频率附近无信号的情况。结果表明，在输送电压等级相同的情况下，导线分裂数对线路抑制电晕放电的能力不同，该规律符合理论分析。

图7 不同子导线线路的放电信号Fig.7 Discharge radiation signals of lines with different bundle conductors

2.5 极化方式对放电辐射信号接收的影响

图8给出了距变电站100 m处，采用对数周期天线分别在垂直极化和水平极化方式下测得的放电辐射信号，图9为其对应的信噪比。测试环境温度为36.9 ℃、相对湿度为59.0%。结果表明，当近距离测试时，两种极化方式下均能测试到放电辐射信号。由于水平极化方式下，掠地传播将会造成部分能量的电磁波被大地吸收，衰减较快，因此可接收信号强度降低。随着距离的增大，电磁波的水平极化分量必然比垂直极化分量衰减更快。

图8 不同极化方式下放电辐射信号峰峰值Fig.8 Discharge radiation signals under different polarization

图9 不同极化方式下放电辐射信号信噪比Fig.9 SNR of discharge radiation signals under different polarization

3 结论

文中采用窄带测试方法，对500 kV变电站、四分裂和六分裂导线的500 kV交流输电线路超高频电磁环境进行了测试，并得到如下结论。

1）相同背景下，由于放电类型较多，同一输电电压等级下变电站周围的电磁环境比输电线路更加复杂，前者产生的电磁辐射信号比后者具有更宽的频谱分布。

2）变电站和线路周围的电磁辐射信号电压峰值随距离的衰减曲线呈非线性特征，具有高频分量的信号仅存在距离放电源较近的区域，远距离处的电磁环境以低频为主。

3）天线极化方式对信号接收有较大影响，垂直极化较之水平极化更易接收信号，远距离测试宜采用垂直极化方式进行接收。

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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

吴勇（1985—），男，福建莆田人，硕士，主要研究方向为电磁场与微波技术。

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