空间中的电力系统辐射及其形成机理

张 翀

(北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院, 北京 100191)

电力线谐波辐射(Power Line Harmonic Radiation, PLHR)是一种在空间电离层中观测到的来自于地面电力系统的电磁波辐射现象,其频率一般在极低频(Extremely Low Frequency,ELF,3 Hz～3 kHz)和甚低频(Very Low Frequency,VLF,3 kHz～30 kHz)范围内. 其具体表现形式为在空间电场强度的时频功率密度谱图中若干条明显高于背景强度的相隔50 Hz/60 Hz或100 Hz/120 Hz的平行谱线, 该频率间隔与相应地面电力系统所采用的工作频率具有一致的对应关系, 例如在美国近地空间探测到的频率间隔为60 Hz和120 Hz的谱线, 在我国近地空间探测到的频率间隔为50 Hz和100 Hz的谱线. 近些年国外学者对PLHR现象开展了大量的地基观测、卫星观测和实验模拟研究[1-2]. PLHR可通过与磁层中的粒子发生相互作用使得电离层中的电子沉降增强, 影响电离层的电离产生率,并触发新的辐射, 已成为近地空间公认的人为污染源[3-4]. 而利用低轨卫星对50 Hz/60 Hz的电力系统基频辐射的观测, 以及其与谐波辐射的关系分析, 为研究电力系统辐射对近地空间环境的影响提供了新的思路[5].

本文利用DEMETER地震电磁卫星的电场探测数据,研究了电力系统基频辐射频率与相应地面电力系统的工作频率的一致性, 在我国近地空间内分析了其与PLHR之间的关系, 最后探讨了电力系统辐射的形成机理, 研究了我国架空输电线路地线的不同接地方式成为辐射源的可能性.

1 DEMETER卫星及探测数据处理方法简介

法国的地震电磁卫星DEMETER旨在研究地震发生前后的电离层扰动情况,在轨运行时间为2004年7月至2010年12月,初始轨道高度为710 km,2005年12月降为660 km,采用准太阳同步圆形轨道.卫星有2种工作模式:巡查模式和暴模式.在暴模式下,其搭载的科学仪器具有不同的工作方式,产生不同的数据产品.本文研究所用的数据来自于卫星搭载的电场探测仪在暴模式下的数据产品.在暴模式中,电场探测仪可以提供采样频率为2.5 kHz的电场3分量波形数据(数据产品编号为1130)和采样频率为40 kHz的电场单分量波形数据(数据产品编号为1131).由于绝大部分PLHR事件的频率分布在500 Hz～5 kHz之间[1,6],利用1131数据产品来分析PLHR现象,而对于电力系统基频辐射(50 Hz/60 Hz),利用1130数据产品的电场3分量波形数据分析其传播方向.

对电场波形数据进行时频分析, 得到电场强度时频功率密度谱图. 对于500 Hz以上的高次谐波辐射现象, 分析的数据为1131号数据产品, 采用4.88 Hz的频率分辨率与0.819 2 s的时间分辨率. 具体的实现方法为:每次STFT的点数8 192个采样点, 得到的频率分辨率为df=fs/8 192=4.882 8 Hz,fs=40 kHz为采样频率, 为了抑制干扰, 2次STFT之间有50%重叠,每做7次STFT进行一次平均, 作为这一时间段上的计算结果, 时间分辨率为dt=(8 192/fs)×4=0.819 2 s. 对于基频及较低次谐波辐射, 采用的频率分辨率为1 Hz, 时间分辨率为0.5 s,分析的数据为1130号数据产品.由于1130数据提供了电场3分量波形数据,可以对其波矢方向进行分析.

2 电力系统辐射的特征

2.1 基频辐射与对应地面电力系统频率之间的关系

由于我国完全采用50 Hz作为电力系统频率,为了说明卫星探测到的基频谱线频率与地面电力系统所采用频率的一致关系,需要分析卫星在其他采用不同电力系统频率的国家上空的探测数据情况.

图1是同一轨道上基频谱线频率变换的事例.该轨道为2004年12月16日卫星先后跨越菲律宾和中国上空的上行轨道,轨道及2段基频辐射发生位置如图1a所示,轨道号为024301.图1b和图1c是该轨道上2段暴模式的1131数据所做的时频图.由该图可看到在菲律宾上空探测到的60 Hz谱线及在中国上空探测到的50 Hz谱线.

图1 卫星同一轨道相继经过菲律宾和中国上空时分别探测到的不同频率的基频谱线

2.2 基频辐射与谐波辐射之间的关系

利用卫星6.5 a的全部电场探测数据,在500 Hz～5 kHz范围内在我国近地空间总共发现了133例谐波辐射事件[6].这些事件中仅有4例事件的低频频率段没有出现基频谱线,而其他129例谐波辐射事件的低频频率段均有明显的50 Hz谱线,这些基频谱线具有较长的持续时间,覆盖较大的区域.其在发生时间上覆盖谐波谱线,且强度远高于谐波谱线强度.

一个典型的例子如图2所示.图2c显示了3段50 Hz基频谱线,分别对应于图2a中的3段加粗线段.图2b显示了2段PLHR事件,第1段分布于2 kHz～3.5 kHz之间,第2段分布于4 kHz～4.5 kHz之间,在图2a中分别用叉号和实心圆圈标出.由图中可看出第1段和第2段PLHR分别对应于第2段和第3段的基频谱线,50 Hz基频谱线持续时间长,并且覆盖谐波辐射出现的时间.图2d～图2f分别是该轨道的1130电场探测数据变换到当地地磁坐标系下的电场x、y和z分量的时频功率密度谱图.1130的数据由于卫星自身的原因会引入7.33、19.53、39.06 Hz及其谐波频率的固定频率干扰[7],表现在时频图上即为对应于这些频率的谱线.可以从图中看出,50 Hz谱线存在x和y分量,而不存在z分量,即不存在沿地球磁力线方向的分量,此即电离层中的哨声模传播.

图2 卫星轨道341640的2段PLHR事件和3段基频辐射事件Fig.2 The 2 PLHRs and 3 fundamental frequency radiations of satellite orbit 341640

另外,图2c中在第2段50 Hz谱线中后段及第3段50 Hz谱线前中段之上出现了较微弱的60 Hz谱线,通过下面方法分析了2谱线的持续时间和持续时间内的平均功率密度.图2c的时频图分辨率为1 Hz和0.5 s,假设初始时刻kHz谱线的功率密度为Pk,单位为lg(μV2·m-2·Hz-1),以50 Hz为例,若满足P50>P49、P50>P51且P50-0.5(P49+P51)>0.35,则将该点作为一个有效点,若连续出现6个及以上的有效点,则这些有效点的时间及功率密度均被记录,若中途连续出现3个非有效点,则计数停止,直到下一个有效点重新开始计数,最后将有效点时间作为谱线的持续时间,再计算出所有有效点的平均功率密度.通过该方法,计算得50 Hz谱线的持续时间为188 s,平均功率密度为-0.639lg(μV2·m-2·Hz-1);60 Hz谱线的持续时间为74 s,平均功率密度为-0.96lg(μV2·m-2·Hz-1);50 Hz谱线的持续时间及功率密度均远大于60 Hz谱线.出现60 Hz时的卫星位置对应于辽东半岛-渤海-胶东半岛-江苏中南部地区.该60 Hz谱线很有可能是来自于韩国或日本西部采用的60 Hz频率的电力系统.基频辐射属于ELF频段,其自地面源产生之后传播方式更容易被限制在地球表面和电离层下边界形成的空腔中,即大地-电离层波导,可以在该波导中传播数十至上百公里后,在电离层下边界波的入射角小于进入哨声导管所需的临界角时,会进入电离层形成哨声模传播,进而被卫星探测到.

通过对所有6.5年卫星探测数据的分析,发现经过我国近地空间的轨道中有接近一半的轨道存在着50 Hz基频谱线,故基频辐射较为普遍的存在于近地空间中,而谐波辐射出现率却很低,且几乎所有谐波辐射出现时均有基频辐射存在(129/133)且发生时间被基频辐射所覆盖.故谐波辐射很可能是由基频辐射在电离层中在一定条件下所触发,而并非直接来源于地面电力系统中的谐波.

2.3 空间电力系统辐射形成机理的研究

对于ELF及VLF频段的电磁波的辐射,要求其辐射源需要有长度数十公里至上百公里的等效天线,而以大地为回路的长距离架空输电线路正好满足这个条件.输电线在三相平衡正常运行时,不存在零序电流,大地回路中没有电流.但当三相运行不平衡时,大地回路中会有流过零序电流,该零序电流分布在大地表面至趋肤深度处.一般来讲,没有架空地线且输电线两端变压器中性点直接接地的架空输电线路是最有效的辐射源[8].零序电流可以在架空地线上产生感应电流,进而产生退磁作用,削弱其辐射.而这种退磁作用的强弱需要根据架空地线的不同接地方式进行讨论.

我国66 kV电压等级的线路除了年雷暴日较多的地区建议全线架设架空地线以外, 66 kV以下的均不要求全线架设. 我国电力系统要求110 kV及以上电压等级的架空输电线路要求全线架设双地线, 分别是铝包钢绞线(普通地线)和光纤复合架空地线(OPGW), 两者主要起防雷的作用,同时OPGW也可作为通讯线缆. 普通地线与OPGW均有两种接地方式, 第一种是逐基接地,第二种是分段绝缘、单点接地. 目前,我国实际工程中采用的接地方式基本为OPGW采用逐基接地,而普通地线采用分段绝缘单点接地的方式[9].

分段绝缘单点接地方式中的一段的等效电路如图3所示,这种接地方式架空地线会在接地点附近设置带导弧间隙的绝缘子,用以保障线路正常运行时的分段绝缘状态,同时在遭受雷击时可以将绝缘子击穿雷电流通过接地电阻引入大地.故这种接地方式在正常运行时不形成回路,故架空地线没有感应电流,不会对零序电流起到退磁作用.

图3分段绝缘单点接地方式的等效电路

Fig.3 Equivalent circuit of sectional insulation with single point grounding mode

而OPGW逐基接地的方式架空地线会与大地形成回路,对零序电流有退磁作用,使得这种类型的架空输电线路成为较弱的辐射源.为了定量地研究退磁作用的大小,利用ATP-EMTP软件进行了仿真,该软件可以通过设置架空输电线路模型的参数以计算零序电流在架空地线中的感应电流大小.仿真计算的电路及结果如图4所示.图4a为仿真电路示意图,其中R1为杆塔接地电阻,R2为输电线终端变压器的接地电阻,LCC是输电线模型,包括三相输电线、普通地线及OPGW,普通地线采用分段绝缘单点接地,OPGW采用逐基接地.每个LCC长3 km,示意图中仅画了3个,实际仿真中用40个LCC模型代表120 km输电线路.LCC中需要设置的参数有:大地电阻率;三相导线、普通地线及OPGW的尺寸、电阻率及在杆塔处的相对位置;三相导线、普通地线及OPGW在杆塔处的高度及最大弧垂;三相导线分裂数及分裂导线之间的距离.

采用我国典型的500 kV输电线路的设计参数得到图4b和图4c的仿真结果.图4b是每节LCC中的OPGW感应电流对零序电流的幅值比,图4c是两者的相位差.由图中可以看出线路中段相比于两端去磁作用更明显,从数值上看这种去磁作用的效果是有限的.但是,实际情况比仿真分析更复杂,可能由于雷击及未及时更换被击穿的绝缘子,导致分段的普通地线与大地构成回路产生感应电流.故实际情况下的架空地线的去磁作用要大于仿真计算.

综上,66 kV及以下电压等级的线路由于很少全线架设架空地线,以大地为回路的零序电流会成为较有效的辐射源,而架设了双地线的110 kV及以上高压输电线路具有高电压大电流的特点,也可能形成有效辐射源,需要根据地线的接地方式及实际运行情况来评估地线感应电流对零序电流去磁作用的大小.

图4 架空地线去磁作用仿真电路及结果

3 结 论

(1) 电力系统基频辐射的频率与相应地面电力系统的频率具有一致的对应关系.

(2) 基本所有我国近地空间探测到的PLHR事件在其低频频率段均有对应的基频辐射存在,且这种基频辐射的持续时间及空间范围覆盖谐波辐射.

(3) 卫星在电离层中探测到的基频辐射是以沿着地球磁力线的哨声模方式传播.

(4) 架空输电线路的地线架设与否及接地方式对其能否成为有效辐射源有重要的影响,没有架设地线或地线采用分段绝缘单点接地方式的架空输电线路是较强的辐射源.

电力系统产生的PLHR及基频辐射现象近年来被越来越多的学者所关注,其对近地空间环境造成的影响也成为研究热点.本文对电力系统辐射现象的观测可以为其他途径的观测提供参考,为电磁波辐射传播模型的建立和研究提供数据支持;对辐射形成机理的探讨可以为电力设计相关工作提供参考.

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